Quel principe physique permet à un avion de voler ?

Un avion se maintient en l’air grâce à la portance produite par ses ailes. Cette force résulte principalement d’une différence de pression entre la surface supérieure et la surface inférieure de l’aile. Le principe de Bernoulli permet de comprendre cette différence : dans un écoulement de fluide, lorsque la vitesse augmente, la pression diminue. En avançant, l’avion impose à l’air un écoulement autour de ses ailes ; la forme de celles-ci et leur orientation favorisent généralement une circulation plus rapide au-dessus qu’en dessous, ce qui crée une pression plus faible sur leur face supérieure et une force dirigée vers le haut.

Le principe de Bernoulli appliqué à l’aile

Une aile possède un profil étudié pour modifier l’écoulement de l’air. Sa surface supérieure est souvent plus bombée que sa surface inférieure, mais la forme seule ne suffit pas à expliquer la portance : l’angle d’attaque, c’est-à-dire l’angle entre l’aile et le vent relatif, joue également un rôle essentiel. Lorsque l’air circule plus vite au-dessus de l’aile, sa pression statique diminue selon le principe de Bernoulli. La pression plus élevée sous l’aile contribue alors à la pousser vers le haut. La portance dépend aussi de la vitesse de l’avion, de la densité de l’air, de la surface des ailes et de leur configuration. C’est pourquoi une aile produit beaucoup moins de portance lorsque l’appareil avance trop lentement ou lorsque l’air est moins dense.

La déviation de l’air vers le bas

La portance peut aussi être décrite à l’aide des lois de la mécanique. Une aile inclinée et profilée dévie une partie de l’air vers le bas. En réaction, l’air exerce sur l’aile une force dirigée vers le haut, conformément au principe d’action et de réaction. Cette explication ne contredit pas celle de Bernoulli : la différence de pression autour de l’aile et la déviation de l’air sont deux façons de décrire le même phénomène aérodynamique. Même une aile relativement symétrique peut produire de la portance si elle est placée avec un angle d’attaque approprié. La portance ne dépend donc pas uniquement de la courbure de l’aile, mais de l’ensemble de l’écoulement qui se forme autour d’elle.

Les quatre forces du vol

En vol, quatre forces principales s’exercent sur l’avion. La portance agit vers le haut, le poids vers le bas, la poussée des moteurs vers l’avant et la traînée vers l’arrière. Pour maintenir un vol horizontal à vitesse constante, la portance équilibre le poids et la poussée équilibre la traînée. Au décollage, les moteurs accélèrent l’avion sur la piste jusqu’à ce que ses ailes produisent une portance suffisante. Les volets et les becs de bord d’attaque peuvent modifier le profil de l’aile afin d’augmenter la portance à basse vitesse ; ils accroissent aussi généralement la traînée, ce qui est utile pendant les phases de décollage et d’atterrissage. Les commandes de vol permettent ainsi de modifier la portance, la trajectoire et l’équilibre de l’appareil.

Les limites de la portance

La portance n’augmente pas indéfiniment avec l’angle d’attaque. Si celui-ci devient trop important, l’écoulement de l’air se sépare de la surface de l’aile : c’est le décrochage, qui entraîne une diminution importante de la portance. Ce phénomène n’est pas simplement lié à une vitesse donnée ; il dépend notamment de l’angle d’attaque, de la masse de l’avion et de sa configuration. L’altitude influence également le vol, car l’air y est moins dense. À masse et configuration identiques, l’avion doit alors généralement adopter une vitesse vraie plus élevée pour obtenir une portance suffisante. La conception des ailes, la puissance des moteurs et les dispositifs hypersustentateurs permettent de maintenir un écoulement adapté dans les différentes phases du vol.