Pourquoi les ailes des avions sont-elles recourbées vers le haut ?

Bonjour,

Wikipédia définit le winglet comme "une ailette sensiblement verticale située au bout des ailes d'un avion" qui augmente l'efficacité de la portance de celui-ci par l'air :

Le winglet vise à récupérer une partie de l'énergie tourbillonnaire induite par la différence de pression entre le dessus et le dessous de l'aile. À l'extrémité de l'aile, le flux de l'intrados en surpression relative a tendance à passer sur l'extrados en dépression relative, générant un tourbillon marginal. Ce dernier augmente non seulement la traînée de l'avion mais cause de la turbulence derrière l'appareil qui persiste sur de longues distances. Il est particulièrement dangereux d'entrer dans ce tourbillon derrière un avion gros porteur, ce qui conduit à des temps et des distances de séparation minimales dans la gestion des mouvements d'avions.

Le site Horizons academy explique bien ce mécanisme :

Un avion est soumis à 4 forces (Le poids, La portance, la trainée, la poussée) pouvant avoir des intensités différentes en fonction des phases de vol. L’écoulement de l’air au-dessus de l’aile (Extrados) est plus rapide que l’écoulement en-dessous de celle-ci (Intrados), créant ainsi une différence de pression entre l’extrados et l’intrados qui donne naissance à une force nommée la "portance". Cette dernière permet à l’avion de tenir en «l’air» et elle est opposée au poids. La trainée (résistance à l'air) étant une force opposée à la poussée agit comme une force négative.

Il existe deux types de trainées : La trainée induite et la trainée de profile.

Les recourbures au bout d’ailes, communément appelé «Winglets», permettent de réduire la trainée induite et par conséquent réduire la consommation de carburant. Comment?

L’écoulement de l’air au-dessus et en-dessous de l’aile crée des tourbillons en bout d’aile créant ainsi des frottements supplémentaires .

Pour éviter cette problématique, il faudrait une aile infinie, ce qui est techniquement impossible.

C’est pourquoi, les winglets ont été conçus pour casser cette tendance et réduire au maximum ces tourbillons. Les constructeurs peuvent adopter différents modèles de «winglets» en fonction des avions.

Le gain peut être significatif, de l’ordre de 2 à 3 % d’économie de carburant, et cela peut représenter une économie importante sur une ou plusieurs années d’exploitation et sur plusieurs appareils. L’aviation s’efforce d’être respectueuse envers l’environnement et continue ses recherches dans ce sens témoignant ainsi de son engagement Eco friendly.

Un article de Futura-sciences explique plaisamment comment on peut reproduire cet effet à l'aide d'une simple feuille de papier :

Il est très simple de recréer l'effet qui soulève votre avion dans les airs. Déchirez une bande de papier. Si vous prenez une feuille A4 ou du papier à lettres, et que vous la pliez en deux dans le sens de la longueur, alors repliez-la en deux dans le même sens et vous aurez le bout de papier idéal. Déchirez-le et tenez-le de façon que l'extrémité la plus éloignée de vous pende dans le vide. Ensuite, mettez l'extrémité que vous tenez devant votre visage, juste sous vos lèvres. Enfin, soufflez de manière constante et continue le long du papier.

Votre papier va se soulever et ne plus pendre. La portance va s'exercer sur le papier, comme sur l'aile d'un avion. Cette portance, comme nous le verrons, est due à l'air qui se déplace différemment au-dessus de la surface portée, ici votre papier, et en dessous. Dans votre expérience réalisée avec du papier, l'air ne se déplace pas du tout sous la feuille, mais c'est assez différent avec une aile d'avion.

[...]

L'aile a été conçue avec une surface courbe pendante sur le dessus. Comme avec votre feuille de papier, quand l'air souffle sur cette forme courbée, il en résulte une force de portance qui pousse l'aile vers le haut. La forme de l'aile, appelée profil ou surface portante, transperce alors l'atmosphère et dévie le courant d'air vers une autre direction. Comme la surface portante exerce une force sur l'air (revoilà la troisième loi de Newton), l'aile est poussée dans la direction opposée. Notons que pendant longtemps, l'explication la plus commune de la portance d'un avion était erronée.

En effet, vous avez peut-être entendu dire que les ailes ont une forme particulière qui fait que l'air parcourt une plus grande distance au-dessus de l'aile que celle parcourue en dessous. Comme l'air a une plus grande distance à parcourir au-dessus, d'après cette explication, les molécules d'air iront plus vite pour ne pas se laisser distancer par l'air qui passe en dessous, ce qui aura pour effet de réduire l'air qui passe au-dessus de l'aile. Et s'il y a moins d'air quelque part, la pression sur la surface supérieure chute. Ce qui implique que l'aile ressentirait une poussée vers le haut.

Pour aller plus loin dans nos collections :

150 questions sur les principes du vol de l'avion [Livre] / Régis Le Maitre