Pourquoi un avion arrive-t-il à vaincre la gravité ?

La formulation courante suggère une bataille entre deux forces, et il convient de la corriger. La gravité agit sur un Boeing 787 en croisière exactement comme sur le même appareil au sol : son poids ne diminue pas d'un seul gramme à 11 000 mètres. Ce qui se passe, c'est qu'une autre force, d'origine totalement différente, apparaît et l'équilibre. Lorsque deux forces opposées sont égales, la force nette est nulle et le corps conserve son état de mouvement : c'est la première loi de Newton, et c'est tout ce qu'il y a derrière le vol en palier.

Le même principe explique pourquoi une table « vainc » la gravité en soutenant un verre, ou pourquoi un navire ne sombre pas. Ce qui est particulier pour l'avion, c'est l'origine de la force d'équilibrage : non pas un support solide ou une poussée hydrostatique, mais l'interaction dynamique entre une surface et un fluide en mouvement relatif.

L'aile, en avançant, dévie vers le bas une masse d'air considérable. Selon la troisième loi de Newton, l'air réagit en poussant l'aile vers le haut avec une intensité égale. Vu en termes de pression, l'écoulement courbe au-dessus de la surface supérieure s'accélère et sa pression chute, tandis que sous la surface inférieure la pression est légèrement plus élevée ; l'intégrale de cette différence sur toute la surface de l'aile constitue la portance. Ce sont deux descriptions d'un même phénomène, et non deux causes différentes.

L'intensité augmente avec le carré de la vitesse, avec la surface de l'aile, avec la densité de l'air et avec l'angle d'incidence. La seule condition réelle pour rester en l'air est donc de maintenir un flux d'air suffisant sur l'aile. Les moteurs ne soulèvent pas l'avion — sur un avion de ligne, leur poussée représente de l'ordre de 25 à 30 % du poids, bien en dessous de ce qu'il faudrait pour le soutenir verticalement — ils compensent seulement la traînée aérodynamique pour maintenir la vitesse nécessaire.

Rester en l'air a un prix. Générer de la portance crée une traînée induite, l'énergie perdue dans les tourbillons en bout d'aile, et avancer crée une traînée parasite. Le carburant est entièrement brûlé pour surmonter cette traînée, et non la gravité. L'efficacité d'une conception se mesure par sa finesse aérodynamique (rapport portance/traînée) : environ 17 pour un avion de ligne moderne, plus de 50 pour un planeur de compétition et environ 4 pour un chasseur supersonique.

C'est là que la différence entre équilibrer et vaincre devient claire. Un planeur n'embarque aucun moteur et reste en l'air pendant des heures ; ce qu'il fait, c'est descendre très lentement par rapport à l'air environnant tout en cherchant des masses d'air ascendantes qui montent plus vite qu'il ne descend. Un hélicoptère obtient le même résultat avec une aile qui tourne au lieu d'avancer. Et une fusée, elle, affronte réellement la gravité, car hors de l'atmosphère il n'y a pas d'air à dévier : elle doit générer une poussée supérieure à son poids, payée par une consommation de propergol incomparablement plus élevée. Cette comparaison résume l'avantage de l'avion : utiliser un fluide externe lui permet de soutenir des tonnes avec une fraction de l'énergie qu'exigerait une poussée purement verticale.