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Le mystère du vol est au centre de la curiosité humaine depuis des siècles. Des croquis de Léonard de Vinci aux expériences pionnières des frères Wright, l'humanité a inlassablement cherché à maîtriser le ciel. Mais alors même que l'aviation est devenue un élément déterminant de la civilisation moderne, les principes fondamentaux qui sous-tendent le vol ont souvent été mal compris.
Malgré l'apparente facilité avec laquelle un avion décolle du sol aujourd'hui, la science qui sous-tend le vol est loin d'être simple. Le concept de portance, en particulier, reste un sujet de débat et d'idées fausses, de nombreuses explications (certaines exactes, d'autres erronées) circulant dans les cercles scientifiques et éducatifs.
Comment un avion parvient-il à se soulever ? Pourquoi tant d'explications de cette force invisible ne sont-elles pas satisfaisantes ? Et que peuvent nous apprendre les idées fausses du passé sur la complexité de l'aérodynamique ? Cliquez sur cette galerie pour le découvrir.
L'homme a toujours rêvé de voler comme un oiseau. Même le mythe d'Icare évoque le désir précoce de l'humanité de s'élever dans le ciel. Mais le véritable vol motorisé est resté inaccessible jusqu'au 19e siècle, lorsque les progrès ont jeté les bases de l'aviation.
Le 17 décembre 1903, Wilbur et Orville Wright sont entrés dans l'histoire en réalisant le premier vol motorisé contrôlé à Kitty Hawk, en Caroline du Nord. Leur avion, le Wright Flyer, utilisait un moteur léger et un système de commande à trois axes qui a jeté les bases de l'ingénierie aéronautique moderne.
En 1917, Albert Einstein avait révolutionné la physique avec ses théories sur l'espace et le temps. La même année, il tente de concevoir une aile d'avion, mais n'y parvient pas. Son approche erronée est due à une compréhension incomplète du vol, qui reste encore aujourd'hui une source d'idées fausses.
La façon dont les avions génèrent la portance est souvent mal comprise. De nombreuses explications erronées continuent de circuler, malgré des recherches approfondies. Les erreurs d'Einstein permettent de comprendre à quel point la science du vol est complexe, et ses mauvais calculs montrent que même les plus grands esprits peuvent avoir des difficultés avec l'aérodynamique.
Bien que nous n'ayons pas l'habitude de considérer l'air comme un fluide, il se comporte comme l'eau. Il y a des courants, des différences de pression et de la flottabilité. Les avions doivent générer une force ascendante, appelée "portance", pour rester en l'air, tout comme les bateaux flottent sur l'eau grâce à la flottabilité.
Les ailes d'un avion sont responsables de la majeure partie de la portance qui permet à l'avion de rester en l'air. L'interaction entre l'air et la surface de l'aile crée les forces nécessaires. Mais la manière dont cette portance est générée reste un sujet de débat.
Une explication largement répandue mais incorrecte de la portance affirme que les molécules d'air voyageant sur la surface supérieure incurvée d'une aile doivent atteindre l'arrière en même temps que les molécules passant en dessous. Cette théorie suppose à tort que l'air doit se déplacer plus rapidement sur le dessus, ce qui tire l'avion vers le haut.
En réalité, l'air qui se déplace sur le dessus de l'aile atteint le bord de fuite beaucoup plus rapidement que l'air qui se trouve en dessous. L'explication du temps de transit égal ne tient pas compte du fait que l'air au-dessus de l'aile accélère en raison des changements de pression et de courbure.
Pour comprendre la portance, il faut observer comment l'air interagit avec une aile en mouvement. En avançant, l'aile influence l'air environnant et provoque des variations de vitesse et de pression.
Lorsque l'air rencontre le bord d'attaque d'une aile, il se divise en plusieurs trajectoires. Le flux supérieur suit le contour de l'aile et accélère en se déplaçant autour de la surface incurvée. Cette accélération entraîne une diminution de la pression, ce qui est essentiel pour générer la portance.
L'air qui se déplace sur l'aile subit une accélération centripète, semblable à celle d'une voiture qui prend un virage serré sur une route en courbe. Cette accélération augmente la vitesse de l'air et réduit la pression sur l'extrados de l'aile, ce qui augmente la portance et attire encore plus d'air dans le flux aérodynamique.
Alors que l'air supérieur accélère et que la pression diminue, l'air situé sous l'aile subit des changements beaucoup moins importants. La pression sous l'aile reste plus élevée qu'en haut, et c'est cette différence de pression qui génère la portance.
Plus un avion se déplace rapidement dans l'air, plus la différence de pression au dessus et en dessous des ailes est importante. Cette augmentation amplifie la force de portance, ce qui permet à l'avion de vaincre la gravité et de s'envoler.
Si la courbure peut contribuer à créer de la portance, une courbure excessive de l'aile peut se retourner contre elle. Si une aile est trop courbée ou trop inclinée, l'écoulement de l'air peut se détacher de sa surface, ce qui provoque des turbulences. Ce phénomène perturbe la portance et peut provoquer une instabilité aérodynamique dangereuse.
Il est intéressant de noter qu'une grande partie de ce que nous savons sur l'aérodynamique peut être attribuée à Sir Isaac Newton, le mathématicien et physicien anglais qui a établi les lois de la mécanique classique au 17e siècle.
Les lois du mouvement de Newton, publiées en 1687 dans son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, ont révolutionné notre compréhension du mouvement. Ces lois décrivent la manière dont les objets interagissent avec les forces et restent fondamentales pour la physique et l'aérodynamique aujourd'hui.
Un objet au repos reste au repos, et un objet en mouvement reste en mouvement à moins d'être soumis à une force extérieure. Cela signifie que si aucune force n'intervient, un objet continuera à se déplacer indéfiniment ou restera parfaitement immobile.
Si un avion s'arrêtait brusquement, les passagers seraient projetés vers l'avant parce que leur corps résisterait au changement de mouvement. De même, un livre posé sur une table ne bougera pas s'il n'est pas poussé, ce qui démontre que les objets résistent aux changements de leur état de mouvement.
La deuxième loi de Newton stipule qu'une force appliquée à un objet dépend à la fois de sa masse et de son accélération. Une force plus importante est nécessaire pour déplacer des objets plus lourds, tandis que les objets plus légers nécessitent une force moindre pour obtenir la même accélération.
Il est plus facile de pousser un caddie vide qu'un caddie plein, car la masse plus importante nécessite plus de force. De même, les avions ont besoin d'une poussée massive pour propulser leur poids dans les airs, ce qui illustre parfaitement la deuxième loi de Newton.
Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Cela signifie que lorsqu'un objet exerce une force sur un autre, le second objet le repousse avec une force égale dans la direction opposée.
Lorsque vous sautez d'un bateau sur un quai, le bateau recule. Cela se produit parce que lorsque vous poussez le bateau (action), le bateau vous repousse avec la même force (réaction), ce qui le fait dériver dans la direction opposée.
Les avions volent en poussant l'air vers le bas avec leurs ailes (action), et en réponse, l'air pousse les ailes vers le haut (réaction), générant ainsi une portance. De même, un moteur à réaction expulse du gaz vers l'arrière, ce qui propulse l'avion vers l'avant.
Les lois de Newton sont fondamentales pour l'aérodynamique. La première loi explique pourquoi un avion continue à avancer après le décollage. La deuxième loi aide les ingénieurs à calculer la force nécessaire pour générer la portance et vaincre la gravité. Enfin, la troisième loi est essentielle pour comprendre la propulsion et la portance.
Les avions s'appuient entièrement sur les lois de Newton pour rester en l'air, manœuvrer et atterrir en toute sécurité. Lorsque ces principes fondamentaux sont perturbés (que ce soit en raison d'une défaillance mécanique ou d'une mauvaise aérodynamique), les résultats peuvent être catastrophiques. Il est essentiel pour la sécurité aérienne de comprendre comment ces défaillances se produisent.
La première loi de Newton stipule qu'un objet en mouvement reste en mouvement à moins d'être soumis à une force extérieure. Si le système de freinage d'un avion tombe en panne à l'atterrissage, ou si les pilotes ne peuvent pas appliquer une force compensatrice suffisante pendant un virage, l'avion peut sortir des pistes ou même perdre le contrôle en vol.
La deuxième loi de Newton stipule que la force est égale à la masse multipliée par l'accélération. Si un aéronef ne génère pas suffisamment de force (en raison d'une poussée insuffisante ou d'une panne de moteur), il n'accélérera pas ou ne maintiendra pas l'altitude, ce qui l'empêchera de rester en vol contrôlé.
La troisième loi de Newton stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Si un avion dépasse ses limites structurelles, cette loi se manifeste de manière destructrice. Une vitesse excessive ou des turbulences peuvent provoquer des forces qui dépassent la structure de l'avion, entraînant une défaillance catastrophique.
Chaque catastrophe ou dysfonctionnement d'avion ensiegnent aux ingénieurs et aux pilotes comment améliorer la sécurité des vols. À mesure que la technologie progresse, notre compréhension de l'aérodynamique continue d'évoluer. L'avenir des aéronefs est en constante évolution, et peut-être que l'humanité touchera le ciel de différentes manières.
Sources : (NASA) (TED-EE) (NASA) (TED-Ed) (HowStuffWorks) (Scientific American)
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LIFESTYLE Aviation
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