Pourquoi un avion peut-il voler et comment ?

Etonnant qu'un airbus A380 de plusieurs centaines de tonnes puisse voler! Comment se fait-il qu'un corps si tourd soit capable de se maintenir dans les airs?

4 forces

Exprimé de façon simplifiée, un avion est soumis à quatre forces: Son poids le tire évidemment vers le bas, la portance le pousse vers le haut et l'empêche de tomber par terre. La traction l'entraîne vers l'avant et la traînée (résistance de l'air) freine son mouvement. En vol normal ces quatre forces s'équilibrent mutuellement et l'avion se déplace comme si aucune force ne s'exerçait sur lui. Il n'est donc pas accéléré, ni freiné, ni dévié (1er principe de Newton). Il vole en ligne droite et à vitesse constante. Ceci se passe pour  la plupart du temps à altitude constante. C'est le cas du vol horizontal, pour lequel les forces s'exerçant sur l'avion sont représentées sur la figure 1. Mais un vol en ligne droite peut également avoir lieu en montant ou en descendant. Par exemple au décollage ou à l'atterissage.

Figure 1: Avion en vol horizontal et à vitesse constante

Sur la piste avant de décoller, l'avion doit d'abord prendre de la vitesse, donc accélérer. Voilà pourquoi il faut que la force de propulsion (équivalente à léa traction) dépasse la résistance de l'air (équivalente à la traînée). Pour que l'avion décolle la portance doit également l'emporter sur le poids. Après le décollage, l'avion suit une trajectoire inclinée. Les forces en présence sont représentées sur la figure 2. Comme la trajectoire est inclinée vers le haut le poids agit partiellement comme force de freinage, de la même manière que lorsque tu montes une côte à bicyclette. La traction est alors particulièrement intense.

Figure 2: Après le décollage de l'avion

A l'atterissage l'avion freine pour réduire sa vitesse. La figure 3 montre que sur sa trajectoire inclinée vers le bas, le poids agit partiellement comme force de traction, de même de nouveau comme si tu descends une côte à bicyclette. Pour freiner, la trainée doit dépasser la traction totale.

Figure 3: A l'atterissage de l'avion

Comment la portance est-elle produite?

Examine de plus près la position des ailes sur la figure 4. Tu remarques qu'elles forment un certain angle appelé angle d'incidence par rapport au fuselage et donc par rapport à la trajectoire. L'air circulant le long des ailes est dévié vers le bas par celles-ci. En vertu du 3^ème principe de Newton, l'air poussé vers le bas par les ailes pousse celles-ci vers le haut.

Figure 4: Angle d'incidence en vol horizontal

Comment la traction est-elle produite?

S'il s'agit d'un avion à hélices, de grandes masses d'air sont propusées vers l'arrière par les hélices. Ces masses exercent sur les hélices une force de traction dirigée vers l'avant. De nouveau le 3^ème principe de Newton s'applique.
Dans le cas d'avions à réaction, les réacteurs déplacent d'énormes quantités de gaz chauds à grande vitesse vers l'arrière, et celles-ci propulsent les réacteurs vers l'avant.

Qu'est-ce qui détermine la traînée?

La résistance de l'air dépend fortement et de la forme de l'avion et de sa vitesse. Afin de la réduire autant que possible on donne aux avions une forme aérodynamique (à l'image des poissons qui ont une forme hydrodynamique). L'incidence des ailes influe également sur la traînée: plus elle est grande, plus la traînée est importante. Or elle est nécessaire afin de produire la portance. D'autre part en roulant à bicyclette tu as remarqué que la résistance de l'air augmente fortement avec la vitesse: plus tu roules vite, plus tu dois pédaler fortement afin de vaincre la résistance de l'air.

Quelle relation y a-t-il entre le poids d'un l'avion et sa consommation en carburant?

Plus le poids est important, plus grande doit-être la portance. Il faut donc dévier de plus grandes masses d'air vers le bas, ce qui est possible avec des ailes de plus grande surface. Compte tenu de l'incidence des ailes, celles-ci produisent inévitablement une plus grande traînée de sorte qu'en fin de compte la force de traction doit être plus intense. Des réacteurs plus puissants sont alors nécessaires consommant plus de carburant.

Auteur: André Mousset (MNHN)

Cet article est publié dans Science News 04/2013.

Photo: © Luxair