I. Principes fondamentaux du vol
Pour voler, il faut avant tout surmonter des contraintes physiques.
Chaque individu ou objet volant est soumis à quatre forces physiques qui s’exercent constamment sur lui, à savoir;
1- le poids
2- la portance
3- la traînée
4- la poussée
1- le Poids
Le poids représente la principale contrainte pour voler: c'est la force de la pesanteur qui attire l’avion vers le sol.
Il est représenté par un vecteur, toujours dirigé vers le bas (vers le centre de la Terre).
Il varie selon la masse de ce dernier.
On peut calculer le poids selon la formule suivante:
P = m.g avec P en Newton, m en Kg et g la constante de gravité = 9.81 N/Kg
2- la Portance
La portance est la force la plus importante pour voler. Elle est inverse au poids et maintient donc l’avion en l’air. Elle est générée par la circulation de l’air autour de l’aile, d'où sa forme courbée. En effet, l’aile est composée de deux faces: l’extrados (face supérieure) et l’intrados (face inférieure). La courbure de l’extrados est plus importante que celle de l’intrados. Ainsi, les molécules d’air passant par l’extrados se déplacent plus rapidement que celles passant par l’intrados, pour se retrouver au même moment sur le bord de fuite (sur une coupe de l’aile, le bord de fuite est le bord arrière de l’aile). Cela provoque une dépression au niveau de l’extrados et une surpression sur l’intrados, qui élève l’aile en l’air. On estime qu’environ les ¾ de la portance sont dus à cette dépression sur la partie supérieure de l’aile et ¼ provient de sa partie inférieure.
On comprend donc que plus la vitesse est élevée, plus la force de portance est grande.
La portance est donc indirectement liée à la poussée.
L'équation de la force de portance s'écrit:
Fp = 1/2 . ρ . S . Cz . V²
ρ = masse volumique de l'air en g m-3. Il varie selon la température et la pression.
S= surface de l'aile en m2
V= vitesse de déplacement en m.s-1
Cz= coefficient de portance, sans unité.
3- la Trainée
Tout individu volant est soumis à des frottements dans l’air. Ce sont des forces appelées forces de frottement fluide ou traînée. La traînée est sub-divisée en deux forces de résistance aérodynamique:
-la traînée parasitaire qui dépend de la forme de l’avion et d’autres facteurs comme la rugosité des ailes et du fuselage.
-la traînée induite, créée par les tourbillons, appelés vortex, générés au bout des ailes.
Il en existe une troisième pour des vitesses trans et supersoniques:
-la traînée d’onde.
L'équation de la force de traînée s'écrit sous la même forme que l'équation de la force de portance:
Ft = 1/2 . ρ . S . Cx . V2
avec Cx= coefficient de traînée.
4- la Poussée
La poussée ou force propulsive permet de vaincre la traînée et générer la portance.
La poussée est la seule force qui n’est pas exploitée de la même façon chez les animaux et les avions.
Les oiseaux décollent et avancent dans les airs grâce à la poussée créée par les ailes, plus précisément par leurs extrémités. Ainsi plus l’aile est grande, plus la poussée est importante.
Principalement, l'oiseau utilise trois techniques de vol : le vol actif, le vol battu et le vol plané.
Le vol actif permet aux oiseaux de décoller et de varier leur altitude. La chauve-souris utilise aussi cette technique de vol.
Le vol battu est utilisé par tous les oiseaux. L’abaissement des ailes poussent l’air vers le bas et l’arrière et ainsi propulse l’oiseau vers le haut et l’avant. Ce vol est caractérisé par un battement régulier des ailes.
Le vol plané permet à l’oiseau de voler sans bouger. Il tend ses ailes et utilise la portance exercée sur ces dernières. Il utilise aussi les courants ascendants qui lui permettent de monter.
Pour les avions, il existe deux types de propulsion; la propulsion à réaction et la propulsion par hélice. Le principe est de faire passer des filets d’air dans le réacteur ou l'hélice afin de les faire ressortir plus rapidement et ainsi tirer l’avion. Notons également le cas particulier du planeur qui utilise les mêmes techniques que le vol plané chez l’oiseau.
