Écoulement de l'air

Pour parler de portance ou de traînée, les aérodynamiciens raisonnent comme en soufflerie : on imagine l'avion immobile, et on choisit une vitesse d'air qui souffle dessus. Ce point de vue-là s'appelle le vent relatif.

C'est cette direction-là, et seulement elle, qui définit la portance et la traînée — jamais la direction du sol, ni celle de l'horizon. La portance sera toujours perpendiculaire au vent relatif, et la traînée toujours parallèle, quelle que soit l'orientation réelle de l'avion dans le ciel.

Le vent relatif est parallèle à la trajectoire de l'avion — le chemin qu'il suit réellement dans l'air — et non à son axe (l'orientation du nez, appelée l'assiette). Un avion peut avoir le nez légèrement relevé (assiette à cabrer) tout en continuant de descendre : sa trajectoire reste alors orientée vers le bas, et c'est cette trajectoire-là, pas l'axe du fuselage, qui fixe la direction du vent relatif.

L'air qui s'écoule autour d'un avion peut se comporter de deux façons bien distinctes.

En régime laminaire, l'air avance en couches régulières et parallèles, sans se mélanger — comme le centre calme d'une rivière. En régime turbulent, l'écoulement devient chaotique : la vitesse et la direction changent sans cesse, les couches se mélangent — comme le bord tourbillonnant de la même rivière, ralenti par les berges.

C'est un écoulement laminaire, régulier et prévisible, qui permet à la relation simple entre vitesse et pression (voir plus bas) de bien s'appliquer localement autour d'un profil.

Tout corps en mouvement dans l'air — une aile, un fuselage, n'importe quelle surface — subit, en chaque point de sa surface, deux types de forces élémentaires : des forces de pression et des forces de frottement.

Les forces de pression poussent perpendiculairement à la surface (vers l'intérieur ou vers l'extérieur selon la pression locale). Les forces de frottement, elles, agissent le long de la surface : elles viennent du fait que l'air "colle" un peu à la surface en glissant dessus. Ce sont ces deux familles de forces, additionnées sur toute la surface, qui donnent la portance et la traînée. Les deux stations suivantes détaillent chacune de ces deux origines.

Juste au contact d'une surface (une aile, un fuselage, une carrosserie de voiture), la vitesse de l'air par rapport à cette surface est nulle — c'est pour ça que la poussière reste collée sur une voiture même quand elle roule vite. Un peu plus loin de la surface, l'air retrouve progressivement sa pleine vitesse.

Cette fine pellicule d'air freinée, coincée entre la surface immobile (vitesse nulle) et l'écoulement libre (pleine vitesse), s'appelle la couche limite. C'est elle qui est à l'origine des forces de frottement vues plus haut, et donc d'une partie de la traînée (la traînée parasite, détaillée sur la page dédiée à la traînée).

Cette relation est réciproque et vaut en écoulement laminaire : partout où l'air accélère localement autour d'un profil, sa pression baisse à cet endroit précis ; partout où il ralentit, sa pression remonte.

La pression que l'on mesure ainsi en un point donné de la surface d'un profil — sur l'extrados ou sur l'intrados — s'appelle la pression statique. C'est une valeur locale, ponctuelle, à distinguer de la pression totale (ou dynamique), qui combine cette pression statique et l'effet de la vitesse de l'air ; l'instrument de bord qui exploite cette différence est détaillé dans les stations sur les vitesses caractéristiques.

L'effet Venturi, c'est l'application concrète de la relation vitesse ↔ pression dans un conduit qui se resserre — un tube, une vallée entre deux montagnes, une rivière qui se rétrécit. Au niveau du point le plus étroit (l'étranglement), tout le débit d'air doit passer par une section plus petite : sa vitesse y devient donc maximale, et sa pression statique y devient minimale — exactement là, au point le plus resserré, jamais avant ni après.

De part et d'autre de l'étranglement, la section redevient plus large : la vitesse revient à la normale et la pression remonte.

Une aile a deux faces : l'extrados, la face supérieure (le dessus, bombée), et l'intrados, la face inférieure (le dessous, plus plate). Autour d'une aile qui avance dans l'air, l'écoulement s'accélère davantage sur l'extrados que sur l'intrados : l'air va plus vite au-dessus de l'aile qu'en dessous.

En appliquant la relation vue plus haut, cette différence de vitesse se traduit directement en différence de pression statique : plus vite sur l'extrados veut dire pression statique plus faible sur l'extrados. C'est cette différence de pression entre le dessus et le dessous qui produit l'essentiel de la portance — le mécanisme complet est détaillé sur la page dédiée à la portance.