Considérons un avion à moteur durant un vol rectiligne uniforme.

 

Les surpressions


Sur la figure 7, les surpressions (vis-à-vis de la pression de l’air incident) sont représentées par des vecteurs orthogonaux au profil et dirigés vers le profil, alors que les dépressions sont représentées par des vecteurs allant vers l’extérieur du profil. La longueur des vecteurs est proportionnelle à l’intensité de ces pressions. En raison de la forme bombée de l’aile, on observe bien la formation d’une zone dépressionnaire située au-dessus de l’aile, et une zone de surpression en-dessous de celle-ci.

 

 

Figure 7 – Pressions sur un profil d’aile dans un vent relatif de vitesse V

 

C’est vers le premier tiers du profil que la surpression sur l’intrados et la dépression sur l’extrados sont les plus élevées.

 

Mais il reste alors à expliquer pourquoi la vitesse s’accroît sur l’extrados, ce que l’équation de Bernoulli ne peut pas faire. On peut résumer pour l’instant en disant : le principe de Bernoulli permet de comprendre mais pas d’expliquer. Les simulations numériques faites par ordinateur rendent compte de ce qui se passe mais ne donnent pas une explication physique immédiate.

Les textes de vulgarisation expliquent (également dans l’émission « C’est pas sorcier »), qu’en raison de la courbure plus importante de l’extrados, l’air a une distance plus importante à parcourir qu’au-dessous. Ainsi, puisque l’air parvenant au bord d’attaque se sépare en deux courants, inférieur et supérieur, et que les deux courants doivent se retrouver au même moment à l’arrière de l’aile, le courant supérieur effectuant un trajet plus long doit donc accroître sa vitesse.

 

Mais rien n’explique pourquoi ces deux courants doivent se donner rendez-vous, par quel mystère ils doivent le faire. En réalité, les mesures expérimentales en soufflerie avec de la fumée colorée, démontrent même le contraire : le courant de l’extrados arrive bien avant celui du dessous. Cette explication des « temps égaux » est donc totalement erronée. Mais même si nous l’acceptions comme hypothèse, des calculs montrent que l’accroissement de la longueur à parcourir sur l’aile, pour soulever un petit avion de tourisme, devrait être de l’ordre de 50%, alors que les profils d’aile classique ont un accroissement maximum de 3%.

Par ailleurs, cette explication ne résiste pas au fait que les avions peuvent voler sur le dos. L’effet de portance alors inversée ne devrait pas le permettre.

 

Exemple du Venturi


L’exemple du Venturi, sans être lui non plus une explication, est aussi un moyen juste de comprendre. Lorsqu’il y a rétrécissement du passage du courant dans un tuyau (Figure 8), la vitesse augmente bien (et la pression diminue). On voit d’ailleurs que les lignes de courant (ligne des vecteurs vitesse) se cintrent au niveau du col.

 

 

Figure 8 – Au rétrécissement du canal, la pression du fluide baisse

 

Dans le cas de l’aile, celle-ci est effectivement un obstacle au passage de l’air (comme le rétrécissement du tuyau) bien que l’air puisse circuler librement au-dessus de l’aile, contrairement à la situation du tuyau où le fluide est contraint des deux côtés. Mais on voit sur la figure 9 que les lignes de courants se resserrent bien sur l’extrados, ce qui illustre un accroissement de vitesse (comme en figure 8) et donc une baisse de pression.

 

 

Figure 9 – Resserrement des lignes de courants sur l’extrados

 

Viscovité de l'air


En fait, pour expliquer le phénomène, il faut prendre en compte la viscosité de l’air. En contournant la partie supérieure de l’aile, l’air entraîne avec lui de l’air situé au-dessus de lui (sur plusieurs mètres) du fait de l’adhérence (par viscosité) avec les couches d’air supérieures. Plusieurs tonnes d’air par seconde sont ainsi entraînées vers le bas pour un avion de type Cessna en vitesse de croisière. Du fait de ce fort flux d’air entraîné, de l’air est donc tiré et accéléré du haut pour éviter des vides. D’après le théorème de Bernoulli, cette accélération produit une chute de pression. Il apparaît donc une force de sustentation appelée portance, et notée Rz.

 

 

Figure 10 – La déviation de l’air vers le bas est responsable de la portance

 

Lois de Newton


Si l’on l’observe la figure 10, on peut appliquer les lois de Newton. Les lignes de courant, horizontales, sont déviées vers le bas. Cette déviation des vecteurs vitesses suppose donc qu’une force s’est exercée sur l’air (du fait de l’aile), une force descendante. La troisième loi de Newton énonce, pour deux corps en interaction, qu’à chaque action de l’un sur l’autre, répond une réaction opposée. Dans notre cas, l’action est celle de l’aile sur l’air, qui est déviée vers le bas, en raison de la viscosité. La réaction est la force opposée exercée sur l’aile : c’est la force de portance.

On notera que sur la figure 10, l’air arrive sur l’aile avec un angle vis-à-vis de l’aile (de sa corde, voir "les caractéristiques d'une aile") : c’est l’angle incidence (noté sur la figure 7). C’est sur cet angle d’incidence que le pilote peut jouer pour voler sur le dos ou pour faire varier la portance. La portance sera donc d’autant plus élevée que la quantité d’air déviée vers le bas sera importante. Tout d’abord en augmentant la vitesse de l’avion (la vitesse relative de l’air), mais aussi en augmentant la vitesse de l’air descendant, à vitesse d’avion donnée. Pour cela, il faut augmenter l’angle de « glissement » vers le bas, donc l’angle d’incidence. En accroissant l’angle d’incidence, la portance est donc augmentée.

Cependant, il existe un angle limite (voir "Coefficients de traînée CX, de portance CZ - Polaire de l’aile") au-delà duquel la portance s’écroule. C’est le décrochage de l’aile. Les lignes de courants ne peuvent plus « adhérer » à laparoi de l’aile, elles se décollent et forment des tourbillons (Figure 11). Le flux d’air dévié chute et la portance diminue fortement : l’avion décroche.

 

 

Figure 11 – Angle d’incidence limite – décrochage de l’aile