d) Qu’est ce qui cause ces forces de traînée et de portance ?

1) La portance :

Petit avant-propos : Trouver une théorie qui explique la force de portance nous a longtemps mobilisés, car nous avons été particulièrement perturbés par le nombre de théories qui pullulent sur la toile, dans les encyclopédies, les magazines, ainsi que dans certains livres sur le sujet. Or aucune de ces théories n’est vraiment applicable à une aile, car la complexité du phénomène ne le prête pas à la simplification, et certaines de ces explications se basent sur des théories erronées. D’autre part, la véritable explication de la portance, immensément complexe, se trouve hors de la portée de lycéens.

1. - Théorème de Bernouilli/Venturi :

• Lorsque l’air passe au dessus d’une aile bombée, il est poussé à accélérer, tel du vent se mettant à aller plus vite en étant forcé dans une rue étroite. Cependant, le théorème de Bernouilli dit que la pression de l’air diminue, lorsque sa vitesse augmente. Ainsi, l’air passant sur le dessus de l’aile est de pression inférieure à l’air passant par dessous, aspirant l’aile vers le haut.

• Mais réduire la portance induite par une aile à ce seul phénomène, est une vulgarisation (très répandue !!) des lois de l’aérodynamique.

• En effet, pour qu’un avion léger décolle à une vitesse normale (rarement plus de 100 km/h), il lui faudrait des ailes avec un extrados environ 50% plus long que son intrados, ce qui ne serait pas très efficace en termes d’aérodynamisme et de poids, voir impossible à mettre en oeuvre! (à titre d’indication, une aile normale a un extrados seulement 1,5% à 2,5% plus long que l’intrados, il existe même des ailes avec un intrados plus petit que l’extrados).

• De plus, si l’on voulait faire décoller un avion avec un profil d’aile normal, il faudrait atteindre des vitesses de décollage de plus de 600km/h, nécessitant que la piste ait une longueur démesurée, et que l’avion ait un moteur d’une puissance phénoménale.

 Si l’on ne retient que l’effet de Bernouilli pour expliquer le vol d’un avion, comment se fait-il que les avions de voltige parviennent à voler sur le dos, et donc avec l’extrados bombé vers le bas ?

2. Théorie du ricochet / La troisième loi de Newton :
   

• L’air arrivant sur l’intrados d’une aile, lorsque l’aile a une incidence positive, est dévié vers le bas par cette dernière. Or la troisième loi de Newton stipule que “tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B.”. Donc l’aile serait non pas aspirée, mais poussée vers le haut par une force proportionelle à la masse d’air qu’elle dévie vers le bas.

La portance serait le fruit d’une réaction au mouvement vers le bas impliqué par l’aile sur l’air, telle une pierre qui ricoche sur l’eau.

Mais une représentation complète de la réalité doit aussi prendre en compte l’air passant sur le haut de l’aile.

• Cependant, si l’on observe le mouvement de l’air autour d’une aile en soufflerie, on s'aperçoit que non seulement l’air passant sur intrados est dévié vers le bas, mais que celui de l'extrados l’est aussi. C’est une conséquence de l’effet Coenda.

La combinaison de ces phénomènes donne une explication relativement complète de la force de portance. Cependant, scientifiquement, la seule description valable des effets aérodynamiques autour d’une aile en mouvement, est la résolution, grâce à des logiciels, de simulations basées sur les équations d’Euler et de Navier-Stokes, ce qui, à l’échelle d’une aile d’avion, reste, même avec les puissances de calcul disponibles actuellement, une chose extrêmement complexe.

2) La traînée (les trois principales causes) :

1. Traînée par friction ou traînée de friction :

Les molécules d’air proches de la surface de l’aile sont ralenties, et donc exercent une force opposée à la traction.

2. Traînée de forme

Lorsqu’un fluide passe autour d’un corps, il se crée des zones de pression plus basses à l’arrière, qui vont aspirer le corps, et des zones de haute pression qui vont le pousser.

3. Traînée induite

L’air passant au niveau des bouts d’aile devient tourbillonnaire, créant des vortex visibles sur cette image. Ces tourbillons entraînent de la traînée, et c’est pour limiter leur formation que les avions de ligne modernes possèdent des “winglets” en bout d’aile.

< Page précédente | Page suivante >