Les avions volent grâce à une combinaison de principes physiques agissant sur eux, qui leur permettent de générer la force nécessaire pour rester en l'air et se déplacer.
Les plus importants sont l’aérodynamique, la portance, la propulsion et le contrôle du vol. Ces concepts seront expliqués en détail ci-dessous, ainsi que l’histoire et l’évolution du vol, menant aux avions modernes.
Principes physiques du vol
1. Assistance
La portance est la clé du vol d'un avion et est générée principalement par les ailes.
Pour comprendre comment cela se produit, il est nécessaire de comprendre certains principes de base de l'aérodynamique, tels que le principe de Bernoulli et la troisième loi de Newton.
Principe de Bernoulli
Ce principe stipule que plus la vitesse d’un fluide est élevée, plus sa pression est faible.
Dans le cas d’un avion, le « fluide » est l’air. Les ailes d'un avion ont une forme particulière, appelée profil aérodynamique, qui est courbée en haut et plus plate en bas. À mesure que l’avion avance, l’air circule au-dessus et au-dessous des ailes. En raison de la forme du profil de l'aile, l'air passant au-dessus de l'aile doit parcourir une plus grande distance dans le même laps de temps que l'air passant au-dessus de l'aile, ce qui fait que l'air au-dessus se déplace plus rapidement.
Selon le principe de Bernoulli, lorsque l'on se déplace plus rapidement, la pression sur le dessus de l'aile est moindre que sur le dessous. Cette différence de pression génère une force ascendante, appelée portance, qui soulève l'avion.
Loi de Newton
Outre le principe de Bernoulli, la troisième loi de Newton, qui stipule que « pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée », joue également un rôle important dans la génération de la portance.
Le flux d'air dévié vers le bas lorsqu'il passe sur l'aile génère une force de réaction vers le haut, qui contribue également à la portance de l'avion.
2. Propulsion
Le prochain élément clé du vol d’un avion est la propulsion, qui est la force qui propulse l’avion vers l’avant. Cette force est produite par les moteurs de l'avion, qui peuvent être des moteurs à réaction (sur la plupart des avions commerciaux) ou des hélices (sur des avions plus petits ou plus anciens).
La propulsion est ce qui permet à l'avion de maintenir une vitesse suffisante pour que les ailes génèrent une portance.
Dans le cas des moteurs à réaction, ils fonctionnent en expulsant les gaz à grande vitesse vers l'arrière.
Selon la troisième loi de Newton, la réaction à cette éjection est une force qui pousse l'avion vers l'avant. Dans le cas des hélices, elles tournent rapidement et poussent l'air vers l'arrière, créant une force vers l'avant qui fait avancer l'avion.
3. Résistance et poids
Il y a deux forces supplémentaires qui doivent être contrecarrées pour qu'un avion puisse voler : la traînée et le poids.
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Traînée : C'est la force qui s'oppose au mouvement de l'avion dans l'air. Elle est provoquée par le frottement de l'avion avec les molécules d'air, ce qui génère des frottements qui tendent à ralentir l'avion. Les concepteurs d’avions s’efforcent de réduire la traînée aérodynamique en leur donnant des formes lisses et profilées.
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Poids : Le poids de l'avion, qui est la force descendante due à la gravité, doit être contrecarré par la force de portance pour que l'avion ne tombe pas. La portance doit être supérieure au poids pour que l'avion s'élève, et elle doit être égale au poids pour qu'il maintienne un vol stable.
4. Contrôle de vol
Pour contrôler la direction et la stabilité de l'avion dans les airs, différentes surfaces de contrôle sont utilisées, situées principalement sur les ailes et la queue de l'avion. Ces surfaces sont :
- Ailerons : Situés sur les ailes, ils permettent à l'avion de tourner sur son axe longitudinal, en s'inclinant d'un côté ou de l'autre (c'est ce qu'on appelle le "roulement").
- Gouvernail : Situé dans la partie verticale de la queue, il contrôle la rotation de l'avion sur son axe vertical (mouvement connu sous le nom de « lacet »).
- Ascenseurs : Situés dans la partie horizontale de la queue, ils contrôlent l'inclinaison de l'avion sur son axe latéral, c'est-à-dire qu'ils font monter ou descendre l'avion (mouvement appelé « tangage »).
5. Vitesse et altitude
La vitesse de l'avion est cruciale pour que la portance se produise. À basse vitesse, la quantité d'air passant sur les ailes n'est pas suffisante pour générer la portance nécessaire, et l'avion peut perdre de l'altitude ou même entrer dans une situation de décrochage (lorsque le flux d'air sur l'aile se sépare de sa surface et que l'aile cesse de générer de la portance).
Pour cette raison, les avions doivent atteindre une vitesse minimale pour décoller et rester en l'air. Une fois en vol, ils doivent maintenir une vitesse appropriée en fonction de l'altitude et des conditions de vol.
En ce qui concerne l'altitude, à mesure que l'avion monte, la densité de l'air diminue, ce qui peut affecter à la fois la portance et l'efficacité du moteur. Les avions sont conçus pour voler à des altitudes où l’air est moins dense, réduisant ainsi la traînée aérodynamique et permettant un vol plus efficace. Cependant, les pilotes doivent tenir compte des conditions atmosphériques et ajuster la vitesse et l'angle d'attaque (l'inclinaison de l'aile par rapport au flux d'air) pour maintenir un vol stable.
Comparaison avec le vol en hélicoptère
Les avions et les hélicoptères volent en utilisant des principes aérodynamiques similaires, mais il existe des différences clés dans la façon dont ils génèrent la portance et sont contrôlés dans les airs.
Génération de soutien
- Avions : Ils génèrent une portance grâce à leurs ailes fixes. Pour voler, ils doivent avancer, permettant à l’air de circuler sur leurs ailes et de créer une différence de pression qui les maintient en l’air.
- Hélicoptères : Ils génèrent une portance grâce à leurs rotors , qui agissent comme des ailes rotatives. Le rotor principal de l'hélicoptère tourne rapidement et déplace l'air vers le bas, créant une force de réaction vers le haut, permettant le décollage et le vol vertical sans avoir besoin de mouvement vers l'avant.
Propulsion
- Avions : Utilisent des moteurs à réaction ou des hélices pour générer la force de poussée vers l'avant nécessaire pour que l'air circule sur les ailes et produise une portance.
- Hélicoptères : Ils n'ont pas besoin d'avancer pour voler. Le rotor principal fournit non seulement la portance, mais également la poussée, permettant à l'hélicoptère de se déplacer dans n'importe quelle direction (vers l'avant, vers l'arrière et latéralement).
Contrôle
- Avions : utilisez les ailerons, les gouvernails et les ascenseurs pour contrôler le vol. Ils permettent de tourner et de monter ou de descendre, mais ils doivent toujours avancer.
- Hélicoptères : Ils contrôlent le vol en ajustant l'angle des rotors (cyclique et collectif) et en utilisant le rotor de queue pour contrôler le lacet, leur permettant de décoller et d'atterrir verticalement, et de planer.
Comparaison avec le vol d'une montgolfière
Le vol d'un avion et celui d'une montgolfière reposent sur des principes complètement différents quant à la manière dont la portance, la propulsion et le contrôle sont générés.
Génération de soutien
- Avions : Ils génèrent une portance grâce à leurs ailes fixes. Pour que l'avion vole, il doit avancer, permettant à l'air de passer sur les ailes et de créer une différence de pression qui le maintient en l'air.
- Montgolfières : Elles ne génèrent pas de portance par le mouvement ou les ailes. Au lieu de cela, ils fonctionnent sur la base du principe de flottabilité ou principe d'Archimède , qui stipule qu'un objet immergé dans un fluide (dans ce cas, l'air) subit une force ascendante égale au poids du fluide déplacé. L'air chaud à l'intérieur du ballon est moins dense que l'air froid qui l'entoure, ce qui fait flotter le ballon vers le haut.
Propulsion
- Avions : Ils utilisent des moteurs (à réaction ou à hélice) pour générer une poussée vers l'avant, leur permettant d'avancer et de générer la portance nécessaire au vol.
- Montgolfières : Elles ne disposent pas de système de propulsion actif. Le ballon flotte simplement avec les courants d’air, étant incapable de se déplacer intentionnellement dans une direction spécifique. Il monte ou descend uniquement en chauffant ou en refroidissant l'air qu'il contient.
Contrôle
- Avions : Utilisent les surfaces de contrôle (ailerons, gouvernail, ascenseurs) pour manœuvrer dans les airs. Les pilotes ont le contrôle de la direction, de l'altitude et de la vitesse.
- Montgolfières : Le contrôle est beaucoup plus limité. Les pilotes ne peuvent contrôler que l'altitude en ajustant la quantité de chaleur dans le ballon, mais la direction dépend des courants de vent, car le ballon n'a aucun contrôle direct sur son déplacement horizontal.
Evolution du vol humain
Les pionniers du vol
L’idée du vol fascine l’humanité depuis l’Antiquité. Ce n’est cependant qu’à la fin du XIXe et au début du XXe siècle que le premier vol contrôlé et soutenu a été réalisé.
Les frères Wright, Orville et Wilbur, franchirent cette étape importante le 17 décembre 1903 avec leur avion Flyer I. Cet avion était équipé d'ailes fixes et d'un seul moteur, et son succès était le résultat d'années de recherche en aérodynamique, en contrôle de vol et en moteurs légers.
Développement des avions commerciaux
À mesure que la technologie progressait, des avions plus grands et plus efficaces ont été conçus. Au cours de la Première et de la Seconde Guerre mondiale, l'aviation militaire a permis de nombreuses avancées dans la conception des avions, qui ont ensuite été transférées à l'aviation commerciale.
Les avions ont commencé à être utilisés pour le transport de passagers et de marchandises, et l'aviation civile a connu une croissance exponentielle au cours du XXe siècle.
L’une des étapes les plus importantes de l’aviation commerciale a été le développement du Boeing 707 dans les années 1950, l’un des premiers avions à réaction commerciaux. Cet avion a révolutionné le transport aérien en permettant des vols plus rapides et plus longs, et a marqué le début de l'ère du jet.
Avions modernes
Aujourd’hui, les avions sont des machines très sophistiquées, dotées de systèmes de navigation, de contrôle et de sécurité avancés. Les avions commerciaux modernes, tels que le Boeing 787 Dreamliner ou l’Airbus A350, sont conçus pour être extrêmement économes en carburant et réduire les émissions de carbone.
De plus, les améliorations apportées aux matériaux composites et à l’aérodynamisme permettent d’alléger les avions, réduisant ainsi leur poids et donc leur consommation de carburant.
L’introduction de technologies telles que les moteurs à haut rendement et l’utilisation de matériaux composites légers a permis aux avions modernes de devenir plus silencieux et plus économiques.
L’automatisation a également joué un rôle clé dans le contrôle de vol, les systèmes de pilotage automatique permettant aux avions de suivre des trajectoires prédéterminées avec une intervention humaine minimale.