Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

    

Comment les avions font-ils pour voler ?

 

 

 

Je n'arrive pas à me convaincre que ces immenses avions parviennent à voler, justes portés par de l'air. Comment est-ce possible ?

Bienvenue au club. Bien que j'en sache un peu sur le comment du vol des avions, cela me surprend toujours. Je me rappelle d'un vol transatlantique à bord d'un Boeing 747, au terme duquel nous débarquâmes sur le sol avant de monter dans un bus qui nous attendait là. Je regardais alors avec incrédulité le monstre de 400 tonnes qui venait de me faire traverser l'Océan Atlantique à une altitude de près de 100 000 mètres...

Mon étonnement était d'autant plus grand que, lorsqu'on m'a appris ce qui faisait voler les avions, j'ai été induit en erreur. En dépit du fait que la plupart des manuels de vol attribue le vol des avions à ce qu'on appelle le principe de Bernoulli, ce n'est pas la véritable raison pour laquelle les avions restent en l'air. Il se trouve que ceci n'est qu'une réponse courte et facile qui, comme toutes les réponses simples, est trompeuse, pour ne pas dire tout simplement fausse.

Tout d'abord, appelons le mathématicien suisse Daniel Bernoulli (1700-1782) à la barre, et voyons ce qu'il a à dire pour sa défense.
En 1738, Bernoulli découvrit que, à mesure que la vitesse d'un fluide (un gaz ou un gaz liquide) augmente, la pression qu'il exerce sur une surface parallèle à son écoulement diminue. Par exemple, de l'air se déplaçant horizontalement n'a ni le temps ni l'énergie, pour ainsi dire, d'appuyer très fort sur le sol ou sur une main horizontale sortie de la voiture.
En quoi cela concerne-t-il les avions ?
La surface supérieure de l'aile d'un avion classique est bombée vers le haut, alors que la surface inférieure est relativement plane. Pendant le vol de l'avion, l'air s'écoule sur ces deux faces. Au cours de son trajet vers le bord arrière de l'aile (ou bord de fuite), l'air du dessus a une distance plus grande à parcourir que l'air du dessous, car son trajet est incurvé. Les partisans du C'est-Bernoulli-Qui-Fait-Voler-Les-Avions prétendent que l'air du dessous et l'air du dessus atteignent le bord de fuite en même temps - c'est l'hypothèse d'égalité des temps de transition - et que, vu que l'air du dessus doit parcourir un chemin plus long, il va plus vite. Selon M. Bernoulli, donc, l'air plus rapide du dessus exerce moins de pression que l'air plus lent du dessous, et l'aile est soumise à une force résultante vers le haut, nommé portance.

Tout cela est très bien, excepté une chose : l'air d'en haut et l'air d'en bas n'arrivent pas sur le bord de fuite de l'aile en même temps ; l'hypothèse de l'égalité des temps de transition est tout simplement fausse, en dépit des efforts des instructeurs de vol pour la justifier. Il n'y a tout simplement aucune raison valable pour que l'air du dessus et l'air du dessous arrivent en même temps au bord de fuite.
L'effet Bernoulli contribue certes à la portance d'une aile d'avion mais, pour qu'il soulève l'avion à lui tout seul, il faudrait soit que l'aile est la forme d'une baleine à bosse, soit que l'avion atteigne une vitesse extrêmement élevée.
Merci M. Bernoulli, vous pouvez disposer.

J'appelle à la barre M. Isaac Newton.

Les trois lois du mouvement de Newton sont les fondations de notre compréhension du mouvement. La mécanique newtonienne (par opposition à la mécanique quantique et à la relativité) explique que le mouvement de tous les objets, pourvu qu'ils ne soient pas trop petits (qu'un atome) et qu'ils ne se déplacent pas trop vite (par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide). Newton a dérivé ces lois pour le mouvement d'objets solides, mais on peut également les appliquer aux interactions entre l'air et les ailes d'un avion. Voyons comment.
Le troisième loi du mouvement de Newton stipule que toute action entraîne une réaction égale et opposée. Et donc, si l'aile de l'avion se soulève, alors quelque chose doit être poussé vers le bas. C'est le cas : l'aile doit envoyer valser un courant d'air vers le bas, avec une force égale à sa portance ; c'est ce qu'on appelle la déflexion vers le bas.

Comment ?
 

Quand un fluide tel que l'eau ou l'air s'écoule le long d'une surface courbe, il a tendance à adhérer à cette surface avec plus de force que l'on ne pourrait penser. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Coanda. A cause de cette adhérence, l'air s'écoulant sur les surfaces de l'aile est contraint d'épouser son profil. L'air du dessus épouse l'extrados, et l'air du dessous l'intrados. Non seulement les flux d'air empruntent des chemins différents mais, en raison de la forme de l'aile, ils ont des directions différentes une fois arrivés à l'arrière de l'aile. Ce n'est pas comme si l'aile fendait tout simplement l'air comme une lame, s'ouvrant pour la laisser passer, et se refermant comme si de rien n'était après son passage.
Lorsque l'air qui va passer au-dessus de l'aile arrive sur le bord d'attaque, il monte tout d'abord sur la surface, avant de redescendre lorsqu'il arrive sur le bord de fuite. Mais la forme de l'aile le mène plus bas que là d'où il vient ; lorsqu'il quitte le bord de fuite, il a une direction descendante. Autrement dit, l'air passant au-dessus de l'aile est entraîné vers le bas par la forme de l'aile. Et, en accord avec la troisième loi de Newton, l'aile est donc poussée vers le haut avec une force égale. Voilà : de la portance !

Vous pensez que de l'air si faible ne peut fournir qu'une force dérisoire ? Détrompez-vous. Même un petit avion comme le Cessna 72, volant à 200 kilomètres par heure, dévie entre 3 et 5 tonnes d'air à chaque seconde. Imaginez un instant les centaines de tonnes d'air qu'un Boeing 747 de 400 000 kg dévie à chaque seconde pour s'arracher du sol et rester dans les airs...

On peut d'autant plus accréditer la thèse d'Isaac Newton en ce qui concerne la portance que cette dernière ne provient pas uniquement du flux descendant - avec un peu d'aide de M. Bernoulli -. Une partie de la portance provient d'une autre application de la troisième loi de Newton. Les ailes des avions ne sont pas parallèles au sol ; elles sont conçues pour être légèrement inclinées vers le haut - en général de 4 degrés environ pendant le vol en palier. La pression est donc plus forte que le dessous de l'aile que sur le dessus, d'où une poussée sur l'aile, dirigée vers le haut, et un surcroît de portance. Le pilote peut incliner l'avion (en jargon aéronautique : il augmente son angle d'attaque), pour augmenter la portance due à cet effet. La troisième loi de Newton intervient car, quand l'avion avance, l'aile pousse l'air devant elle vers le bas, et l'air réagit donc en poussant l'aile vers le haut.

Nous voyons donc que deux actions différentes de l'aile créent la sustentation : la forme de l'aile (ou plan de sustentation) et son inclinaison vers le haut (ou angle d'attaque). Les deux doivent être utilisées pour maximiser la portance qui permet d'arracher un énorme avion du sol au décollage. C'est pour cette raison que les avions sont si inclinés juste après le décollage ; les pilotes doivent augmenter leur angle d'attaque pour gagner en portance, alors que l'avion est plein de carburant, sans compter la grosse dame assise à côté de vous...
Et dire que vous pensiez que le pilote orientait le nez de l'avion dans la direction qu'il voulait le voir prendre, comme s'il s'agissait d'un cheval !

Autre application : la position que prennent les sauteurs à skis, où leur nez touchent presque leurs spatules !

Allons plus loin : si les ailes d'un avion sont conçues pour lui donner de la portance, comment un avion peut-il voler sur le dos ?

On peut faire ça pour épater la foule dans un meeting aérien, mais on ne pourrait pas le faire sur un vol Paris-Bordeaux car, bien que cela soit théoriquement possible, les avions de ligne ne sont pas conçus pour supporter une telle épreuve (et les passagers, non plus...).
Les ailes d'un avion traditionnel sont bombées sur le dessus, ce qui produit une portance, pour des raisons qui - comme on l'a vu - sont loin d'être simples. Mais, si l'aile était à l'envers, est-ce que ça ne produirait pas l'effet inverse, transformant la portance en traction vers le bas ? Oui, si le pilote ne compensait pas cet effet en modifiant l'angle d'attaque de l'avion avec lequel les ailes fendent l'air.
Lorsque l'avion vole sur le dos, le pilote de voltige point donc le nez de son avion vers le haut, pour que le dessous de ses ailes - qui était le dessus avant la manoeuvre - prenne le vent, et soit poussé vers le haut. En fait, les ailes des avions de voltige ne sont pas plus bombées sur leur face supérieure ; le dessous et le dessus ont la même forme, et donc peu importe quelle face se retrouve ne haut - c'est l'angle d'attaque qui fait toute la différence.
Comme vous avez pu le constater en sortant votre main par la vitre de la voiture, une augmentation de l'angle d'attaque produit non seulement de la portance, mais également de la traînée - une plus grande résistance de l'air qui essaie de retenir votre main. De la même manière, lorsque le pilote augmente l'angle d'attaque, l'avion rencontre une plus grande résistance contre laquelle le moteur doit lutter. Les avions de voltige sont donc équipés de puissants moteurs, et pilotés par des casse-cous. Casse-cous peut-être, mais appliqués sûrement, parce qu'il faut beaucoup de force et de présence d'esprit pour raisonner en trois dimensions lorsque vous être soumis à des forces huit à dix fois plus fortes que notre chère gravité du plancher des vaches. D'autant plus que ces pilotes ne sont pas protégés de "combinaisons anti-g", sortes de combinaisons gonflables utilisées par les pilotes de chasse pour maintenir la pression sanguine dans le cerveau et éviter le voile noir pendant les manoeuvres d'accélération.

Avec ou sans moi, moi je les regarde du sol.