Comment fonctionne l'aérodynamique

Les véhicules de conception aérodynamique ont tendance à être plus stables à des vitesses plus élevées. Voir plus de photos de voitures de sport. - © -iStockphoto.com / Mark Evans

C'est désagréable à penser, mais imaginez ce qui se passerait si vous conduisiez votre voiture dans un mur de briques à - 65 miles par heure (104,6 kilomètres par heure). Le métal se tord et se déchire. Le verre se briserait. Les airbags éclateraient pour vous protéger. Mais même avec tous les progrès en matière de sécurité que nous avons sur nos automobiles modernes, ce serait probablement un accident difficile à éviter. Une voiture n'est tout simplement pas conçue pour traverser un mur de briques.

Mais il existe un autre type de «mur» dans lequel les voitures sont conçues pour se déplacer, et ce depuis longtemps - le mur d'air qui pousse contre un véhicule à grande vitesse..

La plupart d'entre nous ne considèrent pas l'air ou le vent comme un mur. À basse vitesse et les jours où il n'y a pas beaucoup de vent dehors, il est difficile de remarquer la façon dont l'air interagit avec nos véhicules. Mais à grande vitesse et les jours exceptionnellement venteux, résistance à l'air (les forces agissaient sur un objet en mouvement par l'air - également définies comme traîne) a un effet énorme sur la façon dont une voiture accélère, gère et atteint la consommation de carburant.

C'est là que la science de l'aérodynamique entre en jeu. Aérodynamique est l'étude des forces et du mouvement résultant des objets dans l'air [source: NASA]. Depuis plusieurs décennies, les voitures ont été conçues avec l'aérodynamisme à l'esprit, et les constructeurs automobiles ont mis au point une variété d'innovations qui facilitent la coupe à travers ce «mur» d'air et moins d'impact sur la conduite quotidienne..

-Essentiellement, avoir une voiture conçue avec le flux d'air à l'esprit signifie qu'elle a moins de difficulté à accélérer et peut atteindre de meilleurs chiffres d'économie de carburant, car le moteur n'a pas à travailler aussi fort pour pousser la voiture à travers le mur d'air..

Les ingénieurs ont développé plusieurs façons de procéder. Par exemple, des conceptions et des formes plus arrondies à l'extérieur du véhicule sont conçues pour canaliser l'air de manière à ce qu'il circule autour de la voiture avec le moins de résistance possible. Certaines voitures hautes performances ont même des pièces qui déplacent l'air en douceur sur le dessous de la voiture. Beaucoup comprennent également un divulgacher -- également connu sous le nom de l'aile arrière -- pour empêcher l'air de soulever les roues de la voiture et de la rendre instable à haute vitesse. Bien que, comme vous le lirez plus tard, la plupart des spoilers que vous voyez sur les voitures sont simplement pour la décoration plus que toute autre chose..

Dans cet article, nous examinerons la physique de l'aérodynamique et de la résistance à l'air, l'histoire de la conception des voitures en tenant compte de ces facteurs et comment, avec la tendance vers des voitures plus «vertes», l'aérodynamique est maintenant plus importante que jamais.

Contenu

1. La science de l'aérodynamique
2. Le coefficient de traînée
3. Histoire de la conception aérodynamique des voitures
4. Mesure de la traînée à l'aide de souffleries
5. Modules complémentaires aérodynamiques

Avant d'examiner comment l'aérodynamique est appliquée aux automobiles, voici un petit cours de recyclage physique afin que vous puissiez comprendre l'idée de base.

Lorsqu'un objet se déplace dans l'atmosphère, il déplace l'air qui l'entoure. L'objet est également soumis à la gravité et à la traînée. Traîne est généré lorsqu'un objet solide se déplace à travers un milieu fluide tel que l'eau ou l'air. La traînée augmente avec la vitesse - plus l'objet se déplace rapidement, plus il subit de traînée.

Nous mesurons le mouvement d'un objet en utilisant les facteurs décrits dans les lois de Newton. Ceux-ci incluent la masse, la vitesse, le poids, la force externe et l'accélération.

La traînée a un effet direct sur l'accélération. L'accélération (a) d'un objet est son poids (W) moins la traînée (D) divisé par sa masse (m). N'oubliez pas que le poids est la masse d'un objet multipliée par la force de gravité qui agit sur lui. Votre poids changerait sur la lune en raison d'une moindre gravité, mais votre masse reste la même. Pour le dire plus simplement:

a = (L - D) / m

(source: NASA)

Au fur et à mesure qu'un objet accélère, sa vitesse et sa traînée augmentent, jusqu'au point où la traînée devient égale au poids - auquel cas aucune accélération supplémentaire ne peut se produire. Disons que notre objet dans cette équation est une voiture. Cela signifie qu'au fur et à mesure que la voiture roule de plus en plus vite, de plus en plus d'air pousse contre elle, limitant à quel point elle peut accélérer et la restreignant à une certaine vitesse..

Comment tout cela s'applique-t-il à la conception de voitures? Eh bien, c'est utile pour déterminer un nombre important - le coefficient de traînée. C'est l'un des principaux facteurs qui déterminent la facilité avec laquelle un objet se déplace dans l'air. Le coefficient de traînée (Cd) est égal à la traînée (D), divisée par la quantité de densité (r), multipliée par la moitié de la vitesse (V) au carré multipliée par la surface (A). Pour rendre cela plus lisible:

Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)

[source: NASA]

Donc, de manière réaliste, quel coefficient de traînée un concepteur de voiture vise-t-il s'il fabrique une voiture avec une intention aérodynamique? Découvrez sur la page suivante.

La forme unique de la Toyota Prius est un facteur qui lui permet d'obtenir une économie de carburant incroyable. - © -iStockphoto.com / TIM MCCAIG

- -Nous venons d'apprendre que le coefficient de traînée (Cd) est un chiffre qui mesure la force de la résistance de l'air sur un objet, comme une voiture. Maintenant, imaginez la force de l'air poussant contre la voiture alors qu'elle se déplace sur la route. À 70 miles par heure (112,7 kilomètres par heure), il y a quatre fois plus de force travaillant contre la voiture qu'à 35 miles par heure (56,3 kilomètres par heure) [source: Elliott-Sink].

Les capacités aérodynamiques d'une voiture sont mesurées à l'aide du coefficient de traînée du véhicule. Essentiellement, plus le Cd est bas, plus une voiture est aérodynamique et plus elle peut se déplacer facilement à travers la paroi d'air poussant contre elle..

Regardons quelques nombres Cd. Vous vous souvenez des vieilles Volvo carrées des années 70 et 80? Une vieille berline Volvo 960 atteint un Cd de 0,36. Les nouvelles Volvos sont beaucoup plus élégantes et courbées, et une berline S80 atteint un Cd de 0,28 [source: Elliott-Sink]. Cela prouve quelque chose que vous avez peut-être déjà pu deviner - des formes plus lisses et plus profilées sont plus aérodynamiques que les formes carrées. Pourquoi est-ce exactement?

Regardons la chose la plus aérodynamique de la nature - une larme. La larme est lisse et ronde de tous les côtés et se rétrécit en haut. L'air circule autour de lui en douceur lorsqu'il tombe au sol. C'est la même chose avec les voitures - les surfaces lisses et arrondies permettent à l'air de circuler dans un flux sur le véhicule, réduisant la «poussée» de l'air contre le corps.

Aujourd'hui, la plupart des voitures atteignent un Cd d'environ 0,30. Les VUS, qui ont tendance à être plus carrés que les voitures parce qu'ils sont plus grands, accueillent plus de personnes et ont souvent besoin de grilles plus grandes pour refroidir le moteur, ont un Cd de 0,30 à 0,40 ou plus. Les camionnettes - une conception volontairement carrée - se déplacent généralement autour de 0,40 [source: Siuru].

Beaucoup ont remis en question le look «unique» de la Toyota Prius hybride, mais il a une forme extrêmement aérodynamique pour une bonne raison. Entre autres caractéristiques efficaces, son Cd de .26 lui permet d'atteindre un kilométrage très élevé. En fait, réduire le Cd d'une voiture de seulement 0,01 peut entraîner une augmentation de 0,2 mile par gallon (0,09 kilomètre par litre) de la consommation de carburant [source: Siuru].

Sur la page suivante, nous examinerons l'histoire de la conception aérodynamique.

Ces voitures anciennes montrent à quel point l'aérodynamique des véhicules était mal connue au début du XXe siècle. © -iStockphoto.com / John W. DeFeo

Alors que les scientifiques sont plus ou moins conscients de ce qu'il faut pour créer des formes aérodynamiques depuis longtemps, il a fallu un certain temps pour que ces principes soient appliqués à la conception automobile..

Il n'y avait rien d'aérodynamique dans les premières voitures. Jetez un œil au modèle T phare de Ford - il ressemble plus à une calèche sans les chevaux - un design très carré, en effet. Beaucoup de ces premières voitures n'avaient pas à se soucier de l'aérodynamisme car elles étaient relativement lentes. Cependant, certaines voitures de course du début des années 1900 incorporaient des caractéristiques effilées et aérodynamiques à un degré ou à un autre..

En 1921, l'inventeur allemand Edmund Rumpler a créé le Rumpler-Tropfenauto, qui se traduit par «voiture en forme de larme». Basé sur la forme la plus aérodynamique de la nature, la larme, il avait un Cd de seulement .27, mais son look unique n'a jamais été captivé par le public. Une centaine seulement ont été fabriquées [source: Price].

Du côté américain, l'un des plus grands progrès en matière de conception aérodynamique est survenu dans les années 1930 avec la Chrysler Airflow. Inspiré par les oiseaux en vol, l'Airflow a été l'une des premières voitures conçues avec l'aérodynamisme à l'esprit. Bien qu'il utilisait des techniques de construction uniques et avait une répartition du poids de près de 50 à 50 (répartition égale du poids entre les essieux avant et arrière pour une meilleure maniabilité), un public fatigué de la Grande Dépression n'est jamais tombé amoureux de son look non conventionnel et de la voiture. était considéré comme un flop. Pourtant, son design épuré était bien en avance sur son temps.

Au cours des années 1950 et 1960, certaines des plus grandes avancées de l'aérodynamique automobile sont venues de la course. À l'origine, les ingénieurs ont expérimenté différentes conceptions, sachant que des formes profilées pouvaient aider leurs voitures à aller plus vite et à mieux se comporter à haute vitesse. Cela a finalement évolué vers une science très précise de la fabrication de la voiture de course la plus aérodynamique possible. Les spoilers avant et arrière, les nez en forme de pelle et les kits aérodynamiques sont devenus de plus en plus courants pour permettre à l'air de circuler sur le dessus de la voiture et pour créer l'appui nécessaire sur les roues avant et arrière [source: Formula 1 Network].

Du côté des consommateurs, des entreprises comme Lotus, Citroën et Porsche ont développé des conceptions très simplifiées, mais celles-ci étaient principalement appliquées aux voitures de sport hautes performances et non aux véhicules de tous les jours pour le conducteur ordinaire. Cela a commencé à changer dans les années 1980 avec l'Audi 100, une berline de passagers avec un Cd alors inouï de 0,30. Aujourd'hui, presque toutes les voitures sont conçues avec l'aérodynamisme à l'esprit d'une certaine manière [source: Edgar].

Qu'est-ce qui a aidé ce changement à se produire? La réponse: la soufflerie. Sur la page suivante, nous explorerons comment la soufflerie est devenue vitale pour la conception automobile.

Les voitures (et les avions) font tester leur aérodynamisme dans des souffleries - - © -iStockphoto.com / Kiyoshi Takahase Segundo

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Pour mesurer l'efficacité aérodynamique d'une voiture en temps réel, les ingénieurs ont emprunté un outil à l'industrie aéronautique: la soufflerie.

En substance, une soufflerie est un tube massif avec des ventilateurs qui produisent un flux d'air sur un objet à l'intérieur. Cela peut être une voiture, un avion ou tout autre élément dont les ingénieurs ont besoin pour mesurer la résistance de l'air. Depuis une pièce derrière le tunnel, les ingénieurs étudient la façon dont l'air interagit avec l'objet, la façon dont les courants d'air circulent sur les différentes surfaces.

La voiture ou l'avion à l'intérieur ne bouge jamais, mais les ventilateurs créent du vent à différentes vitesses pour simuler des conditions réelles. Parfois, une vraie voiture ne sera même pas utilisée - les concepteurs s'appuient souvent sur des modèles réduits de leurs véhicules pour mesurer la résistance au vent. Lorsque le vent se déplace sur la voiture dans le tunnel, des ordinateurs sont utilisés pour calculer le coefficient de traînée (Cd).

Les souffleries n'ont vraiment rien de nouveau. Ils existent depuis la fin des années 1800 pour mesurer le débit d'air au cours de nombreuses premières tentatives d'avions. Même les frères Wright en avaient un. Après la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs de voitures de course à la recherche d'un avantage sur la concurrence ont commencé à les utiliser pour évaluer l'efficacité de l'équipement aérodynamique de leurs voitures. Cette technologie a ensuite fait son chemin dans les voitures particulières et les camions.

Cependant, ces dernières années, les grandes souffleries de plusieurs millions de dollars sont de moins en moins utilisées. Les simulations informatiques commencent à remplacer les souffleries comme le meilleur moyen de mesurer l'aérodynamique d'une voiture ou d'un avion. Dans de nombreux cas, les souffleries sont principalement appelées à s’assurer que les simulations informatiques sont exactes [source: Day].

Beaucoup pensent que l'ajout d'un spoiler à l'arrière d'une voiture est un excellent moyen de la rendre plus aérodynamique. Dans la section suivante, nous examinerons différents types d'add-ons aérodynamiques aux véhicules, et examinerons leurs rôles dans les performances et l'amélioration de la consommation de carburant..

Les voitures de Formule 1 sont conçues de manière aérodynamique pour générer une force d'appui maximale. - © --iStockphoto.com / Tan Kian Khoon

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L'aérodynamique ne se limite pas à la traînée - il existe également d'autres facteurs appelés portance et appui. Ascenseur est la force qui s'oppose au poids d'un objet et le soulève en l'air et le maintient là. Appui est l'opposé de la portance - la force qui pousse un objet dans la direction du sol [source: NASA].

Vous pensez peut-être que le coefficient de traînée sur une voiture de course de Formule 1 serait très faible - une voiture super aérodynamique est plus rapide, non? Pas dans ce cas. Une voiture F1 typique a un Cd d'environ 0,70.

Pourquoi ce type de voiture de course est-il capable de rouler à des vitesses de plus de 200 milles à l'heure (321,9 kilomètres à l'heure), mais pas aussi aérodynamique que vous pourriez l'avoir deviné? C'est parce que les voitures de Formule 1 sont conçues pour générer autant d'appuis que possible. À la vitesse à laquelle ils se déplacent et avec leur poids extrêmement léger, ces voitures commencent en fait à se soulever à certaines vitesses - la physique les oblige à décoller comme un avion. De toute évidence, les voitures ne sont pas destinées à voler dans les airs, et si une voiture décolle, cela pourrait signifier un accident dévastateur. Pour cette raison, la force d'appui doit être maximisée pour maintenir la voiture au sol à des vitesses élevées, ce qui signifie qu'un Cd élevé est nécessaire..

Les voitures de Formule 1 y parviennent en utilisant des ailes ou des spoilers montés à l'avant et à l'arrière du véhicule. Ces ailes canalisent le flux dans des courants d'air qui pressent la voiture vers le sol - mieux connu sous le nom de force d'appui. Cela maximise la vitesse dans les virages, mais il doit être soigneusement équilibré avec la portance pour permettre également à la voiture la quantité appropriée de vitesse en ligne droite [source: Smith].

De nombreuses voitures de série incluent des ajouts aérodynamiques pour générer une force d'appui. Alors que la supercar Nissan GT-R a été quelque peu critiquée dans la presse automobile pour son apparence, l'ensemble du corps est conçu pour canaliser l'air au-dessus de la voiture et en arrière à travers le becquet arrière de forme ovale, générant beaucoup d'appui. La 599 GTB Fiorano de Ferrari est dotée de montants B à contreforts volants conçus pour canaliser l'air vers l'arrière également - ceux-ci aident à réduire la traînée [source: Classic Driver].

Mais vous voyez beaucoup de spoilers et d'ailes sur les voitures de tous les jours, comme les berlines Honda et Toyota. Est-ce que ceux-ci ajoutent vraiment un avantage aérodynamique à une voiture? Dans certains cas, cela peut ajouter un peu de stabilité à haute vitesse. Par exemple, l'Audi TT d'origine n'avait pas de becquet sur son couvercle de coffre arrière, mais Audi en a ajouté un après que son corps arrondi a été trouvé pour créer trop de portance et peut avoir été un facteur dans quelques épaves [source: Edgar].

Dans la plupart des cas, cependant, boulonner un gros becquet à l'arrière d'une voiture ordinaire n'aidera pas beaucoup les performances, la vitesse ou la maniabilité, voire pas du tout. Dans certains cas, cela pourrait même créer plus de sous-virage ou de réticence à prendre un virage. Cependant, si vous pensez que le becquet géant a fière allure sur le coffre de votre Honda Civic, ne laissez personne vous dire le contraire..

Pour plus d'informations sur l'aérodynamique automobile et d'autres sujets connexes, passez à la page suivante et suivez les liens.

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Plus de liens intéressants

• NASA - Guide du débutant en aérodynamique
• NASA - Le coefficient de traînée
• Division NASA Advanced Supercomputing (NAS) - Aérodynamique en course automobile
• Symscape - Aérodynamique de Formule 1

Sources

• Pilote classique. "La Ferrari 599 GTB Fiorano." (9 mars 2009) http://www.classicdriver.com/uk/magazine/3300.asp?id=12863
• Day, Dwayne A. «Advanced Wind Tunnels». Centennial of Flight Commission des États-Unis. (9 mars 2009) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/advanced_wind_tunnels/Tech36.htm
• Edgar, Julian. "L'aérodynamique des voitures a calé." Vitesse automatique. (9 mars 2009) http://autospeed.com/cms/A_2978/article.html
• Elliott-Sink, Sue. «Améliorer l'aérodynamique pour augmenter la consommation de carburant». Edmunds.com. 2 mai 2006. (9 mars 2009) http://www.edmunds.com/advice/fueleconomy/articles/106954/article.html
• Réseau de Formule 1. "Williams F1 - Histoire de l'aérodynamique: évolution de l'aérodynamique." (9 mars 2009) http://www.f1network.net/main/s107/st22394.htm
• NASA. "Guide du débutant à l'aérodynamique." 11 juillet 2008. (9 mars 2009) http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html
• NASA. «Le coefficient de traînée». 11 juillet 2008. (9 mars 2009)
• http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/dragco.html
• Prix, Ryan Lee. "Cheating Wind - Guide de la technologie aérodynamique et des acheteurs: l'art de l'aérodynamique et de l'automobile." Magazine automobile européen. (9 mars 2009) http://www.europeancarweb.com/tech/0610_ec_aerodynamics_tech_buyers_guide/index.html
• Siuru, Bill. "5 faits: aérodynamique des véhicules." GreenCar.com. 13 octobre 2008. (9 mars 2009) http://www.greencar.com/articles/5-facts-vehicle-aerodynamics.php
• Smith, riche. «Aérodynamique de Formule 1». Symscape. 21 mai 2007. (9 mars 2009) http://www.symscape.com/blog/f1_aero