Comment vole un avion ?
Quatres forces agissent sur un avion en vol
Ces quatre forces — portance, poids, poussée et traînée — sont présentes à tout moment lorsque l’avion est en l’air.
Portance (1), Poussée (2), Poids (3), Traînée (4)
Portance
La portance est la force qui s’exerce vers le haut lorsque les ailes de l’avion se déplacent dans l’air. Le mouvement vers l’avant produit une légère différence de pression entre les surfaces supérieures et inférieures des ailes. Cette différence constitue la portance. C’est cette force qui permet à un avion de rester en l’air.
Poids
Le poids est la force qui s’exerce vers le bas. C’est cette force que les pilotes contrôlent en partie en choisissant comment ils chargent l’avion. À l’exception du carburant consommé, il est difficile de modifier le poids de l’avion en vol. Après le décollage, il n’est pas recommandé de brûler la cargaison, d’embarquer des passagers supplémentaires ou d’en débarquer. L’évacuation inopinée de passagers en vol constituant une violation des règles de la FAA, elle est fortement déconseillée.
Lors d’un vol stabilisé (lorsque la vitesse et la direction de l’avion sont constantes), les forces opposées de portance et de poids sont équilibrées.
Poussée
La poussée est la force s’exerçant vers l’avant, produite par la combinaison moteur-hélice. En résumé, plus le moteur est puissant, plus la poussée est importante et plus la vitesse de l’avion est grande — jusqu’à un certain point. En effet, le mouvement vers l’avant génère toujours un effet aérodynamique opposé nommé traînée.
Traînée
La traînée tire l’avion vers l’arrière; il s’agit tout simplement de la résistance moléculaire de l’atmosphère au déplacement. En clair il s’agit de la résistance au vent.
La poussée permet à l’avion d’accélérer alors que la traînée détermine sa vitesse finale. Lorsque la vitesse de l’appareil augmente, la traînée fait de même. La perversité de la nature est telle que lorsque la vitesse est doublée, la traînée est quadruplée. Une vitesse constante est atteinte lorsque l’effet de la traînée qui tire l’appareil vers l’arrière équivaut à la poussée du moteur.
Portance et décrochage
Explication de Newton/Coanda
La thèse de Newton renvoie a sa troisième loi qui stipule que, pour chaque action, il existe une réaction opposée de force égale. Si l’air génère de la portance alors l’aile a une action sur l’air. Ce que fait l’aile sur l’air est l’action tandis que la portance est la réaction.
L’action de l’aile sur l’air : comme le montre le schéma, l’aile dévie l’air vers le bas. La portance peut être augmentée par les volets, des ailerons supplémentaires qui augmentent la surface de l’aile à l’arrière.
Comment l’aile dévie l’air vers le bas ?
Quand un fluide en mouvement tel que l’air ou l’eau entre en contact avec une surface courbe, il aura tendance à suivre cette surface. Dans le cas étudié, l’air suit la surface de l’aile et comme celle-ci est dirigée vers le bas (voir schéma), l’air suit cette direction.
Cette tendance des fluides à suivre une surface courbe est connue comme étant l’effet Coanda.
Ainsi la réaction est donc une force (qui est la portance), dans la même direction, mais vers le haut. La portance peut être augmentée, soit en déviant une plus grande quantité d’air vers le bas, soit en augmentant la vitesse verticale de l’air dévié donc en "déviant l’air plus vers le bas".
Explication de Bernoulli
La portance provient de la forme particulière de l’aile d’un avion. Celle-ci est plus bombée sur sa face supérieure appelée aussi extrados que sur sa face inférieure appelée intrados. Il en découle que le chemin que l’air a à parcourir est plus long sur l’extrados que sur l’intrados. En conséquence, l’air circule plus rapidement sur la partie supérieure de l’aile que sur la partie inférieure. Donc, il y a une dépression sur l’extrados qui aspire l'avion vers le haut, par rapport à l’intrados où il y a une surpression.
Or, le Suisse Daniel Bernoulli découvrit en 1738 que lorsque la vitesse d’un fluide augmente, à l’intérieur d’une conduite, la pression qu’il exerce sur ses parois diminue.
Il en résulte que l’aile sera tirée, aspirée vers le haut. C’est la portance.
Le décrochage
Le décrochage d’un aéronef arrive s’il une rupture de portance (si elle est insuffisante).
2 situations peuvent engendrer le décrochage :
-Une vitesse trop faible : étant donné que la portance dépend de la vitesse de l’aéronef, cela engendre une perte de portance, et donc, un décrochage.
-Dans le cas d'un angle d'incidence trop important entre direction du vent relatif et la surface des ailes, il y a ce qu'on appelle un décollement de couche limite (le filet d'air, a cause de sa viscosité, ne peut plus s'ecouler le long de l'extrados), cela crée des tourbillons et la vitesse de l’air le long de l'extrados devient faible.
La conséquence est qu'il n'y a plus la depression et donc la portance devient tres inferieure au poids, d'ou un decrochage (Explication de Bernoulli).
Mais le fait que l’air ne s’écoule plus vraiment le long de l’extrados, a pour conséquence qu’une grande partie de l’air n’est plus déviée vers le bas et donc crée moins de portance (Explication à partir des lois de Newton).