Dossier écrit diffusé lors de l’épisode 283 de Podcast Science.

Mécanique de vol avec exemple appliqué au parapente

Tout d’abord, comment ça vole une aile, comment ça vole un avion?

Il faut penser à la forme d’une aile d’oiseau ou d’un avion, voire d’un parapente. Vu de dessus, on voit grosso modo, une forme très allongée: un long rectangle avec une tendance triangulaire pour les ailes d’avion ou d’oiseaux par exemple. Un ovale très allongé pour le parapente. Bref, les carrés, ça vole mal. Ensuite, quand on fait une coupe dans cette aile, on voit tout de suite que son épaisseur n’est pas la même partout. La section ressemble à une goutte d’eau très effilée. En d’autre termes, l’avant de l’aile est épais et l’arrière est relativement beaucoup plus fin. D’autre part, la partie inférieure, vers le sol, est plus plate que le dos de l’aile, et ça c’est l’élément primordial car c’est cette dissymétrie qui crée les forces de suspension

Figure 1

Ainsi, pendant le vol, l’air doit s’écouler le long de cette aile. Imaginez deux molécules d’air, une qui va passer le long du dos de l’aile, et une autre molécule qui va passer par dessous. Et bien celle du dessus a plus de chemin à parcourir que celle du dessous.

Figure 2

Lorsque l’air s’écoule le long de l’aile, pendant le vol, il y a des forces aérodynamiques en jeu:

il y a des forces qui s’exercent sur le dessous de l’aile (appelé intrados) et qui la soulèvent vers le haut. Ce sont des forces de surpression.

Et il y a des forces qui s’exercent à partir du bord supérieur de l’aile (l’extrados) et qui la tirent vers le haut. C’est la portance, une sorte de succion par dépression. Dépression parce que les molécules d’air sur le deux doivent se dépêcher parce que leur trajet est plus long à parcourir, et comme la nature a horreur du vide, il faut qu’elles aillent récupérer leurs copines qui sont passées par en bas.

Pour les plus vieux qui ont connu les 2CV, rappelez vous les capotes qui se soulevaient en conduisant! Il fallait oser quand même comparer une aile de parapente à une 2CV, mais certains l’ont fait.

Figure 3

Quand on ajoute ces 2 forces, la résultante est une force verticale qui est dirigée vers le haut qui fait que l’aile monte. (la portance)
Il est bien sûr intuitif de comprendre que la surface de l’aile détermine la quantité de force. Plus l’aile est grande, plus elle génère de force

Pendant le vol, il y a d’autres forces qui entrent en jeu.

D’abord évidemment le poids de l’aile qui entraîne la voile vers le bas. Probablement pas la peine ici d’expliquer la gravité, plus on est lourd, plus on descend plus vite, comme en ski ou en vélo (oui je sais je simplifie extrêmement, je vous passe ici la notion de vélocité maximale et autres considérations physiques qui n’apporteraient rien à la discussion). Si la masse de l’aile ou de l’aéronef est trop importante par rapport à la surface de la voile, elle tombe.
C’est pour ça qu’il vaut mieux avoir des ailes légères. C’est pour cela notamment que les os des oiseaux sont formés de cavités remplies d’air, pour les alléger. Mais si le poids est inférieur à la force résultante verticale, l’aile peut s’élever. Un os d’oiseau est trois fois plus léger qu’un os de lapin (on parle de masse volumique ici)

Figure 4

Il y a d’autres forces qui interviennent, notamment la traînée qui s’exerce dans le sens opposé de la vitesse et qui donc empêche la voile de voler correctement. La traînée (de forme) est plus importante si l’aile n’est pas aérodynamique , la traînée (de frottement) est plus importante sur la voile est rugueuse, la traînée (induite) est plus importante si le recollement de l’air aux bords de fuites (l’arrière de l’aile) se fait mal.

Figure 4b

Imaginez les filets d’air qui rencontrent une sphère dans un courant d’air, par rapport aux filets d’air qui rencontrent un disque. L’air vient buter sur le disque, et les filets s’écartent. Derrière le disque, la zone perturbée est plus importante, il se forme des vortex de chaque côté du disque. La perturbation est 20 fois plus importante que dans le cas de la sphère. Je mettrai dans les notes d’émission les schémas correspondants.

En fait la traînée induite est très difficile à maîtriser. Elle est dite induite parce qu’elle est une conséquence de la portance. Plus la portance est importante, plus la différence de pression entre le dessus et le dessous de l’aile est importante, et plus les vortex sont importants. Donc, si je me suis bien faite comprendre, ces vortex affectent les extrémités des ailes, les bouts d’aile.

C’est pour cela qu’une petite aile de parapente vole plus mal qu’une aile exactement identique en forme, mais plus grande. Cette traînée induite est très problématique quand proportionnellement la vitesse de l’aile diminue. C’est aussi pour cela que le parapente est plus dangereux en basse vitesse, l’aile est moins stable.

On va simplifier le schéma et additionner la portance + la traînée. La résultante est une force verticale qu’on appelle la RFA: résultante des forces aérodynamiques.

Figure 5:

On se retrouve avec deux forces: la RFA et le poids.
Ces deux forces, la RFA,et le poids, conditionnent la capacité d’un parapente à voler, ou d’un delta, ou d’un planeur

Figure 6

Donc, pour résumer en très court: une aile de parapente ne porte pas sans une vitesse -air, ie. une vitesse par rapport à la masse d’air. Typiquement il nous faut, parapentistes, selon les ailes entre 20 et 30 km/h de vitesse air par rapport à la voile. Donc en l’absence total de vent, il nous faut courir pour créer ce vent relatif à l’aile. J’y reviendrai.

Une grosse confusion aussi avec ce qu’on appelle la vitesse air et la vitesse sol. Quand je dis qu’il faut courir plus vite, pour que la voile aille plus vite et exerce ainsi une meilleure portance, je parle de la vitesse de la voile par rapport à l’air. Lorsque l’on vole, la vitesse par rapport au sol, qui est mesurée avec un GPS est différente de la vitesse par rapport à l’air. A moins qu’il n’y ait absolument pas de vent.

C’est pour cela par exemple que beaucoup d’accidents de parapentes arrivent en ridge soaring. En ridge soaring, on vole le long d’une falaise, plus exactement juste en haut d‘une falaise. Lorsqu’il y a du vent, le vent remonte la falaise et au sommet le vent peut nous porter. C’est très agréable comme type de vol, parce qu’il n’y a généralement que très peu de turbulences. Mais très souvent, la perception de la vitesse peut tromper le pilote, si le vent n’est pas exactement perpendiculaire à la falaise, il y aura une direction où le vent va pousser le pilote et en direction inverse le parapente sera freiné par le vent. Quand le pilote vole dans la même direction que le vent, la vitesse de la voile par rapport au sol est égale à la vitesse de vol + vitesse du vent. Et cela peut être impressionnant, on peut se retrouver à voler à 50 km/h. Comme on est près du sol, cela fait pas mal de sensations et parfois le pilote pense qu’il va trop vite et le réflexe c’est évidemment de freiner sa voile. En pratique, cela veut dire qu’on la freine, on change le profil de l’aile pour qu’elle vole moins vite. Mais parfois, le pilote freine tellement que la vitesse de l’aile par rapport au vent est trop faible et elle décroche. Un décrochage pour une aile, ça veut dire que l’aile ne vole plus. Je vous laisse imaginer les conséquences en parapente. Un autre type d’accident qui arrive souvent est que lorsque le pilote vole dans le même sens que le vent, il va très vite, et si il veut effectuer un demi tour de 180 degrés, soudain il se retrouve face au vent et n’avance pas vite par rapport à la falaise. Et si le vent est fort (ce qui est requis pour le vol en soaring) rapidement le pilote se trouve projeté contre la falaise. Malheureusement c’est un accident de débutant qui arrive trop souvent.

La portance et la traînée sont proportionnelles, entre autres, à la densité de l’air. Plus l’air est dense, plus la portance est importante donc. Au contraire, en altitude, l’air est moins dense, donc cette force verticale qui soulève la voile est moindre. Et cela se sent beaucoup en parapente. Les pilotes qui décollent du Mont Blanc ou de l’Himalaya ont besoin de courir plus vite pour obtenir une portance équivalente à celle au bord de la mer à Santa Barbara.
Autre facteur important en parapente, le poids du pilote. On va raisonner en terme de charge alaire, qui est le rapport poids /surface. Par exemple, je fais 50 kg et j’ai une voile de 20 m2. J’ai une charge alaire de 50/20= 2.5 kg/m2. La vitesse de l’aile est proportionnelle à la charge alaire, et pour être plus précis proportionnelle à la racine carrée de la charge alaire. Prenons deux pilotes, un de 70 kg (moi) et un pilote mâle de 90 kg. Si on vole sous la même voile de 26 m2, on a:

Charge alaire1= 70/26=1.92
Charge alaire2= 90/26=3.46

Si ma vitesse max est de 37km/h, mon copain qui va utiliser ma voile aura une vitess V2
V2= V1 x (90/70)-1 = 42 km/h

Et voilà, c’est pour ça qu’il vaut mieux être lourd pour faire du parapente, nous les nanas, on part d’emblée avec un très sérieux handicap par rapport aux hommes.

Bon, je me dois quand même, pour être honnête et ne pas me poser en victime, ajouter que la traînée de forme est moindre pour les petits pilotes, donc cela compense un petit peu. Si l’on volait en position allongée, comme les pilotes de Delta, notre traînée , celle due à la forme de notre corps, serait divisée par 4.

Par ailleurs, cette traînée, comme toutes les forces, est proportionnelle au carré de la vitesse, et du coup les différences de sensations de vent sur le visage et les effets visuels deviennent rapidement discernables pour le pilote. On détecte rapidement si l’on commence à monter dans un thermique par exemple. Par contre, lorsque la vitesse est constante, notre cerveau a beaucoup de mal à calculer ou analyser ce qui se passe. Deux exemples très concrets: lorsque l’on vole en ligne droite et que l’on est très haut au-dessus du relief. Le pilote ne peut plus se fier à ses impressions visuelles, regarder le sol pour voir si on avance vite ou non. Notre cerveau ne sait pas percevoir la vitesse, il n’y a plus assez de repères. Généralement on peut aussi sentir l’air sur notre visage, mais en vitesse constante, c’est pareil, au bout d’un moment, on ne sait plus. C’est très déroutant quand on vole, parce qu’on doute. On peut se dire que rien n’a changé, puisque l’on ne détecte pas de différence, mais on sait aussi que notre sensibilité fait peut-être qu’il y a eu un changement et que nous ne l’avons pas détecté. C’est un exemple de situation où avoir des instruments de vols peut nous aider. C’est indispensable si l’on est en compétition par exemple, et d’une façon plus générale quand on part en cross et que l’on essaye de faire de la distance. Avoir un variomètre, qui nous indique notre vitesse par rapport au sol, mais aussi si l’on monte ou si l’on descend s’avère indispensable si la performance est un but. Autre cas déroutant, c’est interdit, mais si on se retrouve dans un nuage… Après quelques secondes, sans absolument aucun repère visuel, on ne sait plus si on monte, si on descend, si on vole en ligne droite, si on tourne à droite ou à gauche. C’est en fait très stressant les premières fois, car on vole rarement seul(e) ou loin du relief et le risque est bien là de se retrouver nez à nez avec le sol, ou avec un autre parapente…Il m’est arrivé de me dire que mon vario était cassé et de regarder ma vieille bonne boussole histoire de ne pas paniquer…

Autre considération: les parapentes ont-ils des vitesses?

Évidemment pas de marche arrière! Par contre, oui, les parapentes, et toutes les ailes ont des vitesses de vol. Il y a des freins sur un parapente, et le pilote en tient un dans chaque main. Et que se passe-t-il quand on tire sur les freins? On tire sur le bord arrière de la voile, les suspentes de frein y sont attachées. C’est comme ouvrir les volets quand on est pilote d’un avion et qu’on veut atterrir. Le profil de l’aile est modifié ainsi que le plan de référence de l’aile. En modifiant le profil de l’aile, on augmente la traînée induite, l’air s’écoule mal au bord de fuite et la voile est freinée.

Figure 7

Et puisque j’y suis, parlons cette fois non plus des 2CV, mais des spoilers des voitures de cacous! Ça sert à quoi? Et bien en théorie à ne pas décoller !!! A plaquer les voitures au sol quand nos cacous de service ils vont hyper vite. Un spoiler c’est l’inverse du volet de l’aile d’avion. C’est une déformation du profil arrière d’une ailette ajoutée à l’arrière des voitures de course. Les filets d’air supérieurs peuvent s’écouler à peu près normalement, mais les filets d’air en dessous ne suivent plus le profil de l’ailette, et au lieu d’avoir une surpression, on a des petites turbulences, et une force résultante vers le bas, qui pousse le spoiler, donc notre bolide, vers le bas, pour le maintenir sur la chaussée

Figure 7a

Figure 7b

Mais revenons à nos parapentes et à ce qui se passe lorsque l’on freine en tirant sur les commandes de frein. Une autre conséquence c’est aussi que l’aile bascule en arrière, son profil bascule je devrais dire. On dit que l’incidence a augmenté. Ainsi un parapente se pilote en vitesse par déformation du profil de l’aile. Et si on freine le côté droit du parapente, le côté gauche va voler plus vite, et l’aile tourne à droite. Si on veut tourner à gauche, on tire sur le frein gauche, le côté droit de l’aile va plus vite et on tourne.
Il existe aussi un accélérateur sur les parapentes. Et oui, une sorte de turbo. Mais on appelle ça le barreau, il se commande avec les pieds. En poussant sur le barreau, le plan du profil de l’aile bascule, le bord d’attaque se retrouve plus bas que le bord de fuite, et l’air s’écoule super bien le long de l’aile, et elle vole plus vite.

Figure 8

En revanche, elle est moins stable, parce que moins rigide, parce que l’on maintient moins de pression à l’intérieur, et on est plus à même de se prendre des fermetures et de n’avoir plus qu’un chiffon chiffonné en guise d’aéronef, et ça vole pas bien ce genre d’objets.

Cela m’amène aussi à dire quelque chose qui maintenant va peut-être vous paraître évident, mais qu’on a tendance à oublier. Dans un avion, il y a un moteur. A quoi il sert ce moteur, et bien à compenser la traînée et faire avancer l’avion. Ca parait bête, mais si vous prenez un avion sans moteur, comme un delta, un parapente ou un planeur, et bien la force de traction n’existe pas, donc la traînée n’est pas compensée et du coup la portance n’est plus verticale, elle est inclinée vers l’avant. Et du coup, par rapport à la masse d’air, nous sommes toujours en descente. Je vous assure que c’est une question très fréquente qu’on entend sur les pentes d’apprentissage de parapentes, mais comment on descend ? La réponse est que l’on descend tout le temps! Alors vous allez me dire, mais comment on monte alors? D’abord, je vous rappelle que le plus souvent les décollages se font en altitude, pour cette exacte raison! On monte en voiture! Ensuite, on utilise les masses d’air chaud qui montent, les thermiques. Et si vous ne savez pas ce que c’est un thermique, c’est que vous avez raté mon podcast sur les prévisions météos! Mais c’est pas grave, rappelons juste que lorsque le soleil chauffe le sol, l’air se réchauffe aussi, sa densité diminue et la masse d’air chaude moins dense se met à monter. C’est la convection. Ainsi donc, on vole et on rencontre un thermique, de l’air qui monte, et bien on se met à tourner dans cette masse d’air qui monte, et on monte avec elle! Au sein du thermique, on monte moins vite, mais rapport au sol, on monte! Ainsi, un thermique gentil monte à environ 2 m/sec. Un parapente va descendre en général à environ 1,5 m/sec. Donc, tant que l’on reste dans le thermique, on monte à 0,5 m/sec. Et si on veut descendre, on n’a qu’à sortir du thermique!

Un mot encore au sujet des vitesses, les ailes, tous les types d’ailes, sont caractérisées par ce qu’on appelle la polaire. Il s’agit d’un graphique qui représente la vitesse horizontale en fonction de la vitesse verticale.

Figure 9

Par exemple, on l’a vu, une aile de parapente descend toujours par rapport à la masse d’air autour d’elle. Donc l’axe des y, c’est le taux de chute de l’aile (environ 1m/s). On l’a vu aussi on peut accélérer la voile avec l’accélérateur, et atteindre la vitesse maximale (50 km/h pour les ailes hyper rapides). Il existe aussi une position des mains telle que l’on maintient un peu de freins, donc on ne vole pas à vitesse maximale, mais la portance est la meilleure que si on accélère la voile. On appelle cette configuration le taux de chute minimale. Et puis il y a le la configuration où l’ on optimise au maximum le taux de descente versus vitesse. C’est là où le taux de chute est minimal. Il est très important pendant un vol de savoir sentir, reconnaître ses différentes configuration pour s’en servir si on veut faire de la distance, car parfois il est plus important de voler moins vite, mais plus loin… Après les instruments de vols peuvent nous aider. De nombreux GPS permettent d’entrer les paramètres de la polaire de votre voile, et vous indiquer pendant le vol, si vous voulez en taux de chute mini, ou en finesse max, et peuvent estimer pour vous si vous allez pouvoir atteindre l’autre bord de la vallée que vous traversez par exemple, là où vous savez que vous allez probablement retrouver un thermique qui va vous soulever dans les airs….

Le décrochage

Le décrochage, c’est un mot qu’on utilise dans de nombreuses situations. Dans la vie de tous les jours, on peut décrocher, ie. perdre le contrôle d’une situation, se sentir déconnecté, ne plus comprendre. En avion, on peut décrocher, c’est même une des premières manoeuvres que l’on apprend. On tombe au lieu de se maintenir et de contrôler son altitude. En parapente, c’est la même chose, l’aile volait et soudain ne vole plus. La transition peut être violente. En avion, un décrochage volontairement provoqué, ça peut être excitant. En parapente, même quand on le provoque, c’est pas du tout tranquille, et à moins d’être un fan d’acrobaties, c’est plutôt stressant. Alors, qu’est ce qui se passe?
Il y a un effondrement soudain de la portance et de la vitesse horizontale. A cet instant, le pilote, sur sa lancée bascule sur le dos. Mais vraiment sur le dos, on se retrouve pratiquement les pieds en l’air. Les commandes, ces suspentes de frein que l’on tient dans les mains deviennent soudain toutes molles, on ne tire plus sur rien. Puis il y a un mouvement de balancier et le pilote repasse sous l’aile. Pour éviter que l’aile ne plonge en avant, dans un mouvement d’abattée violent, il faut que le pilote freine la voile au maximum, puis seulement doucement remonter les mains pour moins freiner et permettre à la voile de se remettre à voler. Il existe de bons cours de parapentes pour apprendre à maîtriser cette manoeuvre, mais il faut quand même dire que seules les voiles de compétition sont à risques; les ailes pour débutant et même pour bons pilotes qui veulent faire de la distance, sont difficiles à mettre en décrochage. Il faut vraiment le vouloir ou faire une grosse grosse erreur (ce qui arrive à tout le monde tous les jours, on en conviendra) Comment? Et bien en enfonçant au maximum ses mains, en tirant hyper fort sur les suspentes de freins, et il faut maintenir cette position quelques secondes, et ce n’est pas si facile. En freinant au maximum la voile, le profil à l’arrière se déforme au maximum et surtout l’angle d’incidence (angle entre le profil de l’aile et la direction de vol) augmente tellement qu’au bout d’un moment, les filets d’air ne se décrochent du dos de l’aile, et ne s’écoulent plus selon une course laminaire. La force verticale supérieure, cette force aérodynamique créée par la vitesse de l’air le long du dos de l’aile est annulée, donc la voile ne vole plus et c’est à ce moment que le pilote se retrouve sur le dos. Puis elle va basculer violemment en avant, du fait du déséquilibre des forces, comme pour essayer de reprendre de la vitesse, et pour retrouver une incidence normale.

A noter, et beaucoup de nouveaux pilotes ne s’en rendent pas compte, que c’est en fait comme cela que l’on atterrit en parapente! On fait un décrochage, on tire comme des fous sur les suspentes de frein! La différence c’est que si l’on a bien calculé son coup (!), la voile décroche alors que nos pieds sont quasiment au sol. Pour compenser la bascule de notre corps vers l’arrière, on apprend à se pencher en avant, ce qui permet aussi de courir si l’on arrive trop vite!

Référence: Une grande partie du contenu de ce podcast vient de l’excellent livre des moniteurs de parapente Pierre-Paul Ménégoz et Alain Jacques.