Comment volent les avions ? Portance, quatre forces et le mythe du parcours égal
Un avion vole parce que ses ailes dévient vers le bas l’air qui passe et que l’air pousse les ailes vers le haut avec une force égale et opposée, la portance. En vol stabilisé et horizontal, la portance égale le poids et la poussée égale la traînée. La portance suit L = ½·ρ·v²·S·C_L et croît donc avec le carré de la vitesse : un petit avion de 1 100 kg avec 16 m² d’aile demande environ 47 m/s, soit près de 169 km/h, pour un coefficient de portance de 0,5.
On nous a souvent appris que l’air doit parcourir plus de chemin au-dessus de l’aile et « rattraper » l’air du dessous, et que cela crée la portance. Les pages éducatives de la NASA elle-même jugent cette explication incorrecte. Voici les forces, la formule de la portance avec un calcul, ce qui cloche dans le mythe et pourquoi une aile décroche.
Idées essentielles
- Quatre forces agissent sur un avion : portance, poids, poussée et traînée. En vol horizontal, la portance équilibre le poids et la poussée équilibre la traînée.
- Une aile crée de la portance en déviant l’air vers le bas ; l’air repousse vers le haut. Pression plus basse dessus et plus haute dessous décrivent la même poussée.
- La portance croît avec le carré de la vitesse : doubler la vitesse donne quatre fois plus de portance, toutes choses égales par ailleurs.
- L’histoire du « temps de parcours égal » est fausse : l’air du dessus et celui du dessous n’ont pas à se retrouver à l’arrière, et des avions à ailes plates ou symétriques volent, même sur le dos.
- Le décrochage survient quand l’aile est trop inclinée, environ 15 à 16 degrés pour beaucoup d’ailes, et que l’air cesse de suivre la surface. Le remède est de baisser le nez.
Les quatre forces en équilibre
Quatre forces agissent sur tout aéronef. La portance le pousse vers le haut, le poids le tire vers le bas, la poussée du moteur ou de l’hélice le tire vers l’avant et la traînée, la résistance de l’air, le retient. En vol stabilisé et horizontal, elles s’équilibrent deux à deux : la portance égale le poids, et la poussée égale la traînée.
Pour un petit avion de 1 100 kg, le poids est P = m·g = 1 100 × 9,81 ≈ 10 800 N, et les ailes doivent donc donner exactement cette portance. Si elle est plus grande, l’avion monte ; si elle est plus petite, il descend.
La portance est une force mécanique qui exige de l’air. La NASA rappelle que la navette spatiale ne restait pas dans l’espace grâce à ses ailes : sans air, pas de portance, et c’est la vitesse orbitale qui la maintenait. Il faut aussi un mouvement entre l’aile et l’air : sans mouvement, pas de portance.
Comment une aile crée de la portance : elle dévie l’air
Le Centre de recherche Glenn de la NASA décrit la portance en une phrase : elle apparaît quand un écoulement de gaz en mouvement est dévié par un objet solide. L’écoulement est dévié dans un sens et, selon la troisième loi de Newton, la portance agit dans le sens opposé. Le dessus comme le dessous de l’aile participent à dévier l’air, et oublier la surface supérieure mène à une théorie fausse.
La même poussée peut se décrire par la pression. La pression autour de l’aile est plus basse dessus et plus haute dessous, et additionner cette pression sur toute l’aile donne la portance. La NASA note que « Bernoulli » et « Newton » ne sont que des étiquettes pour deux camps, car aucun des deux n’a tenté d’expliquer la portance aérodynamique. Les deux points de vue décrivent un même écoulement, et une explication correcte doit rendre compte de tout l’écoulement autour de l’aile.
La photo du Boeing 727 montre un sous-produit. La fumée blanche lâchée à chaque bout d’aile s’enroule en tourbillons d’air, les tourbillons marginaux, que laisse derrière elle toute aile qui porte du poids.
La formule de la portance, en chiffres
Les ingénieurs écrivent la portance L = ½·ρ·v²·S·C_L. Ici ρ (rhô) est la masse volumique de l’air, 1,225 kg/m³ au niveau de la mer, v la vitesse en mètres par seconde, S la surface alaire et C_L le coefficient de portance, qui rassemble en un nombre les effets de la forme et de l’angle de l’aile. La quantité ½·ρ·v² s’appelle la pression dynamique.
Prenez un avion léger avec S = 16 m² et C_L = 0,5. Pour le vol horizontal, L doit valoir 10 800 N, donc v² = 2 × 10 800 / (1,225 × 16 × 0,5) ≈ 2204 et v ≈ 47 m/s, environ 169 km/h. Comme v est au carré, doubler la vitesse donne quatre fois plus de portance.
Augmentez un peu l’angle ou sortez les volets, et C_L grandit. Avec C_L = 1,5, le même avion n’a besoin que de v ≈ 27 m/s, environ 98 km/h. C’est pourquoi les avions ralentissent à l’atterrissage mais sortent les volets.
Le mythe : l’air devrait « rattraper » celui du dessous
La théorie du temps de parcours égal dit que l’aile a un dessus plus long, donc que l’air du dessus doit aller plus vite pour retrouver celui du dessous au bord de fuite, et qu’un écoulement plus rapide signifie une pression plus basse. C’est l’une des explications les plus répétées, et la NASA Glenn la range parmi les explications fausses les plus répandues.
La NASA passe ses affirmations en revue. Une aile n’a pas besoin d’un dessus plus long : une aile symétrique donne beaucoup de portance, un avion en papier est une plaque plate dont le dessus et le dessous sont identiques, et certaines ailes modernes à faible traînée ont un dessous plus long. La théorie n’explique pas non plus les avions qui volent sur le dos, où la surface longue est dessous.
L’écoulement sur le dessus est bel et bien plus rapide que dessous. Mais il l’est bien plus que ne l’exige l’histoire du parcours égal, et deux parcelles d’air voisines à l’avant ne se retrouvent pas ensemble à l’arrière. La différence de pression est réelle ; la raison supposée ne l’est pas.
Angle d’attaque, décrochage et vol plané
L’angle entre l’aile et l’air qui arrive est l’angle d’attaque. En l’augmentant, C_L croît presque en ligne droite, jusqu’à environ 15 à 16 degrés pour beaucoup d’ailes ; la valeur exacte dépend de l’aile. Au-delà de cet angle critique, l’air se détache de la surface supérieure, la turbulence s’installe et la portance s’effondre. C’est le décrochage. Les documents de formation des pilotes, comme le manuel de la FAA, soulignent que le décrochage est fixé par l’angle d’attaque, non par la seule vitesse.
Pour en sortir, il faut réduire l’angle. Baissez d’abord le nez, même si le sol est dessous. Remettez les ailes à plat, ajoutez de la puissance pour reprendre de la vitesse et ne relevez doucement le nez que lorsque l’aile vole de nouveau. Tirer trop tôt ramène le décrochage. C’est une explication de physique, non une instruction de pilotage.
Une aile continue de travailler moteurs coupés. La finesse indique la distance parcourue vers l’avant par unité de hauteur perdue : les planeurs atteignent 40 à 60, les avions de ligne environ 15 à 20. De 10 km d’altitude, un avion de ligne de finesse 15 peut planer environ 150 km.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre
Le chapitre « Comment volent les avions » du VJOURNAL SMART BOOK de Physique, tome I, compte cinq moments animés. Des flèches lumineuses de forces, dessinées à l’échelle, grandissent et rétrécissent quand l’avion monte ou pique, les lignes de courant se courbent sur le profil de l’aile, et l’avion bascule et chute en cas de décrochage.
Sous l’image se trouve un bac à sable. Il commence avec un avion en décrochage qui tombe ; vous commandez le tangage et les gaz et essayez de le rattraper. C’est un jeu de physique, pas une leçon de pilotage. Le chapitre contient le texte complet avec calculs, une version courte en mots simples, un quiz avec explications, des sources et l’histoire du planeur de Gimli, un Boeing 767 qui a plané jusqu’à l’atterrissage en 1983 après une panne sèche.
En mots simples
Imaginez la main à plat à la portière d’une voiture en marche, un peu inclinée vers le haut : l’air pousse la main vers le haut. Une aile est une main au profil soigné. Inclinez-la trop, et la poussée régulière lâche d’un coup.
À vous de jouer
Appliquez L = ½·ρ·v²·S·C_L à un avion léger de 1 100 kg, de surface alaire S = 16 m², avec C_L = 0,5 et une masse volumique de l’air de 1,225 kg/m³. Trouvez la vitesse du vol horizontal, avec P = m·g et g = 9,81.
Résultat attendu
Environ 47 m/s (169 km/h) : le poids est d’environ 10 800 N, donc v² = 2 × 10 800 / (1,225 × 16 × 0,5) ≈ 2204.
Vérifiez votre réponse: Le même avion vole deux fois plus vite, à 94 m/s. Que devient la portance si l’angle d’attaque ne change pas ?
Elle devient quatre fois plus grande, car la vitesse est au carré. Pour rester en palier, le pilote devrait réduire l’angle d’attaque jusqu’à ce que C_L tombe vers 0,125.
Questions et réponses
Les avions volent-ils grâce au principe de Bernoulli ?
Les différences de pression autour de l’aile sont réelles et l’équation de Bernoulli relie pression et vitesse. L’erreur tient à la raison populaire de la vitesse plus élevée. La NASA dit que les noms de Bernoulli et de Newton désignent deux camps et que l’essentiel est que l’aile dévie l’écoulement.
Pourquoi un avion décroche-t-il ?
Le décrochage survient quand l’aile est trop inclinée, au-delà de son angle d’attaque critique, de sorte que l’air ne suit plus la surface et que la portance s’effondre. Pour beaucoup d’ailes, c’est autour de 15 à 16 degrés.
Un avion peut-il voler sur le dos ?
Oui, avec le nez à un angle approprié par rapport à l’écoulement. Cela montre que le secret n’est pas un dessus plus long. Ce qui compte est de dévier l’air vers le bas, quelle que soit la position de l’avion.
À quelle vitesse un avion doit-il aller pour voler ?
Cela dépend du poids, de la surface alaire, de la masse volumique de l’air et du coefficient de portance. Dans l’exemple chiffré, un avion de 1 100 kg demande environ 47 m/s avec C_L = 0,5 et environ 27 m/s avec C_L = 1,5, ce que permettent les volets et un angle plus grand.
Que se passe-t-il si les moteurs tombent en panne ?
L’avion plane, car l’aile continue de créer de la portance. Un avion de ligne avance d’environ 15 à 20 unités par unité de hauteur perdue : de 10 km, il peut planer de l’ordre de 150 km.
Pourquoi les avions ne peuvent-ils pas voler dans l’espace ?
La portance exige de l’air qui s’écoule le long de l’aile. Dans l’espace, il n’y en a presque pas : les ailes ne servent à rien et les engins en orbite tiennent par leur vitesse, non par la portance.
Retenez trois lignes : l’aile dévie l’air vers le bas et l’air la pousse vers le haut ; la portance croît avec le carré de la vitesse ; un décrochage est un problème d’angle, qui se guérit en baissant le nez. Ouvrez ensuite le chapitre et essayez de rattraper l’avion dans le simulateur.
Sources et lectures
- NASA Glenn Research Center: What is Lift? ↗Sources consultées:
- NASA Glenn: Incorrect Theory, the Equal Transit Theory interactive ↗Sources consultées:
- NASA Glenn: Bernoulli and Newton ↗Sources consultées:
- NASA Glenn: Lift Equation ↗Sources consultées:
- FAA: Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge ↗Sources consultées: