Pour un vol de vingt-sept heures, ce qui est à peu près le temps qu’il m’a fallu pour revenir de Nouvelle-Zélande. Là-haut, dans les sièges confortables de Qatar Airways, je me suis demandé comment nous avions réussi à voler si bien sans tomber à plat, comme dirait M. Rajoy, « c’est le bon sens ». Voici les réponses.
Les avions volent parce qu’il n’y a pas de force résultante. Et lorsqu’un corps n’est soumis à aucune force, il reste immobile ou à vitesse constante. Isaac Newton l’avait déjà énoncé dans sa première loi. Mais cela ne signifie pas qu’il n’y a pas de force agissant sur le plan. L’avion a un poids, les passagers et leurs bagages ont un poids, et chaque molécule d’air poussée par les moteurs ou heurtant le fuselage génère une force. En fait, les ingénieurs ont réussi à utiliser une partie de ces chocs pour contrebalancer le poids et la résistance de l’air.
Pour résumer, on peut dire que les avions volent principalement sur la base de deux théories que nous avons apprises au lycée, même si nous ne savions pas vraiment à quoi elles servaient : d’abord, l’effet Venturi, et ensuite, plus important encore, la troisième loi de Newton, également connue sous le nom de « loi d’action et de réaction ».
Commençons par les forces à direction verticale. Celle qui tire vers le bas est la force de gravité et celle qui pointe vers le haut est la poussée. Mais d’où vient cette dernière ? Bien qu’elle provienne de l’ensemble du fuselage, c’est-à-dire de tout le corps de l’avion (figure 1), la plus grande partie provient des ailes, et dans les deux cas, cela se produit grâce à l’effet Venturi (figure 2).
L’effet Venturi consiste à dire que lorsqu’un fluide augmente sa vitesse, sa pression diminue. Pour en tirer parti, les ailes des avions sont conçues de manière à ce que leur partie supérieure soit plus incurvée que la partie inférieure, ce qui signifie que la distance à parcourir par l’air est plus grande dans la zone supérieure et, par conséquent, qu’il est obligé d’augmenter sa vitesse. En raison de l’effet Venturi, la pression diminue au-dessus de l’aile (plus la vitesse est élevée, plus la pression est faible). En bref, la partie inférieure de l’aile a une pression plus élevée que la partie supérieure, ce qui exerce une poussée vers le haut qui aide l’avion à rester en l’air.
Cependant, la force exercée par l’effet Venturi ne suffit pas à elle seule à maintenir l’avion en l’air, et c’est là qu’intervient la troisième loi de Newton, qui stipule que, compte tenu d’une force ou d’une action produite sur un objet, celle-ci génère à son tour une réaction d’intensité égale, mais dans la direction opposée (essayez de donner un coup de tête à un mur et vous saurez de quoi nous parlons).
Et comment cette théorie est utilisée dans les avions ? Eh bien, encore une fois, grâce à la forme et à la position des ailes, qui sont conçues de telle sorte que l’air qui les traverse est propulsé vers le bas, générant ainsi une force d’action vers le bas sur l’air, qui, en raison de la loi de Newton mentionnée ci-dessus, entraîne une force de réaction vers le haut sur l’aile. Bien sûr, plus on va vite, plus la force est importante, c’est pourquoi les avions doivent atteindre une très grande vitesse d’abord pour décoller et ensuite pour rester en l’air.
Une façon simple de vérifier ce que je dis est de passer votre main par la fenêtre de la voiture. Si, au lieu de mettre votre main de profil, vous l’inclinez légèrement pour faire face au vent, vous déplacerez l’air vers le bas et vous ressentirez une force ascendante qui tend à soulever non seulement votre main, mais tout votre bras.
La troisième loi de Newton est également aidée par ce qu’on appelle l’effet Coanda, un phénomène physique par lequel un fluide tend à adhérer à un objet avec lequel il est en contact et à suivre sa trajectoire. Dans le cas des avions, l’air (fluide) a tendance à se coller à l’aile de l’avion (l’objet qu’il frappe) et à suivre sa trajectoire (c’est-à-dire à suivre une direction vers le bas). Vous pouvez voir un exemple pratique dans la cuillère de la photo ou, mieux encore, dans cette vidéo.
Et comment est-elle générée par le corps de l’avion ? Elle y parvient parce que les molécules d’air la poussent vers le haut. Grâce à sa forme, en mouvement, il y a plus de molécules qui se heurtent en bas qu’en haut, (de la même manière que lorsque vous courez sous la pluie, il y a moins de gouttes qui frappent votre dos) et celles qui se heurtent en haut se heurtent avec beaucoup moins de vitesse que celles qui se heurtent en bas, ce qui génère une différence de pression qui est ce qui soulève l’avion (figure 1).
Maintenant, sur l’axe horizontal, nous avons une force qui pousse l’avion vers l’arrière. Cette force correspond aux molécules d’air qui entrent en collision avec l’avion. Pour contrer cette force, les moteurs propulsent les molécules d’air vers l’arrière, en faisant tourner rapidement leurs pales. Grands et peu nombreux dans les avions à hélice, et nombreux et petits dans les avions à turbine.
Bien, nous savons plus ou moins pourquoi un avion vole, mais pourquoi vole-t-il si haut ? La plupart des avions commerciaux volent à une altitude de près de 35 000 pieds, soit environ 10,6 kilomètres. Pourquoi ne pas voler à quelques kilomètres au-dessus du sol, ce qui est plus que suffisant pour que l’avion n’ait aucun problème avec des structures telles que des tours ou des gratte-ciel ? Si vous essayez d’éviter les montagnes, même si toutes les montagnes du monde étaient aussi hautes que l’Everest (8,8 kilomètres), pourquoi prendre près de 2 000 mètres de marge de sécurité supplémentaire ?
Bien, tout d’abord, l’altitude à laquelle la plupart des avions volent n’est pas un choix arbitraire. Il y a de très bonnes raisons à cela. Voici les principales.
L’une des principales raisons pour lesquelles les avions commerciaux volent si haut est la résistance de l’air. Plus on s’élève au-dessus du sol, plus l’atmosphère se raréfie, et donc moins il y a de résistance au vol de l’avion. Les avions volent à cette altitude depuis que les moteurs à réaction ont été inventés (les avions n’utilisent plus les moteurs à réaction d’origine, mais des turbofans). Ces moteurs, qui s’apparentent davantage à des systèmes à réaction de fusée, ont une impulsion spécifique plus élevée car il y a moins d’air. Ils ont tout de même besoin d’oxygène atmosphérique pour entretenir la combustion.
Dans tous les cas, plus l’avion doit dégager de molécules d’air sur sa trajectoire, plus il a besoin d’énergie, plus il consomme de carburant, et plus les coûts d’exploitation seront élevés en conséquence. En raison de la faible traînée à haute altitude, les avions commerciaux volent avec une consommation minimale de carburant. C’est pourquoi 35 000 pieds est connu comme « l’altitude de croisière », où un équilibre entre les coûts d’exploitation et l’efficacité du carburant est atteint.
Une autre raison importante est que, à l’altitude de croisière, l’atmosphère est plus stable et ils n’ont généralement pas à se soucier des nuages et d’autres phénomènes météorologiques tels que les orages. Les avions peuvent naviguer à travers les nuages et les orages sans problème majeur, mais lorsqu’ils le font, les turbulences sont inévitables, ce qui, en plus d’être inconfortable pour les passagers, pourrait provoquer la panique dans le cockpit.
Le franchissement d’obstacles est une troisième raison évidente. Si vous pilotez un avion sur la console ou l’ordinateur, vous pouvez voler à basse altitude, faire des sauts périlleux, passer entre des bâtiments, traverser des gorges, etc. Mais ce n’est pas la réalité. Si cela est trop dangereux même pour un petit avion de chasse ou de démonstration, pour un gros avion commercial, c’est pratiquement impossible. Avec un petit véhicule, même moi je pouvais faire des manœuvres impossibles pour un bus de ville.
Plus, comme tout le monde le sait, le terrain n’est pas la paume de votre main, mais au-dessus du niveau de la mer il y a une multitude de reliefs, donc l’avion monte à une altitude suffisamment élevée pour rester à l’écart de toutes sortes de reliefs. Et si les reliefs doivent être évités, le fait de voler à 35 000 pieds garantit également que l’avion se trouve bien au-dessus du vol de la plupart des oiseaux. C’est crucial, car les impacts d’oiseaux peuvent être bien plus qu’une simple mésaventure ou un simple désagrément.
Il y a eu de nombreux cas d’impacts d’oiseaux, mais celui qui a suscité le plus d’attention est celui du vol 1549 de US Airways. Le 15 janvier 2009, un avion (Airbus 320) a fait un atterrissage miraculeux sans moteur dans le fleuve Hudson après avoir été frappé par une volée d’oiseaux peu après son décollage de l’aéroport LaGuardia à New York. Incroyablement, il n’y a pas eu une seule victime. C’est pourquoi l’atterrissage cahoteux et heureux – dont le film Sully, réalisé par Clint Eastwood et mettant en vedette Tom Hanks, a été tiré – est connu sous le nom de « miracle sur l’Hudson ».
Supposons que vous pilotez un avion de ligne à seulement un kilomètre du sol et que quelque chose ne va pas. L’avion commence à piquer du nez. Vous savez que vous pouvez résoudre le problème qui fait que l’avion descend rapidement, mais il tombe trop vite et vous n’avez tout simplement pas assez de temps pour résoudre le problème. À ce moment-là, on se dit : « Si seulement j’avais plus de temps… ». C’est une autre raison pour laquelle les avions commerciaux volent à une altitude d’environ 11 km, une altitude qui agit comme un « coussin de sécurité » et donne aux pilotes le temps de réparer si quelque chose ne va pas.