Pourquoi les avions décollent-ils face au vent ?
― Un vent de face un peu plus fort, et la piste est deux fois plus courte
On croirait qu'un vent dans le dos aiderait à aller plus vite. Pourtant, les pilotes décollent face au vent et atterrissent face au vent. Pour l'aile, ce qui compte n'est pas la vitesse sur le sol, mais la vitesse par rapport à l'air qui l'entoure. Et cette différence pèse bien plus lourd qu'on ne l'imagine.
Vous êtes sur la terrasse d'observation d'un aéroport et vous regardez les avions décoller. À midi, l'avion roulait de la droite vers la gauche avant de s'envoler.
Mais en revenant le soir, le même avion roule sur la même piste, cette fois de la gauche vers la droite. Au bord de la piste, la manche à air rouge et blanche flotte dans le sens opposé à tout à l'heure.
À chaque changement de vent, l'aéroport inverse complètement le sens de roulage. Pourquoi tant d'efforts pour aller face au vent ?
Seulement deux raisons
La force qui soulève l'aile dépend de la vitesse de l'air qui s'écoule au-dessus d'elle. Avec un vent de face, l'air arrive déjà même à l'arrêt : l'avion a donc moins de vitesse à gagner sur le sol.
Pour accélérer depuis l'arrêt, la distance nécessaire est proportionnelle à « vitesse visée × vitesse visée ». Si la cible baisse un peu, la distance fond. Avec un vent arrière, c'est l'inverse : elle s'allonge beaucoup.
Ce savoir, que les pilotes acquièrent par l'expérience, s'explique très bien en chiffres si l'on combine ces deux raisons. Voyons cela pas à pas.
L'aile regarde l'air, pas le sol
Une aile ne produit une force vers le haut que lorsqu'elle reçoit un écoulement d'air. Cette force s'appelle la « portance ». Pour l'aile, la vitesse à laquelle l'avion roule sur le sol n'a aucune importance. Ce qui compte, c'est la vitesse de l'air autour de l'aile.
Regardez la figure 1. Un petit avion a besoin d'environ 100 km/h par rapport à l'air pour décoller. Sans vent, il doit donc rouler à 100 km/h sur le sol.
Mais s'il y a un vent de face de 30 km/h, tout change. Même à l'arrêt, l'aile reçoit déjà de l'air à 30 km/h. Il suffit alors de rouler à 70 km/h sur le sol pour que l'aile sente 100 km/h.
Un peu moins de vitesse, beaucoup moins de distance
La deuxième raison change tout : elle fait de cette astuce bien plus qu'une petite économie. Quand on accélère depuis l'arrêt avec la même poussée, la distance nécessaire est proportionnelle au « carré de la vitesse visée ». Une vitesse deux fois plus grande demande une distance quatre fois plus longue.
Faites varier la force du vent avec le curseur de la figure 2. Un avion qui a besoin d'environ 260 m de roulage sans vent n'en demande plus qu'environ 130 m, soit à peu près la moitié, avec un vent de face de 8 m/s (environ 29 km/h). À l'inverse, avec un vent arrière de 5 m/s, la distance monte à environ 360 m.
Les manuels de pilotage donnent depuis longtemps une règle empirique : « Avec un vent de face égal à 10 % de la vitesse de décollage, la distance de roulage diminue d'environ 19 %. Avec un vent arrière de même force, elle augmente d'environ 21 %. » Cela correspond exactement au fait que 0,9 au carré donne 0,81 et que 1,1 au carré donne 1,21.
Aux extrémités des pistes, on lit de grands nombres comme « 34 » ou « 16 ». Ils indiquent le cap suivi quand on roule dans ce sens, par tranches de 10 degrés. 34 signifie 340 degrés, soit presque plein nord. Les deux extrémités d'une même piste ont toujours des numéros qui diffèrent de 18. L'aéroport choisit l'extrémité à utiliser selon le vent.
Quand un cygne ou un canard s'envole de la surface de l'eau, il tourne le plus souvent la tête vers le vent et court sur l'eau. Plus l'oiseau est gros et lourd, plus cet élan est long. Face au vent, il suffit d'un élan plus court pour que l'aile reçoive assez d'air. Bien avant que les humains ne construisent des avions, les oiseaux utilisaient déjà cette astuce.
À l'atterrissage aussi, on va face au vent
Pour atterrir, le principe est le même. La vitesse minimale à laquelle l'aile reste portante est fixée par rapport à l'air. Dans un vent de face, la vitesse au moment du contact avec le sol est donc plus faible. La distance de freinage diminue elle aussi avec le carré de la vitesse.
En revanche, un vent de travers tend à pousser l'avion hors de la piste. C'est pourquoi les pistes sont souvent construites dans l'alignement du vent dominant du lieu. Si un porte-avions fonce à toute vitesse vers le vent à chaque décollage et chaque appontage, c'est pour créer lui-même un vent de face sur son pont, une piste très courte.
En résumé
Pour l'aile, la vitesse est celle par rapport à l'air, pas par rapport au sol. Un vent de face apporte dès le départ une partie de cette vitesse. Et comme la distance de roulage dépend du carré de la vitesse, un petit vent de face fait une grande différence.
L'avion ne regarde pas le sol, il regarde l'air.
Le vent de face n'est donc pas un ennemi, mais un allié.
Pour savoir pourquoi l'aile porte, lisez « Pourquoi les avions volent-ils ? ». Pour comprendre pourquoi la force du vent croît avec le carré de la vitesse, voyez l'article « La force du vent ». Pour un exemple d'oiseaux qui exploitent l'écoulement de l'air, lisez « Pourquoi les oiseaux migrateurs volent-ils en V ? ».
- Par un jour de petit vent, lancez dans un espace dégagé le même avion en papier, avec la même force.
- Comparez le vol quand vous lancez face au vent et quand vous lancez dos au vent. Face au vent, l'avion a plus tendance à s'élever doucement juste après avoir quitté la main.
- Si vous allez à la terrasse d'un aéroport, comparez le sens de la manche à air et le sens de roulage des avions. Les avions roulent normalement dans le sens opposé à celui où pointe la manche à air.
La manche à air flotte du côté sous le vent. Son pied est donc du côté d'où vient le vent, et c'est vers là que l'avion roule. Lancez toujours dans une direction où il n'y a personne.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau des cours de sciences du collège
- LycéeNiveau du cours de « physique » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu présenté en encadré dans les manuels
- Univ.Matières spécialisées de l'université, non vues au lycée (mécanique des fluides, aéronautique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Vitesse air : vitesse de l'avion par rapport à l'air qui l'entoure. La force de l'aile en dépend.
- Vitesse sol : vitesse par rapport au sol. Elle détermine la distance de roulage et le temps pour arriver à destination.
- Portance : force vers le haut que l'aile reçoit de l'écoulement d'air.
CollègeLycéeVérifier par une formule : de combien le vent de face raccourcit-il le roulage ?
Supposons une accélération constante et calculons la distance de roulage sans vent, avec vent de face et avec vent arrière. Les valeurs sont des ordres de grandeur pour un petit avion.
| En symboles | s ＝ ( V − w )² ÷ ( 2 × a ) |
| En mots | distance de roulage ＝ (vitesse air nécessaire pour décoller − vitesse du vent de face)² ÷ (2 × accélération) |
| D'où vient-elle ? | De la relation « vitesse² = 2 × accélération × distance » pour un mouvement uniformément accéléré depuis l'arrêt. La vitesse visée étant exprimée par rapport au sol, on retranche la vitesse du vent de face. |
| Symbole | Signification et unité |
| s | distance parcourue au sol (m) |
| V | vitesse par rapport à l'air nécessaire pour décoller (m/s) |
| w | vitesse du vent de face (m/s ; négative pour un vent arrière) |
| a | accélération (m/s²) |
| Vitesse nécessaire pour décoller V | 28 m/s (environ 100 km/h) |
| Accélération a | on prend 1,5 m/s² |
| Vent de face w | 8 m/s (environ 29 km/h) |
| Dénominateur (2 × a) | 2 × 1,5 ＝ 3 |
| Sans vent : carré de la vitesse | 28 × 28 ＝ 784 |
| Distance de roulage sans vent (m) | 784 ÷ 3 ≒ 261 |
| Vent de face : vitesse sol requise | 28 − 8 ＝ 20 |
| Son carré | 20 × 20 ＝ 400 |
| Distance de roulage avec vent de face (m) | 400 ÷ 3 ≒ 133 |
| Rapport au cas sans vent | 133 ÷ 261 ≒ 0,51 |
| Vent arrière de 5 m/s : vitesse sol requise | 28 + 5 ＝ 33 |
| Son carré | 33 × 33 ＝ 1089 |
| Distance de roulage avec vent arrière (m) | 1089 ÷ 3 ＝ 363 |
Le vent ne représente même pas 30 % de la vitesse de décollage, et pourtant la distance de roulage est presque divisée par deux. Avec un vent arrière de seulement 5 m/s, elle augmente d'environ 40 %. Une « différence » de vitesse devient une différence « au carré » en distance. C'est pour cela que les pilotes tiennent tant à la direction du vent.
LycéeLycée+Vitesse relative, et accélération non constante
LycéeLa relation « vitesse par rapport à l'air = vitesse par rapport au sol + vitesse du vent de face » est exactement la « vitesse relative » de la physique du lycée. La vitesse change selon le point de vue ; pour l'aile, seule compte la vitesse vue depuis l'air.
Lycée+Pendant un vrai roulage, la résistance de l'air augmente avec la vitesse, donc l'accélération diminue peu à peu. Le calcul ci-dessus n'est donc qu'un ordre de grandeur. Malgré cela, la règle des manuels de pilotage (« un vent de face de 10 % raccourcit d'environ 19 % ») s'accorde bien avec cette formule simple.
Univ.Formule de portance et calcul des performances au décollage
La portance d'une aile s'exprime par la « formule de portance » : portance = 1/2 × masse volumique de l'air × vitesse air² × surface de l'aile × coefficient de portance. La vitesse de décollage (la vitesse de décrochage plus une marge) se déduit de la condition où la portance équilibre le poids. Les jours chauds ou sur les aéroports en altitude, l'air est moins dense, et la même portance exige une vitesse air plus grande. En aéronautique, on intègre cela dans les tableaux de performances au décollage sous le nom d'« altitude-densité », et l'on calcule la distance de roulage avec une équation du mouvement qui inclut la poussée, la traînée et la résistance au roulement des roues.
📖 Démonstrations et suite : Portance (Wikipédia en japonais) ／ Vitesse air (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Les turbulences du vent au ras du sol À la hauteur des décollages et atterrissages, la vitesse et la direction du vent peuvent changer brusquement sur une courte distance : ce sont les « turbulences de basse couche ». Les observer et les prévoir avec précision à l'avance reste un domaine en cours d'amélioration.
- Comment les grands oiseaux lisent-ils le vent pour s'envoler ? Des recherches récentes équipent des oiseaux marins de petits enregistreurs pour relier les conditions de vent et de vagues à l'élan et aux battements d'ailes avant l'envol. Jusqu'où les oiseaux « choisissent » le vent reste à étudier.
- Le comportement de l'aile dans une rafale Quand la force du vent change en un instant, l'écoulement autour de l'aile n'arrive pas à suivre, et pendant un court moment la portance ne suit plus la formule des manuels. Les détails sont étudiés à la fois par l'expérience et par le calcul.
Le contenu de cet article est donc lui aussi une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Pour le vent près du sol en particulier, on s'appuie à la fois sur l'expérience des pilotes et sur les observations.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « Régularités du mouvement » | Relation entre vitesse et distance |
| Lycée | Physique « Mouvement rectiligne uniformément accéléré », « Vitesse relative » | Vérifier par une formule, figure 1 |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) Résistance de l'air | Accélération non constante |
| Univ. | Mécanique des fluides, aéronautique | Formule de portance, altitude-densité, performances au décollage |
| Recherche | Météorologie, étude du vol des êtres vivants | Turbulences près du sol, décollage des oiseaux |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Manche à air d'aéroport, numéros de piste, avion en papier |
- Federal Aviation Administration (FAA, États-Unis) Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (manuel des connaissances de base du pilotage, chapitre sur les performances au décollage)
- 揚力 (Portance) - Wikipédia en japonais
- 対気速度 (Vitesse air) - Wikipédia en japonais
- 滑走路 (Piste) - Wikipédia en japonais
- J. D. Anderson, Introduction to Flight, McGraw-Hill
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme ; les décisions réelles de décollage et d'atterrissage suivent les tableaux de performances de chaque appareil et les instructions des autorités aéronautiques et du contrôle aérien.