C'est désagréable d'y penser, mais imaginez ce qui se passerait si vous conduisiez votre voiture dans un mur de briques à 65 milles à l'heure (104,6 kilomètres à l'heure). Le métal se tordrait et se déchirerait. Le verre se briserait. Les airbags éclateraient pour vous protéger. Mais même avec toutes les avancées 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 » que les voitures sont conçues pour traverser, 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 lors de journées exceptionnellement venteuses, la résistance à l'air (les forces agissant sur un objet en mouvement par l'air -- également définies comme traînée ) a un effet considérable sur la façon dont une voiture accélère, gère et consomme du 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]. Pendant plusieurs décennies, les voitures ont été conçues en pensant à l'aérodynamisme, et les constructeurs automobiles ont mis au point une variété d'innovations qui facilitent la traversée de ce "mur" d'air et ont 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 obtenir de meilleurs chiffres d'économie de carburant car le moteur n'a pas à travailler aussi dur pour pousser la voiture à travers le mur d'air.
Les ingénieurs ont développé plusieurs façons de le faire. 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 incluent également un spoiler -- également appelé aileron arrière -- pour empêcher l'air de soulever les roues de la voiture et de la rendre instable à grande 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 qu'autre chose.
Dans cet article, nous examinerons la physique de l'aérodynamique et de la résistance à l'air, l'histoire de la façon dont les voitures ont été conçues en tenant compte de ces facteurs et comment, avec la tendance vers des voitures "plus vertes", l'aérodynamique est maintenant plus importante que jamais.
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Avant d'aborder la façon dont l'aérodynamique est appliquée aux automobiles, voici un petit cours de physique de remise à niveau 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. Faites glisser est généré lorsqu'un objet solide se déplace dans 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 à cause de la gravité moindre, mais votre masse resterait 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'à mesure que la voiture roule de plus en plus vite, de plus en plus d'air la pousse, limitant son accélération supplémentaire et la limitant à une certaine vitesse.
Comment tout cela s'applique-t-il à la conception automobile ? 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 la densité (r), fois la moitié de la vitesse (V) au carré fois 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-le sur la page suivante.
Nous venons d'apprendre que le coefficient de traînée (Cd) est un chiffre qui mesure la force de 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 milles à l'heure (112,7 kilomètres à l'heure), il y a quatre fois plus de force contre la voiture qu'à 35 milles à l'heure (56,3 kilomètres à l'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 le mur d'air qui la pousse.
Regardons quelques numéros de CD. Vous souvenez-vous des vieilles voitures Volvo carrées des années 1970 et 1980 ? Une vieille berline Volvo 960 atteint un Cd de 0,36. Les nouvelles Volvo sont beaucoup plus élégantes et sinueuses, 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 - les 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 sur tous les côtés et se rétrécit vers le haut. L'air circule doucement autour de lui lorsqu'il tombe au sol. C'est la même chose avec les voitures :les surfaces lisses et arrondies permettent à l'air de circuler en un flux au-dessus du véhicule, réduisant ainsi 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, peuvent accueillir plus de personnes et ont souvent besoin de grilles plus grandes pour aider à refroidir le moteur, ont un Cd de 0,30 à 0,40 ou plus. Les camionnettes - une conception carrée à dessein - coûtent généralement environ 0,40 [source :Siuru].
Beaucoup ont remis en question l'apparence "unique" de la Toyota Prius hybride, mais elle 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 l'économie de carburant [source :Siuru].
Sur la page suivante, nous examinerons l'histoire de la conception aérodynamique.
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 coup d'œil au modèle T séminal de Ford - il ressemble plus à une calèche moins 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 la 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 0,27, mais son look unique n'a jamais séduit le public. Seulement environ 100 ont été fabriqués [source :Price].
Du côté américain, l'un des plus grands progrès en matière de conception aérodynamique a eu lieu dans les années 1930 avec la Chrysler Airflow. Inspirée des oiseaux en vol, l'Airflow a été l'une des premières voitures conçues dans un souci d'aérodynamisme. Bien qu'elle ait utilisé des techniques de construction uniques et une répartition du poids de près de 50-50 (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 la voiture était considéré comme un flop. Pourtant, son design épuré était bien en avance sur son temps.
Au début des années 1950 et 1960, certaines des plus grandes avancées en matière d'aérodynamique automobile provenaient 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 grande vitesse. Cela a finalement évolué vers une science très précise consistant à fabriquer 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 maintenir la circulation de l'air sur le dessus de la voiture et 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 rationalisées, 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 tourisme avec un Cd alors inédit de 0,30. Aujourd'hui, presque toutes les voitures sont conçues en tenant compte de l'aérodynamisme d'une manière ou d'une autre [source :Edgar].
Qu'est-ce qui a aidé ce changement à se produire? La réponse :La soufflerie. Sur la page suivante, nous verrons comment la soufflerie est devenue vitale pour la conception automobile.
Pour mesurer l'efficacité aérodynamique d'une voiture en temps réel, les ingénieurs ont emprunté un outil à l'industrie aéronautique :la soufflerie.
Essentiellement, une soufflerie est un tube massif avec des ventilateurs qui produisent un flux d'air sur un objet à l'intérieur. Il peut s'agir d'une voiture, d'un avion ou de tout autre élément dont les ingénieurs ont besoin pour mesurer la résistance de l'air. Depuis une pièce située 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 exacts de leurs véhicules pour mesurer la résistance au vent. Lorsque le vent se déplace au-dessus de la voiture dans le tunnel, des ordinateurs sont utilisés pour calculer le coefficient de traînée (Cd).
Les souffleries ne sont vraiment pas nouvelles. Ils existent depuis la fin des années 1800 pour mesurer le débit d'air lors 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 vers 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 meilleur moyen de mesurer l'aérodynamique d'une voiture ou d'un avion. Dans de nombreux cas, les souffleries sont principalement sollicitées pour s'assurer que les simulations informatiques sont exactes [source :Day].
Beaucoup pensent que l'ajout d'un aileron à l'arrière d'une voiture est un excellent moyen de la rendre plus aérodynamique. Dans la section suivante, nous examinerons différents types d'ajouts aérodynamiques aux véhicules, et examinerons leurs rôles dans les performances et la fourniture d'une meilleure consommation de carburant.
L'aérodynamique ne se limite pas à la simple traînée - il existe également d'autres facteurs appelés portance et force d'appui. Ascenseur est la force qui s'oppose au poids d'un objet et l'élève dans les airs et l'y maintient. Appui est l'opposé de la portance -- la force qui pousse un objet en direction du sol [source :NASA].
Vous pensez peut-être que le coefficient de traînée d'une voiture de course de Formule 1 serait très faible -- une voiture super-aérodynamique est plus rapide, n'est-ce pas ? Pas dans ce cas. Une F1 typique a un Cd d'environ 0,70.
Pourquoi ce type de voiture de course est-il capable de rouler à plus de 200 milles à l'heure (321,9 kilomètres à l'heure), mais pas aussi aérodynamique que vous auriez pu le deviner ? C'est parce que les voitures de Formule 1 sont construites pour générer autant d'appui que possible. À la vitesse à laquelle elles se déplacent et avec leur poids extrêmement léger, ces voitures commencent en fait à ressentir une portance 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, l'appui doit être maximisé pour maintenir la voiture au sol à grande vitesse, ce qui signifie qu'un Cd élevé est requis.
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 au sol - mieux connu sous le nom d'appui. Cela maximise la vitesse dans les virages, mais il doit être soigneusement équilibré avec la portance pour permettre également à la voiture d'atteindre la vitesse appropriée 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, toute la carrosserie est conçue pour canaliser l'air au-dessus de la voiture et à travers le becquet arrière de forme ovale, générant beaucoup d'appui. La 599 GTB Fiorano de Ferrari est dotée de contreforts volants conçus pour canaliser également l'air vers l'arrière, ce qui aide 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 ait créé trop de portance et peut avoir été un facteur dans quelques épaves [source :Edgar].
Dans la plupart des cas, cependant, fixer un gros spoiler à l'arrière d'une voiture ordinaire n'améliorera 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 les virages. Cependant, si vous pensez que ce 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.
