L’aéroélasticité est l’étude de l’interaction des contraintes aérodynamiques, de l’inertie et des réponses élastiques dans les structures physiques. De telles interactions peuvent produire des réponses à la fois statiques et dynamiques. Des réponses dynamiques instables dans les composants peuvent conduire à une défaillance structurelle dans certaines conditions. L’aéroélasticité concerne généralement la conception de structures stables lorsqu’elles sont soumises à un flux d’air dynamique. Ces structures sont souvent des avions, mais elles peuvent également inclure des ponts, des éoliennes et d’autres éléments terrestres.
La plupart des matériaux, y compris les métaux, présentent un comportement élastique lorsqu’ils répondent à des contraintes externes. Les matériaux élastiques retrouveront leur taille et leur forme d’origine s’ils ne sont pas déformés au-delà d’une quantité critique. En se déformant, ils s’étireront ou se rétracteront selon le niveau de contrainte appliqué. Un ressort métallique s’étire lorsqu’il est tiré sur les bords, mais ne reste pas déformé de façon permanente une fois relâché. En fait, même des morceaux de métal solides se comportent de cette manière.
Dans un avion, des forces aérodynamiques externes appliquent des contraintes mécaniques aux ailes et au corps principal. En termes d’aéroélasticité, cette contrainte s’apparente à une contrainte appliquée directement sur le matériau, par exemple en plaçant des masses sur l’avion. En réponse, la structure de l’avion se déformera légèrement en raison. Cela modifiera légèrement la forme de l’avion, ce qui affectera à son tour la contrainte aérodynamique exacte. Dans un scénario statique, la réponse structurelle de l’avion atteindra l’équilibre avec les nouvelles contraintes aérodynamiques.
Lorsqu’une structure commence à se déformer en raison de contraintes aérodynamiques, elle gagnera en inertie ou en quantité de mouvement lorsqu’elle se déplacera pour changer de forme. Une fois qu’il atteint sa nouvelle position d’équilibre, il ne s’arrête pas immédiatement ; au contraire, il dépasse cette position parce qu’il a gagné en inertie. Les contraintes aérodynamiques peuvent tendre à restaurer la structure à une forme d’équilibre, mais parfois une oscillation peut se produire. Il faut de la friction ou une sorte de force d’amortissement pour ralentir cette oscillation. En d’autres termes, la structure peut avoir une forme d’équilibre, mais si elle prend trop d’inertie à chaque fois qu’elle se déplace vers cette forme, elle sera dans un équilibre instable.
De nombreuses personnes ont été témoins de cet aspect important de l’aéroélasticité le 7 novembre 1940, lorsque le pont de Tacoma Narrows, dans l’État américain de Washington, a commencé à vibrer à cause des vents violents. La fréquence naturelle du pont, qui est liée à la vitesse à laquelle le pont vibrera, était similaire à la vitesse à laquelle le vent changeait de direction. Lorsque cela se produit, le vent peut faire vibrer de plus en plus le pont. Dans le cas du pont Tacoma Narrows, l’emballement des vibrations structurelles a entraîné la destruction du pont. Cet événement a suscité une augmentation de l’intérêt et de la recherche en matière d’aéroélasticité.