Introduction

Avions En Papier

Pourquoi les avions volent... ou ne volent pas !

Il existe de nombreuses façons pour les objets de voler. Ils peuvent être plus légers que l'air, comme un ballon de fête, et flotter au gré du vent.

Ils peuvent être emportés par le vent, comme un cerf-volant, une araignée ou une graine de pissenlit. Ils peuvent s'élever grâce à un jet d'air chaud ou de gaz, comme une fusée.

Ils peuvent battre des ailes, comme les colibris et les abeilles. Ils peuvent être propulsés ou tirés par un moteur, comme un avion de ligne.

Ou encore, ils peuvent planer en déployant leurs ailes, comme les planeurs, les aigles et les avions en papier.

Mais qu'entend-on par « voler » ?

Pour voler, un objet doit rester en l'air et ne pas tomber. Certains vous diront peut-être que le meilleur avion en papier, celui qui va le plus loin, est une boule de papier bien serrée.

Mais cela ne vole pas. La boule de papier retombe dès qu'elle quitte votre main. Pour voler, un objet doit maintenir une trajectoire régulière, sans ralentir ni piquer vers le sol.

Les avions en papier ne restent pas en l'air indéfiniment, mais ils peuvent planer sur une longue distance, en ligne droite, avant de toucher le sol.

Cette section vous expliquera comment ces ailes de papier volent réellement.

Animaux volants

Seuls quatre types d'animaux ont appris à voler véritablement :

les insectes, les oiseaux, les chauves-souris et les ptérosaures.

Les insectes sont les plus anciens animaux volants. Ils voltigent depuis au moins 300 millions d'années. Ils battent des ailes spécialisées pour se déplacer.

Les ptérosaures, les oiseaux et les chauves-souris ont transformé leurs bras et leurs mains en ailes, utilisant des replis de peau ou développant des plumes pour leur donner la forme large et imposante nécessaire à la portance.

Nous, les humains, ne pouvons pas voler car nos bras et nos mains sont plutôt faits pour tenir des outils que pour agripper l'air !

Les ptérosaures étaient comme des dinosaures volants, et ils ont aujourd'hui disparu. C'est sans doute une bonne chose, car les plus grands étaient aussi imposants qu'un avion Cessna !

Certains pensent que les ptérosaures ont survécu jusqu'à une époque relativement récente, et que c'est ainsi que les dragons légendaires ont été créés.

Qu'en pensez-vous ?

Il existe de nombreux autres animaux capables de planer ou de se propulser en parachute, comme les poissons volants et les écureuils volants, mais ils ne peuvent ni décoller du sol ni se maintenir en l'air.

Ils utilisent cependant leurs nageoires, leurs pattes, leur peau tendue ou leur corps aplati pour créer une portance suffisante afin de ralentir leur chute et de se déplacer.

Certains poissons volants planent si bien qu'ils peuvent raser les vagues sur plus de 300 mètres !

Vous savez quoi ?

Tous les insectes ailés ne peuvent pas planer. Seuls trois types d'insectes peuvent rester en l'air sans battre des ailes : les papillons, les libellules et les sauterelles.

C'est pourquoi les papillons peuvent migrer sur des milliers de kilomètres. Ils peuvent reposer leurs ailes pendant qu'ils planent.

Tous les autres insectes doivent battre des ailes frénétiquement en permanence. Ouf !

Créer de l'élévation

La portance est ce qui permet aux objets de voler.

Dans un avion, la portance est créée par le mouvement de l'aile dans l'air.

Comment ?

Découvrons-le !

UNE POUSSÉE CONSTANTE

Saviez-vous que l'air exerce une poussée constante sur nous ?

Même en l'absence de vent, l'air exerce une poussée sur nous en permanence.

Un profil d'aile idéal est une forme incurvée sur le dessus et plate sur le dessous.

Il génère de la portance lorsque l'air s'écoule dessus, car l'air y circule plus rapidement, réduisant ainsi la pression exercée sur cette surface. La pression plus importante exercée sur le dessous la soulève.

Ce type de profil cambré est appelé profil aérodynamique.

Pourquoi l'air accélère-t-il sur le dessus de l'aile ?

Et pourquoi la pression y diminue-t-elle ?

Cela s'explique par trois phénomènes particuliers :

l'effet Coanda, la condition de Kutta et le principe de Bernoulli.

Le principe de Bernoulli stipule que plus un fluide s'écoule rapidement, moins il exerce de pression.

Ainsi, si l'air sur l'extrados de l'aile se déplace plus vite, la pression exercée vers le bas diminue.

Par conséquent, la pression plus élevée sur l'intrados de l'aile la soulève.

Et la portance se crée !

L'effet Coanda explique que les fluides (comme l'air et l'eau) ont tendance à rester au contact des surfaces sur lesquelles ils s'écoulent. Cela signifie que l'air suit la courbure de l'extrados.

Et en raison de la condition de Kutta, créée par le bord de fuite aigu du profil, l'air accélère en passant sur cette courbure. Il accélère tellement qu'il atteint l'arrière de l'aile plus rapidement que l'air qui passe en dessous !

LES CERFS-VOLANTS

Voir aussi Physique du cerf-volant

Prenons l'exemple d'un cerf-volant.

C'est une aile qui reste immobile tandis que le vent souffle dessus. Le vent tend à aller en ligne droite ; ainsi, lorsqu'un cerf-volant se trouve sur son passage, il tente de le dévier, le faisant s'élever.

Cela crée également une forte résistance à l'air, qui repousse le cerf-volant vers l'arrière.

Sans ficelle pour le maintenir en place, le cerf-volant ne pourrait pas faire circuler l'air autour de lui.

C'est pourquoi les avions basés sur des cerfs-volants (et il y en avait beaucoup au début !) ont généralement échoué.

ESSAYEZ-LE

Voici deux expériences que vous pouvez réaliser.

Tout d'abord, soufflez sur une feuille de papier qui pendouille. La feuille se redressera, soutenue par la pression de l'air plus importante en dessous.

Ensuite, essayez de toucher un filet d'eau du robinet avec le dos d'une cuillère.

On pourrait s'attendre à ce que la cuillère soit repoussée, mais en réalité, elle est aspirée par le courant. Cela s'explique par le fait que la vitesse de l'eau réduit la pression sur le dos de la cuillère, et que l'air de l'autre côté la repousse.

Vous savez quoi ?

Les frères Wright sont célèbres pour avoir été les premiers à faire voler un avion motorisé.

Mais leurs débuts furent difficiles. Leurs ailes ne fonctionnaient pas !

Ils installèrent des maquettes sur leurs vélos et firent des essais, puis construisirent une petite soufflerie pour tester d'autres modèles.

Mais ils ignoraient que les petites ailes sont différentes des grandes.

Les maquettes les plus performantes étaient presque plates, mais une fois transformées en ailes grandeur nature, elles étaient trop fines et ne généraient quasiment aucune portance !

Générer de la portance semble simple, et ça l'est en principe.

Mais la portance ne s'exerce pas uniquement vers le haut. N'oubliez pas que l'air exerce une force dans toutes les directions ; la portance est donc produite partout où la pression diminue.

 Sur les ailes d'un avion, cela signifie que la portance s'exerce aussi bien vers l'avant et vers l'arrière que vers le haut.

On peut modifier l'intensité et la direction de la portance simplement en changeant l'angle de l'aile.

ANGLE D'ATTAQUE

En augmentant l'angle d'attaque (l'angle sous lequel l'aile rencontre le flux d'air), on augmente la portance.

L'air passant au-dessus de l'aile doit aller plus vite, et l'air frappant son dessous crée une pression plus importante (principe du cerf-volant).

Plus l'angle est grand, plus la portance est forte.

Mais si l'angle devient trop important, l'effet Coanda disparaît, l'air se déstabilise et devient turbulent. Dans ce cas, l'aile cesse de générer de la portance et décroche.

Autrement dit, l'avion cesse de voler.

Plus de vitesse signifie plus de portance. Mais plus de portance n'est pas forcément un avantage. La portance crée une traînée, qui freine l'aile et l'avion.

Et la traînée augmente beaucoup plus vite que la vitesse. Lorsque l'avion double sa vitesse, la traînée créée par l'aile quadruple !

Il faut donc de plus en plus de puissance pour aller plus vite, malgré la portance.

Vous savez quoi ?

On dit parfois qu'on peut ressentir la portance et la résistance de l'air en passant la main par la fenêtre d'une voiture en mouvement.

C'est vrai, mais c'est dangereux.

Essayez plutôt de rapprocher votre main du tuyau d'un aspirateur.

Vous sentez-vous aspirée ?

C'est parce que la pression de l'air est plus faible à l'intérieur de l'aspirateur, comme sur le dessus d'une aile, et que l'air plus dense à l'extérieur repousse votre main.

Tournez votre main sur le côté par rapport au flux d'air, puis remettez-la à plat.

Vous sentez la différence ?

C'est la résistance de l'air.

Rationalisation

ÉPAISSE OU MINCE ?

Trop de plis sur le devant rendent l'aile trop épaisse.

L'air ne peut pas circuler librement, ce qui provoque des turbulences à l'arrière. Une aile plus fine (ou aux plis plus marqués) est bien meilleure.

Par ailleurs, des plis épais sur le dessus de l'aile ne donnent pas non plus de bons résultats !

Il est important qu'un avion soit profilé.

Il doit être lisse et aérodynamique pour fendre l'air facilement.

Les avions à l'allure élégante volent vite car ils fendent l'air. Les ailes et les profils d'aile doivent également être profilés.

Plus une aile est profilée, plus l'air circule facilement autour d'elle. Une aile plate et non profilée est la pire. Non seulement elle bloque pratiquement l'air, mais le flux d'air derrière elle est turbulent et désordonné.

Un demi-cercle crée également des turbulences, car l'air ne peut pas s'y écouler correctement.

Une aile ronde est préférable, et une aile plate est la plus profilée de toutes.

Mais n'oubliez pas que les ailes plates ne génèrent pas beaucoup de portance. La meilleure forme d'aile est donc celle qui offre le moins de traînée pour une portance maximale.

Pour les avions en papier, cela correspond à une aile fine avec deux ou trois couches à l'avant.

Équilibre

Aussi beau soit-il, un avion ne volera pas s'il n'est pas équilibré.

 Inutile de faire des vœux pieux.

Voici pourquoi !

Imaginez un avion réduit à une simple aile.

Son centre de gravité, point d'équilibre, se situe quasiment au milieu de l'aile.

Or, selon le profil de l'aile, le centre de portance, point d'application de la portance, se trouve à un quart ou un tiers du bord d'attaque. Résultat ?

Le bord d'attaque se soulève et l'aile se met à tournoyer.

En ajoutant du poids à l'avant de l'aile, de sorte que les centres de portance et de gravité coïncident, l'aile s'équilibrera et volera droit !

FORCE STABILISANTE

Si les deux centres étaient parfaitement alignés, les rafales de vent et les variations de vitesse et d'angle d'attaque déséquilibreraient rapidement l'avion.

C'est pourquoi, sur les avions réels, le centre de gravité est généralement légèrement en avant du centre de portance.

Cela donne à l'avion une tendance à piquer ; l'empennage horizontal est donc légèrement relevé à l'arrière pour créer une force stabilisatrice qui le repousse vers le bas.

Ce triangle de forces assure la stabilité de l'avion malgré les rafales et les variations de vitesse. La plupart des avions en papier n'ont pas d'empennage séparé, mais relever le bord de fuite de l'aile produit le même effet.

Vous savez quoi ?

Certains avions ont des ailes courtes et épaisses (faible allongement), tandis que d'autres ont des ailes longues et fines (allongement élevé).

Les ailes longues et fines créent moins de traînée à surface égale, mais sont plus lourdes car elles doivent être plus résistantes.

Les ailes des avions en papier sont généralement courtes pour éviter qu'elles ne se plient lorsqu'on les lance.

Pourtant, ils volent très bien !

et stabilité

La stabilité d'un avion ne se limite pas à l'équilibre de ses ailes.

N'oubliez pas qu'une fois lâché, personne ne pilote l'avion. Pas de petit pilote, pas de télécommande.

Il doit donc être capable de corriger lui-même les tonneaux, les piqués et les virages.

La stabilité est essentielle !

Une dérive, ou stabilisateur vertical, est nécessaire pour maintenir le cap. Il ne s'agit pas forcément d'un gouvernail. Cela peut être des extrémités d'ailes relevées ou une grande section du fuselage à l'arrière.

Elle doit cependant être suffisamment grande pour agir comme une girouette et maintenir le nez de l'avion droit devant. Une dérive trop petite et l'avion partira en vrille et s'écrasera.

Le dièdre, ou courbure des ailes vers le haut, contribue à maintenir l'avion à l'horizontale.

La portance s'exerce perpendiculairement à chaque aile. Imaginez l'avion suspendu à deux cordes. Lorsque l'avion s'incline, la portance créée par l'aile à l'horizontale est supérieure à celle de l'aile inclinée.

Cela redresse l'avion jusqu'à ce que la portance soit à nouveau égale. Avec les avions en origami, il faut incliner les ailes suffisamment pour qu'il subsiste un dièdre même après avoir lâché prise et que l'avion se soit détendu ! 

Voici une expérience simple à réaliser.

Il vous faut une baguette chinoise ou une paille, une feuille de papier épais de la taille d'une carte postale, de la colle et du ruban adhésif.

Commencez par découper le papier en cinq bandes égales.

Deux de ces bandes sont enroulées et collées autour du nez de l'avion pour servir de lest.

La troisième est découpée à nouveau pour former un stabilisateur et une gouverne de direction.

Fixez-les avec du ruban adhésif. Superposez les deux dernières bandes et collez-les ensemble pour former l'aile.

Si vous fixez l'aile avec du ruban adhésif au point d'équilibre des autres éléments, l'avion devrait voler.

Que se passe-t-il si vous déplacez l'aile vers l'avant ou vers l'arrière ?

Ou si vous retirez la gouverne de direction ?

Vous comprendrez vite comment stabiliser l'avion.

Forces en équilibre