Lorsqu’un avion vole, plusieurs forces entrent en jeu. Certaines sont contraignantes et d’autres au contraire lui sont favorables. Dans cet article, nous allons expliquer quelles sont ces forces et pourquoi il nous est nécessaire de les connaitre et de les prendre en compte pour optimiser le vol de nos avions en papier.
1.Les forces contraignantes…
Les forces contraignantes, comme leur nom l’indique, vont être des obstacles à la progression de l’avion dans l’air. Pour se maintenir en vol et aller le plus loin possible l’avion devra lutter contre ces forces: pour minimiser leur impact nous devrons prendre en compte la forme de notre avion, en matière d’aérodynamique notamment, et l’optimisation des forces favorables qui vont s’opposer à l’action des forces contraignantes et dont on parlera un peu plus tard.
A. Le poids.
Le poids (P) est une force d’origine gravitationnelle qui est définie comme la force qu’exerce l’attraction terrestre sur chaque corps.
Pour que l’avion se maintienne à une altitude constante on doit avoir le poids= -(la portance), de sorte que ces deux forces s’annulent.
Formule: P= masse de l’avion x accélération terrestre (aussi appelée accélération de pesanteur) = m*g en Newton.
L’accélération terrestre est une constante environ égale à 9,81m/s2 (ou 9,81N/kg)
L’unité m/s2 est propre à l’accélération: en effet l’accélération est « la variation par seconde des mètres par seconde » autrement dit le changement de vitesse en fonction du temps; ce qui donne des m/s/s ou encore comme ici une forme d’écriture équivalente mais peut être plus claire: m/s2.
B. La traînée.
La traînée est l’une des forces dues aux effets de l’air. C’est une force créée par les turbulences apparues lors du freinage de l’avion par l’air.
On peut calculer la traînée: Rx= 1/2. p. S. Cx. V2
Avec :
. p: la masse volumique du fluide (de l’air dans notre cas)
. S: la surface de référence (m2)
. Cx: le coefficient de traînée
. V: la vitesse de l’avion par rapport à l’air.
La force de traînée peut devenir une force positive si les ailes de l’avion en papier ont une forme aérodynamique spécifique: la forme Kline-Fogleman. Cette forme consiste à créer une trappe dans l’aile de l’avion qui va aspirer une partie de la traînée et venir l’ajouter à la poussée et à la portance. Cette forme va aussi augmenter la stabilité de l’avion.
2. Les forces favorables…
Attardons-nous maintenant sur l’action des forces favorables… Ces forces vont permettre à l’avion de se maintenir dans l’air et de s’y déplacer. Elles vont faire opposition à l’action des forces contraignantes et selon leur proportion permettre, ou pas, le vol de l’avion.
A. La poussée.
La poussée est une force due à la propulsion, dans le cas d’un avion en papier cette force est donnée par l’impulsion lorsqu’on lance l’avion. Contrairement aux avions à hélices, à réaction etc… cette force s’exerce une fois au lancé mais n’est pas du tout renouvelée lors du vol; c’est pour cela qu’un avion en papier ne peut pas voler indéfiniment naturellement.
La poussée au niveau des avions en papier n’a pas de formule spécifique, cependant elle peut être calculer en fonction du mode de lancement (lanceur rotatif, force du bras…).
B. La portance.
D’après Newton,tout corps (ici l’avion) exerçant une force sur un autre corps (ici l’air) subit une force (la portance) d’intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le deuxième corps: 
Cela signifie, plus simplement, que l’air va opposer une force équivalente à celle que lui oppose l’avion en papier. L’avion en papier qui repose sur une « couche » d’air exerce une force proportionnelle à son poids et à la nature de l’air présent au-dessus de lui sur cette couche d’air. Cette dernière va lui opposer la même force mais vers le haut et lui permettre de se maintenir en vol.
C’est le même principe que la Poussée d’Archimède, selon laquelle tout corps plongé dans un fluide subit une force verticale, dirigée de bas (pour nous l’intrados = surface inférieure de l’aile de l’avion) en haut (pour nous l’extrados = surface supérieure de l’aile de l’avion) et opposée au poids du volume de fluide déplacé. Cette force s’applique dans le cas de l’avion en papier puisque l’air est un fluide.
Cette force de portance est proportionnelle à l’angle d’incidence de l’avion lors du lancer: plus l’angle d’incidence est grand, plus le coefficient de portance est grand. Ceci reste vrai jusqu’au point de décrochage (dans le graphique ci-dessous l’angle d’attaque critique) qui est d’environ 15° où la portance atteint son maximum, puis augmente de moins en moins jusqu’à diminuer, à cause de la séparation des flux d’air sur l’extrados
Cette force permet à l’avion en papier de garder sa pointe à hauteur stable pour qu’il parcoure une distance plus grande avant de commencer à piquer vers le bas; elle est donc bénéfique pour le vol de l’avion, on veut donc qu’elle soit la plus grande possible lors de notre lancer. Ainsi nous savons que pour un vol optimal, nous devrons lancer notre avion à un angle de 15°. On pourrait obtenir un vol plus long grâce à une portance plus grande si on lançait l’avion au-dessus de fluides plus chauds que ceux environnants puisque l’air ambiant soulèverait l’air chaud car plus l’air est chaud, moins sa densité est grande ; ce qui ferait que l’avion pointe horizontalement plus longtemps et ainsi qu’il garde une portance grande plus longtemps.
3. Correspondance des forces.
Comme nous avons pu le préciser précédemment, les forces se correspondent. Cette correspondance se fait par association des forces de sens et d’action opposés.
Pour qu’un avion ait un vol stable il faut que les forces se compensent, ainsi on observe :
Portance = Poids soit Rz = P (=m.g)
Traînée = Poussée soit Rx = GMP
L’avion va voler selon une trajectoire rectiligne à une allure constante si et seulement si la sommes des forces appliquées à l’avion est nulle.
Évidemment on sait que les forces ne se compenseront pas parfaitement, mais nous savons désormais sur quels paramètres il va nous falloir jouer pour optimiser le vol de nos avions.
Avion en papier 