AERODYNAMISME

Réduire la résistance de l’air comme principal objectif...

Réduire la résistance de l’air, autrement dit la traînée, est donc une préoccupation constante, soit pour gagner de la vitesse, soit pour économiser de l’énergie : les cyclistes, les skieurs, les patineurs adoptent instinctivement la position dite de ‘‘l’œuf’’.

La résistance de l’air dépend de la densité de l’atmosphére, elle diminue avec l’altitude, ce qui incite les avions de ligne à voler aussi haut que possible. À 20 000 mètres de hauteur, par exemple, la densité de l’air est si réduite que la traînée y est divisée par dix, ce qui permettait au Concorde d’atteindre la vitesse de 2 000 km.h-1. Un calcul montre qu’au niveau de la mer et é puissance égale, il n’aurait pas pu dépasser 600 km.h-1.

À l’instar des planètes, les satellites qui évoluent dans l’espace, c’est-à-dire dans un vide presque parfait, s’affranchissent presque complétement de la résistance de l’air. Une fois sur orbite, leur mouvement devient perpétuel ou presque. 

 

La mise au point des fuselages d’avions a montré qu’il existe une forme aérodynamique idéale, dite ‘‘ovoïde’’ (ressemblant à un œuf) ou ‘‘pisciforme’’, car proche de celle des poissons ou des oiseaux.

Cette forme idéale, capable d’optimiser la traînée globale, doit être de coupe circulaire et respecter certaines proportions, notamment en ce qui concerne le rapport entre la section et la longueur. 

 

La pénétration dans l’air...

Toutes conditions égales par ailleurs (vitesse, température et pression atmosphériques), l’aptitude à la pénétration dans l’air d’un véhicule ne dépend que de deux paramétres, et deux seulement : la surface frontale, également appelée maître- couple, et la traînée, caractérisée par le Cx. 

 

La traînée est donc le seul paramètre sur lequel les constructeurs s’activent car, à surface frontale égale, il conditionne la résistance de l’air et, par suite, la vitesse ou la consommation de carburant. 

 

 

Le Cx : définition

Le coefficient de traînée (Cx) se définit comme un nombre sans dimension qui renseigne sur la traînée globale d’un objet quelconque, autrement dit sa capacité à générer le moins de résistance possible lors de son déplacement dans l’air.

Ce nombre est toujours compris entre 0,07 et 1,4. En effet, le Cx le plus favorable est celui d’un objet de forme ovoïde (0,07), le plus défavorable étant celui d’une demi- sphére creuse qui se déplace face au vent.

Du point de vue de la physique, le Cx est un coefficient de surface qui se rapporte à la surface frontale de l’objet en question. Ainsi, par convention, une surface plane qui se déplace face au vent présente un Cx égal à 1.

Relation entre forme et Cx
(sens du mouvement : de la gauche vers la droite).

Les progrès du Cx...

Grâce à des méthodes empiriques, le Cx moyen des voitures de tourisme n’a cessé de progresser. Voisin de 0,45 dans les années soixante, il est aujourd’hui inférieur à 0,30 !

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De même, le Cx moyen des camions, qui était de 1,1 au début des années

soixante-dix, est aujourd’hui inférieur à 0,9 !

Cette dernière valeur pourrait être encore améliorée si ce n’était une réglementation qui s’obstine à limiter la longueur hors-tout plutôt que celle du chargement: un constructeur propose d’ores et déjà un véhicule articulé dont le Cx est inférieur à 0,6...

Pour obtenir un tel résultat, la recette a consisté à réduire ou supprimer toutes les sources de turbulences : le tracteur ressemble à une motrice de TGV, l’espace entre le tracteur et la semi-remorque est protégé par un déflecteur, la semi-remorque étant pourvue de jupes latérales parfaitement lisses recouvrant l’intégralité des flancs, roues comprises, du toit jusqu’au ras du sol.

Ainsi profilé, la puissance nécessaire pour maintenir ce camion à vitesse stabilisée sur route horizontale a été réduite de 30 % ! 

 

Les quatre traînées...

Concrètement, la traînée globale générée par le déplacement d’un véhicule terrestre dépend de quatre phénomènes distincts :

• -  l’air exerce une pression directe sur l’avant de la carrosserie et le pare-brise, c’est la traînée de forme ;

• -  l’air glisse é la surface de la carrosserie, c’est la traînée de frottement ;

• -  l’air entre en turbulence au contact de divers obstacles, saillies ou protubérances (encadrements de vitres, rétroviseurs, passages de roues, etc.), c’est la traînée de turbulence ;

• -  l’air doit pénétrer  àl’intérieur de la carrosserie, non seulement pour alimenter le moteur en oxygène (pour délivrer une puissance de 100 ch, un moteur doit absorber environ 60 litres d’air par seconde), mais aussi pour refroidir le radiateur et ventiler l’habitacle, c’est la traînée interne ;

La traînée globale dépend donc de la forme et de l’état de surface de l’ensemble des éléments qui composent la carrosserie : l’avant du véhicule, la partie supérieure (toit), inférieure (prises d’air, carénage sous le moteur, plancher, etc.), les passages de roues, les flancs et l’arrière (poupe).

En effet, tous ces éléments sont complémentaires, chacun d’eux devant étre conçu pour faciliter l’écoulement global de l’air autour de la voiture. 

 

 

La déportance...

La plupart des voitures de tourisme sont affectées d’une légère portance, elle aussi proportionnelle au carré de la vitesse.

Ce phénomène est dû à la pression de l’air qui s’engouffre sous la voiture et tend à la soulever, réduisant ainsi l’adhérence des pneumatiques à haute vitesse.

Pour éviter cet inconvénient, les carrosseries des voitures de sport sont conçues de manière à générer de la déportance, également appelée charge aérodynamique : au lieu d’être soulevée, la voiture est plaquée au sol à haute vitesse.

La charge aérodynamique s’ajoute au poids de la voiture sans pénaliser la masse surfacique. Les performances d’indentation et d’adhésion des pneumatiques sont alors améliorées (voir dossier ADILCA ‘‘adhérence et glissement’’).

La charge aérodynamique se mesure dans une soufflerie équipée d’une balance et s’exprime grâce à un coefficient appelé Cz.