Pourquoi un avion vole-t-il ?

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Pourquoi un avion vole-t-il ?
  

 

Pourquoi un avion vole-t-il ? 



Presque tout le monde, aujourd’hui, a pris l’avion et beaucoup se sont alors posé la question : « Pourquoi un avion vole-t-il ? » La réponse vulgarisée la plus fréquemment donnée est… malheureusement erronée ! Elle repose sur le théorème de Bernouilli et l’hypothèse que l’air s’écoulant au-dessus et en dessous de l’aile met le même temps pour rejoindre le bord arrière de cette aile. Outre le fait que cette hypothèse ne dit pas comment l’air "découvre qu’il a un rendez-vous à respecter", elle rend impossible une des figures classiques des "fous volants" : le vol d’un avion sur le dos.

© Augel

Le principe de Bernouilli dit que, si la vitesse de l’air augmente, la pression diminue. Du fait de la forme de l’aile, la courbure de la partie supérieure de l’aile (extrados) constitue un chemin plus long que celui parcouru par l’écoulement suivant la partie inférieure de l’aile (intrados). Pour que les deux écoulements arrivent en même temps à l’extrémité  de l’aile, il faut donc que l’écoulement supérieur soit plus rapide. Bernouilli nous dit alors que la pression sur l’aile est inférieure à celle agissant sous l’aile. Il en résulte une force, vers le haut, appelée portance. Telle est "l’explication vulgarisée" que l’on rencontre habituellement. Or, si l’on retourne l’avion, cette fois-ci c’est la partie inférieure de l’aile qui est la plus longue et en appliquant le même raisonnement, l’avion devrait être … aspiré au sol ! ! ! Et quid des ailes qui ne sont pas dissymétriques ? Un calcul simple, effectué en appliquant ces principes à un petit avion (Cesna 172 par exemple), montre qu’il faudrait que la longueur de l’extrados soit de 50% supérieure à celle de l’intrados pour les vitesses "classiques" au moment du décollage, ce qui conduirait à des formes d’ailes vraiment bizarres. Autre solution : en prenant comme forme, des ailes "habituelles" (longueur de l’extrados de 1,5% à 2,5% supérieure à celle de l’intrados), il faudrait atteindre la vitesse de 600 km/h pour commencer à décoller. Heureusement, Le Bris, Ader, Lindberg, Mermoz et quelques autres n’ont pas été arrêtés par de telles considérations.

 

Mais alors, qu’est-ce qui crée une portance suffisante pour qu’un avion s’envole ?

 

Pour le comprendre, il faut faire appel aux lois de Newton. La première loi de Newton stipule que, sans action extérieure, un corps au repos reste au repos et qu’un corps initialement en mouvement, poursuit ce déplacement en ligne droite et à vitesse constante. Or, si au bord de l’aile, on observe une déviation du flux d’air, cela signifie que de l’air, à l’origine au repos, a été mis en mouvement. Une force y a donc été appliquée.

 

La troisième loi de Newton précise que, si une force s’exerce sur un corps au repos, il existe une réaction égale et opposée à cette force (ainsi, l’action du poids d’un objet posé sur une table est-elle compensée par la réaction de la table). Pour dévier l’écoulement de l’air, l’aile agit sur l’air (action) et l’air, en réaction, génère de la portance. Si, comme le montre la plupart des schémas proposés, l’air arrivant en ligne droite sur l’aile s’écoule au dessus et au dessous et continue en ligne droite, il n’y a pas d’action de l’aile sur l’air et donc pas de réaction, c’est à dire pas de portance.

 

Pour générer de la portance, l’aile doit dévier de l’air vers le bas ; beaucoup d’air. On peut montrer que cette portance est proportionnelle à la quantité d’air dévié, multipliée par la vitesse verticale de cet air. Pour faire varier la portance, on joue sur ces deux paramètres : la vitesse de l’avion et l’angle d’attaque de l’aile. Comment l’aile peut-elle dévier d’aussi énormes quantités d’air ? La réponse tient à l’effet Coanda (voir encadré). L’air qui a tendance à suivre l’extrados de l’aile "aspire" l’air qui se trouve au dessus et l’accélère vers le bas. C’est l’accélération de cet air en direction du flux descendant qui génère principalement la portance. Mais de nombreux autres facteurs "secondaires" interviennent et président également aux calculs conduisant à la conception d’un avion.

 


© Augel

L’effet Coanda est caractérisé par le fait qu’un fluide en mouvement entrant en contact avec une surface courbe a tendance à suivre cette surface. Pour vérifier l’existence de cet effet, faites la petite expérience suivante : tenez horizontalement un verre d’eau en dessous d’un robinet de façon qu’un mince filet d’eau effleure le côté du verre. Au lieu de continuer à couler vers le bas, vous observerez que le filet d’eau s’enroule autour du verre. Sans entrer dans les détails, cet effet est dû à la viscosité du fluide.

 

Article réalisé en collaboration avec Jean-Pierre Michaut, durecteur du Centre de vulgarisation de la connaissance, université Paris-sud.

 

A lire

 

Pour les esprits curieux, ces questions sont développées dans : "Understanding Flight", par David Anderson et Scott Eberhardt, McGraw-Hill, 2001, ISBN : 0-07-136377-7