Pourquoi les avions peuvent-ils voler ?

Tout vol peut s'expliquer par quatre forces. Le poids attire l'appareil vers le centre de la Terre. La portance, générée presque entièrement par les ailes, agit vers le haut. La poussée des moteurs le propulse vers l'avant. La résistance de l'air, ou traînée, s'oppose à ce mouvement. Quand la portance égale le poids et que la poussée égale la traînée, l'appareil vole en ligne droite et en palier à vitesse constante ; tout déséquilibre le fait monter, descendre, accélérer ou ralentir. L'art de la conception et du pilotage consiste à maîtriser ces forces avec précision.

L'aile est un profil courbe qui rencontre l'air avec un léger angle, l'angle d'incidence. En avançant, elle force l'écoulement d'air à se courber et à ressortir vers le bas au bord de fuite. Selon la troisième loi de Newton, si l'aile pousse l'air vers le bas, l'air pousse l'aile vers le haut. Cette déviation se traduit par une différence de pression : l'air qui s'écoule sur la surface supérieure accélère et sa pression chute, tandis que sur la surface inférieure la pression est plus élevée. L'explication populaire selon laquelle l'air du dessus « doit arriver en même temps » que l'air du dessous est incorrecte, même si la différence de pression qui en résulte est bien réelle. La portance augmente avec le carré de la vitesse, avec la densité de l'air, avec la surface de l'aile et avec l'angle d'incidence jusqu'à une limite : si cet angle est trop grand, l'écoulement se décolle, la portance s'effondre brutalement et l'appareil décroche.

Sans vitesse, pas de portance, et la résistance de l'air travaille sans cesse à la faire disparaître. La poussée des hélices ou des turbines compense cette traînée. Dans un turboréacteur à double flux, une grande soufflante accélère vers l'arrière une masse d'air énorme ; dans un moteur à pistons, l'hélice fait de même avec moins de débit d'air. Un planeur se passe de moteur et obtient sa vitesse en descendant doucement, échangeant de l'altitude contre de la vitesse, exactement comme un cycliste qui descend une pente.

Quand le nez se lève, l'angle d'incidence augmente et la portance aussi ; quand la puissance augmente, l'appareil accélère et monte. Les pilotes combinent assiette et puissance pour changer d'altitude sans perdre de vitesse. Un avion de ligne qui décolle à environ 280 km/h avec les volets sortis a besoin de cette configuration car, à basse vitesse, une aile lisse ne supporterait pas le poids ; en croisière, à 850 km/h avec l'aile rentrée, la même surface génère une portance suffisante avec un angle d'incidence de seulement quelques degrés.