| Atelier 1 — Profils, forces et écoulements
Découvre les quatre forces du vol, le vocabulaire du profil d'aile, le principe de Bernoulli et l'angle d'incidence — les bases indispensables pour tout le reste du programme BIA.
1 L'air — un fluide qui a du poids
L'air est invisible mais c'est un fluide. Il a une masse, il exerce une pression, et ses propriétés changent avec l'altitude. Pour un pilote, c'est capital : la portance dépend directement de ces propriétés.
Les 3 grandeurs à connaître
| Grandeur | Symbole | Valeur au sol (ISA) | Unité | Avec l'altitude ? |
|---|---|---|---|---|
| Pression atmosphérique | P | 1 013,25 | hPa (= mbar) | ↓ diminue |
| Masse volumique | ρ (rho) | 1,225 | kg/m³ | ↓ diminue |
| Température | T | 15 °C (288 K) | °C ou K | ↓ diminue (−6,5 °C/km) |
Astuce mémo : Au sol en atmosphère standard (ISA), retiens « 1013 – 15 – 1,225 ». Ces trois chiffres reviennent sans arrêt au BIA.
Conséquence directe : En altitude, l'air est moins dense (ρ diminue) → la portance diminue → il faut voler plus vite pour compenser. C'est pour ça que la vitesse de décollage est plus longue sur un aérodrome en montagne.
Exercice 1 — L'air en altitude
Réponds aux questions suivantes en t'aidant du tableau ci-dessus :
- À 5 500 m d'altitude, la pression vaut environ 500 hPa. En pourcentage, combien a-t-elle diminué par rapport au sol ?
- Un avion décolle à Lyon (altitude 200 m, T = 25 °C) puis un jour d'hiver (T = −5 °C). Quand l'air est-il le plus dense ? Quand le décollage est-il le plus court ?
- Un avion décolle à Pékin (altitude 50 m) puis à l'aéroport de Lhassa au Tibet (altitude 3 650 m). À quel endroit la distance de roulement au décollage sera-t-elle la plus longue ? Pourquoi ?
- Diminution = (1013 − 500) / 1013 ≈ 50,6 %. La pression a été divisée par deux !
- L'air froid est plus dense que l'air chaud (les molécules sont plus serrées). Le décollage est plus court en hiver car ρ est plus grand → portance atteinte plus tôt.
- À Lhassa (3 650 m) : l'air est beaucoup moins dense qu'au niveau de la mer → le décollage est plus long. C'est pour ça que la piste de Lhassa mesure 4 000 m (une des plus longues du monde).
À retenir : La masse volumique ρ est le paramètre clé pour un pilote. Elle diminue quand l'altitude augmente ou quand la température augmente. Moins de ρ = moins de portance = plus de vitesse nécessaire.
2 Les quatre forces — l'équilibre magique
Un avion en vol est soumis à quatre forces simultanément. Le pilote gère leur équilibre en permanence.
Les 4 forces en vol : portance, poids, traction, traînée
[AMV-102]
| Force | Origine | Direction | S'oppose à… |
|---|---|---|---|
| Poids (P) | Gravité terrestre (masse × g) | ↓ Vers le bas (centre de la Terre) | Portance |
| Portance (Rz) | Dépression sur l'extrados | ↑ Perpendiculaire au vent relatif | Poids |
| Traînée (Rx) | Résistance de l'air | ← Opposée au mouvement | Traction |
| Traction (T) | Moteur (hélice ou réacteur) | → Dans le sens du mouvement | Traînée |
Les trois situations fondamentales
| Situation | Portance vs Poids | Traction vs Traînée | Résultat |
|---|---|---|---|
| Vol en palier (rectiligne uniforme) | Rz = P | T = Rx | Altitude et vitesse constantes |
| Montée | Composante verticale > P | T > Rx | L'avion gagne de l'altitude |
| Descente / plané | Composante verticale < P | T < Rx (ou T = 0) | L'avion perd de l'altitude |
Exercice 2 — Analyse de situations de vol
Pour chacune des situations suivantes, indique quelles forces sont en équilibre et lesquelles dominent :
- Un Cessna 172 vole en croisière à 4 000 ft, cap constant, vitesse 110 kt stable.
- Un Airbus A320 est en montée initiale après le décollage, train rentré, volets rentrés.
- Un planeur thermique avec la manche un peu en avant, moteur éteint, descend à −1 m/s.
- Un avion de voltige en piqué vertical, moteur au ralenti. Quelles forces agissent et dans quelle direction ?
- Vol en palier : Rz = P et T = Rx. Toutes les forces sont en équilibre → mouvement rectiligne uniforme.
- Montée : La traction T est supérieure à la traînée Rx (excès de puissance). La composante verticale de la résultante des forces entraîne le gain d'altitude.
- Planeur en descente : T = 0 (pas de moteur). Le poids P a une composante le long de la trajectoire qui remplace la traction pour compenser la traînée. Rz équilibre la composante du poids perpendiculaire à la trajectoire.
- Piqué vertical : La portance est quasiment nulle (angle d'incidence ≈ 0). Le poids accélère l'avion vers le bas. La traînée seule freine la descente. La traction (ralenti) est faible. L'avion accélère jusqu'à atteindre la vitesse limite où P = Rx.
À retenir : En vol en palier stabilisé, Portance = Poids et Traction = Traînée. Dès qu'une force domine l'autre, la trajectoire change (montée, descente, accélération, décélération).
3 Le profil d'aile et le principe de Bernoulli
Anatomie d'un profil d'aile
Avant de comprendre comment l'aile crée de la portance, il faut maîtriser le vocabulaire du profil. C'est un classique du BIA !
Les éléments d'un profil d'aile — sais-tu tous les nommer ?
[AMV-201]
| Élément | Définition | Moyen mnémotechnique |
|---|---|---|
| Bord d'attaque | Point avant du profil, arrondi | C'est lui qui « attaque » l'air en premier |
| Bord de fuite | Point arrière, effilé | L'air le « fuit » par l'arrière |
| Extrados | Surface supérieure (dessus de l'aile) | « Extra » = au-dessus |
| Intrados | Surface inférieure (dessous de l'aile) | « Intra » = en dessous |
| Corde | Droite du bord d'attaque au bord de fuite | C'est la « ligne de mesure » du profil |
| Épaisseur | Distance max entre extrados et intrados | Le profil est plus « gros » à ≈ 25-30 % de la corde |
D'où vient la portance ? — Le principe de Bernoulli
Daniel Bernoulli (1738) a découvert une loi fondamentale des fluides :
P + ½ρV² = constante (le long d'un filet d'air)
Traduction : quand la vitesse V de l'air augmente, sa pression P diminue (et inversement). C'est l'effet Venturi.
Effet Venturi : le rétrécissement accélère l'air → la pression diminue
[AMV-204]
Application au profil d'aile
- Extrados : le chemin est plus long → l'air accélère → dépression (aspiration vers le haut)
- Intrados : le chemin est plus court → l'air ralentit → surpression (poussée vers le haut)
- Résultat : la portance est ⅔ dépression extrados + ⅓ surpression intrados
Dépression sur l'extrados (⅔ de la portance) + surpression sur l'intrados (⅓)
[AMV-208]
Exercice 3 — Bernoulli en action
- Un tuyau d'arrosage a un débit constant. Tu poses ton pouce sur l'extrémité pour rétrécir la sortie. Que se passe-t-il pour la vitesse de l'eau ? Et pour la pression dans le tuyau juste avant ton pouce ?
- Sur un profil d'aile, on mesure que l'air passe à 70 m/s sur l'extrados et 60 m/s sur l'intrados. En utilisant Bernoulli (avec ρ = 1,225 kg/m³), calcule la différence de pression ΔP entre intrados et extrados.
- Explique pourquoi un profil d'aile symétrique (même forme dessus et dessous) ne crée aucune portance quand l'angle d'incidence est nul.
- La vitesse augmente (le jet va plus loin). La pression dans le tuyau juste avant la sortie augmente aussi (c'est ce qui pousse l'eau plus vite). Attention : au point de rétrécissement, P diminue et V augmente — c'est Bernoulli !
-
ΔP = ½ρ(Vextrados² − Vintrados²)
ΔP = ½ × 1,225 × (70² − 60²) = 0,5 × 1,225 × (4900 − 3600)
ΔP = 0,5 × 1,225 × 1300 = 796 Pa ≈ 8 hPa
Cette différence de pression, appliquée sur toute la surface de l'aile, crée la portance. - Si le profil est symétrique et α = 0°, l'air parcourt exactement la même distance sur l'extrados et l'intrados → même vitesse → même pression → pas de portance. Pour créer de la portance, il faut soit un profil cambré, soit un angle d'incidence positif (ou les deux).
Simulation : Teste l'effet de l'incidence et de la cambrure sur la portance avec FoilSimElementary (NASA). Change l'angle et observe Cz qui augmente… jusqu'au décrochage !
À retenir : La portance naît de la différence de pression entre extrados (dépression) et intrados (surpression). Le principe de Bernoulli explique cette différence par la variation de vitesse de l'air.
4 L'angle d'incidence — le réglage du pilote
Au BIA, on confond souvent trois angles. Il faut absolument les distinguer :
Trois angles à ne pas confondre : assiette (θ), pente (γ), incidence (α)
[AMV-209]
| Angle | Symbole | Définition | Vu par… |
|---|---|---|---|
| Assiette | θ (thêta) | Angle entre l'axe longitudinal de l'avion et l'horizontale | Le pilote (attitude de l'avion) |
| Pente | γ (gamma) | Angle entre la trajectoire et l'horizontale | Un observateur au sol |
| Incidence | α (alpha) | Angle entre la corde du profil et le vent relatif (= trajectoire) | L'aile elle-même |
α = θ − γ (incidence = assiette − pente)
× Piège BIA fréquent : L'assiette est positive (nez en l'air) mais la pente peut être négative (l'avion descend). Résultat : l'incidence peut être grande même quand l'avion descend ! C'est le cas typique d'un avion en approche lente, nez cabré.
Effet de l'incidence sur la portance
- Quand α augmente → Cz augmente (plus de portance)
- Mais il y a une limite : au-delà de α ≈ 15–18°, l'air décolle de l'extrados → décrochage
- L'incidence de décrochage ne dépend pas de la vitesse : c'est toujours le même angle !
Au-delà de l'incidence critique (~15°), l'écoulement décolle → chute brutale de portance
[AMV-104]
Exercice 4 — Distinguer les trois angles
Pour chaque situation, calcule l'angle d'incidence α :
- Un avion en montée : assiette θ = +10°, pente γ = +5°. Quelle est l'incidence ?
- Un avion en approche : assiette θ = +3°, pente γ = −3°. Quelle est l'incidence ? Pourquoi est-ce logique ?
- Un avion en piqué : assiette θ = −15°, pente γ = −20°. Calcule α. L'avion risque-t-il le décrochage ?
- Un planeur en vol plané stabilisé a une incidence α = 4° et une pente γ = −3°. Quelle est son assiette ? Que voit le pilote par rapport à l'horizon ?
- α = θ − γ = 10 − 5 = 5°. Incidence modérée, en plein dans la plage normale.
- α = θ − γ = 3 − (−3) = 3 + 3 = 6°. C'est logique : en approche, l'avion descend (γ négatif) mais le nez est légèrement cabré (θ positif) pour maintenir une vitesse faible → incidence assez élevée.
- α = θ − γ = −15 − (−20) = −15 + 20 = 5°. Même en piqué prononcé, l'incidence peut être faible. Pas de risque de décrochage (α < 15°).
- θ = α + γ = 4 + (−3) = +1°. Le pilote voit le nez très légèrement au-dessus de l'horizon, presque horizontal. Et pourtant, le planeur descend bien !
À retenir : L'incidence α est l'angle qui « compte » pour la portance. Le décrochage survient toujours au même α (≈ 15°), quelle que soit la vitesse. Formule magique : α = θ − γ.
5 Synthèse — tout ce qu'il faut retenir
| Concept | Formule / Valeur | À retenir pour le BIA |
|---|---|---|
| Atmosphère ISA | P₀ = 1013 hPa, T₀ = 15 °C, ρ₀ = 1,225 kg/m³ | Diminuent toutes avec l'altitude |
| 4 forces du vol | Poids, Portance, Traînée, Traction | En palier : Rz = P et T = Rx |
| Bernoulli | P + ½ρV² = cte | V↑ → P↓ : la vitesse crée la dépression |
| Portance | ⅔ extrados + ⅓ intrados | L'aspiration de l'extrados domine |
| Profil d'aile | 6 termes | BA, BF, extrados, intrados, corde, épaisseur |
| Assiette | θ = angle avion / horizon | Ce que voit le pilote |
| Pente | γ = angle trajectoire / horizon | Ce que voit un observateur au sol |
| Incidence | α = θ − γ | Décrochage si α > 15° environ |
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Pour aller plus loin
△
Cours — Qu'est-ce qu'une force ? (§ 1.1)
△
Cours — Géométrie du profil (§ 2.1)
△
Cours — Principe de Bernoulli (§ 2.3)
△
Cours — L'angle d'incidence (§ 2.5)
◁
Tous les ateliers (TD)
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Simulation NASA — FoilSimElementary
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Simulation NASA — FoilInc (incidence)
Prochain atelier : En atelier 2, tu découvriras les formes aérodynamiques, le décrochage et les hypersustentateurs, les trois axes et les gouvernes, et la stabilité de l'avion. Tu sauras piloter… en théorie !