Comme vous pouvez le voir sur ce dessin, l'écoulement quitte l'aile dans le prolongement du bord de fuite, ce qui signifie qu'en l'absence de dispositifs hypersustentateurs (dont nous parlerons plus tard), l'écoulement en aval de l'aile suit donc une trajectoire plus ou moins parallèle au plan de l'aile.

En volant, un avion dévie donc l'air vers le bas suivant un angle proche de l'angle d'attaque de ses ailes, ce qui signifie un angle assez faible, presque exactement parallèle à l'axe de l'avion.

Il se redresse ensuite par amortissement sur les couches d'air inférieures, mais cela ne change rien au fait que le flux quitte l'aile selon une trajectoire descendante et seulement descendante, le redressement n'est pas du à l'aile et n'agit donc pas sur elle.

Cette explication de la portance par déviation d'air vers le bas est parfois mal comprise, et, à cause de cela mal acceptée, ce qui est bien dommage, parce que l'existence de cette déviation est une obligation absolue si l'on veux respecter les principes physiques fondamentaux (en particulier la conservation de la quantité de mouvement).

Je vais donc citer et répondre aux objections les plus fréquentes à cette vision de la portance, ce qui permettra du même coup de bien mieux comprendre comment les choses se passent.

Objection1: Sur les simulations d'écoulement (cfr: ci-dessous), on remarque une déviation vers le haut en avant du profil qui semble bien être équivalente à la déviation vers le bas à l'arrière du profil, il ne s'est donc globalement rien passé.

Réponse:

-Premièrement, il faut savoir qu'une déviation vers le haut suivie d'une déviation vers le bas correspond de fait à une déviation vers le bas, et rien que vers le bas; pour le comprendre, on peut faire une comparaison avec ce qu'il se passe dans une tuyauterie coudée comme celle qui est dessinée ci-dessous.

L'air entre dans la tuyauterie horizontalement, et est dévié vers le haut par le coude 1, ensuite il est de nouveau dévié par le coude 2 de manière à retrouver une direction d'écoulement horizontale, enfin un troisième et dernier coude (le n°3) dévie le flux vers le bas.

Les déviations dans les coudes 1 et 2 étant d'égale importance (90°), les efforts induits sont équivalents, mais, étant de sens opposés, ils s'annulent mutuellement, il n'y a par contre rien pour annuler la force vers le haut générée par le troisième coude.

Remarquez que seul compte l'orientation vers le bas du flux en fin de parcours, et pas son "altitude"; pour le montrer, j'ai délibérément choisi que la sortie du dernier coude soit plus haute que l'entrée du premier, il n'y a donc pas lieu de comparer les dénivellations des déviations, seul compte l'orientation de la dernière.

En modifiant la tuyauterie coudée comme dans le dessin ci dessous, on constate immédiatement qu'il y a bien équivalence avec le parcours de l'air sur l'extrados d'une aile.

Le parcours correspond bien à une déviation vers le bas amorcée dès la partie avant.

Pour annuler cette force dans le troisième coude il aurait fallu en rajouter un quatrième comme sur le dessin ci dessous:

Les efforts dans le quatrième coude annulent ceux du troisième, mais en l'absence de ce quatrième coude, le bilan total est bien une déviation vers le bas, et rien que vers le bas, produisant une force vers le haut.

ATTENTION, le redressement de l'écoulement en aval d'un profil d'aile

ne correspond EN AUCUNE MANIÈRE à un quatrième coude comme nous le verrons un peu plus loin.

-Deuxièmement: parler de déviation vers le haut en avant du profil est abusif et trompeur, car contrairement au tuyau qui dévie activement le flux vers le haut, et reçoit donc une force de réaction vers le bas, le mouvement vers le haut de l'air en avant d'un profil d'aile n'est pas du à une action directe de celle-ci, explication:

Sur le dessin ci-dessous, on a représenté un écoulement autour d'un profil d'aile, et quatre zones colorées.

En simplifiant à l'extrême, on peut dire que:

La zone colorée en rouge est celle où le flux monte à l'approche du profil.

la zone colorée en bleu est la zone de dépression d'extrados.

La zone colorée en mauve est la zone de surpression d'intrados.

La zone colorée en vert est celle où le flux descend en quittant le profil.

Si les molécules d'air arrivant dans la zone rouge ont tendance à remonter vers la zone bleue, c'est tout simplement parce que la pression y est bien plus basse que dans la zone mauve, en d'autres termes, c'est la surpression dans la zone mauve qui les pousse vers le haut, pas l'aile.

Prétendre que le mouvement ascendant de l'air en amont de l'aile (upwash) compense le mouvement descendant en aval (downwash) est donc une ânerie pure et simple qui ne peut servir comme argument contre la réalité de la déviation (plus de précisions ici).

Objection 2: S'il y a bien de l'air dirigé vers le bas, il y en a aussi qui remonte, tant au niveau des extrémités des ailes,

qu'en aval

où on voit clairement le flux se redresser pour reprendre son orientation première.

Réponse:

Dans chaque cas, l'aile dévie le flux vers le bas, et rien que vers le bas, et en réaction à la perturbation ainsi produite, le milieu ambiant (l'air) réagit pour retrouver l'équilibre.

En d'autres termes la descente d'air entraîne une hausse de pression dans les couches inférieures, il est donc normal que cela entraîne une "réaction élastique".

Le phénomène peut se rapprocher de la réaction d'un tremplin après la déformation due à l'implulsion d'un athlète, ou au renvoi vers le haut des gaz d'éjection d'une fusée décollant d'une cuvette.

Il ne viendrait à l'idée de personne de laisser sous entendre que cette image est la preuve qu'une fusée n'a pas besoin d'envoyer ses gaz vers le bas pour s'élever.....

Les remontées d'air en bout d'aile et le redressement en aval ne sont donc pas dus à l'aile elle même ni à un élément lié à l'aile, ils sont dus à une cause extérieure, et ne peuvent pas non plus être utilisés comme argument contre la réalité de la déviation.

La portance peut donc s'expliquer par la déviation d'air vers le bas, mais il reste encore quelques points à éclaircir.

Si l'on prend le cas d'une fusée, on comprend d'autant plus facilement qu'elle puisse produire une poussée en éjectant des gaz qu'il y a concordance entre l'endroit où s'éxerce la poussée et celui d'où sont éjectés ces gaz.

Par contre, pour une aile, la descente d'air plutôt dans la partie arrière alors que c'est plutôt dans la partie avant que la portance est maximale.

C'est que lorsque l'on parle de déviation vers le bas, il faut prendre cela dans un sens très large.

Exemple:

Comme on peut le voir sur le dessin ci dessous, même si l'écoulement ne descend que dans la partie jaune, il s'incurve et change déjà de direction dans la zone verte (c'est même là que le changement de direction est le plus important).

La déviation vers le bas commence donc de fait déjà dans la zone verte, et il apparaît que cette déviation peut être décrite comme incurvation de l'écoulement qui tourne alors autour de l'aile comme sur ce dessin:

En fait, cette rotation de l'air autour de l'aile est initiée par le tourbillon libre qui se forme au bord de fuite et dont on a déjà parlé précédemment.

Avant de se détacher et d'être emporté par l'écoulement, ce tourbillon libre induit un autre tourbillon, plus large puisque contournant toute l'aile, et tournant en sens inverse qui correspond de fait à la rotation de l'air autour de l'aile (la circulation).

On peut obtenir la même circulation d'air autour d'un cylindre en rotation dans un écoulement et donc une portance.

On peut donc décrire la portance comme le résultat de la circulation (rotation) de l'air autour de l'objet (aile ou cylindre), pour peu que la courbure des lignes de courant soit telle que l'ouverture de la courbe soit orientée vers le bas, et c'est en cela qu'il y a équivalence avec une déviation vers le bas.

D'un point de vue physique, la portance peut aussi être décrite comme conséquence de la variation de la composante verticale de la quantité de mouvement de la masse d'air "dérangée".

Tout le monde (ou presque) connait la célèbre équation de Newton: F = m*a.

Cette équation peut aussi s'écrire: F = d(m*v) / dt.

La force (F) apparait alors comme la variation de la quantité de mouvement (m*v) par unité de temps.

Remarque: si m est une constante, on peut l'écrire alors sous la forme: F = m*dv/dt, et puisque dv/dt représente l'accélération (dv/dt = a), on retrouve F = m*a.

La force est donc égale à la variation de la quantité de mouvement par unité de temps.

Appliqué à la portance, cela signifie que la force de portance est égale à la variation DE LA COMPOSANTE VERTICALE de la quantité de mouvement de l'écoulement d'air.

Pourquoi de la composante verticale? parce qu'il est bien évident que l'orientation de la force détermine l'orientation de la quantité de mouvement "associée" (la quantité de mouvement et la force sont des grandeurs vectorielles, leur orientation et leur sens comptent donc), en d'autres termes pour obtenir une force verticale (par ex.) il faut une variation de quantité de mouvement elle aussi verticale.

Où trouve-t'on cette variation de la quantité de mouvement dans un plan vertical autour d'une aile?

La rotation de l'air autour du profil fait que le mouvement ascentionnel de l'air devant l'aile (upwash) s'oriente d'abord à horizontale, puis vers le bas.

Sur la partie avant de l'aile, l'air passe d'un mouvement ascensionnel (upwash) à un mouvement horizontal (par rotation), ceci correspond de fait à un ralentissement puis une annulation de ce mouvement ascensionnel.

Pour ralentir un mouvement ascensionnel (donc vers le haut), il faut une force (donc une variation de quantité de mouvement par unité de temps) vers le bas (ceci peut être ASSIMILÉ, à une déviation vers le bas au sens large).

Sur la partie arrière de l'aile, l'air passe d'un mouvement horizontal à un mouvement descendant (toujours par rotation), la déviation vers le bas est ici évidente de même que la modification de la quantité de mouvement (dans le plan vertical).

La variation de la composante verticale de la quantité de mouvement de l'écoulement d'air tient donc dans la transformation du mouvement ascendant en amont du profil (upwash) en un mouvement descendant en aval (downwash).

On peut dire ainsi qu'une déviation vers le bas ne doit pas forcément seulement correspondre à un mouvement vers le bas, elle peut aussi correspondre au ralentissement d'un mouvement ascendant.

C'est bien ce qu'il se passe dans le mouvement de rotation de l'air autour de l'aile: ralentissement du mouvement ascendant sur la partie avant de l'aile (pour l'orienter à l'horizontale), et mouvement réellement descendant sur la partie arrière.

Enfin, et pour en terminer avec la portance et la déviation de l'air, voici l'ultime description du phénomène, la plus fidèle, la plus "vraie".

On l'a dit plus haut, l'air tourne autour de l'aile ou du cylindre comme sur les dessins ci dessous:

La rotation de l'air autour de l'aile peut être décrit comme un tourbillon qui vient s'ajouter à l'écoulement horizontal d'origine.

En additionnant les deux, on obtient.

Un écoulement circulaire faisant le tour du profil sur l'extrados, et un écoulement presque horizontal mais ralenti sous l'intrados.

Pour que l'écoulement soit circulaire sur l'extrados, il faut qu'il soit soumis à une force centripète globalement dirigée vers le bas, ce qui correspond bien à l'idée d'une déviation vers le bas.

Une version "corrigée" pour tenir compte de la variation du rayon de courbure de la trajectoire de l'écoulement, et donc de la valeur "locale" de la force.

En aval, l'écoulement se redresse (à droite de la ligne verte), non pas à cause de l'aile, mais pour une raison extérieure, à savoir: la réaction des couches d'air inférieures en surpression relative.

Cette surpression transmettra jusqu'au sol la quantité de mouvement correspondant à la portance, c'est une obligation liée à la conservation de cette même quantité de mouvement.