Comment un avion vole-t-il ?

Un avion, en vol, est soumis à 4 forces : la portance (du fait du profil de l'aile), la poussée (engendrée par les reacteurs) la traînée (résultante aérodynamique) et l'action de la terre sur l'avion qui est le poids.

a) La portance

Un avion vole grâce à l'écoulement d'un fluide, ici l'air, sur l'aile. C'est souvent la vitesse qui permet l'écoulement de cet air, mais on peut aussi le simuler avec de puissantes souffleries.

La partie qui nous intéresse donc pour la portance est l'aile. Il faut rappeller qu'une aile a un profil bombé comme le montre la figure ci-dessous :

Lorsque le vent passe au-dessous et au-dessus de l'aile, l'air qui passe sur le côté supérieur (l'extrados) va plus vite que l'air qui passe sur le côté inférieur (l'intrados), du fait du profil de l'aile. La pression va être donc plus grande sur l'intrados que sur l'extrados. La dépression sur l'extrados et la pression sur l'intrados engendrent ainsi une force appellée portance.

Voici une petite manipulation montrant l'effet de la portance sur une aile modélisée :

1) L'aile est au repos, le ventilateur est coupé :

2) L'aile monte, le ventilateur est en marche :

3) L'aile est à son maximum :

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b) La poussée ou traction

Les avions sont équipés de moteurs de différentes puissances correspondant à leurs gabarits. Nous nous intéresserons ici au turbo-réacteur qui équipe les avions de ligne commerciaux.

C'est donc un réacteur qui permet à l'avion d'avoir une traction. Mais comment fonctionne-t-il? Le turbo-réacteur fonctionne selon le principe d'action-réaction. La variation de vitesse entre le début et la fin du circuit du turbo-réacteur engendre une quantité de mouvement qui par réaction, crée le déplacement de l'avion. D'ou le nom de "réacteur" ...

Schéma simplifié d'un turbo-reacteur

L'air, au debut de son admission, est aspiré par la soufflante qui a pour but d'attirer l'air vers l'arrière. Il est ensuite comprimé à l'aide du compresseur puis du kérosène est injecté dans l'air au niveau de la chambre de combustion, pour être ensuite enflammé, ce qui permet une forte dilatation des gaz. Ces derniers s'échappent par la tuyère du turbo-réacteur qui, en raison de son diamètre rétrécissant, accélère de manière conséquente l'air. Les gaz passe au préalable par une turbine permettant la mise en action de la soufflante, et le processus recommence.

Schéma d'un turbo-reacteur

Voici une petite manipulation permettant de montrer l'effet de la dilatation d'un gaz :

1) Le bocal est placé dans un bain-marie

2) Les gaz se dilatent, il y a donc une pression plus forte

3) On perce le film plastique, l'air s'échappe à grande vitesse

c) la traînée et le poids

La traînée est la force qui s'oppose au mouvement de l'avion dans l'air. D'après la troisième loi de Newton, l'air réagit avec la traction pour donner la traînée. Ainisi, si la traction diminue, la traînée sera prépondérante et la vitesse diminuera.

Traînée d'un petit avion au décollage

Le poids est comme tout le monde le sait l'effet de la gravité terrestre sur la masse de l'appareil. Ainisi, si la masse de l'appareil augmente, le poids sera plus grand et l'avion devra posséder une portance plus grande pour voler. A l'inverse, si la masse de l'appareil diminue, comme par exemple une consommation de carburant, l'avion aura tendance à monter en altitude.