Introduction:

        En aéronautique de voltige et militaire, les pilotes sont réputés pour leur résistance physique à toute épreuve. Peu de gens le savent mais leurs aptitudes physiques sont une réponse à un phénomène de physique dite de "mécanique" : le facteur de charge.

  En effet, au fil des ans, les aéronefs se sont perfectionnés grâce à des avancées techniques qui ont permis et permettent encore aujourd' hui, d'optimiser les performances des avions en vol. Parmis ces améliorations, nous pouvons citer par exemple, une meilleure connaissance de l'aérodynamisme et le passage du moteur à pistons au moteur à réaction qui est apparut pendant la deuxième guerre mondiale avec le célèbre Messerschmitt 262 (photo ci-contre); ces innovations furent principalement étudiées lors de la Guerre Froide avec notamment la fameuse zone 51 aux Etats-Unis dans le Nevada où des chercheurs faisaient des essais pour, encore une fois, optimiser les performances en vol.


(ci-contre, une photo satellite de la zone 51)


Pour notreTPE, nous allons définir, dans un premier temps, ce qu'est le facteur de charge en nous appuyant sur des schémas et des tableaux, puis, nous analyserons ses conséquences sur le corps humain et enfin, pour répondre à notre problématique qui est "Comment limiter les effets du facteur de charge?" nous trouverons des solutions pour pallier aux problèmes vus dans la partie précédente.

I-Qu'est-ce qu'un facteur de charge?

A- Généralités et formulations du facteur de charge

   C'est bien connu, lorsqu'un objet est mis en mouvement, il a tendance à vouloir garder son mouvement initial. Ainsi, lorsqu'un avion effectue un virage, le pilote se trouve alors collé à son siège, il ressent comme une sensation d'écrasement qui, ajoutée à l'attraction de la terre lui donne l'impression qu'il va traverser son siège. Cette force qui écrase le pilote est appelée facteur de charge ou "g" en référence au mot "gravité" qui se rapporte à l'attraction de la terre énoncée précédemment, il est mesuré en G. Celui-ci peut être positif ou négatif selon le mouvement, mais il faut savoir que les "g positifs" sont les plus courants.

Il est également important de préciser que, si le pilote subit une force, il en va de même pour l'avion et tous ses équipements: ce site internet étant consacré au facteur de charge et à ses effets sur le corps humain, nous parlerons principalement des "g" s'appliquant sur le pilote.

En somme, le facteur de charge est le rapport entre le poids apparent et le poids réel.
Lors d'un virage serré, le poids apparent ressenti par le pilote augmente de par l'accélération engendrée (les accélérations seront définies plus bas dans une autre partie). Par exemple, si le facteur de charge est de 2 G, le pilote a l'impression de peser deux fois plus lourd, on constatera le même chose pour la structure de l'avion. Il ne faut en aucun cas confondre le poids apparent avec le poids réel d'un objet, ce dernier ne change jamais.
Bien entendu, plus le virage est serré (c'est à dire l'angle d'inclinaison est élevé) plus le poids apparent sera conséquent.
Ce poid apparent est expliqué grâce à nos deux expériences que vous pouvez retrouver dans la partie 4. expérience 
Voici donc un schéma des différentes forces qui agissent sur l'avion (donc le pilote) lors d'un virage:

    - α est l'angle d'inclinaison par rapport à un plan horizontal (ou angle de roulis);
    - Ra est la portance de l'avion (c'est la force qui le fait voler);
    - La force centripète est une forte d'inertie qui permet d'effectuer le virage, elle se dirige vers le centre de la courbure;
    - La force centrifuge est la force créée par inertie à partir de la force centripète, elle est de même valeur et de même direction mais est de sens opposé;
      - P est le poids donné par le produit de la masse de l'objet et de la constante de gravité qui est de 9.81 N/Kg à Paris;
    - Enfin, Pa est le poids apparent qui est de même valeur que la portance, de même direction mais est de sens opposé. Celui-ci est le produit du facteur de charge (nombre de G) et de la masse de l'objet étudié.                               

D'après ce schéma, on peut donc aboutir à la formule suivante: cosα = P/Pa donc Pa = P/cosα
                       - de même, pour le facteur de charge noté n: n = Pa/P = 1/cosα$$$$$$$$ 
                         comme Pa = √(P² + C²) on a donc n = √( P² + C²)/P avec C, la force centrifuge;       
                         *C =m×v²/ r(virage) avec m la masse en kg, v la vitesse en m/s et r le rayon en mètres.
                        - on peut également calculer le facteur de charge en fonction de la portance: n = Ra/P

   En vol rectiligne, à vitesse constante, le pilote subit un facteur de charge de 1G, autrement dit il ne ressent rien. En revanche, lorsqu'il fait un virage, la direction du vecteur vitesse change grâce à une accélération centripète dirigée vers le centre de la courbure, l'inertie provoque la création de la force centrifuge qui est égale à la force centripète mais est de sens opposé; c'est cette force que ressent le pilote quand il subit un facteur de charge.


 Comme références, on peut prendre le poids du corps qui correspond à 1G. En apesanteur, dans l'espace, l'accélération correspond à 0G on dit que l'accélération est nulle.

(Ci-dessous, une courbe du facteur de charge en fonction de l'inclinaison, à vitesse constante)

(L'inclinaison est placée en abscisse  tandis que le facteur de charge est en ordonnée)

Cette courbe a été réalisé grâce à la formule donné précédemment: n = 1/cosα et à partir du tableau suivant:

   De plus, la portance augmente également avec le facteur de charge; voici donc un tableau rendant compte d'une synthèse de l'augmentation du facteur de charge associé à l'inclinaison (à titre de rappel, l'inclinaison est la même chose que l'angle de roulis) et de la portance Ra :

   Les "g" négatifs, à l'inverse des "g" positifs, donnent l'impression au pilote de peser de moins en moins lourd :  dans une montagne russe, quand le wagon descend d'un seul coup à la suite d'une ascension, on se sent attiré vers le haut. A l'échelle d'un avion, un facteur de charge négatif à tendance à soulever le pilote, il a alors l'impression qu'il va toucher la verrière avec sa tête (ou plutôt son casque).
De ce fait, la portance est orientée vers le "ventre" de l'aéronef lorsque les "g" sont négatifs. Lors d'un vol rectiligne sur le dos, le facteur de charge est de -1G.

B- Le rôle des accélérations dans le facteur de charge:

Le calcul et la connaissance des accélérations permettent de mesurer le facteur de charge: une accélération, donné en m/s ou en rad/s, peut être multiplié avec la constante de gravité (9.81) pour obtenir la valeur d'un facteur de charge correspondant à l'accélération en question.
Nous allons donc définir ce qu'est une accélération et expliquer son lien avec le facteur de charge.

 Une accélération c'est une variation de vitesse au cours du temps, en somme, le vecteur accélération est la dérivée du vecteur vitesse. De manière générale l'accélération est l'inverse de la masse du corps étudié multiplié par la force totale qui s'éxerce sur lui (seconde loi de Newton) soit       . Dans un avion, l'accéléromètre, appareil qui peut se présenter sous la forme d'un cadran ou d'un affichage analogique permet de mesurer l'accélération en G. Il calcule en fait l'accélération de l'avion en fonction des trois axes que nous nous apprêtons à étudier. Dans les avions de chasse moderne, cette information est également affichée sur l'affichage "tête haute" (photo à gauche).

On peut lister différentes accélérations en fonction de trois axes:

(ci-dessus, un accéléromètre calibré de -5G à 12G)

- l'axe x longitudinal ("avant/arrière") qui définit les accélérations longitudinales ou les accélérations angulaires en roulis, lors de celles-ci, les accélérations sont simplement dûes au changement de vitesse de l'appareil. Par exemple, le fait d'appuyer sur la pédale d'accélérateur d'une voiture circulant en ligne droite produit une accélération longitudinale; le principe est le même pour l'accélération angulaire en roulis, celle-ci est uniquement observable sur un avion, elle consiste simplement à faire accélérer l'objet tout en le faisant faire une rotation sur ce même axe longitudinal, de cette façon, le nez et la queue de l'aéronef garde le même alignement, pour ce faire, le pilote donne un coup de manche sur la droite ou sur la gauche. Pour un avion, la pédale d'accélérateur est en fait la manette des gaz. L'accélération est alors notée Gx et le facteur de charge correspondant est noté nx;

- l'axe z dit de lacet ("tête/pieds") qui traduit les accélérations angulaires en lacet, dans ce cas, ces accélérations proviennent d'un changement de direction, l'appareil passe d'une trajectoire rectiligne à une trajectoite curviligne, ceci dans un plan horizontal. Pour une voiture, ce changement de direction s'appelle un virage mais pour un avion on utilise le terme de "dérapage", le virage "aéronautique" étant un équilibre entre les trois axes que nous avons listé: il allie les mouvements de roulis, de lacet et enfin de tanguage. Pour revenir à notre changement de direction sur un plan horizontal, il s'effectue grâce au palonnier (nommé également gouverne) qui est commandé par des pédales, l'accélération est alors notée Gz et le facteur de charge correspondant est noté nz.

  - l'axe y transversal ("gauche/droite") qui comprend les accélérations radiales ou angulaires de tanguage,           celles-ci sont les plus dangereuses pour le pilote, elles apparaissent par exemple lors des loopings ou lors des virages très serrés c'est à dire: quand le pilote tire sur le manche. Ces accélérations sont celles qui favorisent le plus un facteur de charge élevé. l'accélération est alors notée Gy et le facteur de charge correspondant est noté ny.

C- Conclusion partielle


   Dans cette partie, nous avons pu constater que le facteur de charge était une force inertielle qui s'applique sur l'aéronef et son pilote. La valeur du facteur de charge change lorsque le mouvement de l'avion est modifié par le pilote, celui-ci crée alors une accélération qui peut-être positive ou négative (dans le cas d'une déscélération).
Les "g" sont calculés à l'aide d'un accéléromètre qui calcul l'accélération Gz selon 3 axes mais tous les avions ne possèdent pas d'accéléromètre: seuls les avions de voltige et de chasse sont homologués comme étant les aéronefs subissant le plus le facteur de charge c'est pourquoi leur structure est prévue pour être très résistante grâce à des matériaux spécifiques, notamment, les matériaux composites.

Nous allons maintenant voir quels sont les effets des "g" sur le corps humain. 
     --------->/2-quelles-sont-leurs-consequences-sur-le-corps-humain