Les quatre forces en équilibre.

Tout aéronef, de l’avion en papier à l’avion de ligne, est poussé et tiré par les mêmes quatre forces. Une force se mesure en newtons (N), et chacune est représentée par une flèche.

• Le poids (W) attire l’aéronef vers le bas, en direction du centre de la Terre. Il correspond à la masse multipliée par la gravité : W = m × g, avec g = 9,81 m/s². Un avion léger de 1 000 kg pèse 9 810 N.
• La portance (L) est la force exercée par l’air sur l’aile, à angle droit par rapport à l’écoulement de l’air. En vol horizontal, elle est donc dirigée vers le haut.
• La poussée (T) est la force vers l’avant produite par une hélice ou un réacteur.
• La traînée (D) est la résistance de l’air au mouvement. Elle est dirigée vers l’arrière, dans le sens de l’écoulement de l’air.

La portance et la traînée proviennent toutes deux de la force exercée par l’air sur l’aéronef. Le poids est la force d’attraction exercée par la Terre. La poussée vient du moteur. Remarque que le moteur ne maintient pas l’avion en l’air. C’est le rôle de l’aile.

L’équilibre signifie un vol stationnaire. La première loi de Newton dit qu’un objet continue de se déplacer à vitesse constante lorsque la somme des forces qui s’exercent sur lui est égale à zéro. Ainsi, un avion qui vole à altitude constante et à vitesse stationnaire a :

• L = W (la force vers le haut est égale à celle vers le bas), et
• T = D (la force vers l’avant est égale à celle vers l’arrière).

Rien ne « reste », donc rien ne change. Si les forces ne sont pas égales, la deuxième loi de Newton s’applique : force nette = masse × accélération. Supposons que l’avion-jouet de 1 000 kg ait une poussée supérieure de 200 N à sa traînée. La force nette vers l’avant est de 200 N, donc a = 200 / 1 000 = 0,2 m/s². L’avion accélère, d’abord lentement, jusqu’à ce que la traînée croissante rattrape la poussée et que les forces s’équilibrent à nouveau, à une vitesse plus élevée.

La même logique s’applique vers le haut et vers le bas. Si la portance est supérieure au poids, l’avion est poussé vers le haut et sa trajectoire se courbe vers le haut. Si la portance est inférieure au poids, elle se courbe vers le bas.

Quelle est l’importance de ces nombres ? Le rapport entre la portance et la traînée, L/D, indique avec quelle efficacité une aile porte son poids. En vol horizontal stationnaire, L = W et T = D, donc T = W / (L/D). L’avion léger de ce cours a un meilleur rapport L/D d’environ 12,5 (tu verras pourquoi dans la leçon 3). Alors :

T = D = 9 810 N / 12,5 ≈ 785 N, soit seulement environ 8 pour cent du poids. Un avion est un moyen très efficace de déplacer une masse, car l’aile la porte. Un hélicoptère en vol stationnaire ne bénéficie pas de cette aide : son rotor doit produire une poussée égale à la totalité de son poids (Monde 5).

Montée et descente. Lors d’une montée stationnaire, la trajectoire de vol est inclinée d’un angle γ. Le moteur doit alors aussi tirer l’avion vers le haut, contre une partie de son poids : T = D + W sin γ. Pour une montée à 5°, W sin 5° ≈ 9 810 × 0,087 ≈ 855 N de poussée supplémentaire. En plané, moteur éteint, cette même partie du poids tire au contraire l’avion vers l’avant. Tu utiliseras cela dans le Monde 6.

Ce cours est à but éducatif. Il explique la physique du vol pour aider à comprendre le fonctionnement des aéronefs. Ce n’est pas une formation au pilotage ni un mode d’emploi pour utiliser un aéronef. Les vrais pilotes apprennent auprès d’instructeurs certifiés et en consultant le manuel de l’aéronef qu’ils pilotent. Les nombres utilisent un aéronef-jouet simplifié et ne correspondent donc exactement à aucun modèle réel.