{"id":7981,"date":"2016-09-25T17:30:30","date_gmt":"2016-09-25T15:30:30","guid":{"rendered":"https:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=7981"},"modified":"2016-09-25T17:30:30","modified_gmt":"2016-09-25T15:30:30","slug":"comment-un-avion-vole-t-il","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2016\/09\/25\/comment-un-avion-vole-t-il\/","title":{"rendered":"Comment un avion vole-t-il ?"},"content":{"rendered":"

Chaque jour, ce sont pr\u00e8s de 100 000 avions<\/strong> qui prennent les airs pour transporter des millions de passager [1]. Et pourtant, \u00e0 en croire certains, on ne comprend pas compl\u00e8tement comment fait un avion pour voler. Vraiment ?<\/p>\n

\"airplane-1163713_960_720\"<\/a><\/p>\n

Il faut dire que si l’on cherche \u00e0 se renseigner un peu sur les raisons physiques qui gouvernent la capacit\u00e9 des avions \u00e0 rester en l’air, on tombe sur tout un tas de th\u00e9ories, plus ou moins critiqu\u00e9es, plus ou moins contradictoires. Dans un article consacr\u00e9 \u00e0 cette question, le New York Times \u00e9crivait [2] :<\/p>\n

Pour ceux qui ont peur de l’avion, il est probablement d\u00e9concertant que les physiciens et les ing\u00e9nieurs a\u00e9ronautiques en soient encore \u00e0 d\u00e9battre la raison fondamentale qui maintient les avions en l’air ? \u00ab\u00a0Il n’y a pas de r\u00e9ponse simple \u00e0 cela\u00a0\u00bb, d’apr\u00e8s le Dr. Anderson.<\/em><\/p>\n

Si on creuse un peu, on d\u00e9couvre qu’il existe notamment deux grandes explications concurrentes : celle \u00ab\u00a0\u00e0 la Bernoulli\u00a0\u00bb<\/strong>, et celle \u00ab\u00a0\u00e0 la Newton\u00a0\u00bb<\/strong>. Elles n’ont pas \u00e9t\u00e9 formul\u00e9es par ces deux physiciens, mais se basent sur leurs lois respectives. Et il arrive que les tenants des deux\u00a0camps se bagarrent avec ferveur pour savoir qui a plus raison que l’autre.<\/p>\n

Je me suis souvent demand\u00e9 comment on pouvait tol\u00e9rer une telle situation, s’agissant d’une des technologies les plus importantes de notre temps ? Est-ce que vraiment<\/em> on ne comprend pas exactement comment les avions volent ?<\/strong> Ou est-ce juste qu’on arrive pas \u00e0 le vulgariser ?<\/p>\n

Eh bien j’ai d\u00e9cid\u00e9 de creuser la question pour vous ! Et en avant pour une tentative de r\u00e9conciliation sur ce sujet hautement controvers\u00e9…<\/p>\n

Un peu de mise en contexte<\/h3>\n

Na\u00efvement, on pourrait se dire que si un avion vole, c’est parce qu’il a des moteurs. Mais quand on y regarde un peu, la seule fonction des moteurs et de donner \u00e0 l’avion un mouvement horizontal, parall\u00e8le au sol; la force responsable est ce qu’on appelle la pouss\u00e9e<\/strong>.\u00a0Quand l’avion est en vol, la pouss\u00e9e est contrecarr\u00e9e par la\u00a0<\/strong>tra\u00een\u00e9e<\/b>, qui repr\u00e9sente la force qui s’oppose au mouvement horizontal de l’avion.<\/p>\n

\"forces\"<\/a><\/p>\n

Comme l’avion subit par ailleurs son poids<\/strong>, dirig\u00e9 vers le bas, il faut une force pour expliquer sa capacit\u00e9 \u00e0 se maintenir en l’air : c’est cette force qu’on appelle la portance<\/strong>.<\/p>\n

Quand l’avion est en situation stationnaire, c’est-\u00e0-dire qu’il voyage \u00e0 vitesse et altitude constante, la pouss\u00e9e compense exactement la tra\u00een\u00e9e, et la portance s’oppose exactement au poids<\/strong>.\u00a0Le myst\u00e8re qui nous occupe aujourd’hui est : d’o\u00f9 vient la portance ?<\/strong> Et nous allons commencer par la principale th\u00e9orie en vigueur…<\/p>\n

L’explication \u00ab\u00a0\u00e0 la Bernoulli\u00a0\u00bb<\/h3>\n

La th\u00e9orie que je vais vous raconter dans ce paragraphe est celle que l’on rencontre le plus souvent. Vous allez voir qu’elle a un gros d\u00e9faut : elle est fausse<\/strong> ! Du moins en partie, vous \u00eates pr\u00e9venus.<\/p>\n

Quand on consid\u00e8re le profil d’une aile d’avion, on constate g\u00e9n\u00e9ralement que la partie inf\u00e9rieure est essentiellement droite, tandis que la partie sup\u00e9rieure est courbe. Il en r\u00e9sulte que quand l’air circule autour de l’aile, le chemin \u00e0 parcourir est plus important sur le dessus que sur le dessous de l’aile (le dessin ci-dessous est exag\u00e9r\u00e9 dans les proportions).<\/p>\n

\"airflow\"<\/a><\/p>\n

Puisque le chemin \u00e0 parcourir est plus long au-dessus, il faut donc que l’air qui circule sur le dessus soit plus rapide que celui qui passe en-dessous<\/strong>.<\/p>\n

Or une chose que vous savez peut-\u00eatre, c’est qu’un fluide qui circule \u00e0 plus grande vitesse provoque une d\u00e9pression<\/strong>. C’est un ph\u00e9nom\u00e8ne que l’on peut constater facilement en soufflant entre deux feuilles de papier : la vitesse de l’air provoque une d\u00e9pression entre les feuilles, et les feuilles s’attirent. Ca marche aussi en soufflant au dessus d’une feuille.<\/p>\n

\"paper<\/a><\/p>\n

De mani\u00e8re plus formelle, cette situation se traduit par une relation que l’on doit au physicien Daniel Bernoulli<\/strong>. Cette \u00e9quation nous dit que le long d’une ligne du fluide, on a<\/p>\n

\\(\\displaystyle \\frac12 \\rho v^2 + P = constante\\)<\/p>\n

o\u00f9 \\(\\displaystyle \\rho\\) est la masse volumique du fluide, \\(v\\) sa vitesse, et \\(P\\) sa pression. \u00a0Cette \u00e9quation nous montre donc bien que lorsque la vitesse d’un fluide augmente, sa pression diminue (l\u00e0 j’ai \u00e9crit la formule en n\u00e9gligeant les variations d’altitude.)<\/p>\n

Nous avons donc l\u00e0 tous les ingr\u00e9dients de l’explication \u00ab\u00a0\u00e0 la Bernoulli\u00a0\u00bb : la forme de l’aile impose que l’air circule plus vite sur le dessus de l’aile, et cr\u00e9e une d\u00e9pression qui s’oppose au poids de l’avion<\/strong>.<\/p>\n

Une explication critiqu\u00e9e<\/h3>\n

L’explication que je viens de vous donner parait tout \u00e0 fait s\u00e9duisante, et c’est d’ailleurs celle qu’on trouve le plus souvent. Mais il y a un truc plusieurs trucs qui clochent.<\/p>\n

Si on fait le calcul, la portance pr\u00e9dite par cette th\u00e9orie est trop faible<\/strong> pour expliquer que les avions soient capable de s’opposer \u00e0 leur poids. En plus, si l’on en croit cette explication, les avions seraient incapables de voler sur le dos car il seraient attir\u00e9s vers le bas…et pourtant ils le font ! De m\u00eame il existe des avions qui poss\u00e8dent des ailes ayant un profil sym\u00e9trique sur les deux faces…et pourtant eux aussi volent ! Il y a donc quelque chose de faux dans le raisonnement.<\/p>\n

Ce qui ne va pas, c’est qu’en r\u00e9alit\u00e9, rien n’impose que le temps de trajet de l’air soit identique<\/strong> sur les deux faces du profil de l’aile. Et plus pr\u00e9cis\u00e9ment, on constate par des exp\u00e9riences ou des simulations num\u00e9riques que l’air qui passe par au-dessus va en fait encore plus vite que ne le sugg\u00e8re cette explication<\/strong>, et arrive donc avant l’air qui est pass\u00e9 par en-dessous.<\/p>\n

On le voit dans cette petite simulation num\u00e9rique (source<\/a>), les points (noirs par exemples) qui arrivent ensemble sur le bord d’attaque ne se rejoignent pas du tout sur le bord de fuite : ceux qui sont pass\u00e9s au-dessus sont largement en avance.<\/p>\n

\"Karman_trefftz\"<\/a><\/p>\n

Autre point pour finir : si cette explication \u00e9tait correcte, les avions en papier et leurs ailes plates ne pourraient pas voler<\/strong> !<\/p>\n

Bref il faut trouver une explication alternative<\/strong>. Si beaucoup de sites ou de livres continuent de proposer cette explication erron\u00e9e bas\u00e9e sur l’id\u00e9e du \u00ab\u00a0temps de parcours \u00e9gal\u00a0\u00bb sur les deux faces de l’aile, l’erreur est de plus en plus souvent d\u00e9nonc\u00e9e, et une autre explication semble avoir la faveur des sp\u00e9cialistes : l’explication \u00ab\u00a0\u00e0 la Newton\u00a0\u00bb.<\/p>\n

La th\u00e9orie \u00ab\u00a0\u00e0 la Newton\u00a0\u00bb<\/h3>\n

L’explication alternative est la suivante : si l’on observe le flux d’air qui s’\u00e9coule autour d’une aile, qu’elle soit de profil asym\u00e9trique, sym\u00e9trique ou plate, on constate toujours une chose : d’une mani\u00e8re ou d’une autre, l’aile d\u00e9vie l’air vers le bas<\/strong>.<\/p>\n

\"airfoil<\/a><\/p>\n

Cela se produit \u00e0 la fois sur la face inf\u00e9rieure \u00e0 cause de l’angle d’attaque de l’aile, mais aussi sur la face sup\u00e9rieure, car si le bord de fuite est inclin\u00e9, l’air qui a voyag\u00e9 par au-dessus en suivant le profil de l’aile va la quitter en ayant une composante\u00a0de sa vitesse inclin\u00e9e vers le bas.<\/p>\n

On voit donc que du fait de son interaction avec l’aile, l’air voit sa quantit\u00e9 de mouvement varier<\/strong>, et passer de l’horizontale \u00e0 une direction inclin\u00e9e vers le sol. Il y a donc une composante verticale \u00e0 la variation de la quantit\u00e9 de mouvement de l’air lors du passage de l’aile.<\/p>\n

Or \u00e0 ce stade, on peut invoquer la 3\u00e8me loi de Newton, celle de l’action\/r\u00e9action<\/strong> : puisque l’air se trouve d\u00e9vi\u00e9 d’une certaine quantit\u00e9 de mouvement vers le bas par l’aile, alors r\u00e9ciproquement l’air doit exercer sur l’aile un changement de quantit\u00e9 de mouvement exactement oppos\u00e9<\/strong>. Et c’est cela qui maintient l’avion en l’air !<\/p>\n

Cette th\u00e9orie semble bien plus compl\u00e8te que la pr\u00e9c\u00e9dente, puisqu’elle pr\u00e9sente l’avantage de fonctionner pour tous les types d’ailes que l’on connait<\/strong>, avec leurs diff\u00e9rentes formes et inclinaisons.<\/p>\n

Alors fin du d\u00e9bat ? Exit Bernoulli et vive Newton ? Eh bien pas pour moi…car\u00a0je n’aime pas trop cette explication !<\/p>\n

Une th\u00e9orie qui ne me satisfait pas<\/h3>\n

Il y a plusieurs choses que je n’aime pas dans cette explication qui fait appel \u00e0 la troisi\u00e8me loi de Newton. Tout d’abord, elle semble se passer compl\u00e8tement de l’id\u00e9e de d\u00e9pression<\/strong>, qui est pourtant bel et bien r\u00e9elle ! J’ai un peu l’impression qu’en voulant supplanter la th\u00e9orie \u00ab\u00a0du temps de parcours \u00e9gal\u00a0\u00bb, on a jet\u00e9 le b\u00e9b\u00e9 Bernoulli avec l’eau du bain. Quoi qu’on dise, le ph\u00e9nom\u00e8ne de d\u00e9pression doit contribuer d’une mani\u00e8re ou d’une autre. Le fait que les deux explications soient si diff\u00e9rentes dans leurs m\u00e9canismes ne me satisfait pas.<\/p>\n

Ensuite, pour moi cette explication est un peu trop \u00ab\u00a0t\u00e9l\u00e9ologique\u00a0\u00bb (j’emploie des mots savants), c’est-\u00e0-dire qu’elle justifie les choses par la fin<\/strong>. C’est un peu \u00ab\u00a0L’avion vole forc\u00e9ment, parce que sinon on violerait la 3e loi de Newton\u00a0\u00bb<\/em>.<\/p>\n

Ca me fait penser aux d\u00e9monstrations par l’absurde en math\u00e9matique, du genre \u00ab\u00a0c’est comme \u00e7a, parce que si \u00e7a ne l’\u00e9tait pas on aurait une contradiction\u00a0\u00bb. L’explication \u00e0 la Newton donne une raison finaliste pour la portance (\u00ab\u00a0pour conserver la quantit\u00e9 de mouvement totale\u00a0\u00bb), mais elle n’explique pas par quel m\u00e9canisme<\/strong> tout cela se passe.<\/p>\n

En plus, cette explication a pour moi un petit c\u00f4t\u00e9 \u00ab\u00a0trivial\u00a0\u00bb : oui c’est \u00e9vident que si l’aile monte alors l’air descend. Cette explication est tellement g\u00e9n\u00e9rique, qu’en un sens elle ne peut pas \u00eatre fausse; mais du coup j’ai l’impression qu’en disant \u00e7a, on n’a rien dit.<\/p>\n

Bref, cette explication que l’on trouve aujourd’hui partout dans les endroits bien renseign\u00e9s ne me va pas compl\u00e8tement. Je la trouve moins physique que l’explication \u00e0 la Bernoulli<\/strong>.<\/p>\n

Tout \u00e7a nous am\u00e8ne \u00e0 pas mal de questions :<\/p>\n