À la recherche de la déviation, suite.

À propos des vortex, ne seraient-ils pas l'exemple d'une portance ne s'accompagnant pas d'une déviation vers le bas ? non, voici pourquoi.

Ils peuvent produire une déviation de deux façons, la première, la plus simple, c'est en suivant le plan de l'aile lui même incliné, comme ceci:

La deuxième demande un peu plus d'explications.
Voici un vortex vu de face.

Il est le siège d'une forte dépression, incapable d'être sélectif, il n'aspire pas que l'aile, mais aussi l'air tout autour, comme ça:

En y rajoutant l'aile, on supprime une direction d'où l'air peut venir: le bas. Comme ça:

L'air vient désormais de partout sauf du bas. En gros ça donne ça:

Les flux A et C s'annulent l'un l'autre, le flux B unique survivant donne un mouvement de haut en bas.

Même sans tourbillons, on peut dire qu'à tout instant la dépression d'extrados aspire l'air depuis toutes les directions sauf du bas car la présence de l'aile y fait obstacle (il y a donc là un mouvement "globalement" de haut en bas); et de la même manière, on peut dire que la surpression d'intrados "repousse l'air dans toutes les directions sauf vers le haut car la présence de l'aile y fait obstacle (il y a donc là aussi un mouvement "globalement" de haut en bas).

ATTENTION, dans certains cas, la déviation du flux d'air n'est pas orientée vers le bas, mais peut y être assimilée.
Reprenons le cas classique, où le flux d'air aborde, presque horizontalement, une aile présentant un certain angle d'attaque.

J'ai représenté, ici, ce cas classique, l'aile présentant un angle d'attaque largement exagéré, mais il s'agit d'un choix délibéré afin de rendre les choses plus "visibles".

En faisant simplement pivoter le dessin, on obtient ceci:

Les deux déviations sont équivalentes, puisque c'est le même dessin que l'on a simplement fait pivoter.

Dans les deux cas, l'aile communique à l'air la même quantité de mouvement provoquant la même VALEUR de déviation de flux. La seule différence, c'est que sur le deuxième dessin, le flux d'air est, au départ, ASCENDANT.

Dans le premier cas, le flux d'air étant horizontal, les molécules d'air n'ont pas de quantité de mouvement orientée verticalement. Lorsque l'aile leur transmet une certaine quantité de mouvement dirigée de haut en bas, il est normal que cela se traduise par un mouvement de la masse d'air concernée vers le bas.

Dans le deuxième cas, les molécules du flux d'air ascendant ont déjà une certaine quantité de mouvement dirigée de bas en haut.
Si la quantité de mouvement, dirigée de haut en bas, communiquée par l'aile aux molécules d'air n'est pas supérieure à la quantité de mouvement, dirigée de bas en haut, que possèdent déjà ces molécules, le mouvement ascendant de la masse d'air sera seulement freiné, mais ni stoppé ni inversé.

Quoi qu'il en soit, la déviation est bien réelle, et la force qui produit cette déviation est bien dirigée vers le bas.

Quand rencontre-t-on une telle situation ?

Par exemple: dans le cas d'un planeur bénéficiant d'une bonne ascendance, ou d'un hélicoptère en descente verticale.

Pour ce qui est de l'hélicoptère, il peut même arriver que la vitesse de descente soit telle que le flux ascendant soit si rapide que l'angle d'attaque entre le flux montant, et les pales soit toujours trop grand (donc décrochage à la clé), même pour un pas nul.

Seule solution pour produire une portance et éviter le crash: adopter tout d'abord un pas négatif, puis réaugmenter le pas progressivement au fur et à mesure que la chute se ralentit, le flux d'air "attaquant" les pales du rotor de plus en plus horizontalement avec la diminution de la vitesse de chute. Comme ceci:

Encore une fois, les angles sont exagérés pour plus de clarté dans le dessin.
Dans les cas 1, 2, et 3, le flux ascendant est "freiné", il y a donc bien production d'une force vers le haut malgré le pas négatif.

Un autre cas très connu où le flux "attaque" le profil par le dessous, et où une portance est produite alors que le pas semble négatif: l'autogyre.

En frappant le rotor par en dessous, l'air peut le mettre en mouvement comme il le fait avec une éolienne, et bien que le calage des pales soit négatif, l'angle d'attaque réel est positif à cause de l'angle avec lequel le flux d'air arrive.

En basculant simplement le dessin, on voit que les choses se passent comme si le rotor était horizontal, et le flux ascendant.

UN PETIT RETOUR SUR LES PROBLÈMES DE TUYAUX.

Encore quelques précisions sur la valeur des déviations successives vers le haut et vers les bas.
Il n'est pas nécessaire que le flux d'air quitte le profil à une altitude plus basse pour qu'il y ait déviation vers le bas, je m'explique:
Prenons un tuyau coudé comme celui-ci:

Le coude dévie l'air vers le bas, la quantité de mouvement préalablement orientée à l'horizontale est maintenant orientée à la verticale du haut vers le bas, il y a donc portance.

Je place maintenant une succession de deux coudes le premier tournant vers le bas, le deuxième rétablissant le flux à l'horizontale, comme ceci:

Les efforts dans le premier coude (poussée vers le haut) sont totalement annulés par les efforts de même valeurs mais en sens inverse (poussée vers le bas) qui apparaissent dans le deuxième coude, et cela même si l'air ressort plus bas qu'il n'est entré, seule l'orientation du flux compte pour avoir une portance (il faut qu'elle soit vers le bas), pas l'altitude!!!!!!!.

Ou, pour le dire autrement:
La première déviation est bien vers le bas, mais la deuxième l'annule complètement en rétablissant le flux dans une direction horizontale, la quantité de mouvement orientée horizontalement à l'entrée du système l'est de nouveau à la sortie; conséquence: aucun changement, et aucune portance même si le flux est plus bas en "altitude" en sortie du système.

Enfin, je construit un système plus complexe comprenant d'abord un premier coude déviant le flux vers le haut, suivi, un peu plus tard, d'un deuxième coude rétablissant le flux dans une direction horizontale, lui-même suivi d'un troisième coude déviant le flux vers le bas, comme ceci:

Résultat: cette fois, il y a portance, car le flux est bien en définitive dévié vers le bas même si c'est à une "altitude" plus élevée, et la quantité de mouvement fini bien par être orientée vers le bas.

Si, par la suite, l'air est de nouveau dévié vers une autre direction, cela n'aura aucune importance tant que cette nouvelle déviation n'est pas le fait directe d'un composant du système.

C'est ainsi qu'il faut comprendre la portance d'un cylindre en rotation, ou d'un ballon lors d'un tir de coup franc "avec effet" (on en parle un peu plus bas).

Pour produire une portance, on peut modifier la direction d'une quantité de mouvement (déviation) pour la diriger vers le bas, ou augmenter une quantité de mouvement déjà dirigée vers le bas (accélération du flux).

De cette façon, on peut dire que tous ces cubes produisent une portance.

La sortie se fait toujours en bas, donc la quantité de mouvement est, au final, dirigée vers le bas, il y a donc portance quelque soit l'orientation du flux entrant (1, 2, et 3), et quelque soit le parcours du flux dans le système (4).

Si l'on reprend l'exemple des tuyaux coudés,

Seul le numéro un ne génère pas de portance, car le flux est dirigé en sortie de manière strictement horizontale par le tuyau lui-même. Les tuyaux 2, 3, et 4 généreront une portance même si le flux sortant se redresse ensuite pour devenir lui aussi horizontal parce que la force nécessaire à ce redressement ne sera pas fournie par le tuyau, mais, par exemple par l'effet d'amortissement sur les couches d'air plus basses.

C'est ainsi qu'un cylindre, ou un ballon en rotation génère une portance.

La rotation du cylindre entraîne l'air, au final, vers le bas dans la zone rouge (marquée 4), et le redressement du flux à lieu dans la zone jaune (marquée 5) par amortissement sur l'air d'en dessous pas par action directe du cylindre. A cet endroit, le mouvement tangentiel du cylindre est uniquement vers le bas, il ne peut donc repousser le flux pour le redresser lui-même.

Il y a une autre façon de comprendre la nécessité de transmettre une quantité de mouvement, et donc un déplacement d'air ou une modification d'un déplacement d'air prééxistant.

Si un avion gagne de l'altitude, même si il le fait en se maintenant à l'horizontal, mais en générant une portance supérieure à son poids, il est dans les conditions d'une fusée au décollage (mouvement d'ascension).

Dans ce cas, tout le monde (ou presque!!!), admet l'incontournable nécessité "d'éjecter" de la quantité de mouvement vers le bas, pour compenser le fait qu'il acquière lui même une certaine quantité de mouvement vers le haut, alors que la quantité de mouvement globale du système doit rester inchangée.

C'est pour le vol à altitude constante que certains contestent cette nécessité, arguant qu'à altitude constante, l'avion ne gagne aucune énergie potentielle supplémentaire, et n'a donc pas à fournir de travail.

C'est bien évidemment totalement faux, et pour s'en convaincre, on peut raisonner comme ceci:
pour gagner de l'altitude, l'avion doit donc transmettre une quantité de mouvement vers le bas (comme la fusée).

Si pour voler à altitude constante, il doit transmettre une quantité de mouvement nulle, alors, cela signifie que pour descendre il lui faudrait transmettre une quantité de mouvement non nulle, mais..... vers le haut, c'est à dire: générer une force vers le bas!! c'est la situation d'un ballon, pas d'un plus lourd que l'air.

Encore des doutes? alors pour vous, il y a d'autres arguments à cette page ci.