Portance et viscosité

La portance d'une aile est égale à la modification du moment de l'air qu'elle dévie vers le bas. Le moment est le produit de la masse par la vitesse. Pour obtenir plus de portance, l'aile peut soit dévier plus d'air (masse) ou augmenter la vitesse verticale de cet air. Cette vitesse verticale derrière l'aile est appelée " flux descendant ". Plus l'angle d'attaque augmente, plus la vitesse verticale est élevée. De même, si pour le même angle d'attaque la vitesse de l'aile augmente, la vitesse verticale est aussi augmentée. C'est cette vitesse verticale qui donne à l'aile sa portance.

​

Pour générer de la portance, l’aile doit dévier de l’air vers le bas ; beaucoup d’air. On peut montrer que cette portance est proportionnelle à la quantité d’air dévié, multipliée par la vitesse verticale de cet air. Pour faire varier la portance, on joue sur ces deux paramètres : la vitesse de l’avion et l’angle d’attaque de l’aile. Comment l’aile peut-elle dévier d’aussi énormes quantités d’air ?

​

​

​

​

​

​

​

La réponse tient à l’effet Coanda (voir encadré). L’air qui a tendance à suivre l’extrados de l’aile "aspire" l’air qui se trouve au dessus et l’accélère vers le bas. C’est l’accélération de cet air en direction du flux descendant qui génère principalement la portance. Mais de nombreux autres facteurs "secondaires" interviennent et président également aux calculs conduisant à la conception d’un avion.

L’effet Coanda est caractérisé par le fait qu’un fluide en mouvement entrant en contact avec une surface courbe a tendance à suivre cette surface. Pour vérifier l’existence de cet effet, faites la petite expérience suivante : tenez horizontalement un verre d’eau en dessous d’un robinet de façon qu’un mince filet d’eau effleure le côté du verre. Au lieu de continuer à couler vers le bas, vous observerez que le filet d’eau s’enroule autour du verre. Cet effet est dû à la viscosité du fluide.

 

 

 

 

 

​

​

​

​
 

L'air a une viscosité

La question évidente est " comment l'aile dévie l'air vers le bas ? ". Quand un fluide en mouvement, tel que l'air ou l'eau, entre en contact avec une surface courbe il aura tendance à suivre cette surface. De la première loi de Newton nous savons que pour que le fluide s'enroule il doit y avoir une force qui agit dessus. De la troisième loi de Newton, nous savons que le fluide doit exercer une force égale et opposée sur l'objet qui cause la déviation du fluide.

​

​

​

​

​

​

​

En fait, pour expliquer le phénomène, il faut prendre en compte la viscosité de l’air. En contournant la partie supérieure de l’aile, l’air entraîne avec lui de l’air situé au-dessus de lui (sur plusieurs mètres) du fait de l’adhérence (par viscosité) avec les couches d’air supérieures. Plusieurs tonnes d’air par seconde sont ainsi entraînées vers le bas. Du fait de ce fort flux d’air entraîné, de l’air est donc tiré et accéléré du haut pour éviter des vides.

Tout cela explique donc la phénomène le plus important du vol d'un avion : la force de portance. Mais cela ne suffit pas à faire voler un avion. De nombreux autres facteurs entrent en jeu, cela permettant de créer ce fameux phénomène d'aérodynamisme.