Le fonctionnement d'un avion léger

Le fonctionnement d'un avion léger n'est pas si compliqué, mais peut être contre-intuitif. Deux forces principales permettent le maintien de l'avion en l'air: la force de trainée et la force de portance.


  La force de trainée

On appelle force de traînée, la force résistante qu'exerce un fluide sur un objet lorsque le fluide ou l'objet sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.
(Dans notre situation, le fluide est l'atmosphère et l'objet est l'avion)

La force de traînée s'oppose au mouvement de l'objet.
C'est grâce à la force de trainée et la forme des ailes que peut émerger la force de portance.


  La force de portance

La force de portance est la composante de la force subie par un corps en mouvement dans un fluide qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement.

• La force de portance

 
  Petit rappel : l'air est un mélange de gaz transparent mais dense (1,2 kg/m3 à 20 °C). Le fait que l'air soit invisible, renforce l'incompréhension, car on voit la route lorsque l'on roule en voiture, l'eau en prenant le bateau, mais en avion, on ne voit que du vide, alors que ça n’est pas le cas.

  Lorsque l'avion avance, l’air qui passe au-dessus des ailes (extrados), va plus vite que l’air qui passe en dessous (intrados), du fait de leur forme, plus bombée au-dessus et donc plus longue à parcourir pour l'air qui doit accélérer sa course. L’extrados est donc le siège d’une dépression par rapport à l’intrados. La différence de pression est à l’origine de la portance.

• Se familiariser au phénomène de portance

Une petite expérience simple a réalisé permet de mieux comprendre comment agit la force de portance.

  On prend une feuille de papier format A4 par deux coins voisins, le bord entre les deux coins étant tendu horizontalement. Bien sûr, le poids de la feuille tend à la faire pendre vers le bas. On souffle sur le dessus de la feuille et on s’aperçoit qu’elle se relève. Que se passe-t-il‑? La vitesse du courant d’air induit une dépression sur le dessus de la feuille alors que le dessous reste soumis à la pression ambiante. Les forces de pression appliquées à la feuille sont donc dirigées vers le haut et la feuille se soulève.

  Une expérience voisine peut être menée à l’aide de deux feuilles de papier placées côte à côte. Si l’on souffle entre les deux feuilles, elles se rapprochent l’une de l’autre. La vitesse de l’air entre les feuilles provoque une diminution de la pression. C’est ensuite la différence de pression exercée sur les deux faces de chaque feuille qui produit l’effet observé.
 

La portance verticale  en newtons (N) d'une aile vaut :

avec :

•  : masse volumique du fluide en kg/m³
•  : vitesse en m/s
•  : surface de référence en m² 
•  = coefficient de portance qui dépend de la forme de l'aile mais aussi de son incidence