Comment volent les avions
Quatre avions d’entraînement Harvard (Scott Taylor. Image utilisée avec permission).
Quatre avions d’entraînement Harvard (Scott Taylor. Image utilisée avec permission).
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Découvrez comment les avions s’envolent, ce qui les garde dans les airs et ce qui leur permet de redescendre.
De nos jours, les avions sont partout. Quel que soit l’endroit où tu habites, la trajectoire d’une compagnie aérienne traverse probablement le ciel au-dessus de ta tête. L’image ci-dessous illustre les trajets généraux des compagnies aériennes aux quatre coins de la planète. Cette image n’inclut même pas tous les avions régionaux comme les ambulances aériennes, les avions privés et les aéronefs plus légers que l’air!
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Image de la carte du monde. Les traits vert vif représentent les trajets aériens. Les traits verts en provenance de l’est des États-Unis, de l’Europe et de la Chine sont nombreux. Peu d’endroits sur la carte ne sont pas marqués par ces trajectoires.
C’est ce qu’on appelle une tonne d’avions! Comment tous ces avions parviennent-ils à rester dans les airs? Ou encore comment ils réussissent à s’envoler? Examinons comment les avions volent tout en assimilant une foule de concepts de physique.
Brève mise en contexte…
Pour qu’un avion s’envole et reste dans les airs, il faut maîtriser les propriétés de l’air, les lois du mouvement de Newton et la gravité. Nous abordons ces notions ci-dessous, pour ensuite examiner comment elles contribuent au décollage d’un avion, à son maintien en vol et à son atterrissage.
Air
L’air nous entoure. Il forme la couche au-dessus de la surface de la Terre que l’on appelle l’atmosphère. On pourrait croire que l’air se compose d’un gaz unique, mais en réalité il s’agit d’un mélange de gaz. En effet, il est composé de 78 % d’azote (N2) et de 21 % d’oxygène (O2) avec une infime quantité de vapeur d’eau (H2O), de dioxyde de carbone (CO2), d’argon (Ar) et d’autres gaz.
Propriétés de l’air
L’air renferme un grand nombre de molécules en mouvement constant et aléatoire. Puisque l’air a une masse qui occupe l’espace, on peut le mesurer en termes de densité.
Comme les autres gaz, l’air est un fluide. On entend souvent le mot « fluide » comme synonyme de « liquide », mais les fluides désignent à la fois les liquides et les gaz. Les fluides s’écoulent et peuvent prendre la forme du contenant dans lequel ils se trouvent. Lorsque les fluides sont comprimés par la force, leurs molécules sont poussées dans un plus petit espace. L’intensité de cette force est ce que l’on appelle la pression. La pression se mesure en divisant la force en newtons (N) par la surface en mètres carrés (m2). L’unité de pression du système international d’unités (SI) est le pascal, dont le symbole est Pa. Un Pa équivaut à un newton par mètre carré (1 N/m2). Pour les nombres élevés, on utilise le kilopascal (kPa).
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Photographie en couleurs d’un baromètre installé à l’extérieur sur une plateforme de pierre. Le baromètre a une forme circulaire. Au centre se trouvent les engrenages et les aiguilles, un peu comme ceux d’une horloge. Comme sur l’horloge, le baromètre est muni de chiffres tout autour pour indiquer la pression barométrique. Sur celui-ci, on aperçoit aussi les mots « pluie », « variable » et « beau temps » puisqu’on associe certaines lectures de pression aux différentes conditions météorologiques.
La pression atmosphérique est influencée par plusieurs facteurs. Le premier est la gravité. Comme l'air a une masse, il est affecté par la gravité. Au plus près de la Terre, la pression atmosphérique est la plus élevée. La pression élevée est le résultat de la force de tout l'air qui se trouve au-dessus. Lorsque tu t'éloignes de la Terre, il y a moins d'air qui exerce une pression vers le bas, donc la pression diminue. À la limite de l'espace, la pression atmosphérique est presque nulle. Le deuxième facteur est l'humidité. Lorsque l'humidité augmente, la pression atmosphérique augmente aussi. C'est parce qu'il y a plus de molécules d'eau dans l'air, ce qui ajoute à la masse de l'air. Le troisième facteur est la température. Lorsque la température augmente, la pression diminue. C'est parce que les molécules d'air se déplacent plus rapidement et sont plus espacées, ce qui diminue la masse de l'air.
Comme les fluides s’écoulent, on peut mesurer leur viscosité. La viscosité décrit la résistance d’un fluide à l’écoulement. Cette propriété s’exprime aussi en terme « d’épaisseur ». Les fluides « épais » qui s’écoulent lentement, comme la mélasse, présentent une viscosité élevée. Les fluides plus « clairs » qui s’écoulent rapidement présentent une viscosité faible. La pression et la viscosité de l’air jouent un rôle important en vol puisqu’elles se répercutent sur le comportement des avions. Voici quelques valeurs importantes dont les ingénieurs tiennent compte lors de la conception d’un avion.
| Propriété | Dimensions | Valeur |
|---|---|---|
| Densité | Masse/Volume | 1.229 kg/m3 |
| Pression | Force/Surface | 101.3 kPa (ou kN/m2) |
| Température | Degrés | 15 °C |
| Viscosité | (Force x Temps)/Surface | 1.73 x 10-5 N·s/m2 |
Les valeurs d’une « journée normale » représentent des valeurs moyennes utilisées par les ingénieurs qui conçoivent des engins.
Les lois de Newton
Au-delà des propriétés de l’air, il s’avère plutôt utile de comprendre certaines lois de la physique relatives à la force et au mouvement. Les principes de physique les plus pertinents dans le cas présent sont les lois du mouvement de Newton. Elles ont été décrites pour la première fois par Sir Isaac Newton dans son ouvrage publié en 1687. Newton y a décrit trois lois du mouvement qui ont par la suite été reformulées à maintes reprises à partir des écrits originaux en latin. Les éléments les plus significatifs de chacune d’elles sont décrits ci-dessous. Pour voir comment elles sont directement liées au vol, consulte cet article qui porte sur les quatre forces du vol!
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Illustration des principes de la première loi de Newton. À la gauche, un homme portant un turban a le regard baissé vers son panier d’épicerie vide. Cette image représente un corps au repos. S’il ne pousse pas sur le panier, celui-ci ne roulera pas. L’image de droite montre le même homme, mais cette fois-ci, on remarque des lignes de mouvement qui indiquent que l’homme a poussé sur son panier, qui s’éloigne. Cette image représente un corps en mouvement. Sans force externe, le chariot roulera ainsi à l’infini. Sous l’image, on peut lire « Le principe d’inertie » avec dans l’encadré, « tout corps conservera l’état de repos ou de mouvement uniforme dans lequel il se trouve, à moins qu’une force non équilibrée ne soit appliquée sur ce corps ».
La première loi de Newton
« Tout corps conservera l’état de repos dans lequel il se trouve, à moins qu’une force non équilibrée ne soit appliquée sur ce corps. Tout corps va conserver son état de mouvement uniforme en ligne droite et à la même vitesse, à moins qu’une force non équilibrée ne soit appliquée sur ce corps. »
Qu’est-ce que cela signifie? Simplement, cela veut dire que les objets ont tendance à maintenir l’état dans lequel ils se retrouvent. Une tasse posée sur la table n’ira nulle part toute seule. Cependant, en prenant la tasse dans tes mains, tu appliques une force non équilibrée qui permet à la tasse d’être soulevée.
Cette loi s’applique aussi aux objets en mouvement. Si tu te déplaces en voiture et que la voiture s’arrête soudainement, ton corps poursuivra sa trajectoire dans la même direction et à la même vitesse que la voiture avant qu'elle ne s'arrête. La première loi de Newton explique pourquoi il faut porter une ceinture de sécurité et veiller à ce que les coussins gonflables fonctionnent soient prêts!
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Illustration des principes de la deuxième loi de Newton.
À la gauche, une femme porte un chandail vert et des pantalons orange. Ses cheveux sont en chignon. Elle a le regard baissé vers son panier d’épicerie vide. On aperçoit des lignes de mouvement devant ses mains, ce qui indique qu’elle a poussé le panier et qu’il s’éloigne rapidement d’elle. Cette image démontre qu’un objet avec une petite masse accélère vite lorsqu’on exerce une force donnée.
À droite, on aperçoit la même femme, mais cette fois-ci son panier est rempli de nourriture. Les lignes de mouvement indiquent que le chariot s’éloigne lentement d’elle. Cette image démontre qu’un objet avec une masse élevée accélère moins lorsqu’on exerce une force donnée.
Sous les images, on peut lire « Le principe de force et d’accélération » avec dans l’encadré « La force subie par un objet est proportionnelle au produit de sa masse par l’accélération ».
La deuxième loi de Newton
« La force nette exercée sur un objet est toujours égale au produit de la masse de cet objet par son accélération, ou F = ma. » « F » désigne la force, « m » désigne la masse et « a » désigne l’accélération. »
Cette loi révèle qu’une force exercée sur une masse produit une accélération. Plus la masse de l’objet est grande, plus la force nécessaire pour qu’il accélère doit être élevée. Cette loi se manifeste dans nos vies quotidiennes lorsqu’on pousse et tire sur des objets. Il faudra pousser avec beaucoup plus de force pour qu’une boîte de carton remplie de livres traverse une pièce par rapport à une boîte de carton vide. Cette loi nous enseigne également qu’en augmentant la force exercée sur un objet donné, on augmente aussi son accélération. Tu as peut-être déjà observé ce phénomène en jouant au soccer, par exemple. Lorsque tu donnes un petit coup sur le ballon avec ton pied, il se déplace de quelques centimètres seulement. Mais en donnant un bon coup de pied sur le ballon, il traversera le terrain.
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Illustration des principes de la troisième loi de Newton. L’image démonte une femme noire portant une robe orange. Sa chevelure est naturelle. D’une main, elle pousse un panier d’épicerie et dans l’autre, elle tient une feuille. Son panier d’épicerie est rempli. Sous ses pieds et sous le panier, on aperçoit deux flèches qui pointent l’une vers l’autre. Celles-ci indiquent la direction des forces appliquées par la femme sur le panier et par le panier sur la femme.
Sous l’image, on peut lire « Le principe d’action-réaction » avec dans l’encadré « Si deux corps exercent une force l’un sur l’autre, les forces seront de même grandeur, mais dans le sens opposé ».
La troisième loi de Newton
« Pour toute action, il y a une réaction égale, mais dans le sens opposé. »
Cette loi est probablement la mieux connue des trois lois de Newton, mais elle s’avère un peu plus complexe à saisir. Selon Newton, chaque fois que les corps A et B interagissent, ils exercent une force l’un sur l’autre. Par exemple, assis sur une chaise, notre corps exerce une force vers le bas sur la chaise. Au même moment, la chaise exerce une force vers le haut sur notre corps. Si la chaise n'exerce aucune force vers le haut, où nous retrouverons-nous? Sur le plancher! Dès qu’il y a une interaction entre deux objets, deux forces s’opposent : l’action et la réaction. Cette loi affirme que l’action est égale à la réaction. Par conséquent, la grandeur de la force exercée sur le premier objet est égale à la grandeur de la force exercée sur le deuxième objet. Cette loi déclare également que l’action se produit dans le sens opposé de la réaction. Par conséquent, la direction de la force exercée sur le premier objet est inversée à la direction de la force exercée sur le deuxième objet. Les forces viennent toujours en paires : des paires de forces d’action-réaction égales et en sens opposé.
Ces lois du mouvement forment les principes de physique sur lesquels reposent les quatre forces du vol. Ces quatre forces décrivent comment un avion peut monter, descendre, avancer et reculer simultanément. Cette idée paraît impossible, mais c’est justement la façon dont ces quatre forces se combinent et s’équilibrent qui permet à un avion de voler. Voici une brève description des quatre forces.
| Force | Brève description |
|---|---|
| Poids | La force exercée sur un objet en raison de la gravité. |
| Portance | La force qui permet à un objet de surmonter les effets de son poids. |
| Poussée | La force qui propulse l’avion vers l’avant. |
| Traînée | La force contre le mouvement vers l’avant. |
Et si on réunit tous ces principes…
Le mouvement d’un avion dans l’air dépend de la force et de la direction des quatre forces.
- Si les forces sont équilibrées, l’avion se déplace à vélocité constante, comme décrit la première loi de Newton.
- Si les forces sont déséquilibrées, l’avion accélère dans la direction de la force la plus grande. Cela s’explique aussi par la première loi de Newton.
La combinaison des quatre forces permet donc la montée, la croisière et la descente de l’avion. Examinons ce phénomène dans chacune des situations.
Montée
La « montée » désigne le moment où l’avion prend de l’altitude. À ce stade, les quatre forces sont déséquilibrées. Pour permettre la montée, les forces combinées de poussée et de portance sont supérieures aux forces combinées de poids et de traînée.
Poussée + Portance > Poids + Traînée
Lorsque la poussée est supérieure à la traînée, le déséquilibre des forces permet à l’avion d’accélérer. De plus, alors que la vélocité de l’avion augmente, la force de portance augmente. Ceci crée le déséquilibre de la force qui fait décoller l’avion du sol. Les avions montent généralement jusqu’à ce qu’ils atteignent l’altitude et la vitesse.
Image – Version texte
Photographie en couleurs d’un Boeing 767 qui illustre l’emplacement des forces lorsque l’avion est en montée. L’avion pointe vers le coin supérieur gauche de l’image. Les flèches vertes représentent les forces en action et les flèches rouges, les forces en réaction.
Près du nez de l’avion, une flèche verte pointe dans le sens de la trajectoire de l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de poussée.
Près du centre de la cabine des passagers, une flèche verte pointe vers le haut de façon perpendiculaire à l’avion. L’encadré voisin indique qu’il s’agit de la force de portance.
Près du centre de la cabine des passagers, une flèche rouge sous l’avion pointe directement vers le bas. L’encadré voisin indique qu’il s’agit de la force du poids de l’avion.
Près de la queue de l’avion, une flèche rouge pointe dans le sens opposé de la trajectoire de l’avion. L’encadré voisin indique qu’il s’agit de la force de traînée.
Croisière
Lorsque l'avion atteint son altitude et sa vitesse de croisière, les quatre forces sont équilibrées. À ce stade, les forces combinées de poussée et de portance sont égales aux forces combinées de poids et de traînée.
Poussée + Portance = Poids + Traînée
Lorsqu’un avion se déplace à vélocité horizontale constante, l’accélération est de zéro, ce qui nous ramène à la deuxième loi de Newton (F = ma), si a = 0 alors F = 0. Autrement dit, les forces de poussée et de traînée sont égales et en sens opposé, donc elles vont s’annuler. On peut en dire autant de l’altitude. Lorsqu’un avion vole en palier, il avance à une vélocité verticale constante. Dans ce cas, l’accélération verticale est de zéro. Au même titre que la vélocité horizontale, si a = 0 alors F = 0. Les forces de portance et de poids sont égales et en sens opposé, donc elles vont s’annuler. Un avion conservera sa vitesse et sa direction de croisière, à moins qu’une force non équilibrée ne soit appliquée sur l’avion. Une notion qui s’explique par la première loi de Newton. Lorsque l’avion monte, descend, traverse une zone d’air moins dense, etc., les forces deviennent déséquilibrées.
Image – Version texte
Photographie en couleurs d’un avion de combat de la marine américaine utilisé lors de la Deuxième Guerre mondiale. Il illustre l’emplacement des forces lorsque l’avion est en croisière. L’avion se trouve à l’horizontale et semble se déplacer vers la gauche. Les flèches vertes représentent les forces d’action et les flèches rouges, les forces de réaction.
Près du nez de l’avion, une flèche verte pointe dans le sens de la trajectoire de l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de poussée.
Devant la cabine du pilote, une flèche verte pointée vers le haut de façon perpendiculaire à l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de portance.
Devant la cabine du pilote, une flèche rouge sous l’avion pointe directement vers le bas. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force du poids de l’avion.
Près de la queue de l’avion, une flèche rouge pointée dans le sens opposé de la trajectoire de l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de traînée.
Descente
La « descente » survient lorsque l’avion perd en altitude. Pour y arriver les quatre forces doivent être encore une fois déséquilibrées comme tu l’avais certainement deviné. Pour permettre la descente, les forces combinées de poussée et de portance sont inférieures aux forces combinées de poids et de traînée.
Poussée + Portance < Poids + Traînée
Lorsqu’un avion s’apprête à atterrir, la poussée est réduite. La traînée augmente et permet à l’avion de ralentir. La portance baisse alors que la vélocité diminue. Lorsque l’avion touche au sol et perd encore plus de vélocité, la portance chute dramatiquement. Une fois l’avion arrêté, le poids devient la seule force de vol exercée sur l’avion.
Image – Version texte
Photographie en couleurs d’un avion d’entraînement de la marine américaine utilisé lors de la Deuxième Guerre mondiale qui illustre l’emplacement des forces lorsque l’avion est en descente. Un groupe de quatre avions vole en formation vers le coin inférieur gauche de l’image. Les flèches vertes représentent les forces d’action et les flèches rouges, les forces de réaction.
Près du nez d’un des avions, une petite flèche verte pointe dans le sens de la trajectoire de l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de poussée.
Derrière la cabine du pilote, une petite flèche verte pointée vers le haut de façon perpendiculaire à l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de portance.
Aussi derrière la cabine du pilote, une longue flèche rouge sous l’avion pointe directement vers le bas. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force du poids de l’avion.
Près de la queue de l’avion, une longue flèche rouge pointée dans le sens opposé de la trajectoire de l’avion. L’encadré adjacent indique qu’il s’agit de la force de traînée.
L’étude de la physique occupe une place d’importance dans le vol d’avion et on peut en apprendre beaucoup sur la physique en étudiant les avions et leur capacité à voler. Pour cela, il faut remercier Sir Isaac Newton et ses trois lois du mouvement qui expliquent le lien entre les forces et le mouvement dans le fait de voler. Il faut aussi remercier les pionniers de l’aviation comme les frères Wright. Ces deux visionnaires ont aidé à construire notre connaissance du domaine quand ils ont inventé et construit le premier avion à réussir un vol au monde. Cet avion leur a permis d’effectuer le premier vol humain contrôlé et motorisé d’un aéronef plus lourd que l’air le 17 décembre 1903.
Image – Version texte
Photographie en noir et blanc du premier vol d’un aéronef plus lourd que l’air avec une personne à bord. L’avion, le Wright Flyer, est un biplan pourvu de deux paires d’ailes reliées par de minces traverses verticales. L’avion vole à moins d’un mètre au-dessus du sol sablonneux de Kitty Hawk, en Caroline du Nord. Le pilote, Orville Wright, est placé sur son ventre au milieu de l’aile du bas. Ici, il a actionné l’hélice en faisant tourner un objet qui ressemble à une chaîne de vélo. Quelques mètres plus loin, son frère Wilbur l’observe.
La prochaine fois que tu partiras en avion, pense à toutes les notions de physique qui se mettent à l’œuvre tout autour de toi!
En savoir plus
En vol! La science des avions… en papier
Une activité du Centre des sciences de Montréal où les élèves découvrent les quatre forces du vol en construisant un avion en papier.
Les forces du vol
Un ensemble d'activités et de leçons du Conseil Ontarien pour l’éducation technologique pour aider à comprendre les quatre forces du vol.
Pilotage avion: Les Quatre Forces Agissant sur un Avion
Cette vidéo Youtube (1 min 07 s) de CaptainJanse montrant comment les quatre forces du vol influencent un avion pendant qu'il est en l'air.
L’histoire de la façon dont les humains ont appris à voler
Article de Parlons sciences qui explique l'histoire de la façon dont les humains ont appris à voler, des cerfs-volants aux avions !
Références
Glenn Research Center (n.d.). The Beginners Guide to Aeronautics. NASA. Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/
NASA (n.d.). Dynamics of Flight. Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/UEET/StudentSite/dynamicsofflight.html#la
NASA (n.d.). Re-Living the Wright Way. Retrieved from https://wright.nasa.gov/airplane/shortw.html
NASA (n.d.). What Is Drag? Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/drag1.html
NASA (n.d.). What Is Lift? Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/lift1.html
NASA (n.d.). What Is Thrust? Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/thrust1.html
NASA (n.d.). What Is Weight? Retrieved from https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/weight1.html
Smithsonian National Air and Space Museum (n.d.). Exhibitions. Retrieved from https://airandspace.si.edu/exhibitions