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Un avion artificiel vole selon les mêmes principes de physique qu'un oiseau: il doit vaincre les forces de la gravitation pour assurer la portance et le vol. Les ailes d’un avion travaillent pour générer la portance, et elles le font en recourbant le flux d’air qui les entoure. Sans ailes, un avion est une simple automobile.
Forces aériennes
Les aéronefs et les oiseaux peuvent voler parce qu'ils équilibrent quatre forces: la portance, le poids, la traînée et la poussée. Un avion décolle dans les airs lorsque la portance - la force qui pousse vers le haut sur la surface inférieure de ses ailes - dépasse le poids de l’avion en raison de la pesanteur. La portance est créée par le flux d'air autour de l'avion, en particulier autour des ailes. La traînée est la force de résistance de l'air contre le mouvement de l'avion. Cette force augmente avec la vitesse de l'avion mais diminue si l'avion a une forme lisse ou aérodynamique. Le moteur et le système de propulsion de l’avion, qu’ils soient à réaction ou à hélice, génèrent une force de poussée permettant de surmonter la traînée.
Newton et Bernoulli
Deux scientifiques européens ont expliqué les principes du vol en avion. Le physicien anglais Isaac Newton (1642-1727) a énuméré trois lois du mouvement applicables à tous les objets en mouvement. La première est que les objets restent au repos ou en mouvement uniforme à moins d’être forcés de changer par une force externe. Le deuxième énonce qu'une force dirigée sur un objet provoque son accélération dans la direction de cette force. La troisième affirme que pour chaque force, il existe une force égale et opposée. Le mathématicien suisse Daniel Bernoulli (1700-1782) a été un pionnier dans l'élaboration d'une explication mathématique de la dynamique des fluides, la mécanique de l'écoulement des liquides et des gaz. Sa principale découverte, connue sous le nom de principe de Bernoulli, stipule que lorsque la vitesse du flux d'air augmente, sa pression diminue.
Angle d'attaque
Les ailes d'avion sont conçues pour s'incliner légèrement par rapport à l'horizontale, également appelée trajectoire de vol. Cet angle d'inclinaison est appelé l'angle d'attaque et constitue la variable la plus importante dans la génération de la portance. Un avion se met en mouvement lorsque le pilote applique la poussée du moteur pour faire avancer l'avion au sol. Le pilote fait pivoter l'aéronef vers le haut en levant le nez pour augmenter l'angle d'attaque et permettre le décollage. Cependant, un angle d’attaque trop important bloquera l’avion.
Courbure d'écoulement
La portance est générée par l’air tournant autour des ailes d’un avion. Lorsque l'air pénètre dans le bord d'attaque d'une aile, il se scinde en deux parties: la surface supérieure et la surface inférieure. La forme d'une aile est légèrement asymétrique et sa surface supérieure est plus grande. Le flux d’air adhère à la surface supérieure lorsqu’il se déplace entre les bords avant et arrière de l’aile, courbe et abaisse la pression selon le principe de Bernoulli. Lorsque l’avion prend de la vitesse, la portance augmente conformément à la deuxième loi du mouvement de Newton. Ceci à son tour augmente la courbure de l'air sur la surface supérieure, forçant davantage d'air à descendre du bord de fuite des ailes. Lorsque l'avion se déplace dans les airs, le dessous des ailes qui fait face au flux d'air à l'angle d'attaque dévie également un flux d'air vers le bas. Ce flux d’air descendant génère une réaction égale et opposée dans un flux d’air haute pression ascendant (troisième loi de Newton), ce qui augmente la portance et maintient le plan en suspension dans l’air.