Théorie du vol & météo
Portance et décrochage
Les quatre forces, le vocabulaire du profil d'aile, la formule de la portance et l'explication de Bernoulli, l'incidence, la couche limite et le décrochage, l'effet de sol et la charge alaire.
S'entraîner sur ce thèmeÀ retenir
- Portance = 1/2 × ρ × S × V² × Cz : elle varie comme le carré de la vitesse.
- La portance naît de la différence de pression entre l'extrados (dépression) et l'intrados.
- L'explication usuelle de la portance est le théorème de Bernoulli.
- Incidence : angle entre la corde du profil et le vent relatif.
- Une aile décroche toujours à la même incidence, pas à la même vitesse.
- Le décrochage est causé par le décollement de la couche limite sur l'extrados.
Les forces et le profil
En vol, l'avion est soumis à quatre forces : le poids, qui l'attire vers le sol ; la portance, produite par la voilure, qui s'oppose au poids ; la traction ou poussée des moteurs ; la traînée, qui s'oppose à l'avancement. L'avion, plus lourd que l'air, est un aérodyne, comme le planeur ; le ballon est un aérostat.
Le profil d'aile se décrit avec un vocabulaire précis : l'extrados est la face supérieure, l'intrados la face inférieure, le bord d'attaque l'avant, le bord de fuite l'arrière. La corde est le segment de droite qui joint le bord d'attaque au bord de fuite.
Un profil très cambré donne beaucoup de portance à basse vitesse. Les avions de ligne utilisent des profils supercritiques, adaptés au vol proche de Mach 1.
- Force opposée au poids
- portance
- Face supérieure
- extrados
- Face inférieure
- intrados
- Corde
- bord d'attaque au bord de fuite
- Profil des avions de ligne
- supercritique
Comment naît la portance
La portance est la composante de la force aérodynamique perpendiculaire au vent relatif. Elle résulte de la différence de pression entre les deux faces : l'air accélère sur l'extrados, où se crée une dépression, et la pression est plus forte sous l'intrados. L'extrados fournit la plus grande part de la portance.
L'explication la plus citée est le théorème de Bernoulli : là où l'air va plus vite, sa pression baisse. L'effet Coanda, qui fait suivre à un écoulement une surface courbe, et les lois de Newton (l'aile dévie l'air vers le bas) complètent cette explication.
La formule est Fz = 1/2 × ρ × S × V² × Cz, avec ρ la masse volumique de l'air, S la surface alaire, V la vitesse et Cz le coefficient de portance, qui dépend de l'incidence et du profil. Doubler la vitesse multiplie donc la portance par quatre. Quand la masse volumique diminue (altitude, air chaud et humide), la portance diminue, et les performances du moteur aussi.
- Formule
- 1/2 ρ S V² Cz
- Vitesse × 2
- portance × 4
- Explication usuelle
- Bernoulli
- Dépression
- sur l'extrados
Incidence et décrochage
L'incidence, ou angle d'attaque, est l'angle entre la corde du profil et le vent relatif. Jusqu'à une valeur critique (de l'ordre de 15° à 18°), la portance augmente avec l'incidence.
Au-delà de cette incidence critique, les filets d'air décollent de l'extrados et deviennent tourbillonnaires : c'est le décrochage (stall), une perte brutale de portance. Un profil décroche donc toujours à la même incidence, quelles que soient la vitesse, la masse ou l'altitude ; la vitesse de décrochage, elle, varie.
En palier, si la vitesse diminue sans action du pilote, il faut augmenter l'incidence pour garder la portance, jusqu'au décrochage. Un décrochage dissymétrique, dû à un mauvais contrôle de la symétrie du vol, peut entraîner une vrille. Le vibreur de manche (stick shaker) avertit les pilotes à l'approche du décrochage.
Le domaine de vol se divise entre petits et grands angles d'incidence ; la limite entre les deux est la vitesse de taux de chute minimal.
- Incidence
- corde / vent relatif
- Le décrochage dépend de
- l'incidence
- Cause physique
- décollement de la couche limite
- Alarme de décrochage
- stick shaker
- Décrochage dissymétrique
- risque de vrille
Couche limite, effet de sol et charge alaire
La couche limite est la fine couche d'air ralentie au contact de l'aile. Laminaire près du bord d'attaque, elle devient progressivement turbulente en allant vers le bord de fuite.
L'effet de sol est l'augmentation de la portance, et la baisse de la traînée induite, quand l'avion vole très près du sol, à une hauteur inférieure à son envergure : l'avion « flotte » à l'arrondi.
La charge alaire est le rapport entre le poids de l'avion et la surface de sa voilure. Le foyer est le point d'application des variations de portance dues aux variations d'incidence ; il se trouve en arrière du centre de gravité sur un avion stable.
Un hélicoptère qui descend trop vite à la verticale peut entrer en état de vortex et perdre sa portance.
- Couche limite
- laminaire puis turbulente
- Effet de sol
- plus de portance près du sol
- Charge alaire
- poids / surface alaire
- Vortex
- hélicoptère
Pièges fréquents
- Un avion ne décroche pas à une vitesse fixe : il décroche toujours à la même incidence.
- La portance varie comme le carré de la vitesse, pas proportionnellement.
- La dépression utile est sur l'extrados (dessus), pas sur l'intrados.
- Le stick shaker avertit ; le stick pusher agit en poussant le manche.
- Effet Bernoulli (portance), effet Venturi (rétrécissement), effet Magnus (rotation), effet Coanda (adhérence à une surface courbe) : quatre notions distinctes.