POURQUOI UN AVION VOLE ?

Sur le site de la NASA

La portance est la force qui tient un avion dans l'air. Comment la portance est-elle produite ? Il y a beaucoup d'explications sur la génération de la portance dans les encyclopédies, les manuels de base de physique, et sur des sites Web. Malheureusement, plusieurs des explications sont fallacieuses et incorrectes. Les théories sur la génération de la portance sont devenues une source de grande polémique et un sujet de débats passionnés depuis de nombreuses années.
Généralement deux camps s'affrontent:
Le camp de ceux qui soutiennent la position de «Bernoulli» : la portance est produite par une différence de pression autour de l'aile.
Puis ceux qui soutiennent la position de «Newton» : la portance est la force de réaction sur un corps provoquée par un flux de gaz.
Notez que nous plaçons les noms entre des guillemets parce que ni Newton ni Bernoulli n'ont jamais essayé d'expliquer la portance aérodynamique d'un objet. Les noms de ces scientifiques sont juste des labels pour les deux camps.

Bernoulli Newton

En regardant la vie de Bernoulli et Newton nous trouvons plus de similitudes que de différences. Sur les photos ci-dessus, nous montrons les portraits de Daniel Bernoulli, à gauche, et Sir Isaac Newton, à droite.
Newton a travaillé dans de nombreux domaines de mathématique et de physique. Il a développé les théories de la gravitation en 1666, quand il avait seulement 23 ans. Environ vingt ans plus tard, en 1686, il a présenté ses trois lois du mouvement dans les Principia Mathematica philosophiae Naturalis. Lui et Gottfried Leibniz sont également crédités du développement des mathématiques de calcul.
Bernoulli a également travaillé dans de nombreux domaines de mathématique et de physique et a un diplôme de médecine. En 1724, à 24 ans, il avait publié un ouvrage mathématique dans lequel il a étudié un problème commencé par Newton concernant l'écoulement de l'eau d'un récipient et plusieurs autres problèmes impliquant des équations différentielles. En 1738, son travail Hydrodynamica a été publié. Dans ce travail, il a appliqué la conservation de l'énergie aux problèmes de mécanique des fluides.

La vérité est dans quel camp ? Et comment la portance est créée ?

Lorsqu'un flux d'air circule autour d'un objet, ou lorsqu'un objet se déplace dans un flux d'air, les molécules de l'air sont libres de se déplacer autour de l'objet, elles ne sont pas étroitement liées les unes aux autres comme dans un solide. Du fait que les molécules se déplacent, il y a une vitesse associée au flux de l'air. Au sein du gaz, la vitesse peut avoir des valeurs très différentes à des endroits différents notamment près de l'objet.
L'équation de Bernoulli, concerne la pression dans un flux d'air à la vitesse locale, lorsque la vitesse change autour de l'objet, la pression varie aussi.
La portance est la composante de la force aérodynamique perpendiculaire à la direction de l'écoulement initial du flux d'air. La traînée est la composante de la force aérodynamique parallèle à la direction de l'écoulement initial du flux d'air .
L'addition de l'écart de la vitesse autour de l'objet à la place de l'écart de la pression détermine aussi la force aérodynamique.
La variation de vitesse autour de l'objet produit une rotation nette de l'écoulement du flux d'air. Selon la troisième loi de Newton une action de rotation sur l'écoulement du flux aura comme conséquence une réaction (force aérodynamique) sur l'objet.
Donc aussi bien les lois de "Bernoulli" que de "Newton" sont correctes. Prise en compte des effets de la pression ou prise en compte de la vitesse détermine la force aérodynamique sur un objet . Nous pouvons utiliser les équations élaborées par chacun d'eux pour déterminer l'amplitude et la direction de la force aérodynamique.

Alors ou sont les problèmes ?

Les problèmes surviennent parce que les gens appliquent mal les équations de Bernoulli et de Newton et parce qu'ils simplifient la description du problème de la portance aérodynamique.
Les théories populaires incorrectes de la portance découlent d'une mauvaise application de l'équation de Bernoulli.
La théorie comme le «temps égal de transit» ou le "trajet plus long" qui énonce que les ailes sont conçues avec la surface supérieure (extrados) plus longue que la surface inférieure (intrados), afin de générer des vitesses plus élevées sur la surface supérieure du fait que les molécules d'air passant sur la surface supérieure doivent atteindre le bord de fuite en même temps que les molécules d'air passant à la surface inférieure.
Cette théorie se réfère ensuite à l'équation de Bernoulli pour expliquer que la basse pression (dépression) sur l'extrados et la surpression sur l'intrados engendre la portance. L'erreur de cette théorie implique la vitesse sur l'extrados. En réalité la vitesse sur l'extrados d'une aile est beaucoup plus élevée que la vitesse qui serait produite avec un temps de transit égal.
Par contre si nous connaissons la vraie vitesse, nous pouvons utiliser l'équation de Bernoulli pour obtenir la pression, puis utiliser la pression pour déterminer la force.
La théorie basée sur l’effet Venturi pour tenter de déterminer la vitesse est également fausse. Car une section d'aile n'est pas vraiment un demi-Buse Venturi.
Il y a aussi une mauvaise théorie qui utilise la troisième loi de Newton appliquée à la surface inférieure de l'aile. Cette théorie dite du ricochet assimile la portance aérodynamique à une pierre ricochant sur une surface d'eau. Cette théorie néglige la réalité physique, c'est l'ensemble de la surface inférieure et supérieure d'une aile qui contribuent à la rotation du flux d'air.
La façon dont un objet génère de la portance est très complexe et ne se prête pas à la simplification. Pour un gaz, nous devons conserver en même temps la masse, le moment et l'énergie dans l'écoulement. Les lois du mouvement de Newton sont des déclarations relatives à la conservation du moment. L'équation de Bernoulli est déterminée en tenant compte de la conservation de l'énergie. Donc ces deux équations sont satisfaisantes dans la génération de la portance et les deux sont correctes.
La conservation de la masse introduit beaucoup de complexité dans l'analyse et la compréhension des problèmes aérodynamiques. Par exemple, à partir de la conservation de la masse, une modification de la vitesse d'un gaz dans une direction entraîne un changement de la vitesse du gaz dans une direction perpendiculaire à la modification d'origine. C'est très différent des solides, sur lesquels nous fondons la plupart de nos expériences dans le domaine de la physique. La conservation simultanée de la masse, du moment et l'énergie d'un fluide (en négligeant les effets de la viscosité de l'air ) sont appelés les équations d'Euler.
Leonhard Euler fut l'élève de Johann Bernoulli, le père de Daniel, et a travaillé un certain temps avec Daniel Bernoulli à Saint-Pétersbourg.
Si l'on inclut les effets de la viscosité, nous avons les équations de Navier-Stokes ainsi nommées d'après les deux chercheurs indépendants en France et en Angleterre. Mais pour vraiment comprendre les détails de la génération de la portance, il faut avoir une bonne connaissance pratique des équations d'Euler.


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