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Théorème de Kutta-Joukowski

1902
  • Martin Kutta
  • Nikolai Zhukovsky (Joukowski)
Profil aérodynamique en soufflerie démontrant le théorème de Kutta-Joukowski et la génération de portance.

The Kutta-Joukowski theorem quantifies the lift force generated by an airfoil. It states that the lift per unit span ([latex]L'[/latex]) is directly proportional to the fluid density ([latex]\rho[/latex]), the free-stream velocity ([latex]V[/latex]), and the circulation ([latex]\Gamma[/latex]) around the body: [latex]L’ = \rho V \Gamma[/latex]. This links the abstract concept of circulation to the physical force of lift.

The Kutta-Joukowski theorem provides the essential mathematical link between the abstract concept of circulation and the physical force of lift. Circulation ([latex]\Gamma[/latex]) is a measure of the macroscopic rotation of a fluid in a given area. For an airfoil, circulation is generated because the air travels faster over the top surface than the bottom. This velocity difference, integrated around a closed loop enclosing the airfoil, results in a net non-zero circulation.

The theorem elegantly shows that to generate lift, there must be circulation. This resolved a major issue in early aerodynamic theory. However, the theorem itself does not explain how an airfoil of a specific shape generates the required amount of circulation. This is where the Kutta condition comes in. Proposed by Martin Kutta, the condition states that for an airfoil with a sharp trailing edge, the flow must leave the trailing edge smoothly. It cannot wrap around the sharp edge. This physical condition uniquely determines the exact amount of circulation ([latex]\Gamma[/latex]) for a given airfoil shape, angle of attack, and airspeed. By combining the Kutta-Joukowski theorem with the Kutta condition, one can theoretically calculate the lift on a 2D airfoil, a cornerstone of wing design.

The theorem also perfectly explains the Magnus effect, where a spinning object moving through a fluid experiences a force perpendicular to its motion. The spinning surface drags the fluid around with it due to viscosité, creating circulation. This circulation, combined with the forward velocity, generates a lift force according to the theorem, causing the object to curve.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mécanique

Taper

Theorem

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Helmholtz’s theorems on vortices
  • Lord Kelvin’s circulation theorem
  • Théorie des flux potentiels
  • Techniques de cartographie conforme développées par Riemann et d'autres

Applications

  • calcul théorique de la portance sur les profils aérodynamiques
  • expliquer l'effet magnus sur les balles en rotation (par exemple, au baseball, au golf, au tennis)
  • conception de rotors Flettner pour la propulsion des navires
  • développement de profils avancés d'hélices et de pales de turbine
  • comprendre la portance générée par les tourbillons

Brevets:

NA

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