Comment les avions défient-ils la gravité pour s’élever dans les cieux ?

Depuis l’aube de l’humanité, l’homme a toujours été fasciné par le vol des oiseaux et a rêvé de pouvoir, lui aussi, s’envoler dans les airs.

L’invention de l’avion au début du 20ème siècle a permis de réaliser ce rêve, et aujourd’hui, les avions sont devenus un moyen de transport indispensable pour voyager rapidement d’un point à un autre du globe.

Mais comment ces engins mécaniques, pesant plusieurs tonnes, parviennent-ils à défier la gravité et à s’élever dans les cieux ?

Cet article se propose d’explorer en détail les principes fondamentaux qui permettent aux avions de voler et les forces qui entrent en jeu lors de leur déplacement dans l’atmosphère terrestre.

Le principe de la portance : une force qui s’oppose à la gravité

Pour comprendre comment les avions volent, il est essentiel de saisir le concept de portance, qui est la force qui permet à un objet de s’élever dans l’air en s’opposant à la gravité. La portance est engendrée par la différence de pression entre la partie supérieure et la partie inférieure d’une surface aérodynamique, comme une aile d’avion. Plusieurs facteurs influencent la portance, dont la forme de l’aile, la vitesse de l’air et la densité de l’air.

Les ailes d’un avion sont conçues pour maximiser la portance en fonction de leur forme, appelée profil aérodynamique. La partie supérieure d’une aile est généralement courbée, tandis que la partie inférieure est plutôt plate. Cette différence de forme crée un écoulement d’air accéléré sur la partie supérieure de l’aile, ce qui provoque une diminution de la pression de l’air au-dessus de l’aile par rapport à la pression de l’air sous l’aile. La différence de pression engendre alors une force verticale ascendante, appelée portance, qui permet à l’avion de s’élever dans les airs.

La vitesse de l’air est un facteur déterminant pour la création de la portance. En effet, plus l’air s’écoule rapidement autour de l’aile, plus la différence de pression est importante, et plus la portance est grande. C’est pourquoi les avions doivent atteindre une certaine vitesse, appelée vitesse de décrochage, pour générer suffisamment de portance et décoller. Enfin, la densité de l’air joue un rôle dans la portance : plus l’air est dense, plus la portance est élevée. Cela explique pourquoi il est plus difficile pour un avion de voler à haute altitude, où la densité de l’air est plus faible.

Les forces en présence lors du vol d’un avion

Durant le vol d’un avion, quatre forces principales sont en présence et déterminent sa trajectoire : la portance, la gravité, la poussée et la traînée. Ces forces sont constamment en équilibre, et c’est leur interaction qui permet à un avion de voler, de monter, de descendre ou de changer de direction.

1. La portance : Comme expliqué précédemment, la portance est la force verticale ascendante qui permet à un avion de décoller et de voler. Elle est générée par la différence de pression entre la partie supérieure et la partie inférieure des ailes.
2. La gravité : La gravité est la force d’attraction terrestre qui s’exerce sur tous les objets ayant une masse. Elle agit constamment sur un avion et s’oppose à la portance. Pour que l’avion maintienne son altitude, la portance doit être égale à la gravité.
3. La poussée : La poussée est la force horizontale qui propulse un avion vers l’avant. Elle est produite par les moteurs de l’avion, qui peuvent être des hélices ou des réacteurs. La poussée doit être suffisante pour vaincre la traînée et permettre à l’avion d’atteindre la vitesse nécessaire pour générer de la portance.
4. La traînée : La traînée est la force horizontale qui s’oppose à la poussée et freine l’avion. Elle est causée par la friction de l’air sur la surface de l’avion et par la formation de tourbillons d’air derrière l’avion. La traînée augmente avec la vitesse de l’avion et doit être compensée par la poussée pour maintenir une vitesse constante.

Les éléments de contrôle du vol : gouverner l’avion dans les airs

Les avions sont équipés de plusieurs éléments de contrôle qui permettent au pilote de modifier la trajectoire de l’appareil en agissant sur les forces en présence. Ces éléments de contrôle sont répartis sur l’ensemble de l’avion et modifient la surface aérodynamique pour ajuster la portance, la traînée ou la poussée selon les besoins.

• Les ailerons sont situés sur le bord de fuite des ailes, près de l’extrémité. Ils permettent de faire rouler l’avion autour de son axe longitudinal, c’est-à-dire incliner les ailes vers la gauche ou la droite. Lorsque le pilote actionne les ailerons, l’un d’eux se lève tandis que l’autre se baisse, ce qui modifie la portance de chaque aile et fait basculer l’avion d’un côté ou de l’autre.
• Les gouvernes de profondeur sont situées sur l’empennage horizontal, à l’arrière de l’avion. Elles permettent de faire piquer ou cabrer l’avion, c’est-à-dire modifier son inclinaison autour de son axe transversal. Lorsque le pilote actionne les gouvernes de profondeur, elles se lèvent ou se baissent, ce qui modifie la portance de l’empennage horizontal et fait monter ou descendre le nez de l’avion.
• La gouverne de direction est située sur l’empennage vertical, à l’arrière de l’avion. Elle permet de faire dériver l’avion, c’est-à-dire le faire pivoter autour de son axe vertical. Lorsque le pilote actionne la gouverne de direction, elle se déplace vers la gauche ou la droite, ce qui crée une traînée asymétrique sur l’empennage vertical et fait tourner l’avion dans la direction souhaitée.
• Les volets sont situés sur le bord de fuite des ailes, près du fuselage. Ils permettent d’augmenter temporairement la surface et la courbure de l’aile, ce qui génère plus de portance à basse vitesse. Les volets sont généralement utilisés lors du décollage et de l’atterrissage pour aider l’avion à décoller et se poser à des vitesses plus faibles, réduisant ainsi la longueur de piste nécessaire.
• Les inverseurs de poussée sont des dispositifs situés sur les moteurs à réaction qui permettent de rediriger une partie de la poussée vers l’avant. Ils sont utilisés lors de l’atterrissage pour aider à freiner l’avion et réduire la distance d’arrêt sur la piste.

Les moteurs : propulser l’avion à travers l’atmosphère

Les moteurs d’un avion fournissent la poussée nécessaire pour vaincre la traînée et propulser l’appareil à travers l’atmosphère. Il existe deux principaux types de moteurs utilisés dans l’aviation : les moteurs à pistons et les moteurs à réaction.

Les moteurs à pistons sont des moteurs à combustion interne qui fonctionnent de manière similaire aux moteurs de voiture. Ils utilisent l’énergie dégagée par la combustion d’un mélange d’air et de carburant pour déplacer des pistons, qui entraînent une hélice. Les moteurs à pistons sont généralement utilisés sur les petits avions, tels que les avions de tourisme et les avions d’affaires légers.

Les moteurs à réaction sont des moteurs qui fonctionnent selon le principe de la réaction : ils aspirent de l’air à l’avant, le compriment, le mélangent avec du carburant et l’enflamment. La combustion génère une expansion rapide des gaz, qui sont ensuite éjectés à grande vitesse à l’arrière du moteur. Cette éjection de gaz crée une poussée vers l’avant, propulsant l’avion. Les moteurs à réaction sont utilisés sur les avions de ligne, les avions de chasse et les avions d’affaires à réaction.

Il existe plusieurs types de moteurs à réaction, dont les turboréacteurs, les turbopropulseurs et les turbofans. Les turboréacteurs sont les moteurs à réaction les plus simples, composés d’un compresseur, d’une chambre de combustion et d’une turbine. Les turbopropulseurs sont des moteurs à réaction qui utilisent une turbine pour entraîner une hélice, offrant ainsi un compromis entre la puissance et l’efficacité des moteurs à pistons et des moteurs à réaction. Les turbofans sont des moteurs à réaction qui utilisent une grande soufflante à l’avant pour aspirer une grande quantité d’air, une partie étant ensuite dirigée vers le cœur du moteur pour la combustion, tandis que l’autre partie contourne le cœur et est éjectée directement à l’arrière. Les turbofans sont les moteurs les plus couramment utilisés sur les avions de ligne modernes, car ils offrent un bon compromis entre puissance, efficacité et bruit.

En somme, le vol d’un avion repose sur des principes fondamentaux d’aérodynamique, d’équilibre des forces et de propulsion. La compréhension de ces principes et l’ingénierie précise des ailes, des moteurs et des commandes de vol permettent aux avions de défier la gravité et de parcourir les cieux, réalisant ainsi le rêve ancestral de l’humanité de conquérir les airs. Les progrès technologiques continuent d’améliorer la performance, l’efficacité et la sécurité de ces fabuleuses machines volantes qui nous relient les uns aux autres et nous permettent d’explorer notre vaste monde.

La prochaine fois que vous monterez à bord d’un avion, prenez un moment pour contempler les merveilles de l’ingénierie et les principes scientifiques qui permettent à ces géants d’acier de s’élever dans les cieux. Et n’oubliez pas d’admirer les oiseaux qui, depuis la nuit des temps, ont inspiré l’homme à réaliser cet exploit incroyable.