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L' AÉRODYNAMISME
Peut-on modifier les caractéristiques d’un véhicule terrestre dans l’optique de réduire son impact environnemental ?
L’aérodynamisme fait partie intégrante de la dynamique des fluides qui vise à analyser les écoulements de l’air et leurs impacts sur d’éventuels objets. L’aérodynamisme s’applique aux éléments fixes subissants la force du vent (ponts, structures en tous genres…), aux véhicules en mouvement dans l’air (poids-lourds, voitures, deux-roues…), ou encore aux édifices destinés à la production d’énergie (éoliennes par exemple).
Dans l’automobile, l’optimisation de l’aérodynamisme a pour but de limiter les frottements de l’air qui interagissent avec le véhicule lors de son déplacement. Le véhicule est confronté alors à plusieurs forces.
La force de traînée est, aux cotés de la portance, l’une des deux forces fondamentales de l’aérodynamisme. La traînée correspond à une force due aux frottements de l’air, s’opposant par la direction au mouvement du véhicule. Elle influe sur la consommation de carburant et sur la vitesse de pointe. Moins le véhicule est soumis à cette force, moins il consomme et plus il peut atteindre une vitesse de pointe élevée (en mettant de coté la puissance moteur). Les constructeurs automobiles doivent alors s’efforcer de designer des véhicules qui s’opposent le moins possible à cette force.
Le rapport entre la traînée et la portance, que nous expliquerons juste après, s’appelle la finesse.
Différents phénomènes créent la traînée : la traînée de forme, induite par la forme de l’objet soumis à la force. Plus le solide est profilé, plus il reste « enfermé » dans une zone entourée par un écoulement des fluides sain. La traînée est ainsi réduite et les forces exercées sur l’objet négligeables.
La portance correspond à l’action des flux d’air qui poussent la voiture vers le haut, en passant sous le véhicule. Elle est attribuée à la déviation d’une masse d’air. Cette force s’exerce perpendiculairement à la direction du mouvement. Les constructeurs cherchent alors à réduire ou annuler la portance aérodynamique, voire à créer une portance négative ou déportance, de façon à augmenter l’appui du véhicule. L’intérêt est d’augmenter l’adhérence des pneumatiques sur le sol pour augmenter la force du freinage et la tenue des pneus à la route. Le but de cette optimisation est de maintenir le véhicule au sol même à de très importantes vitesses.
Pour réduire la portance, on peut augmenter le poids du véhicule, mais des paramètres comme l’accélération et la vitesse de pointe seront alors réduits. Le poids est une force qui a la même direction que la portance, mais un sens opposé, le point d’application de cette force est le centre de gravité du véhicule. Le poids est la force exercée par la terre sur le véhicule
Le poids p se calcule par : p = m x g avec m : la masse de l’objet en kg et g : attraction de la Terre en N/kg (environ égal à 9.81). Aujourd’hui, un véhicule de tourisme pèse en moyenne 1300kg, alors qu’il n’était que de 800kg dans les années 60 . Le poids des voitures a augmenté pour faire faces aux exigences de sécurité et en raison des options techniques de plus en plus nombreuses.
La poussée est la force produite par le moteur et qui permet au véhicule d’avancer. Elle a une direction horizontale et un sens inverse à la direction du véhicule. Le point d’application est le centre de gravité du véhicule.
Le Cx, autrement appelé coefficient de traînée, indique la résistance au vent d’une forme. Sa valeur se situe entre 0,05 et 1,40. Plus la valeur associée à un objet est proche du minimum, plus la résistance à l’air de ce dernier est faible.
La Citroën DS commercialisé en 1955 fut la première voiture de série à être étudiée pour son aérodynamisme ; elle atteignait un Cx de 0,38. Elle fut remplacée par la Citroën Cx, qui porte bien son nom. Preuve de l’évolution de la technologie et de la (perfection) du développement des techniques la Mercedes-Benz Classe E coupé affiche un Cx de 0,24 ; il est devenu le plus bas pour les voitures de série jusqu’à la sortie en 2013 de la Mercedes-Benz CLA où la voiture a été étudiée pour que la traînée soit réduite même dans le soubassement du véhicule pour atteindre un Cx de 0,22. Elle est à ce jour la voiture la plus aérodynamique.
Gustave Eiffel (constructeur de la Tour Eiffel) fut le premier à construire une soufflerie afin d’analyser de façon concrète les écoulements d’air. Cette soufflerie est encore utilisée aujourd’hui.
Elle utilise un très grand ventilateur, situé à l’extrémité du conduit, il est donc dans une position d’aspiration. Afin d’avoir une vitesse assez rapide pour étudier les écoulements, la soufflerie utilise l’effet Venturi, cette technologie purement physique consiste en un rétrécissement de la chambre (lieu où se trouve les matériaux à étudier) ce qui permet une accélération du vent. De nos jours, les représentations d’écoulement des fluides sont aussi représentés numériquement sur ordinateur.
Dans l’expérience que nous allons vous proposer, nous utiliserons des ventilateurs d’ordinateur, montés en aspiration, nous utiliserons aussi l’effet Venturi.
