Redécouvrir Martin Simons

Dans la partie précédente de cette série (voir Ressources ci-dessous pour le lien), il y avait un regard sur les livres de Martin Simons liés aux modèles réduits d'avions et en particulier comment ils traitaient le sujet du centre de gravité. Ce mois-ci, nous passons à la discussion de Simons sur un autre sujet d'intérêt pour la communauté des voleurs RC : les turbulateurs. Nous commençons par les commentaires du conservateur Peter Scott, puis suivons avec le texte et les images des livres de Martin, sauf indication contraire. — Éd.
Ceci est davantage tiré des excellents livres de Martin Simons, cette fois sur le sujet des turbulateurs. Le nombre de Reynolds est au cœur de l'écoulement des fluides et a toujours été un peu un mystère pour moi. Les concepteurs d'avions utilisent des modèles réduits dans leurs expériences en soufflerie, leur expérience est donc pertinente pour nous. Il y aura plus d'informations sur le nombre de Reynolds dans un futur article, mais comme Martin le mentionne, j'ai cité un bref compte rendu de BYJU (voir Ressources , ci-dessous):
«Le nombre de Reynolds est une quantité sans dimension qui est utilisée pour déterminer le type de modèle d'écoulement comme laminaire ou turbulent tout en s'écoulant à travers un tuyau. Le nombre de Reynolds est défini par le rapport des forces d'inertie à celles des forces visqueuses.
« Si le nombre de Reynolds calculé est élevé (supérieur à 2000), alors l'écoulement dans la canalisation est dit turbulent. Si le nombre de Reynolds est faible (inférieur à 2000), l'écoulement est dit laminaire.
"Le nombre de Reynolds porte le nom du physicien britannique Osborne Reynolds. Il a découvert cela en observant différentes caractéristiques d'écoulement de fluide comme l'écoulement d'un liquide à travers un tuyau. Il a également observé que le type d'écoulement peut passer de laminaire à turbulent assez soudainement.

À partir de là, tous les textes et images proviennent des livres de Martin, dans ce cas seulement deux.

Vol modèle
3.18 Écoulement laminaire et turbulent
À la recherche d'une traînée plus faible, une grande attention a été accordée, ces derniers temps, au flux d'air à l'intérieur de la couche limite, la couche d'air qui est entraînée par frottement avec la peau de l'aile plutôt que de simplement s'écouler devant elle. La couche limite est souvent décisive pour décider quand une aile décroche, puisque la séparation commence d'abord dans cette couche. Au sein de la couche limite, deux types d'écoulements très différents se produisent, laminaire et turbulent (Figure 3.23).
Une couche limite laminaire est une couche dans laquelle l'écoulement près de la peau de l'aile est disposé en feuilles ou lamelles très minces qui glissent doucement les unes sur les autres avec très peu de résistance au frottement. Une couche limite laminaire crée peu de traînée cutanée. Une couche limite turbulente est très perturbée, les particules se déplaçant rapidement vers le haut, vers le bas et latéralement. Cela crée plus de traînée de friction sur la surface de l'aile. La couche limite turbulente est également plus épaisse qu'une couche laminaire, de sorte que l'écoulement simplifié général à l'extérieur de la couche limite doit passer sur ce qui est, en fait, une forme plus épaisse que si la couche limite est entièrement laminaire. Cela augmente la traînée de forme.
Sur un avion de taille normale, la couche limite au-dessus d'une aile commence généralement à être laminaire, mais après une très courte distance, le flux de glissement régulier se brise et la couche limite devient turbulente (Figure 3.24).

Une impression visuelle approximative de ce qui se passe peut être obtenue en observant la façon dont l'eau s'étale sur une surface lisse, comme le fond d'une baignoire ou d'un évier, lorsqu'un robinet est ouvert. L'écoulement est laminaire au début, mais à une certaine distance du point où le jet de fluide frappe, la transition de surface se produit et un écoulement turbulent, avec une augmentation de la profondeur, prévaut. La couche limite sur une aile, bien qu'invisible, ressemble beaucoup à celle-ci. Une fois la transition effectuée, le processus ne peut pas être inversé, donc une traînée de peau élevée continue sur une aile à l'arrière de la transition, jusqu'au bord de fuite. (Des expériences ont été faites avec une aspiration à travers de petits trous dans l'aile, pour éliminer la couche limite turbulente après sa formation. Cela peut restaurer le flux laminaire, mais il redevient rapidement turbulent. L'aspiration doit continuer jusqu'au bord de fuite.)
De très petits défauts, tels que des têtes de rivets et des fossettes à peine détectables dans la peau de l'aile, des mouchetures et des éclats de peinture, peuvent gâcher même la petite quantité de flux laminaire qui existe. Par conséquent, les avions de taille normale volent souvent avec des couches limites entièrement turbulentes.
3.19 Effets d'échelle
A quelques centimètres derrière le bord d'attaque d'un gros avion, la couche limite devient généralement turbulente. Bien que la traînée cutanée soit élevée, au moins le flux d'air principal n'est pas forcé de s'éloigner de la surface. Les ailes des modèles se comportent différemment des ailes pleine grandeur à cet égard. Sur une aile modèle, les quelques centimètres d'écoulement laminaire peuvent s'étendre du bord d'attaque à un point assez loin à l'arrière de l'aile, à quelle distance dépend de la corde de l'aile à chaque point et de la vitesse de vol. Cela semble à première vue comme si un modèle devait avoir un avantage, en termes de traînée de profil.
Malheureusement, ce n'est pas le cas. Une couche limite laminaire sur une aile modèle, simplement parce qu'elle crée moins de traînée de peau et a moins de transfert d'énergie d'écoulement vers l'aile, a tendance à se séparer complètement de la surface dès que le point de pression minimale (vitesse d'écoulement maximale) est passé . Dans le pire des cas, cette séparation est totale. L'aile décroche très tôt. Les modèles de vol libre lents avec des ailes épaisses et de petites cordes souffrent d'un tel décrochage prématuré et fonctionnent mal. Avec les modèles radiocommandés, si l'aile n'est pas trop épaisse, il se produit normalement la formation de bulles de séparation (Figure 3.25).

Lorsque la couche limite laminaire quitte la peau de l'aile, après un court délai, elle se décompose généralement en une couche turbulente, qui est plus épaisse. Cette augmentation d'épaisseur lui permet de se rattacher à l'aile. Sous la zone séparée se trouve une "bulle" d'air stagnant qui ne se déplace pas vers l'aval avec le flux, mais reste sur l'aile, avec une circulation propre. La bulle de séparation peut mesurer plusieurs centimètres de long dans le sens de la corde et, sur un petit modèle, peut couvrir la majeure partie de la surface supérieure de l'aile. Il y aura généralement une bulle de surface inférieure aussi.
Plus l'aile est grande et plus elle vole vite, moins ces bulles de séparation deviennent importantes. Ils se produisent sur les planeurs de taille normale, mais sur une grande aile à grande vitesse de vol, une petite bulle de séparation a peu d'influence. Sur un modèle réduit d'aile, volant lentement avec une petite corde, une telle bulle peut entraîner une dégradation très importante des performances. Cela crée une perturbation efficace du flux d'air principal, ce qui crée une traînée de forme supplémentaire. L'effet d'une bulle de séparation peut être assimilé à l'ouverture d'un petit aérofrein de quelques millimètres de haut, d'un bout à l'autre de l'aile, sur le modèle. Les ailes de modèle ne sont donc jamais aussi performantes que les ailes grandeur nature.
3.20 Turbulateurs
Cela améliore parfois les performances d'un modèle de vol lent à petite corde si la formation d'une bulle de séparation peut être empêchée en déclenchant une transition de couche limite avant que le point de pression minimum ne soit atteint sur l'aile. Cela peut parfois être fait en utilisant des turbulateurs (Figure 3.26).

Ce sont de très fines bandes de ruban adhésif, collées sur l'aile dans le sens de l'envergure, à une petite distance en avant du point où la bulle de séparation devrait se développer. Le turbulateur ne doit pas être trop épais, car s'il l'est, il pourrait avoir un effet pire sur les performances que la bulle de séparation elle-même. Il existe des preuves suggérant que la pose du ruban en fines dents de scie ou en zigzag produit un effet plus important. Certains pilotes de modèles pensent également que l'utilisation d'un matériau de revêtement d'aile légèrement rugueux, tel qu'un tissu légèrement dopé, au lieu d'un film très brillant ou d'une finition de peinture, aide à provoquer une transition de couche limite. Très peu d'informations précises sont disponibles ici à titre indicatif, mais les turbulateurs valent la peine d'être essayés en cas de doute sur les performances d'un modèle particulier.
Les bandes de ruban peuvent être mises en place et retirées assez facilement, et le changement résultant du comportement du modèle observé. L'idée d'utiliser plusieurs turbulateurs ou revigorateurs de couche limite les uns derrière les autres mérite également d'être étudiée. L'intention n'est pas de favoriser un écoulement turbulent sur toute l'aile, mais de préserver la couche limite laminaire sur la partie avant de la peau dans la mesure où il est sûr de le faire, puis de provoquer une transition juste avant le point de séparation laminaire. Les turbulateurs peuvent être utiles à la fois sur les surfaces supérieures et inférieures des ailes et l'expérience est, à l'heure actuelle, le meilleur moyen de savoir où les placer.
Le problème des bulles de séparation n'est qu'un aspect de l'effet d'échelle. Un autre problème est causé par la viscosité inhérente de l'air. Le mouvement à travers des fluides visqueux, comme la mélasse, est beaucoup plus difficile qu'à travers des substances moins visqueuses comme l'eau ou l'air. Bien que l'air ne soit pas très visqueux, il n'en a pas moins une certaine viscosité. Pour un très gros avion, cela est relativement peu important, mais pour les petites créatures, comme les moucherons et les moucherons, voler est extrêmement difficile. Pour de si petites ailes, l'air ressemble presque à de la mélasse. Pour compenser, les petits insectes battent leurs ailes à des taux extrêmement élevés, de sorte que le débit d'air sur leurs surfaces est assez élevé. Les modèles réduits d'avions se situent entre ces extrêmes, pas aussi petits que les insectes, mais pas aussi rapides que les avions de taille normale. En fonction de la taille de l'aile et de la vitesse, la viscosité relative de l'air augmente la traînée à tout moment. Le modèle volant rapide avec une grande corde d'aile a toujours un avantage sur le petit modèle lent avec une corde étroite pour cette raison, indépendamment des effets de bulle de séparation mentionnés ci-dessus. Les effets de viscosité sont ressentis plus fortement par des ailes épaisses, ce qui est une autre raison d'utiliser des profils aérodynamiques minces sur les modèles, lorsqu'une traînée minimale est requise.
L'effet d'échelle est souvent exprimé en nombre de Reynolds ou Re . Les avions légers motorisés pleine grandeur volent à des nombres Re supérieurs à 1 000 000, les planeurs et les avions ultra-légers plutôt inférieurs à cela à leurs vitesses inférieures. Les modèles de course de pylônes et les planeurs multitâches atteignent environ 500 000 Re à leurs vitesses maximales et aux cordes d'aile les plus larges. La plupart des modèles sportifs volent à Re environ 100 000 jusqu'à 300 000. Les moucherons et autres petits insectes sont en baisse dans la gamme de 5 à 10 000 Re.

Aérodynamique des modèles réduits d'avions
8.4 Le rayon du bord d'attaque
La raison du faible Re critique de ces profils était, selon Schmitz, leur combinaison d'un très petit rayon de nez ou de bord d'attaque et d'une courbure de surface supérieure relativement petite. Le point de stagnation du flux d'air près du bord d'attaque d'une aile à angle d'attaque positif est toujours légèrement en dessous du bord d'attaque géométrique. La couche limite commence son voyage sur la surface supérieure en s'écoulant autour du bord d'attaque lui-même. Aux fortes incidences, l'écoulement dans ce voisinage est même légèrement en amont (Fig. 8.7).

De la quasi-stagnation, la couche limite se déplace vers une région de basse pression sur la surface supérieure et accélère. Si le profil a un bord d'attaque légèrement arrondi de grand rayon, comme le font généralement les profils aérodynamiques épais, la couche limite peut suivre cette courbe facilement et reste laminaire. Si le rayon du bord d'attaque est petit, la couche limite est obligée de suivre une courbe très prononcée ou même une arête en couteau, changeant de direction très brusquement tout en accélérant rapidement vers le point de basse pression qui, sur les profils de ce type ancien, se situe seulement une petite distance derrière le bord d'attaque. On peut s'attendre à ce que l'inertie de la couche limite surmonte les forces visqueuses lors de ce changement soudain de direction et se sépare de la surface de l'aile. Il se rattache immédiatement le coin est passé, mais une toute petite bulle de séparation, ce que Schmitz appelait un « vortex renversé », se forme dans la couche limite. Le petit rayon du bord d'attaque introduit ainsi des turbulences artificielles dans le flux d'air, favorisant une transition précoce. Le rattachement n'est pas instantané. Une bulle de séparation se forme et la couche limite se rattache à une certaine distance à l'arrière du bord d'attaque.
8.5 Turbulateurs
L'effet du bord d'attaque aigu est très similaire à celui d'un fil turbulateur dans le courant principal devant le bord d'attaque. Un effet similaire est obtenu en montant, sur ou juste derrière le bord d'attaque, une «bande de déclenchement» surélevée ou turbulateur de bord d'attaque, qui peut être de différentes formes et tailles. Dans chaque cas, ce qui est nécessaire est une brève bulle de séparation suivie d'un rattachement turbulent en aval. Un turbulateur trop petit n'atteindra pas la transition précoce, mais un turbulateur trop grand peut lui-même provoquer une séparation d'écoulement.
Une fois la couche limite mise en turbulence, il reste important qu'elle ne se sépare pas de l'extrados. Un profil avec un turbulateur ou un bord d'attaque pointu nécessite toujours que l'air s'écoule contre un gradient de pression défavorable une fois qu'il a dépassé le point de pression minimum. Un profil mince présente une tâche moins redoutable à la couche limite, de sorte qu'une séparation peut être évitée, sur la surface supérieure. Sur la face inférieure, à des angles d'attaque élevés, la séparation de l'écoulement est peu probable car une fois le point de stagnation passé, l'écoulement a tendance à suivre de près la surface d'un profil mince. Aux faibles angles d'attaque, la séparation du dessous est très probable derrière le bord d'attaque, mais le rattachement est toujours probable avant le bord de fuite.
8.6 Bulles de séparation
Schmitz n'a pas étudié en détail la taille des bulles de séparation au-dessus de ses profils aérodynamiques et, comme le montre la figure 8.3, celles-ci peuvent être très étendues. Le profil Go 801 testé par Kraemer est d'une épaisseur plus faible que le N60 (10% contre 12,6%). Il a un rayon de nez légèrement plus petit, mais un cambre plus important (7% à 35% contre 4% à 40%). Il se rapproche donc un peu plus du profil de la plaque incurvée mince, et son Re critique est légèrement inférieur à celui du N60. Certaines mesures détaillées effectuées par Charwat à l'Université de Californie en 1956-1957 ont montré qu'un profil de la forme illustrée à la figure 8.8, avec un petit rayon de nez de 0,7 %, présentait également des bulles de séparation très similaires à celles du profil 801. Le profil aérodynamique dans ce cas, conçu par Seredinsky suite à l'une des suggestions de Schmitz, était basé sur un profil de type orthodoxe, mais le dessous du bord d'attaque a été découpé pour produire un profil avec de la place pour les longerons d'aile, mais avec les avantages d'un petit rayon de bord d'attaque. Dans ces essais, une bulle de séparation s'est formée sur environ 35 à 40 % de la corde. Au-dessus de 7° d'angle d'attaque, la bulle avançait. Une séparation de l'écoulement turbulent s'est produite à l'arrière avant le décrochage, mais le profil a bien fonctionné.
L'effet de la formation et du mouvement des bulles de séparation est d'une importance considérable. La bulle est suffisamment grande pour détourner le flux d'air principal sur la surface supérieure autour d'un chemin plus long, comme si le profil était plus cambré. Il a été établi qu'un profil avec le point de carrossage maximum bien en avant développe un coefficient de portance maximum élevé. Le résultat de cette augmentation efficace du carrossage avec le mouvement de la bulle vers l'avantaux angles d'attaque élevés, est d'augmenter la pente de la courbe de portance au-dessus de ce qui est prédit par la théorie. Les preuves telles qu'elles existent à partir des opérations de modèle tendent à confirmer que certains profils aérodynamiques sur de petits modèles de vol libre se comportent de manière erratique. Cela peut être attribuable au déplacement de la bulle de séparation et à son effet d'aplatissement sur la courbe de pression dans le sens de la corde, d'avant en arrière sur l'aile lorsque l'angle d'attaque varie légèrement. Les pressions fluctuantes sur le profil provoquent des changements brusques du moment de tangage qui est déjà important en raison de la forte cambrure de telles ailes. La boucle d'hystérésis est causée par l'éclatement et la reformation de la bulle de séparation. Un modèle dans cette région critique de Re, capable d'un vol stable dans de l'air doux, peut devenir incontrôlable dans des conditions difficiles. Ces facteurs s'ajoutent aux qualités intrinsèquement sensibles au tangage de l'aile à rapport hauteur / largeur élevé pour rendre les difficultés des opérateurs de planeurs modèles plus sévères. Si ces problèmes peuvent être surmontés, il ne fait aucun doute que, pour des performances élevées à très faible Re d'aile, des profils minces, à petit rayon de bord d'attaque, convenablement cambrés, sont excellents.
En ajoutant des turbulateurs à des profils plus épais, les performances à basse vitesse peuvent être améliorées. Les turbulateurs utilisés par Schmitz et d'autres étaient généralement des fils montés devant le bord d'attaque sur des stabilisateurs légers. Pour les modèles pratiques, les fils peuvent être remplacés par de fines cordes élastiques ou en plastique. Celles-ci sont cependant gênantes en fonctionnement et la «bande de déclenchement» du bord d'attaque est plus facile à gérer. De telles bandes ont l'avantage de pouvoir être légèrement épinglées ou "collées" dans diverses positions pour l'essai, et déplacées ou modifiées en taille pour donner les meilleurs résultats. Si le Re critique du profil choisi est déjà faible, les turbulateurs ne peuvent pas avoir beaucoup d'influence sur les performances en air calme. Cependant, en déclenchant la séparation en un point fixe de l'aile, ils stabilisent probablement la position de la bulle de séparation, réduisant les fluctuations du coefficient de moment.
8.7 Les effets de la structure et de la surface
Les modèles construits sur des lignes traditionnelles peuvent en effet avoir des turbulateurs intégrés. L'affaissement du tissu ou d'un autre revêtement mince derrière le longeron de bord d'attaque entre les nervures crée une bosse dans le profil. Cela peut avoir un effet bénéfique sur la transition, et les bonnes performances de certains petits modèles légers ne s'expliquent que de cette manière. Parmi ses tests sur le Go 801, Kraemer comprenait des tests d'un modèle recouvert de papier qui ont montré qu'un écoulement sous-critique prévalait jusqu'à Re 42 000, comparable au même profil aérodynamique avec un fil turbulateur. Résultats en soufflerie sur un certain nombre d'ailes recouvertes de bois et de tissu de balsa, réalisés à l'Université de Stuttgart et rapportés par le Dr D Althaus (Profilpolaren fur den Modelflug, Vol.2) ont montré le même effet aux tailles et vitesses d'ailes des modèles de vol libre. Cela suggère que les tentatives des modélisateurs de conserver des profils très précis sur la partie avant des ailes basses des petits modèles sont parfois malavisées. Le bord d'attaque simple recouvert de tissu ou de film peut s'avérer plus efficace qu'un bord d'attaque à surface parfaite, surtout si le profil d'aile utilisé est du côté épais avec un grand rayon de bord d'attaque. Il convient de souligner, néanmoins, que lorsque le modèle est assez grand ou assez rapide pour éviter les problèmes sous-critiques de Re, les turbulateurs et les irrégularités de surface au bord d'attaque provoquent une augmentation de la traînée et une diminution de cl max [coefficient de portance ] . Cela peut être confirmé par l'étude des nombreux autres résultats d'essais en soufflerie désormais disponibles.
Le type d'aile Seredinsky (Fig. 8.8) ressemble au profil d'aile de certains grands oiseaux planeurs. Bien que difficile à construire, il peut s'avérer efficace sur des modèles plus petits ou des modèles avec un rapport d'aspect très élevé et de petites cordes iving. Le bord d'attaque est similaire à celui d'une simple plaque incurvée, mais l'épaississement du profil sur la face inférieure laisse de la place pour un longeron principal solide sans trop d'effet sur l'écoulement de la surface supérieure.

8.8 Revigorateurs de la couche limite
Les recherches menées par Martyn Presnell dans une soufflerie à Hatfield ont montré que des améliorations des performances des modèles de planeurs de vol libre et des avions à propulsion en caoutchouc peuvent être obtenues en utilisant plusieurs `` bandes de déclenchement '' ou, selon la terminologie de Presnell, des `` revigorants ''.
Les ailes d'essai utilisant le Benedek 6356b ont été construites à partir de matériaux similaires à ceux utilisés dans un modèle de planeur FI A (A2) typique. Des nervures et des longerons d'aile en bois de balsa ont été utilisés, l'ossature étant recouverte de papier de soie, dopé. Dans un cas, le tiers avant de l'aile a été écorché avec une fine feuille de balsa. Non seulement l'ascenseur et
forces de traînée mesurées, mais certains tests de visualisation de l'écoulement ont été effectués. Celles-ci impliquent d'enduire l'aile d'essai de kérosène pigmenté pour révéler la nature de la couche limite. Là où la couche limite est turbulente, le kérosène s'évapore rapidement, laissant un film de pigment. Dans la bulle de séparation laminaire, l'évaporation est moins rapide, de sorte que le flux d'air le plus proche du revêtement de l'aile peut être vu lorsque le liquide se déplace vers l'amont {}. Dans les régions d'écoulement entièrement laminaire, le kérosène reste liquide plus longtemps et s'écoule dans la direction normale vers l'aval. Le point de séparation et de rattachement du flux en aval de la bulle peut alors être découvert pour chaque angle d'attaque. (Les modélistes ont parfois remarqué que, lorsqu'ils volaient en fin d'après-midi ou en début de soirée à la tombée de la rosée, la rosée déposée sur une aile avant le vol sera encore parfois présente après le vol sur les bords d'attaque où le flux est laminaire, mais s'évapore des parties arrière de l'aile où des couches limites turbulentes sont attendues.) Dans les tests de Presnell, l'ajout d'un seul turbulator à 5% de la corde de l'aile a amélioré les chiffres de portance et de traînée mesurés, comme prévu, à des nombres de Reynolds inférieurs à 40 000, bien que la bulle de séparation soit toujours présente. Le turbulateur consistait en une mince bande de ruban adhésif en plastique de 0,15 mm d'épaisseur et de 0,75 mm de large, courant dans le sens de l'envergure. 000, même si la bulle de séparation était toujours présente. Le turbulateur consistait en une mince bande de ruban adhésif en plastique de 0,15 mm d'épaisseur et de 0,75 mm de large, courant dans le sens de l'envergure. 000, même si la bulle de séparation était toujours présente. Le turbulateur consistait en une mince bande de ruban adhésif en plastique de 0,15 mm d'épaisseur et de 0,75 mm de large, courant dans le sens de l'envergure.
Il a ensuite été constaté que l'ajout d'autres bandes du même ruban mince à diverses positions sur la corde à l'arrière du turbulateur entraînait de nouvelles améliorations des chiffres de portance et de traînée. Les meilleurs résultats à Re inférieur à 70 000 ont été trouvés avec cinq de ces revigorants dans les positions illustrées à la figure 8.9. Le turbulateur original à 5 % est resté en place tout au long du processus.

Presnell a noté que placer un revigorant dans la bulle de séparation, comme l'a révélé le kérosène, ne faisait aucune différence détectable. Le premier invigorator doit être placé juste en arrière du point de rattachement et les autres espacés sur la partie arrière de l'aile dans la couche limite turbulente. Le mécanisme exact des revigorants n'est pas entièrement compris à l'heure actuelle. Il se peut qu'ils aident la couche limite déjà turbulente à rester attachée à l'aile après le passage de la bulle. Presnell a souligné que plusieurs dépliants de modèles de concours de premier plan utilisaient des revigorants avec succès.
©1978, 1988 Martin Simons
Ressources
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