Les marins caractérisent la force du vent par un nombre allant de 0 à 12. C'est l'échelle de Beaufort : 0 correspond à calme plat, 12 à un ouragan. On dira par exemple qu'un vent de force 5 est une bonne brise, et qu'un vent de force 10 est une tempête. Quand on y regarde de plus près, les marins évaluent cette force en mesurant la vitesse du vent : par exemple, un vent est de force 3 si sa vitesse est comprise entre 12 et 19 km/h, et de force 10 si elle est comprise entre 89 et 102 km/h. Au final, on peut donc dire que pour le marin, force et vitesse du vent sont la même chose.

Le physicien, lui, utilise un autre vocabulaire : le vent a une vitesse, et il agit sur les objets en exerçant une force sur ces objets. Le physicien retrouve que plus la vitesse du vent est élevée, plus la force exercée est élevée, mais il constate que la force est aussi proportionnelle à la surface de l'objet : un vent même violent n'exerce aucune force sur un bateau sans voiles, alors qu'un vent même faible fait avancer un bateau si toutes ses voiles sont sorties. La force exercée sur un objet est donc liée à la fois à sa surface et à la vitesse du vent : par vent faible, la force exercée par le vent sur les branches et le feuillage d'un arbre n'est pas suffisante pour le déraciner, mais lors d'une tempête, de nombreux arbres sont déracinés.

Le physicien sait aussi que la force exercée n'est pas seulement caractérisée par sa valeur, mais aussi par sa direction : ainsi, un bateau à voile n'est pas obligé de se déplacer dans la même direction que le vent, et les ailes d'un moulin tournent même si le vent qui les actionnent se déplace en ligne droite. On obtient ces effets en inclinant les voiles du bateau ou les ailes du moulin par rapport à la direction du vent. Notons que cette inclinaison change aussi la valeur de la force ; à la limite, si la surface des voiles ou des ailes est parallèle au vent, celui-ci n'exerce plus aucune force !

Au final, pour le physicien, les forces engendrées par le vent sur un objet sont liées à la forme et l'orientation de l'objet, et à la vitesse du vent.

Dans le complément « force et vitesse du vent », on a vu que les forces engendrées par le vent dépendent notamment de la surface de l'objet. Or la force rapportée à la surface sur laquelle elle s'exerce n'est autre que la pression. Ou, en d'autres termes, la pression est égale, dans la plus simple des configurations, à la force divisée par la surface. On peut donc autant parler de force exercée par le vent que de pression exercée par le vent. La force exercée par le vent sur une grande surface est plus grande que la force exercée sur une petite surface. Par contre, la pression est la même, puisque pour l'obtenir, on divise la force par la surface.

Sur terre, quand on se déplace rapidement, que ce soit à vélo, à moto ou dans une voiture décapotable, on sent la résistance de l'air. En fait, cette résistance apparait même à faible vitesse, mais la force ressentie est alors plus faible. L'origine de la force est exactement la même qu'avec le vent : dans un cas, c'est l'air qui se déplace par rapport à l'objet, et dans l'autre cas, c'est simplement l'objet qui se déplace par rapport à l'air. D'ailleurs, pour calculer par exemple les forces exercées par l'air sur un avion, on doit prendre en compte à la fois la vitesse du vent et la vitesse de l'avion par rapport au sol. On parle alors de vitesse vraie, c'est-à-dire de la vitesse de l'avion par rapport à l'air qui l'entoure.

On a vu que la force exercée par l'air en déplacement sur un objet est d'autant plus grande que la surface de l'objet est grande. Pour augmenter la force exercée par l'air sur un avion, il suffit donc d'augmenter la taille de ses ailes. Mais attention : augmenter la surface des ailes n'a pas que des avantages, car on augmente à la fois la portance et la traînée (voir « les forces exercées par l'air (1)»). La surface des ailes d'un avion (on dit la surface alaire), ainsi que la charge alaire (le poids de l'avion divisé par la surface alaire) ont un impact notamment sur les vitesses de décollage et d'atterrissage, et donc la longueur des pistes nécessaires, le rayon d'action de l'avion, la sensibilité de l'avion aux turbulences, la rapidité avec laquelle il peut atteindre son altitude de croisière, ou encore sa maniabilité.

Pour des détails, voir par exemple le premier chapitre du mémoire Performances et stabilité des avions de Gérard Degrez.

Quand on passe sa main par la fenêtre d'une voiture à pleine vitesse, on sent bien que la direction de la force exercée sur la main dépend de son orientation, et il est facile d'incliner la main pour ressentir à la fois une force vers l'arrière et une autre vers le haut. C'est aussi le principe du cerf-volant, qui est incliné de façon à ce que le vent exerce à la fois une force dirigée selon la direction du vent, et une autre vers le haut. En fait, ces deux forces ne sont que les deux composantes, horizontale et verticale, de la force exercée par l'air sur le cerf-volant.

La composante horizontale est appelée la traînée. Dans le cas d'un véhicule en mouvement, elle est donc dans la direction opposée au déplacement du véhicule, et elle le ralentit. C'est effectivement ce que l'on observe à vélo ou à moto : la résistance de l'air nous ralentit...

La composante verticale est appelée la portance. En fait, la direction de la portance dépend de la façon dont est incliné l'objet. Elle est verticale pour un cerf volant, mais horizontale pour les ailes d'une éolienne ou la voile d'un bateau. Bien sûr, pour un avion, il faut qu'elle soit verticale, pour pouvoir « porter » l'avion.

On a vu dans « Les forces exercées par l'air (1) » que l'on peut décomposer la force exercée par l'air sur un avion en deux composantes : la portance, dirigée verticalement, et la traînée, dirigée horizontalement. En vol horizontal stabilisé, il faut que la portance compense exactement le poids de l'avion, et pour avancer, il faut que la force de poussée fournie par les réacteurs soit largement supérieure à la traînée. Un avion en vol est donc soumis à 4 forces : son poids, la poussée des réacteurs, la portance et la traînée. On imagine assez bien comment on détermine le poids d'un avion, et la puissance des réacteurs. Mais quelle est la valeur de la portance et de la traînée ? Les deux forces sont proportionnelles au carré de la vitesse : quand on double la vitesse d'un avion, la portance et la traînée sont multipliées par 4. Elles sont aussi proportionnelles à la surface de l'avion, et donc à celle de ses ailes. En enfin, elles sont proportionnelles à un coefficient, qu'on appelle le Cx pour la traînée, et le Cz pour la portance. Le Cx est le même que celui qu'on retrouve pour caractériser l'aérodynamisme des voitures : pour un avion, il est fonction notamment de la forme du fuselage, et de la géométrie et de l'inclinaison des ailes. Le Cz dépend des mêmes paramètres, mais de façon différente. Le rapport Cz/Cx, qui caractérise en quelque sorte l'efficacité de la portance par rapport à l'aérodynamisme de l'avion, varie lui aussi en fonction de tous ces paramètres, et notamment en fonction de l'angle d'attaque, c'est-à-dire l'angle que fait l'avion par rapport à l'horizontale. Il passe par un maximum qu'on appelle l'angle de décrochage, car pour une inclinaison supérieure, l'avion n'est plus soutenu (la portance diminue tandis que la traînée continue à augmenter) et l'avion tombe comme une pierre.

En physique, on caractérise le mouvement d'un objet par différentes quantités, et en particulier par sa quantité de mouvement, qui est simplement le produit de sa masse par sa vitesse. Pour une boule de billard, ce sera donc le produit de sa masse et de sa vitesse. Cette quantité de mouvement est très pratique à utiliser, car dans un choc sans déformations, comme c'est le cas entre deux boules de billard, la somme de la quantité de mouvement des deux objets est la même avant et après le choc : on dit que la quantité de mouvement se conserve. Et elle se conserve dans toutes les directions. Pour deux boules de billard de même masse, ça veut dire que la somme des vitesses des deux boules est la même après et avant le choc. Par exemple, si la boule 1 vient heurter la boule 2 quand elle est à l'arrêt, le résultat peut être que la boule 1 s'arrête, mais alors la boule 2 ira à la même vitesse que la boule 1 avant le choc. Ou la boule 1 est ralentie de 90 %, mais alors la boule 2 aura 90% de la vitesse initiale de la boule 1. Ou encore, comme dernier exemple, si la boule 1 est déviée sur la gauche, alors la boule 2 partira sur la droite avec la même vitesse latérale. La loi de conservation de la quantité de mouvement nous permet donc d'obtenir des informations sur ce qui se passe avant et après la collision, sans regarder le détail de la collision elle-même.

Pour en savoir plus...

Quelques ressources :

• La quille inébranlable

• Vidéo 1

• Vidéo 2

• Vidéo 3

• Vidéo 4

• Vidéo 5

• Vidéo 6

Dans le cas d'un avion, la loi de conservation de la quantité de mouvement ne nous permet pas d'effectuer des calculs précis, car la situation est beaucoup plus complexe que dans le cas de la collision entre deux boules de billard par exemple. En termes de collisions, il faudrait en effet considérer la collision de chaque molécule constituante de l'air (et il y en a vraiment beaucoup !) avec l'avion. Mais même ainsi, on n'obtiendrait pas le bon résultat, car il faut aussi prendre en compte les forces extérieures qui s'exercent sur l'avion. On fait donc appel pour résoudre ce problème, aux lois de Newton, plus générales, et dont la loi de conservation de la quantité de mouvement est d'ailleurs un cas particulier.

La portance d'un avion peut être améliorée en jouant sur la forme des ailes. En effet, si l'aile est plus bombée sur sa face supérieure, il se crée une dépression au dessus de l'aile. La pression de l'air sous l'aile est alors plus élevée que celle au dessus de l'aile, ce qui aide l'aile à s'élever et revient donc à augmenter la portance. On trouve de très nombreux profils d'aile, en général avec une face supérieure (qu'on appelle l'extrados) bombée, et toutes sortes de face inférieure (l'intrados) : plate, identique à l'extrados et donc symétrique), convexe mais différemment de l'extrados, et même parfois concave. Il existe des bases de données répertoriant les nombreux profils d'aile disponibles, comme par exemple celle-ci (en anglais), et aussi des listes indiquant le profil d'aile utilisé par les avions, comme par exemple ici (en anglais).

Une confusion très commune sur l'origine des forces de portance d'un avion s'appuie sur le principe de Bernouilli, en mélangeant les causes et les effets. Il est alors affirmé que la portance nécessite une aile asymétrique, et que l'air doit se propager dans le même temps au dessus et en dessous de l'aile. La distance à parcourir au dessus de l'aile étant plus grande, l'air se déplace plus vite. Or le mathématicien et physicien suisse Daniel Bernouilli a montré, il y a près de 300 ans, que lorsque la vitesse d'un fluide augmente, sa pression diminue. Dans cette démonstration, on aboutit alors au fait que la pression sur le dessus de l'aile est supérieure à celle en dessous de l'aile, et donc qu'il se crée une force qui porte l'aile vers le haut.

Les deux postulats initiaux sont malheureusement faux : comme on l'a vu, une aile n'est pas nécessairement symétrique. Et même pour une aile asymétrique, il n'y a aucune raison pour que l'air parcourt le chemin long (au dessus) et le chemin court (au dessous) dans le même temps. En fait, ce n'est absolument pas le cas, et cela peut d'ailleurs engendrer des turbulences dans l'air après le passage d'un avion.

En fait, l'air se déplace effectivement plus vite sur le dessus de l'aile, mais c'est une conséquence, due au principe de Bernouilli, de la différence de pression, entre le dessus et le dessous de l'aile, différence de pression liée à la géométrie de l'aile.

Pour expliquer comment un avion vole, on peut, comme on l'a fait ici, raisonner en termes de forces au travers des lois de Newton, mais on peut aussi, de façon tout à fait équivalente, raisonner en termes de pression en faisant appel au théorème de Bernouilli. La différence de perception des deux approches est discutée de façon intéressante dans un article de Klaus Weltner (voir références).

Module de mécanique des fluides

On les appelle des dispositifs hypersustentateurs : ils permettent d'augmenter la portance des ailes aux basses vitesses, et facilitent ainsi décollage et surtout atterrissage. Il n'y a pas qu'un type de volet, et il n'y a d'ailleurs pas que les volets. La forme des ailes d'un avion, avec notamment les réacteurs, peut en effet être très complexe, et les flux d'air autour des ailes sont donc beaucoup plus complexes que ce que l'on a montré ici, avec très souvent la présence de tourbillons. On peut donc augmenter la portance en augmentant la surface des ailes, mais aussi en rajoutant par exemple des becs de bord d'attaque, une sorte de volets placés à l'avant de l'aile pour réguler différemment les flux d'air le long de l'extrados.