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Portance et travail des ailes de l'avion

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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Les moteurs de l'avion seuls ne suffisent pas à vous faire décoller, ce sont les ailes que vous devrez remercier. Avancer à grande vitesse ne vous empêcherait pas de retomber au sol !

Portance des ailes d'avion. © Toiletroom - Shutterstock

Imaginez un instant que vous vous trouvez avec un pistolet dans une main et une balle identique à celle qui est dans l'arme, dans l'autre main. Si, au même moment, vous laissez tomber la balle au sol et que vous tirez horizontalement avec votre pistolet, quelle balle touchera le sol en premier ? La tendance naturelle serait de dire que c'est celle que vous tenez en main, alors qu'en réalité, les deux balles touchent le sol au même moment. La balle que vous aurez tirée avec l'arme tombe exactement à la même vitesse que l'autre.

Expérience : faites-vous décoller

Il est très simple de recréer l'effet qui soulève votre avion dans les airs. Déchirez une bande de papier. Si vous prenez une feuille A4 ou du papier à lettres, et que vous la pliez en deux dans le sens de la longueur, alors repliez-la en deux dans le même sens et vous aurez le bout de papier idéal. Déchirez-le et tenez-le de façon à ce que l'extrémité la plus éloignée de vous pende dans le vide. Ensuite, mettez l'extrémité que vous tenez devant votre visage, juste sous vos lèvres. Enfin, soufflez de manière constante et continue le long du papier.

La portance d’une feuille de papier est une expérience très aisée à reproduire. © EDP Sciences

Votre papier va se soulever et ne plus pendre. La portance va s'exercer sur le papier, comme sur l'aile d'un avion. Cette portance, comme nous le verrons, est due à l'air qui se déplace différemment au-dessus de la surface portée, ici votre papier, et en dessous. Dans votre expérience réalisée avec du papier, l'air ne se déplace pas du tout sous la feuille, mais c'est assez différent avec une aile d'avion.

Donc la vitesse ne suffit pas. Il vous faut de la portance, une force verticale allant vers le haut pour contrer la gravité et soulever l'avion du sol. C'est le travail des ailes. Quand un oiseau bat des ailes, la source de cette poussée ascensionnelle est assez évidente. L'aile qui bat pousse l'air vers le bas et, comme pour le moteur de l’avion, la troisième loi de Newton applique une poussée vers le haut sur l'aile et soulève l'oiseau. Mais que se passe-t-il quand un oiseau plane, ou quand un avion décolle et que les ailes sont fixes et ne battent pas pour pousser l'air ? L'effet est assez inattendu.

Dans le monde, il décolle environ un avion par seconde. Un siècle après ses débuts, l'aviation est devenu un moyen de transport parmi les plus sûrs. Comme un oiseau, un avion vole parce qu'il a des ailes, lesquelles génèrent une force appelée portance. L’université de Lille 1, avec le programme Kézako, nous explique ce principe dans cette courte vidéo didactique. © Unisciel

L'aile a été conçue avec une surface courbe pendante sur le dessus. Comme avec votre feuille de papier, quand l'air souffle sur cette forme courbée, il en résulte une force de portance qui pousse l'aile vers le haut. La forme de l'aile, appelée profil ou surface portante, transperce alors l'atmosphère et dévie le courant d'air vers une autre direction. Comme la surface portante exerce une force sur l'air (revoilà la troisième loi de Newton), l'aile est poussée dans la direction opposée. Notons que pendant longtemps, l'explication la plus commune de la portance d'un avion était erronée.

En effet, vous avez peut-être entendu dire que les ailes ont une forme particulière qui fait que l'air parcourt une plus grande distance au-dessus de l'aile que celle parcourue en dessous. Comme l'air a une plus grande distance à parcourir au-dessus, d'après cette explication, les molécules d'air iront plus vite pour ne pas se laisser distancer par l'air qui passe en dessous, ce qui aura pour effet de réduire l'air qui passe au-dessus de l'aile. Et s'il y a moins d'air quelque part, la pression sur la surface supérieure chute. Ce qui implique que l'aile ressentirait une poussée vers le haut.

L'accélération : un changement de vélocité

Il est vrai que si l'air se déplace plus vite au-dessus de l'aile, cela générera une portance, mais la différence de longueur entre les deux chemins possibles n'a rien à voir avec cela. Il n'y a aucune raison pour que l'air qui passe au-dessus essaye de rattraper l'air passant en dessous. Il se trouve d'ailleurs que la vitesse à laquelle se déplace l'air passant au-dessus de l'aile est plus grande que nécessaire pour rattraper l'air passant en dessous. Cet effet n'a rien à voir avec la différence de longueur entre le dessus et le dessous de la surface portante. Cela dépend de la manière complexe dont un fluide comme l'air se déplace.

Profil d’une aile au travers du hublot. Contrairement à une croyance populaire, la différence de distance parcourue par l’air selon le côté de l’aile n’a rien à voir avec la portance. © Raoul, cc by nc 2.0

Pour bien comprendre ce qui se passe, il nous faut d'abord revoir brièvement la seconde loi de Newton : la force de pesanteur est égale à la masse multipliée par l'accélération. S'il y a une accélération, il doit y avoir une force. Mais qu'est-ce que l'accélération ? On pense généralement qu'il s'agit d'un changement de vitesse. Aller de 0 à 60 en 6 secondes, par exemple. L'accélération est en réalité un changement de vélocité, et non un changement de vitesse. La différence entre les deux est que la vélocité se compose à la fois d'une vitesse et d'une direction. C'est ce que l'on appelle un vecteur. Tout changement de la vélocité est une accélération, même si la vitesse reste la même et que seule la direction a été modifiée. Quand un objet décrit un cercle à vitesse constante, il accélère, et pour ce faire, l'accélération nécessite une force.

Imaginez donc l'air passant autour d'une aile. Il change de direction car il passe par la surface supérieure bombée. Cela veut dire que l'air accélère, et quand il redescend en suivant la forme de l'aile, l'accélération est vers le bas. Une force vers le bas est appliquée sur l'air par l'aile, et l'air exerce une force égale et opposée vers le haut sur l'aile.