Quelle loi physique explique pourquoi un avion peut voler ?

Le vol d’un avion repose sur la portance, une force aérodynamique dirigée vers le haut et produite par ses ailes lorsqu’elles se déplacent dans l’air. La loi de Bernoulli en fournit l’explication principale : dans certaines conditions d’écoulement, une augmentation de la vitesse de l’air s’accompagne d’une diminution de sa pression. La forme de l’aile et son orientation provoquent une circulation de l’air plus rapide au-dessus qu’en dessous. La pression devient alors plus faible sur la surface supérieure que sous l’aile, et cette différence de pression engendre la portance.

Le rôle de la loi de Bernoulli

La loi de Bernoulli décrit la conservation de l’énergie dans un fluide en mouvement. Pour un écoulement suffisamment régulier, et en première approximation à altitude comparable, la pression statique diminue lorsque la vitesse de l’air augmente. Une aile, appelée profil aérodynamique, est conçue et orientée de manière à modifier l’écoulement autour d’elle. L’air s’accélère au-dessus de l’aile, tandis que la pression y devient plus faible ; sous l’aile, la pression est relativement plus élevée. L’ensemble des forces de pression exercées sur les surfaces de l’aile produit une résultante dirigée vers le haut : c’est la portance. Lorsque cette force devient suffisante pour compenser le poids de l’avion, celui-ci peut décoller et se maintenir en altitude.

Une explication liée à la forme et à l’inclinaison de l’aile

La différence de pression ne provient pas simplement d’un trajet plus long que l’air devrait parcourir au-dessus de l’aile, ni d’une obligation pour les particules d’air de se retrouver simultanément au bord de fuite. Elle résulte de l’écoulement global autour du profil, influencé par sa courbure, son épaisseur et surtout son angle d’attaque, c’est-à-dire l’angle entre la corde de l’aile et la direction de l’air incident. En modifiant cet angle, l’aile dévie aussi une partie de l’air vers le bas. Cette déviation s’accorde avec le principe d’action-réaction décrit par la troisième loi de Newton : l’air est accéléré vers le bas et exerce en retour une force vers le haut sur l’aile. La description par les différences de pression et celle par la déviation de l’air sont donc deux manières complémentaires de rendre compte de la même portance.

La portance dans le fonctionnement de l’avion

La portance dépend notamment de la vitesse de l’avion, de la densité de l’air, de la surface des ailes et de leur angle d’attaque. Si la vitesse augmente, l’écoulement autour de l’aile peut produire une portance plus importante, dans les limites du régime de vol considéré. Lors du décollage et de l’atterrissage, les volets et les becs de bord d’attaque peuvent modifier le profil de l’aile afin d’augmenter la portance à vitesse réduite. En revanche, un angle d’attaque excessif peut provoquer un décrochage : l’écoulement se sépare de la surface de l’aile et la portance diminue fortement. Le vol résulte ainsi de l’action combinée de la portance, du poids, de la poussée des moteurs et de la traînée, mais c’est la relation entre vitesse de l’air et pression décrite par la loi de Bernoulli qui explique principalement la création de la portance.