Sommaire
- L’histoire que la plupart d’entre nous ont apprise
- Rien ne les oblige à se rejoindre
- En soufflerie, l’air du dessus arrive le premier
- Les ailes plates et les avions sur le dos portent aussi
- Ce qui se passe vraiment : l’aile dévie l’air
- Vu sous l’angle de la pression, la même portance
- Bernoulli et Newton ont raison tous les deux
- À retenir
- Sources
En bref : l’histoire que la plupart d’entre nous ont apprise dit que le dessus d’une aile est plus long, donc l’air qui passe dessus doit aller plus vite pour rejoindre l’air du dessous au bord de fuite. La NASA la qualifie d’une des explications fausses de la portance les plus répandues. Rien n’oblige les deux à se rejoindre : en soufflerie, l’air du dessus atteint l’arrière bien avant l’air du dessous, et les ailes plates d’un avion en papier comme les avions sur le dos portent aussi. Ce qui se passe vraiment : la forme et l’inclinaison de l’aile dévient l’air vers le bas, et l’air pousse l’aile vers le haut. Vu sous l’angle de la pression, elle est plus basse au-dessus de l’aile et plus haute en dessous : la même portance décrite de deux façons, donc Bernoulli et Newton ont raison tous les deux.
L’histoire que la plupart d’entre nous ont apprise
Centre de recherche Glenn de la NASA : « The theory described on this slide is one of the most widely circulated, incorrect explanations. The theory can be labeled the “Longer Path” theory, or the “Equal Transit Time” theory. » (la théorie décrite sur cette page est l’une des explications fausses les plus répandues. On peut l’appeler la théorie du « chemin plus long » ou du « temps de transit égal »).
Ce qu’elle dit : « The air molecules (the little colored balls on the figure) have farther to travel over the top of the airfoil than along the bottom. In order to meet up at the trailing edge, the molecules going over the top of the wing must travel faster than the molecules moving under the wing. » (les molécules d’air, les petites boules de couleur de la figure, ont plus de chemin à parcourir au-dessus du profil qu’en dessous. Pour se rejoindre au bord de fuite, les molécules qui passent au-dessus de l’aile doivent aller plus vite que celles qui passent dessous).
Et on la trouve partout. Le professeur Holger Babinsky, de l’université de Cambridge : « You find it taught in textbooks, explained on television and even described in aircraft manuals for pilots. » (on la trouve enseignée dans les manuels scolaires, expliquée à la télévision et même décrite dans des manuels d’avion destinés aux pilotes).
Rien ne les oblige à se rejoindre
NASA Glenn : « This part of the theory attempts to provide us with a value for the velocity over the top of the airfoil based on the non-physical assumption that the molecules meet at the aft end. » (cette partie de la théorie tente de nous donner une valeur de la vitesse au-dessus du profil à partir de l’hypothèse, sans fondement physique, que les molécules se rejoignent à l’arrière). Et : « Two molecules near each other at the leading edge will not end up next to each other at the trailing edge » (deux molécules voisines au bord d’attaque ne se retrouveront pas côte à côte au bord de fuite).
En soufflerie, l’air du dessus arrive le premier
L’université de Cambridge, en 2012 : « Babinsky filmed pulses of smoke flowing around an aerofoil … When the video is paused, it’s clear that the transit times above and below the wing are not equal: the air moves faster over the top surface and has already gone past the end of the wing by the time the flow below the aerofoil reaches the end of the lower surface. » (Babinsky a filmé des bouffées de fumée s’écoulant autour d’un profil d’aile… Quand on met la vidéo en pause, il est clair que les temps de transit au-dessus et en dessous de l’aile ne sont pas égaux : l’air va plus vite sur l’extrados et a déjà dépassé le bout de l’aile quand l’écoulement sous le profil atteint le bout de l’intrados).
NASA Glenn dit la même chose : « particles moving over the top arrive at the trailing edge before particles moving under the airfoil. » (les particules qui passent au-dessus arrivent au bord de fuite avant celles qui passent sous le profil).
Les ailes plates et les avions sur le dos portent aussi
NASA Glenn : « Think of a paper airplane. Its airfoil is a flat plate –> top and bottom exactly the same length and shape and yet they fly just fine. » (pensez à un avion en papier. Son profil est une plaque plate, dessus et dessous exactement de la même longueur et de la même forme, et pourtant il vole très bien).
Et : « This theory also does not explain how airplanes can fly upside-down which happens often at air shows and in air-to-air combat. The longer surface is then on the bottom! » (cette théorie n’explique pas non plus comment les avions peuvent voler sur le dos, ce qui arrive souvent en meeting aérien et en combat aérien. La surface la plus longue est alors en bas !).
Ce qui se passe vraiment : l’aile dévie l’air
NASA Glenn, « What is Lift? » : « Lift occurs when a moving flow of gas is turned by a solid object. The flow is turned in one direction, and the lift is generated in the opposite direction, according to Newton’s Third Law of action and reaction. » (la portance apparaît quand un écoulement de gaz est dévié par un objet solide. L’écoulement est dévié dans une direction, et la portance naît dans la direction opposée, selon la troisième loi de Newton, celle de l’action et de la réaction). Et : « For an aircraft wing, both the upper and lower surfaces contribute to the flow turning. » (sur une aile d’avion, l’extrados comme l’intrados contribuent à dévier l’écoulement).
Ce qui dévie l’écoulement, c’est la forme de l’aile et son inclinaison. NASA Glenn : « The magnitude of the lift generated by the wing depends on the shape of the wing and how it moves through the air. » (l’intensité de la portance produite par l’aile dépend de la forme de l’aile et de la façon dont elle se déplace dans l’air). Et : « The angle between the chord line of the airfoil and the flight direction is called the angle of attack. Angle of attack has a large effect on the lift generated by a wing. » (l’angle entre la corde du profil et la direction du vol s’appelle l’angle d’attaque. L’angle d’attaque a un grand effet sur la portance produite par une aile).
Babinsky : « What actually causes lift is introducing a shape into the airflow, which curves the streamlines » (ce qui produit réellement la portance, c’est d’introduire une forme dans l’écoulement d’air, qui courbe les lignes de courant).
Vu sous l’angle de la pression, la même portance
Babinsky décrit le résultat comme « lower pressure on the upper surface and higher pressure on the lower surface » (une pression plus basse sur l’extrados et une pression plus haute sur l’intrados).
Le mythe a raison de dire que l’air du dessus va plus vite ; il se trompe seulement sur la vitesse. NASA Glenn : « Experiment #1 shows us that the flow over the top of a lifting airfoil does travel faster than the flow beneath the airfoil. But the flow is much faster than the speed required to have the molecules meet up at the trailing edge. » (l’expérience nº 1 montre que l’écoulement au-dessus d’un profil porteur va bel et bien plus vite que celui du dessous. Mais il va beaucoup plus vite qu’il ne le faudrait pour que les molécules se rejoignent au bord de fuite). Et : « The upper flow is faster and from Bernoulli’s equation the pressure is lower. … this part of the theory is correct. » (l’écoulement du dessus est plus rapide et, d’après l’équation de Bernoulli, la pression est plus basse. … cette partie de la théorie est correcte).
Bernoulli et Newton ont raison tous les deux
NASA Glenn, « Bernoulli and Newton » : « From Newton’s third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object. So both “Bernoulli” and “Newton” are correct. » (d’après la troisième loi du mouvement de Newton, dévier l’écoulement produit une réaction, une force aérodynamique, sur l’objet. « Bernoulli » et « Newton » sont donc corrects tous les deux).
Et : « Newton’s laws of motion are statements concerning the conservation of momentum. Bernoulli’s equation is derived by considering conservation of energy. So both of these equations are satisfied in the generation of lift; both are correct. » (les lois du mouvement de Newton portent sur la conservation de la quantité de mouvement. L’équation de Bernoulli se déduit de la conservation de l’énergie. Les deux équations sont donc vérifiées quand la portance naît ; les deux sont correctes).
À retenir
- L’histoire du chemin plus long est fausse : rien n’oblige l’air du dessus et celui du dessous à se rejoindre, et l’air du dessus arrive le premier.
- La portance vient de l’air dévié : la forme et l’inclinaison courbent l’écoulement vers le bas, et l’air pousse l’aile vers le haut.
- Une pression plus basse au-dessus et plus haute en dessous, c’est la même portance vue autrement : Bernoulli et Newton ont raison tous les deux. Voilà pourquoi les ailes plates et les avions sur le dos volent aussi.
Sources
- NASA Glenn Research Center, Beginner's Guide to Aeronautics, Equal Transit Theory Interactive (théorie fausse de la portance)
- NASA Glenn Research Center, What is Lift?
- NASA Glenn Research Center, Bernoulli and Newton
- NASA Glenn Research Center, Effects of Inclination on Lift Interactive
- University of Cambridge, How wings really work (Pr Holger Babinsky, département d’ingénierie), 25 janv. 2012
La vidéo est animée en code et le script a été écrit avec l’aide de l’IA ; chaque citation ci-dessus est vérifiée dans sa source. Illustratif : l’écoulement de l’air (les filets, la bouffée de fumée, l’ombrage de pression et les flèches) est calculé avec un modèle d’écoulement idéal de manuel, pas mesuré ; il montre donc le schéma, pas les chiffres d’une vraie aile. La bouffée de fumée est notre dessin de ce que montre la fumée de la soufflerie de Babinsky, pas sa vidéo ; les avions sont des dessins génériques. La vidéo est narrée en anglais. Réalisée avec Shotloop, mon app Mac gratuite pour faire des vidéos explicatives en code, corrigées un plan à la fois.
