Pour voler, l’avion doit se déplacer par rapport à l’air ambiant. Ce déplacement permet de créer des forces sur les surfaces de l’avion (ailes, fuselage, dérive…) qui lui permettent de décoller et de se maintenir en l’air.

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         Dans le milieu de l’aviation, le dessus de l’aile est appelé extrados, et le dessous intrados. La corde de profil est un trait virtuel séparant l’extrados de l’intrados, reliant le bord d’attaque au bord de fuite.

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        D’un point de vue aérodynamique, un avion se déplaçant par rapport à l’air ambiant avec une certaine vitesse, en vol par exemple, se comporte comme un avion à l'arrêt, au sol sur lequel souffle un vent puissant, tel qu’il est possible de le faire dans une soufflerie. On appelle ce vent, le vent relatif, qui est un élément essentiel dans les formules d'aérodynamique. Le vent relatif est une force perpendiculaire à la portance.

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    Les ingénieurs ont représenté le vol d’un avion dans des souffleries pour étudier son fonctionnement et ainsi développer le meilleur profil d’aile possible. Nous allons expliquer le fonctionnement de l’avion grâce à aux expériences qui ont été menées en soufflerie.  

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        Les caractéristiques aérodynamiques d’un avion en déplacement et d’un avion sur lequel on envoie ce vent relatif sont très proches. On peut modéliser l’écoulement de l’air autour de l’avion par des tubes de courant. On arrive à les matérialiser dans une soufflerie par de fins jets de fumée placés en amont de l’avion.

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         Sur l’image nous constatons que l’air contourne l’aile par le haut et par le bas:

On peut remarquer que l’aile est plus bombée à l’extrados qu’à l’intrados. Cela signifie que le volume d'air, du vent relatif de l'extrados, parcourra une plus grande distance entre le bord d’attaque et le bord de fuite. La loi physique de Venturi affirme qu'un fluide qui circule dans un milieu qui vient à se rétrécir va voir sa vitesse augmenter. On peut observer concrètement l'effet de cette loi lorsqu'on appuie sur un tuyau d'arrosage en action : on remarque que le rétrécissement du tube augmente la vitesse du jet. Si on rapporte cela à l'avion, cela veut dire que l’air qui va passer par le dessus de l’aile ira plus vite que celle passant en dessous. Il est aussi démontré par cette loi que si la vitesse d’un fluide augmente, alors sa pression diminue. Il y a donc moins d’air sur l’aile que sous l’aile ; il survient alors une dépression à l’extrados, et une surpression à l’intrados. Ces deux forces, sont dirigées vers le haut, elles créent la portance, l'aile est littéralement aspirée vers le haut. Notons également que l'air est dévié vers le bas au niveau du bord de fuite ce qui contribue aussi à la portance. Pour information, la dépression sur l’extrados intervient pour près de 75% dans la valeur de la force portante alors que la surpression sur l’intrados, n’intervient que dans 25% de la portance.

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         Dans le cas d'un vol stabilisé, la portance est une force qui s'applique au niveau du centre de gravité de l'avion, perpendiculaire au vent relatif. La portance d'un avion s'exprime par la formule suivante : 

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      La force qui va surtout nous intéresser s'appelle la résultante aérodynamique, c'est la résultante du vecteur de la portance et de la traînée. C'est cette force que subit l'avion qui lui permet de voler. La traînée est une force qui agit contre la traction (donnée par le moteur), elle est produite par toutes les parties de l'avion qui offrent de la résistance à l'air, principalement le fuselage, des ailes sales ou mêmes les parties sustentatrices de l'appareil. Quand vous sortez votre main par la fenêtre d'une voiture en roulant, vous sentez cette force exercée par le vent sur votre main, vous créez de la traînée. Elle s'exprime par la formule suivante : 

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         Un avion en vol (ou en soufflerie) subit la résultante aérodynamique. Cette force peut être portante si le profil de l’aile a la forme et la position adéquates. C’est le principe de base de l’aviation, et ce qui permet à tous les avions de voler. Cette résultante aérodynamique est orientée vers le haut, elle “porte” l’avion, et très légèrement vers l'arrière. Cette force a donc deux effets sur le vol de l’avion:

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• un effet porteur, par la portance

• un effet freineur, par la traînée

 

          

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         On appelle incidence l'angle formé entre la corde moyenne du profil de l'aile et la direction du vent relatif. Lorsque l'on observe un avion décoller, puis s'élever en altitude, il a une incidence importante, et une plus grande portance qui lui permet de s'élever. Ainsi l'incidence et la résultante aérodynamique sont liées : une incidence plus grande engendre plus de portance et une incidence plus faible, moins de portance. Un avion en piqué a une incidence qui est négative, la portance est faible et devient inférieure au poids de l'avion alors, l'avion descend.

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         Lorsque l'incidence d'un avion est trop grande, les filets d'air qui circulent autour des ailes n'arrivent plus à adhérer sur la surface de l'aile, c'est le décrochage, l'avion ne peut plus conserver sa portance. Avant de décrocher, l'avion devient peu maniable et parfois commence à vibrer, les filets d'air se décollent, puis l'avion tombe. Le décrochage se manifeste à partir d'une certaine vitesse, les pilotes ont connaissance de cette valeur à ne pas approcher. 

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         Le quotient du coefficient de portance sur le coefficient  traînée s'appelle la finesse : 

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         La finesse correspond à la distance maximale que peut parcourir un avion en vole plané à partir d'une hauteur, à une incidence qui correspond à cette finesse maximale. Sur la polaire ci-dessous, la tangente à la courbe passant par l'origine du repère coupe en un point cette courbe, l'angle alpha ainsi formé, correspond à l'incidence de finesse max :

 

 

 

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         Généralement sur les planeurs, la finesse est de 60, de 10 sur un avion léger. La finesse d’un avion de ligne est aux alentours de 20, la meilleure étant celle de l’Airbus A330 avec 30 de finesse. Pour trouver la distance parcourue par un avion de finesse 20, on peut faire un rapide calcul de la distance parcourue en fonction de la hauteur. L’avion peut parcourir horizontalement une distance égale à la finesse multipliée par la hauteur de l’avion. Par exemple, ce même avion qui est à une hauteur de 1 000 mètres, parcourra 20 000 mètres avant d’atteindre le sol. En somme, l'avion vole en plané grâce à son énergie cinétique qui est relâchée par son énergie potentiel qu'il acquiert grâce à son altitude et sa masse. En cas de panne moteur, le compromis entre altitude et vitesse est donc primordial. La finesse est particulièrement utile pour calculer une distance avant un impact lorsqu’une panne moteur survient.

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         Une relation lie la finesse et la pente (qui est l'angle formée entre la trajectoire de l'avion et l'horizon) :

 

 

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      Ainsi les pilotes peuvent calculer une pente de descente à adopter en cas de panne moteur. Dans le cas d'un avion avec un finesse de 20 : 

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           IpenteI=  arctan(1/20) ⋍ 3°

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        L’avion peut suivre une pente de 3° s'il se retrouve sans moteur pour espérer planer le plus longtemps. Les pilotes peuvent alors réfléchir sur les décisions qu'ils vont prendre, savoir où se poser, et le plus en sécurité.

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          Il existe sur la plupart des ailes d'avion un dispositif appelé volet ou flap en anglais. Cette installation est fixée à l'arrière des ailes (et également à l'avant de l'aile sur les avions de ligne) et permet d'augmenter la surface alaire. Ainsi l'avion gagne plus de portance. Les volets sont donc utilisés lors des phases de décollage et d’atterrissage car ils permettent de réduire la vitesse de décrochage. Attention toutefois, car ces volets sont également une source non négligeable de traînée, il adviendra donc aux pilotes de bien contrôler leur régime moteur lors des approches pour compenser cette traînée.

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