- Le principe de l'aérodynamisme

 

  Qui dit machine dit technique ; la spécificité de l’avion, qui lui accorde un caractère si remarquable, est sa capacité à voler. Et la connaissance de la technique de vol peut être aujourd’hui résumée en un principe physique : l’aérodynamisme.

 

    Qu'est ce que l'aérodynamisme ?

   Pour expliquer comment un avion peut voler, il est nécessaire de comprendre la mécanique des fluides. Un fluide est un corps n'ayant pas de forme propre et qui épouse la forme de son contenant : c’est le cas par exemple de l’eau et du gaz. La mécanique des fluides correspond à une partie de la physique qui étudie le mouvement des fluides et les forces auxquelles ils sont soumis. On distingue la statique, soit l’étude des différentes forces concernées, de la dynamique, qui est l’étude des mouvements en lien avec ces forces. L'aérodynamisme est une branche de la dynamique des fluides qui porte sur la compréhension et l'analyse des écoulements d'air et de leurs effets sur les objets qu’ils rencontrent. L'aérodynamisme qualifie également un corps en mouvement dans l'air.

   Nous allons donc nous intéresser à la mécanique des fluides sous un angle réduit puisque le fluide étudié ici est l’air (d'où le nom aérodynamisme).

 

    Quelles forces sont exercées sur l’avion ?

   Tout d’abord, les forces mises en scène dans le cas du vol de tout type d’avion sont 4 forces principales :

• la poussée ou traction (force propulsive) qui fait avancer l’avion vers l’avant
• le poids, effet de la gravité terrestre sur la masse de l'appareil, force qui tire l’avion vers le bas
• la portance, force qui maintient l’avion en l’air
• la traînée (de direction opposée à la vitesse de l’avion), force de résistance à l’air et à l’avancement

  Ces forces sont représentées par quatre vecteurs. Notons également que la poussée vers l'avant s'oppose à la traînée vers l'arrière, et la portance vers le haut s'oppose au poids vers le bas. La portance est une force mystérieuse puisqu’elle maintient l’avion en l’air : les scientifiques ont mené bien des recherches pour percer ses secrets…

 

 

Schéma récapitulatif des 4 forces s'exerçant sur tout type d'avion

 

    Que sont ces forces de manière concrète ?

   Ces forces se remarquent dans la vie de tous les jours, pas uniquement dans le cadre de l’étude du vol de l’avion. Par exemple, lorsque l’on sort une main à travers la fenêtre d’une voiture qui roule vite, et si cette main est à plat et qu’elle fend l’air, elle se maintiendra à l’horizontale sans susciter d’effort particulier. Toutefois, si l’on incline la main, bien que légèrement, une force va se manifester, de manière à lever ou à baisser la main si on l’incline vers le haut ou vers le bas. La force qui fait s’élever et se maintenir la main dans les airs est la portance, et la trainée la repousse vers l’arrière, due au choc des particules d’air sur la main. Ce phénomène est semblable à celui qui s’applique sur l’avion en mouvement dans les airs.

   Il faut alors expliquer cette force de portance, qui « porte » l’objet sur lequel elle s’applique. La vision que l’on peut avoir des particules d’air qui poussent la main vers le haut n’est pas entièrement correcte : en réalité, la main repose sur un écoulement de particules d’air mais ce sont en réalité les particules qui passent au-dessus qui vont la faire s’incliner vers le haut.

 

    Comment expliquer la force de portance ?

   Cette force de portance qui s’applique à un avion peut être visualisée comme étant une force perpendiculaire au déplacement du fluide sur l’avion, soit perpendiculaire à l’écoulement de l’air sur l’aile en mouvement. Une aile d’avion, ayant un profil bombé caractéristique, est constituée d’une surface supérieure à l’écoulement de l’air appelée extrados et d’une surface inférieure appelée intrados. Or, lorsque l’aile est en mouvement dans l’air, le flux de particules est divisé en 2 : les particules parcourant l'extrados vont plus vite que celles de l'intrados du fait de la plus grande distance à parcourir et du caractère adhérant (appelé viscosité) des particules d’air. Le courant d’air suivant l’intrados pousse l’aile vers le haut car les particules d’air viennent s'appuyer sur sa surface et provoquer une surpression. Or, parallèlement à ce phénomène, l’augmentation de la vitesse des particules d'air sur l’extrados génère une dépression au sein du fluide, et ce qui crée la portance, permettant à l’aile de s’élever dans les airs.

N.B. : c'est pour cette raison que l'avion décolle face au vent, comme les oiseaux, afin qu'il y ait plus de flux d'air qui se divise sur ses ailes donc plus de vitesse !

                   Schémas du profil d'une aile d'avion et de l'écoulement de l'air sur sa surface

 

   Pour comprendre ce phénomène de variation de pression, étudions l’« effet Bernoulli » : cette loi présente le fait qu’un fluide qui s’écoule peut avoir différentes pressions selon sa vitesse, ce qui peut générer une force de portance. Mettons par exemple un fluide en mouvement dans un tuyau. Il est possible de mesurer 2 types de pressions d'un fluide en mouvement : la pression statique, pression que mesure un capteur qui se déplace à la même vitesse que le fluide, qui s'oppose à la pression dynamique, pression exercée par un fluide sur un objet et qui est due au déplacement de ce fluide autour de cet objet. Si l’on rétrécit le tuyau en un point, la vitesse du fluide liée à la pression dynamique va augmenter car une même quantité de fluide doit traverser un volume plus petit. Mais la pression statique va diminuer, puisqu’il y a moins de particules d’air présentes dans le tuyau après rétrécissement que dans un tuyau qui ne possède pas ce rétrécissement. Ainsi, lorsque la pression dynamique du fluide étudié augmente, sa pression statique diminue, et cela à cause d’une variation de vitesse de ce fluide.

   Si l’on applique cet effet dans le contexte de la force portance, on comprend que la variation de vitesse sur l’extrados de l’aile, et plus précisément son augmentation, y crée une dépression : puisque la pression dynamique du flux d’air augmente, sa pression statique diminue, et l’aile se retrouve aspirée vers le haut. Inversement, la diminution de vitesse du flux parcourant l’intrados lui confère une pression statique plus importante, d’où la formation de surpression. En outre, plus la surface de l’aile est grande, plus la force de portance est élevée, ce qui permet de maintenir encore plus l’avion dans les airs.

   La vidéo qui suit présente une expérience réalisée par des élèves de 1ère. Elle permet de mettre en évidence le phénomène de dépression créé à la suite de l'écoulement d'un fluide sur une surface bombée. Ici, le fluide est l'eau, et la surface bombée, celle de la cuillère, s'apparente à une aile d'avion.

 

 

N.B. : le terme de « décrochage » d’un avion vient aussi du fait que l'air est dévié par le profil et suit les courbes de l'intrados et de l'extrados (engendrant ainsi la portance). Mais lorsque l'incidence devient trop importante, soit quand l’angle formé par le vent et la ligne reliant les 2 extrémités de l’aile est trop grand, l'air ne parvient plus à suivre la courbe de l'extrados. Les filets d'air s’en décrochent, et la portance diminue alors très fortement. C'est à ce moment, correspondant à un angle d’incidence spécifique, qu’on dit que l'avion lui-même décroche.