Portance
Un objet placé dans un flux d'air (ou d'un autre fluide, notamment l'eau) subit une force aérodynamique (respectivement : hydrodynamique). Pour l'analyse, on décompose cette force en une composante dans le sens du vent relatif, la trainée, et une composante perpendiculaire : la portance.
Pour une aile (ou une voile), la portance est dirigée de l'intrados (la face "au vent", normalement placé au-dessous pour un aéronef)) vers l'extrados (la face "sous le vent", normalement situé au dessus), pour un avion elle est donc normalement orientée de bas en haut : elle "porte" l'avion.
Un peu de physique
Si l'air fait subir à l'avion une force de bas en haut, alors (principe action-réaction) l'avion fait subir à l'air une force de haut en bas : l'aile dévie le flux d'air vers le bas. F = ma : la force (la portance) est égale au produit à la masse d'air déviée, par l'accélération subit par cet air.
La masse d'air est elle-même le produit de la densité de l'air, d, par le volume dévié ; ce volume est proportionnel à la surface de l'aile, à un coefficient caractéristique C1, à la vitesse de l'avion, et au temps passé. Coit : m = C1 x d x S x v x dt
Par définition de la portance, la vitesse de l'air arrivant perpendiculairemant à l'aile est nulle. Son accélération est donc égale à sa vitesse finale divisée par le temps passé ; en première approximation, la vitesse finale est elle même proportionnelle à la vitesse (horizontale) initiale multiplié par un coefficient caractéristique de l'aile, C2 ; alors l'accélération est : a = C2 x v / dt
Au final (et toujours en première approximation), on a F = m x a = C1 x C2 x d x S x v² x dt/dt = 1/2 x Cz x d x S x v² (avec C1 x C2 = 1/2 x Cz ; le 1/2 est conventionnel ; le "z" rappelle l'axe des "z" : la verticale ; pour une voile, on utilisera plutôt Cy)
On voit les paramètres importants :
- le Cz (Cl, l pour "lift", pour la langue anglaise), coefficient de portance caractéristique de l'aile (ou de la voile). En fait, loin d'être fixe, le Cz est un parametre important pour le pilotage. Car,
- le Cz dépend du profil de l'aile (en gros, il augmente avec le "creusement" ), que les marins comme les aviateurs peuvent modifier (ces dernier à l'aide des dispositifs hypersustentateurs -- flaps, ou volets de courbure --, orientés de façon caractérisitiques vers le bas au décollage)
- le Cz dépend de l'angle d'attaque, que le pilote et le marin peuvent faire varier. Lorsque l'angle augmente la portance augmente. L'angle de portance maximum se situe entre 15 et 20 degrés suivant le profil de l'aile. Une fois cet angle dépassé la portance s'effondre, c'est le décrochage.
- le Cz dépend aussi de l'angle de l'aile par rapport à la ligne de déplacement de l'engin, phénomène bien connu des véliplanchistes, et qui explique les ailes à géométrie variables.
- le carré de la vitesse. Là encore, la vitesse est un paramètre important du pilotage. La grande vitesse permet le vol des avions de ligne, dont le rapport masse/surface des ailes est comparable à celui d'un fer à repasser...
- S, surface de l'aile. Souvent fixe, la surface peut-être réglable : les systèmes de volets de pilotage du Cy peuvent aussi augmenter la surface, notamment pour le vol à basse vitesse (atterissage et décollage).
- La densité de l'air (ou plus généralement du fluide). Cela explique que quelques m² de foils suffisent à faire voler un hydroptère d'une masse de l'ordre de la dizaine de tonnes : l'eau est mille fois plus dense que l'air, toutes choses égales par ailleurs elle exerce donc une poussée mille fois plus grande, et même avec une vitesse (environ 30 noeuds, 55 km/h) 3 à 10 fois moindre que celle d'un avion, la portance est encore 100 à 10 fois plus grande que la force de l'air sur une aile.
Explication
La formule précédente constate seulement que l'aile dévie le flux d'air, mais n'explique pas ce phénomène. Pour cela il faut recourir à la mécanique des fluides, et notamment à l'équation de Bernoulli, ce qu'on sait faire depuis les années 1920.
Empiriquement, on comprend bien qu'un plan incliné dans le vent subit une pression sur sa face au vent, et (quoique cela soit moins bien connu) une dépression sur sa face sous le vent. L'équation de Bernouilli formalise cela : lorsque un fluide (ici de l'air) est en mouvement la pression statique varie, elle dimunie lorsque la vitesse augmente et reciproquement. Or, en moyenne (et sans supposer, ce qui serait faux, que deux particules d'air voisines au départ le reste après passage près de l'aile), l'air fait un plus grand chemin sur l'extrados que celui sur l'intrados. Pour compenser, il lui faut accélerer du coté de l'extrados (ralentir, sur l'intrados) Il y a donc une diminution de la pression sur l'extrados, augmentation sur l'intrados, et la résultante est la force aérodynamique.
L'accélération sur l'extrados ne peut se produire sans source d'énergie : le phénomène se traduit par une chute considérable de température, source de givrage particulièrement sensible à certains points. Inversement, le ralentissement et la compression sur l'intrados et au niveau du bord d'attaque (la ligne où les molécule ont une vitesse nulle par rapport à l'aile, là où elles se séparent en un flux vers l'extrados et un flux vers l'intrados) augmente la température parfois de façon considérable.
Les calculs peuvent être mené de façon précises, ce qui permet de déterminer précisément le Cz en fonction des configurations et conditions de vol, ainsi que les limites pratiques (notamment le décrochage).