7/l’aérodynamique :

a. anatomie, technique et mécanique de vol :

De nombreux oiseaux, après avoir volé en battant des ailes, les immobilisent et continuent sur leur lancée: c'est le vol plané, spectaculaire chez les rapaces diurnes et chez beaucoup d'oiseaux de mer, qui évoluent parfois sans donner un coup d'aile durant des heures, voire des jours dans le cas des albatros.

La forme des ailes est adaptée au type de vol pratiqué; ainsi les vautours, qui sont de grands planeurs, ont de grandes ailes qui leur permettent d’utiliser les courants d’air chaud ascendants: leurs ailes sont  longues et larges.  Les albatros sont aussi de bons planeurs, mais ils utilisent les courants d’air créés par le vent qui bute sur les vagues : leurs ailes sont longues mais étroites. 

Durant le vol plané, les oiseaux ou planeurs sont maintenus en l'air grâce au profil de leurs ailes et à leur vitesse. En effet le profil d'aile modifie les courants d'air ainsi le flux d'air passant sous l'aile va être freiné par l'aile qui forme à l'intrados un obstacle, une surpression va donc  apparaître sur l'intrados. Alors que l'air ou vent relatif  passant sur le dessus de l'aile doit contournée l'extrados, elle est donc contraint de parcourir une distance plus longue que l'air passant sous l'aile,  sa vitesse va donc s’accroître fortement, pour diminuer ensuite, et retrouver sa vitesse initiale d'écoulement  vers le bord de fuite.

Tout l’extrados est donc le siège d’une dépression, principalement l'endroit le plus haut de l'aile

Pour aller de A jusqu'à B, l'air emprunte un trajet direct à l'intrados. Mais il emprunte un trajet plus long pour contourner l'extrados et doit donc aller plus vite pour gagner B dans le même temps que l'air qui passe par l'intrados.

Cette différence de trajet bouscule les flux d'air. Celui d'en haut tente donc de combler naturellement le retard se créant par rapport à celui du dessous pour arriver en même temps au bord de fuite. Le résultat est une accélération du flux supérieur dès qu'il est engagé dans ce processus "d'inégalité". Une pression se forme sous l'aile et une dépression sur l'aile. Cette accélération fonctionne comme un véritable aspirateur pour le nouveau flux d'air qui arrive au bord d'attaque sur l'extrados car sinon, il y a encore risque de création de vide. Ce perpétuel jeu "anti-vide" produit la "force aérodynamique" ou portance. L'aile est bien contrainte à aller vers le haut comme la dépression sur l'extrados est plus forte que la surpression sur l'intrados (1/3 de surpression pour 2/3 de dépression) et, qui plus est, légèrement vers l'avant.  Par le jeu des flux d’air autour de son aile, l’oiseau  ou le planeur est donc maintenu en l’air (la portance compense  le poids).

La portance est la résultante de toutes les pressions s'exerçant sur une surface. 

La portance est liée par  P = 1/2 . S . µ. Cz . v²

soit, P, la portance en Newton,

soit, µ, la masse volumique de l'air

soit , S, la surface d'attaque de l'aile

soit ,v, la vitesse basse ou haute

soit, Cz, le coefficient de portance déterminé pour chaque aile par l'angle d'incidence, angle produit par le devant de l'aile (bord d'attaque) incliné dans l'air. L'angle d'incidence est l'angle entre l'aile et la direction initiale des filets d’air

Pour augmenter cette portance, il suffit d'augmenter la vitesse ou d'augmenter l'angle d'incidence (ou de portance) toutefois sans dépassé l'angle critique sinon c'est le décrochage, des tourbillons se forment sur l'aile et celle-ci  perd toute sa portance.

L'angle d'incidence maximum est entre 16 et 18°

Pour optimiser la forme des ailes, on utilise le principe de Bernoulli. En effet, la forme d'une aile est telle que l'air y circule plus rapidement sur sa surface supérieure (extrados) que sur sa surface inférieure (intrados). De ce fait, la pression de l'air sur l'extrados est inférieure à celle qui s'exerce sur l'intrados. La différence de pression qui en résulte est à l'origine de la poussée ascendante qui maintient l'avion en vol : la portance. 

En mécanique des fluides, c'est le principe selon lequel l'énergie mécanique totale d'un écoulement de fluide incompressible et sans frottement est constante le long d'une ligne de courant de cet écoulement. Pour un écoulement uniforme, les lignes de courant correspondent à la trajectoire des molécules de fluide prises individuellement.

Le principe de Bernoulli conduit à une relation entre la pression, la vitesse du fluide et la force de gravitation. Il montre que la vitesse du fluide augmente lorsque la pression exercée sur le fluide diminue

P+ ½ ρv²- ρgy = constante

soit, p , la pression en Pascal

soit, ρ , la densité

soit, v , la vitesse d'écoulement en m/s

soit, y , l'altitude en m

soit, g , la force de gravité

Le planeur subissent plusieurs forces qui sont  :

* Le poids: force agissant vers le bas à cause de la gravité. 
* La portance: force exercée vers le haut s'opposant au poids. 
* La traînée: force exercée par l'air. 

Pour rester en l'air et ne pas perdre de vitesse alors que les avions utilisent une quatrième force, la poussée force produit par ses moteurs, les planeurs utilisent la nature. Les planeurs utilisent les courants d'air chaud ascendant

2/le vol par les courants d'air chaud :

Les mouvements verticaux de l'air sont associés à plusieurs phénomènes (instabilité, relief de la terre, système dépressionnaire). De l'air chaud aura tendance à monter alors que l'inverse se produit avec de l'air froid. Le vol thermique s’observe sur les zones continentales en général. 

Les planeurs  utilisent les courants ascendants d’air chaud pour progresser dans le ciel. Ils  effectuent des spirales (virages à 360°) afin de rester dans le cœur de l'ascendance. C’est l’endroit où ça monte le plus haut. Dans le vol plané, l’oiseau ou planeur monte progressivement dans une ascendance jusqu’à son sommet. Puis il redescend en planant vers la base d’une autre pompe (ascendance) pour remonter en altitude. 

3/le vol plané dynamique

La deuxième forme courante de vol plané chez les oiseaux est le vol  plané dynamique. Il ne peut être pratiqué qu’au dessus de très grande étendues planes et ventées. Son lieu de prédilection est donc la mer. Ses spécialistes sont l’ Albatros et le Puffin. Il faut tout d’abord savoir que le vent a différentes vitesses ou gradients au dessus de l’eau. Le gradient du vent est beaucoup plus élevé 20 mètres au dessus de l’eau qu’au raz de celle-ci. Cela est du aux frottements qu’exerce le plan d’eau sur la masse d’air.

Le vol plané dynamique va permettre aux oiseaux de progresser perpendiculairement au vent dominant. Imaginons un vent Nord/Sud. L’oiseau va donc se diriger vers l’Ouest. L’oiseau pratiquant le vol dynamique va agir avec le vent comme un surfeur évolue sur sa vague. Dans un premier temps, il va s’élever à 20 mètres au dessus de l’eau, là où le vent est le plus fort. Pour cela, il va utiliser le vol plané thermique, si il part de la côte ou bien le vol battu. Le vol plané dynamique proprement dit peut alors commencer. Une fois en hauteur, il va prendre de la vitesse dans le sens du vent (Nord/Sud) puis piquer ver l’eau, dans la même direction pour accélérer progressivement. Lorsqu’il va s’approcher de la surface, il va amorcer un virage à 90° pour se retrouver sur une direction Est/Ouest. Il aura alors atteint une vitesse maximale et se trouvera dans la zone où le vent sera le moins fort. Il va ainsi  planer au raz de l’eau sur une centaine de mètres. A l’issue de cette traversée, les frottements de l’air commencent malgré tout à le ralentir. L’oiseau est alors contraint à remonter à 20 mètres au dessus de l’eau. Mais maintenant, nul besoin de battre des ailes ou d’utiliser une ascendance comme ce fut le cas au début. Il suffit à l’oiseau, en profitant de sa vitesse, de se retourner face au vent. Il remontera automatiquement. Il va remonter ainsi en ralentissant jusqu’à se retrouver avec une vitesse nulle, à la même altitude qu’au départ. L’oiseau aura alors progressé d’une centaine de mètres d’Est en Ouest sans avoir eu à battre une seule fois de l’aile.

Pour tourner les planeurs utilisent leur dérive alors que les avions utilisent  en plus de la dérive des volets située sur les ailes qui modifie la portance des ailes. Lorsque le volet va vers l'extrados le volet de l'autre aile va vers l'intrados. Les oiseaux pour tourner, utilisent leurs ailes en effet ils modifient l'angle d'incidence de leurs ailes se qui modifie leur portance et leur permet de tourner.