Pourquoi un avion qui vole ne tombe-t-il pas ?

La plupart des avions sont faits de métal et sont plus grands qu’un appartement ou qu’une maison. Alors… comment restent-ils en l’air ? Pourquoi les avions ne tombent-ils pas du ciel, attirés par la gravité ?

Pour bien saisir le principe d’objets plus lourds que l’air qui volent, il existe une petite expérience que chacun peut réaliser chez soi : souffler sur une feuille de papier. La feuille se courbe et l’air qui s’écoule sur la courbe créé une chute de pression atmosphérique. La feuille est poussée par cette pression, donc elle monte.

Si on augmente la vitesse de l’air au dessus d’une surface, la pression exercée sur cette surface diminue et cette surface se déplace parce qu’elle est poussée par la pression supérieure (ou alors aspirée par la dépression). C’est le principe qui s’applique aux ailes des avions : elles sont courbées pour tirer profit du comportement de l’air.

Les avions volent parce que l’air pousse sur leurs ailes. C’est ce qu’on appelle la portance : les ailes sont courbées sur le dessus car l’air se déplace rapidement sur les courbes. La vitesse de l’air augmente à cause de la forme courbée de l’aile, la pression diminue sur la surface extérieure de l’aile courbée (ce qu’on appelle l’extrados).

Les ailes sont plus plates sur le bas ce qui a pour effet que l’air se déplace plus lentement en bas de l’aile : La vitesse de l’air est plus faible en dessous de l’aile car la surface est plane, la pression est donc plus grande sur la partie inférieure de l’aile (ce qu’on appelle l’intrados). L’air qui se déplace plus lentement pousse plus fort sur l’aile que l’air qui se déplace plus rapidement. L’air sous l’aile pousse donc l’avion vers le haut, c’est pour cela que les avions restent dans le ciel et ne tombent pas.

Il y a quatre forces qui agissent sur un avion qui vole

Quatre forces agissent sur un avion en vol : la portance, le poids, la poussée et la traînée. Une force est une quantité vectorielle, ce qui signifie qu’elle a une magnitude (taille) et une direction qui lui sont associées.
La première loi de Newton sur le mouvement nous apprend qu’un objet au repos restera au repos et qu’un objet en mouvement (vitesse constante) restera en mouvement à moins d’être soumis à une force extérieure. S’il n’y a pas de force extérieure nette, l’objet maintiendra une vitesse constante.

Pourquoi les avions volent-ils ?
Les quatre forces qui agissent sur un avion en vol : la poussée, la portance, la traînée, et le poids. Lorsque la portance est égale au poids et que la poussée est égale à la traînée, l’avion se déplace en ligne droite à vitesse constante (ce qu’on appelle la vitesse de croisière). On parle de force de poussée pour les avions équipés de réacteurs (la poussée effectuée par les réacteurs), pour un avion à hélice on parle de force de traction (la traction effectuée par le moteur à hélice).

Dans une situation considérée comme idéale, les forces qui agissent sur un avion en vol ne peuvent produire aucune force extérieure nette. Dans cette situation, la portance est égale au poids, et la poussée est égale à la traînée. Un exemple facile à comprendre est celui d’un avion de ligne : bien que le poids diminue en raison de la consommation de carburant, le changement est très faible par rapport au poids total de l’avion. L’avion maintient une vitesse constante appelée vitesse de croisière.

Si l’on tient compte de la vitesse relative du vent, on peut déterminer la vitesse sol d’un avion de croisière. La vitesse sol est égale à la vitesse de l’air plus la vitesse du vent en utilisant l’addition vectorielle. Le mouvement de l’avion est une pure translation. Avec une vitesse sol constante, il est relativement facile de déterminer l’autonomie de l’avion, c’est-à-dire la distance que l’avion peut parcourir avec une charge de carburant donnée.

Si le pilote modifie le réglage de la manette des gaz ou augmente l’angle d’attaque de l’aile, les forces deviennent déséquilibrées. L’avion se déplacera dans la direction de la force la plus importante, et nous pouvons calculer l’accélération de l’avion à partir de la deuxième loi de Newton sur le mouvement.

Les mouvements que peut faire un avion en vol en fonction des forces exercées

Nous nous intéressons ici aux mouvements simplifiés que peut réaliser un avion, soit que certaines des quatre forces agissant sur l’avion sont équilibrées par d’autres forces et que nous ne considérons qu’une seule force et une seule direction à la fois. En réalité, ce mouvement simplifié n’a pas lieu parce que toutes les forces sont liées à la vitesse, à l’altitude, à l’orientation de l’avion, etc. Mais le fait d’examiner les forces de manière idéale et individuelle nous donne un aperçu et est beaucoup plus facile à comprendre.

Dans une situation idéale, un avion pourrait maintenir une vitesse constante et un vol en palier dans lequel le poids serait équilibré par la portance, et la traînée par la poussée. L’exemple le plus proche de cette condition comme nous l’avons vu celui de l’avion de ligne. Bien que le poids diminue en raison de la consommation de carburant, le changement est très faible par rapport au poids total de l’avion. Dans cette situation, l’avion maintient une vitesse de croisière constante, comme le décrit la première loi de Newton sur le mouvement.

Pourquoi les avions ne tombent pas quand ils volent ?
Lorsque les quatre forces (poussée, portance, traînée et poids) sont équilibrées, l’avion se déplace à vitesse constante, en ligne droite. Si une de ces forces est déséquilibrée par rapport à une autre, les conditions de vol sont modifiées. Lorsque le poids est réduit par rapport à la portance, l’avion s’élève; lorsque la portance est réduite par rapport au poids, l’avion tombe (ou descend); lorsque la poussée est augmentée par rapport à la traînée, l’avion accélère; tandis que lorsque la traînée est augmentée par rapport à la poussée, l’avion ralentit.

Si les forces deviennent déséquilibrées, l’avion se déplacera dans la direction de la force la plus importante. Nous pouvons calculer l’accélération que l’avion subira à partir de la deuxième loi de Newton : F = m * aa est l’accélération, m est la masse de l’avion, et F est la force nette agissant sur l’avion. La force nette est la différence entre les forces opposées ; la portance moins le poids, ou la poussée moins la traînée. Grâce à ces informations, nous pouvons déterminer le mouvement de l’avion qui en résulte.

  1. Si le poids est réduit alors que la portance est maintenue constante, l’avion s’élèvera : portance > poids – l’avion s’élève (et les oreilles se bouchent).
  2. Si la portance est réduite alors que le poids est constant, l’avion tombera : poids > portance – chute de l’avion.
  3. De même, augmenter la poussée alors que la traînée est constante fera accélérer l’avion : poussée > traînée – l’avion accélère.
  4. Et l’augmentation de la traînée à poussée constante fera ralentir l’avion : traînée > poussée – l’avion ralentit.

En conclusion

Lorsque l’air passe sur des ailes et un fuselage de conception aérodynamique, l’air a une faible vitesse et une pression élevée sur l’intrados par rapport à l’extrados de l’aile et du fuselage. Cela donne lieu à une force de pression nette vers le haut.

Cette force verticale ascendante est appelée portance. La portance n’est rien d’autre qu’une composante verticale de la force résultante agissant sur l’avion. Cette force résultante est la somme vectorielle de toute la force de pression et de la force de cisaillement agissant sur l’ensemble de la structure de l’avion. L’ampleur de la force de portance détermine si l’avion va gagner ou perdre de l’altitude ou s’il va la maintenir.

En position stationnaire, la vitesse de l’avion est nulle et donc aucune portance n’est produite lorsque l’avion est à l’arrêt, généralement dans l’aérogare ou dans un aéroport.
Lorsque l’avion commence à accélérer sur la piste, il commence à produire de la portance, mais celle-ci reste inférieure au poids de l’avion jusqu’à ce que l’avion atteigne la rotation. À la vitesse de rotation, les élévateurs sont déviés vers le bas, à ce moment, la portance devient supérieure au poids de l’avion et au décollage complet de l’avion.
En vol en palier, toutes les forces sont en équilibre. La portance devient égale au poids, la poussée devient égale à la traînée et donc en vol en palier, l’avion ne gagne ni ne perd de l’altitude, c’est pour ça que les avions ne tombent pas du ciel. L’avion vole à la même hauteur à vitesse constante, il est en vitesse de croisière.

Pour la montée, la portance doit être supérieure à la force du poids, elle peut être obtenue en mettant les gaz.
Pour la descente, il est nécessaire de réduire la portance, ce qui peut se faire en réduisant la puissance du moteur.

Mais lorsque l’avion s’approche pour atterrir, il vole à la vitesse la plus faible possible. C’est ce qu’on appelle la vitesse de décrochage. À cette vitesse, l’avion peut tomber comme une pierre, car la portance n’est pas assez élevée pour permettre une diminution progressive et lente de l’altitude. Pour éviter cette situation, les volets de bord de fuite sont sortis pour augmenter le coefficient de portance, ce qui augmente la portance mais reste toujours inférieur au poids de l’avion. Cela permet un atterrissage en douceur et évite de voir les avions tomber du ciel !

Sam Zylberberg
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3 réflexions au sujet de “Pourquoi un avion qui vole ne tombe-t-il pas ?”

  1. Merci pour votre article sur l’avion. Vous avez su éveiller ma curiosité sur les 1-2-3-4 lois mécaniques newtoniennes dont celle de la gravitation. Vous êtes un grand vulgarisateur. Votre article m’a aidé à comprendre. Je n’ai que du respect pour votre travail. J’aime aussi les dessins que vous nous donnez. Ils permettent de mieux voir les phénomènes de portance, poids, poussée et traînée. J’apprécie beaucoup votre approche. Il faut continuer, nous avons tous tant de choses à apprendre. Merci.

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  2. “souffler sur une feuille de papier. La feuille se courbe et l’air qui s’écoule sur la courbe créé une chute de pression atmosphérique. La feuille est poussée par cette pression, donc elle monte.”

    En théorie peut-être mais en pratique cela ne fonctionne jamais: l’exemple est très mal choisi

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