Un avion est instable quand il ne revient pas de lui-même à sa position d'équilibre après en avoir été écarté par une force extérieure (rafale de vent par exemple). Dans ce cas, le pilote doit sans arrêt agir sur les commandes de vol pour rectifier la position de son appareil et le conserver sur sa trajectoire de vol. Mais plus un appareil est instable, plus il est maniable, c'est pourquoi les militaires sont très intéressés par ces types d'avions.
 

1. Rappels de physique

1.1 Équilibre des forces

Si un objet immobile subit des forces dont la somme est nulle, il ne se déplace pas. Par exemple, un objet posé sur une table subit deux forces qui s'équilibrent : son poids qui l'attire vers le sol et la réaction de la table qui l'empêche de tomber.

Si un objet en mouvement subit des forces dont la somme est nulle, sa trajectoire n'est pas déviée ni sa vitesse modifiée. Par exemple, un palet de hockey lancé sur la glace subit son poids et la réaction de la glace. Ces deux forces s'équilibrent et si aucun joueur n'intervient, le palet poursuivra sa course en ligne droite et à vitesse quasiment constante.

Il y a équilibre quand il y a immobilité ou maintient d'un mouvement. Dans le cas d'un avion : sa trajectoire n'est pas déviée et sa vitesse n'est pas modifiée.

1.2 Déséquilibre des forces

Pour tirer un objet imposant il faut commencer par tirer fort car l'inertie gêne la mise en mouvement. Mais une fois que le mouvement est lancé, l'inertie participe au mouvement. C'est pour cela qu'un objet lourd, qui a beaucoup d'inertie, met plus de temps à s'arrêter qu'un objet léger.

L'inertie est la tendance qu'ont les corps à préserver leur état de repos ou de mouvement. Plus la masse — donc l'inertie — d'un corps est importante, plus grande est la force à appliquer pour provoquer ou modifier son mouvement. Cette tendance est caractérisée par un paramètre : la masse d'inertie (ou inertielle), dont les mesures les plus précises montrent qu'elle est égale à la masse qui intervient dans la loi de la gravitation universelle, c'est-à-dire la masse gravitationnelle. L'égalité de ces deux masses est d'ailleurs un postulat de base de la théorie de la relativité générale.)

1.3 Le centre de gravité

- Sa position est primordiale dans la détermination de l'équilibre de l'avion : il se déplace vers l'avant ou vers l'arrière en fonction de la répartition du chargement de l'avion.

- La trajectoire de l'avion est assimilée à celle de son centre de gravité (de la même façon qu'un couteau lancé aura la même trajectoire que celle de son centre de gravité)

- Il est le centre de rotation de l'avion (un couteau lancé tourne autour de son centre de gravité)

1.4 L'équilibre des moments

Le mot moment vient du latin " movimentum " qui signifie " mouvement ".
 

Le moment de force est ce qu'il faut appliquer à un corps pour le mettre en rotation

Un objet qui peut tourner autour d'un axe fixe peut rester en équilibre s'il est soumis à des forces dont les effets se compensent.

Pour faire tourner l'objet, une grande force a plus d'effet qu'une petite force appliquée à la même distance de l'axe.

Pour faire tourner l'objet, une même force a davantage d'effet si elle est appliquée à une plus grande distance de l'axe.

Il y a création d'un moment lorsqu'une force F s'applique à une certaine distance de son point d'application O et qu'elle n'est pas alignée avec lui : le moment d'une force par rapport à un axe de rotation est le produit de la force exercée par la distance minimale séparant l'axe de rotation de l'axe de la force. Plus le moment d'une force est grand, plus la force est capable de mettre l'objet auquel elle s'applique en rotation.

L'unité du moment est le Newton-mètre.

Si on exerce deux moments tels que la somme des forces qui les crée est nulle, on dit qu'on a un couple.

Application en aéronautique

En ce qui concerne les avions, il existe trois axes : axe de lacet, axe de tangage et axe de roulis. Ces trois axes sont concourants en un point unique : le centre de gravité. Le rôle des gouvernes est de provoquer des rotations autour de ces axes en faisant apparaître un moment.

Les trois axes de l'avion - roulis, tangage, lacet - passent par le centre de gravité

Pour que le moment soit le plus efficace, le point d'application de la force doit être le plus loin possible de l'axe de rotation : la gouverne de tangage et la gouverne de direction sont placées en bout de queue, tandis que les ailerons sont situés en bout d'aile.

2. L'équilibre de l'avion

En vol rectiligne horizontal stabilisé :

- La portance est égale au poids et la poussée (ou traction) est égale à la traînée
- La somme des moments des 4 forces par rapport à l'axe de tangage doit être nulle (sinon l'avion pivoterait sur lui-même)
- La portance doit passer par le centre de gravité (point d'application du poids)

L'équilibre de l'avion autour de l'axe de tangage est assuré par l'ensemble : plan fixe horizontal et plan mobile de profondeur.

Sur la plupart des avions, la traction et la traînée ne sont pas exactement alignés, en raison des impératifs mécaniques de positionnement de l'élément propulseur (moteurs à pistons ou à turbine).

Sur les avions légers, la traction et la traînée sont faibles par rapport au poids et à la portance. De plus, leurs bras de levier par rapport à l'axe de tangage sont faible. En conséquence, leurs moments sont pratiquement négligeables par rapport à cet axe.

3. Stabilité et maniabilité de l'avion

La stabilité est la capacité d'un avion à revenir de lui-même à sa position d'équilibre quand s’arrête l'action de la force extérieure qui l'en a écarté (une rafale de vent par exemple).

Le foyer est le point particulier où s'appliquent les variations de portance dues au pilotage ou à la masse d'air. C'est de la position du centre de gravité par rapport à ce point de référence que dépend la stabilité ou la maniabilité d'un avion: le centre de gravité doit impérativement se trouver en avant du foyer qui constitue la limite arrière du centrage. Situé en arrière du foyer, l'avion serait instable. Situé trop en avant, il rendrait l'avion trop difficile à manœuvrer.

L'une des propriétés du foyer est que sa position est fixe (elle est peu affectée par la vitesse ou la configuration), contrairement au point d'application de la portance qui est toujours appliqué au centre de gravité dont la position varie en fonction du chargement.