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Comment les lois de Newton aident l’avion à décoller

Dossier - Peur : l'avion pour les trouillards
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Vous avez peur en avion ? Peut-être est-ce la crainte de l’inconnu. Vous ne connaissez probablement pas encore tous les principes physiques qui régissent la portance de l’appareil. Avec ce dossier, vous saurez tout des détails du vol pour exorciser vos appréhensions en avion, des turbulences aux orages en passant par les lois de Newton.

  
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Que vous ayez dû patienter ou que vous ayez pu vous engager directement sur la piste, le moment viendra où les pleins gaz seront mis et où vous serez projeté au fond de votre siège. Voici une chance de faire connaissance avec l'une des célèbres applications de la science : les lois du mouvement de Newton.

Les lois de Newton. © Pikcha - Shutterstock

Les lois du mouvement de Newton régissent les forces qui engendrent une action et donc un mouvement. Si un objet se met à se déplacer subitement par exemple, il faut qu'une force lui ait été appliquée. Les trois lois distinctes établies par Newton vont toutes jouer un rôle quand vous commencerez à rouler sur la piste.

Isaac Newton a notamment laissé son nom à trois lois du mouvement. © DP

La première loi prédit qu'un objet (votre corps par exemple) reste comme il est, qu'il soit en mouvement ou non, jusqu'à ce qu'une force lui soit appliquée. Cela semble trivial, mais avant Newton, les scientifiques pensaient que, pour qu'un objet continue de bouger, il fallait continuer de le pousser. Il était donc admis qu'un objet qui n'était plus poussé, s'arrêtait naturellement.

En réalité, l'idée de l'époque était un peu plus compliquée. On pensait que certaines choses (comme la Terre) avaient une gravité, qui était une tendance naturelle à tomber vers le centre de l'Univers, et que d'autres (comme l'air) avaient une légèreté, une tendance naturelle à s'élever et à s'éloigner du centre de l'Univers. En dehors de cela, le reste s'arrêtait de bouger s'il n'était plus poussé.

Au décollage de l'avion, une force s'exerce sur vous

Newton s'est cependant rendu compte qu'un objet en mouvement doit recevoir une force (dans le sens opposé de son mouvement) pour le faire ralentir. Les réacteurs appliquent une force sur l'avion qui le fait bouger. Mais votre corps n'est pas en mouvement à cet instant, donc le siège vous pousse vers l'avant. Ce que vous sentez (de votre point de vue et pas celui du siège !), c'est que vous reculez dans votre siège, mais en termes de causes et d'effets, c'est le siège qui avance vers vous. Une force est appliquée sur vous, et vous commencez à bouger. Ce n'est pas plus mal car, si vous ne bougiez pas, vous passeriez à travers le siège alors qu'il avance !

Vue sur l'aile d'un Airbus A300. Bien que le passager croie reculer dans leur siège lors de l’accélération, c’est plutôt le siège qui le pousse vers l’avant. © Carschten, cc by sa 3.0

Mais comment agit cette force exactement ? La seconde loi de Newton établit que la force qui vous est appliquée est égale à votre masse multipliée par l'accélération que vous subissez. Plus vous ressentez une force importante, plus vous accélérez vite. L'avion va passer de l'arrêt à 250 km/h en une trentaine de secondes. Cela équivaut à environ un quart de l'accélération que la gravité nous fait subir. Le nombre de g ressentis, l'équivalent de la force de la gravité, est d'environ 0,25 g.

Cela peut paraître assez faible et, comparé à l'accélération de 0 à 100 km/h d'une voiture puissante, ça l'est. Dans une Jaguar XJR par exemple, vous devriez pouvoir passer de 0 à 100 km/h en cinq secondes. Cela représente 0,6 g. Alors pourquoi se sent-on aussi fortement enfoncé dans son siège à bord d'un avion ? Au moment où les moteurs de l'avion s'emballent, vous êtes frappé par la poussée, alors que la force augmente plus progressivement dans une voiture, et c'est pourquoi elle n'est pas toujours autant ressentie. D'ailleurs, la majorité d'entre nous ne conduit pas ce genre de voitures !

Le fonctionnement de l'accélération

La troisième et dernière loi de Newton joue un rôle majeur dans votre accélération sur la piste. C'est celle que l'on paraphrase souvent en disant que « toute action a une réaction égale et opposée ». À première vue, cela peut sembler désuet. On serait susceptible de penser, par exemple, que l'on ne peut jamais rien déplacer, car si on bouge un objet, il y a une réaction égale qui le pousse dans l'autre sens, ce qui aurait pour résultat que rien ne se passe.

Sans la troisième loi de Newton, un avion ne pourrait pas se déplacer. © Guillaume Richer, Flickr CC by-sa 2.0

Dans le cas de cette troisième loi de Newton, l'action et la réaction s'appliquent à différents points. Quand vous poussez une boîte, la boîte vous pousse dans le sens opposé avec la même force. Si vous sautez en parachute, la Terre est attirée vers vous avec la même force que vous l'êtes par elle. Mais souvenez-vous de la seconde loi. La force est le produit de la masse et de l'accélération. La Terre a une masse bien plus importante que vous. Du coup, bien que vous soyez tous deux soumis à la même force à cause de la gravité, l'accélération ressentie par la Terre est celle de la force divisée par son énorme masse. Vous pourrez faire ce que vous voudrez, elle ne bougera pas.

Quand votre siège vous pousse, vous le poussez aussi dans l'autre sens. Si ce n'était pas le cas, vous ne vous enfonceriez pas dans votre siège avec l'accélération, vous seriez juste propulsé en avant. Mais la troisième loi de Newton est bien plus importante, car c'est grâce à elle que les moteurs d'un jet peuvent déplacer l'avion.