Les forces exercées sur l'avion

L'avion est tout d'abord soumis à 3 forces :

• Le poids, qui est l'effet de la gravité sur l'avion, représenté par un vecteur dirigé vers le bas à la verticale. Ce poids varie selon la masse de l'avion. On peut le calculer selon la formule suivante:

P = m . g    

avec P en Newton, m en Kg et g constante de gravité = 9,81 N/Kg.

• La poussée ou traction représentée par un vecteur dirigé dans le sens du mouvement et parallèlement. Elle est transmise à l'appareil par les réacteurs ou les hélices et est opposée à la traînée.
• La résultante de deux forces aérodynamiques: la traînée et la portance. La portance est dûe au déplacement de l'aile profilée dans l'air. La traînée est la somme des résistances aérodynamiques et est opposée au mouvement.

Schéma des forces exercées sur un avion 

La  portance:           

C’est grâce au phénomène de portance, ou sustentation que l’avion peut voler. La forme incurvée de l’aile joue donc un rôle essentiel dans ce phénomène. En effet lors de son écoulement sur l’aile, l’air s’écoule plus vite sur la partie supérieure de l’aile, appelée extrados, que sur la partie inférieure, appelée intrados, pour arriver en même temps à l’extrémité de l’aile. Il y a une diminution de pression sur l’extrados car les filets d’air s’accélèrent et s’étirent, et une augmentation de pression sur l’intrados car les filets d’air ralentissent et se compriment. C’est cette différence de pression qui est à l’origine de la portance, l’avion est alors « aspiré » vers le haut.

La portance dépend également de l’angle d'incidence i (angle formentre la direction du vent relatif et les ailes). Plus l’angle d’incidence est élevé, plus la portance diminue. La portance est maximale quand l’angle est égal à zéro. Lorsque cet angle est trop grand, il y a décollement de l’écoulement sur l’extrados de l’aile, et ainsi décrochage. (voir schéma ci-dessous)

 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.

La traînée:

La traînée est la force dûe aux frottements lorsque l'avion pénètre dans l'air. Elle est la somme de trois traînées:

- la traînée parasitaire, indépendante de la portance, elle dépend de la géométrie de l'avion et de certains paramètres physiques comme la rugosité des ailes et du fuselage.

- la traînée induite, dûe aux tourbillons générés au bout des ailes. Ces tourbillons appelés vortex proviennent de l'arrêt de la géométrie de l'aile dans un fluide en mouvement.

- la traînée d'onde, liée à la compressibilité de l'air et aux ondes de choc lors de l'écoulement transsonique (Mach > 1).

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.