J'ai découvert que cette question faisait de gros débats sur le net, et qu'en plus l'explication courante sur la différence de vitesse de l’écoulement de l’air était fausse.
Voici donc une explication qui, j’espère, remettra un peu les pendules à l’heure.
Pour commencer, il y a principalement quatre forces qui s’exercent sur un avion en vol :
- La traction des hélices (ou la poussé des réacteurs) qui tire (ou pousse) l'avion vers l'avant ;
- La traînée, résultant des frottements avec l'air sur la surface de l'avion, qui freine l'avion ;
- Le poids de l'avion, qui attire l'avion vers le bas ;
- La portance, qui permet à l'avion de se maintenir en l'air.
En jouant sur la portance et la traction, on peut faire monter et avancer l’avion comme on veut.
De ces quatre forces, c'est la portance qui est la moins facile à comprendre : comment une aile peut-elle générer une force dirigée vers le haut ?
Il y avait plusieurs théories et évidemment, l'explication populaire est fausse (du moins, elle n’explique pas tout).
L'explication courante et fausse : l'air accélère et crée une dépression.
Cette explication, que j'ai entendu tellement souvent étant gamin est fausse. Voici son énoncé :
Une aile d'avion est bombée sur le dessus, donc la distance à parcourir en passant au dessus est supérieure à celle à parcourir en dessous.
L'air allant plus vite en haut à cause du trajet plus important à parcourir produire une dépression au dessus de l’aile, ce qui aspire l’avion vers le haut. C’est le théorème de Bernoulli
L’effet de Bernoulli existe et ses effets sont observés et largement mis en pratique dans tout le monde de l’aéronautique (par exemple dans le tube de Pitot, qui permet de mesurer la vitesse de l’avion en vol).
L'ennui, c'est que cet effet d'aspiration dû à la vitesse ne suffit pas : même pour un avion de ligne volant à 800 km/h, la différence de pression est beaucoup trop faible pour soulever un avion entier. Par ailleurs, il a été constaté que l’air passant au dessus et l’air passant en dessous ne se rejoignent pas du tout en même temps (en fait l’air passant au dessus de l’aile arrive même avant celui passant en dessous).
De plus, certains avions sont munies d’ailes à profil symétrique, voire planes et volent très bien. Un avion en papier vole également parfaitement bien, tout comme un cerf-volant.
Une explication alternative, évoquant l'inclinaison de l'aile, pour que l'air tape dessous et la soulevant tel un caillou ricochant sur l'eau est incomplète également, car c'est oublier ce qui se passe au dessus de l'aile. Or, les essais montrent ici que la face supérieur est celle qui participe le plus à la déviation de l’air.
L’explication correcte
La principale raison à la portance s'explique avec la troisième loi de Newton et l’effet Coandă.
L’effet Coandă, c’est quand vous prenez une cuillère et que vous en présentez la partie bombée sous le filet d’eau du robinet, comme sur cette image : le filet d’eau est dévié dans le sens du creux, car elle épouse les courbes de la cuillère. En réaction, la cuillère est aspirée dans l’autre sens.
Il se passe exactement la même chose avec une aile d’avion : une aile d'avion est inclinée (si ce n’est pas tout l’avion qui l’est). De cette manière, elle imprime au courant d'air un changement de direction. Le flux d'air va avoir un mouvement descendant et l’aile aura un mouvement ascendant, par réaction.
L’effet Coandă intervient car l’air suit le profil de l’aile. Dans les cas fluides liquides, il intervient grâce à la capillarité et la tension de surface, qui font coller le fluide à la surface inclinée.
La 3e loi de Newton dit qu’à toute force exercée dans un sens, il y'a une force associée s'exerçant dans le sens opposé avec la même intensité.
C'est le principe d'action-réaction.
Le même principe est utilisé pour le gouvernail des navires : il s’agit basiquement d’une simple planche qui dévie l’écoulement de l’eau dans un sens, ce qui provoque une déviation du bateau dans l’autre.
Dans le cas des ailes qui sont effectivement bombées, l’air passant au dessus est le seul qui est dévié, et poussé vers le bas (l’air en dessous continuer tout droit). Ceci permet de réduire la portance pour les avions à grande vitesse : la vitesse produisant d’elle-même une portance suffisante. Le même avion à faible vitesse doit en revanche utiliser des ailerons lors du décollage et de l’atterrissage, pour compenser.
Pour les hélicoptères et les hélices en général, c’est la même chose. Lorsque l’hélicoptère est au sol et que les palles tournent sans soulever l’appareil, leur profil est parallèle au sol : les palles ne font que passer dans l’air sans le dévier (la palle étant placée parallèle au flux d’air, on dit que l’hélice est mis en drapeau). Quand le pilote décide de s’élever dans les airs, les palles sont inclinées, l’air est poussé vers le bas et l’hélicoptère monte. Ceci permet de modifier la portance sans avoir à toucher à la vitesse de rotation de l’hélice et à celui du moteur, qui est généralement prévu pour fonctionner à régime fixe et constant.
Conclusion
La principale raison de la portance d'un avion est que l'aile pousse le flux d'air vers le bas, et que par réaction l'air pousse l'aile en haut
En pratique, il y a beaucoup d’effets d’aérodynamique qui interviennent. Le débat reste ouvert car la théorie qui se base sur l’effet Coandă et la loi de Newton n’explique pas tout, comme par exemple l’effet de sol, qui a besoin de théories beaucoup plus compliquées issues de la dynamique des fluides.
Il reste néanmoins des constantes dans tous les articles qui traitent le sujet de façon sérieuse et générale :
- l’effet de Bernoulli existe et est un effet réel, mais les forces produites sont très loin d’être suffisantes pour soulever un avion. De plus, les hypothèses de départ invoquées en utilisant cette théorie (air arrivant au même moment au bout de l’aile) sont fausses.
- l’effet de Bernoulli nécessite un profil d’aile asymétrique, or certains avions ont des ailes à profil symétrique (et même plats, comme les avions en papier).
- l’aérodynamique est compliquée et il faut prendre en compte beaucoup d’effets combinés pour expliquer toutes les situations.
- dans certains cas, il existe des conditions limites pour que les effets Coandă et celui de Newton puissent soutenir l’avion en l’air.
Liens
Références
- Incorrect Lift Theory - NASA (et partie 2, partie 3 ;
- Correct Lift Theory - NASA ;
- How Airplanes Fly: A Physical Description of Lift ;
- Pourquoi un avion vole ? ;
- KEZAKO : Comment un avion vole-t-il? ;
- How Does A Wing Actually Work?.