(1/2) L'aérodynamisme de mon auto : ça veut dire quoi ?

Bienvenue dans cet article consacré à l’aérodynamisme de votre auto. Pour des raisons de clarté, ce sujet est abordé en 2 articles séparés :

L’aérodynamisme de mon auto : ça veut dire quoi ? (vous êtes au bon endroit)
L’aérodynamisme de mon auto : comment l’améliorer ? (suivre ce lien)

L’aérodynamisme, l’air qui te résiste

L’aérodynamisme et l’aérodynamique sont des mots que vous avez probablement entendu parler. Le 1^er est une variable qui qualifie le comportement d’un objet (ici une auto) d’un point de vue aérodynamique.
Le 2^d est l’étude de l’écoulement de l’air et de ces phénomènes autour d’un objet.

Quand une voiture roule, elle se déplace dans un fluide (l’air) et vient le perturber. Tout d’abord la voiture subit une force de résistance liée à sa vitesse et à sa forme. Ensuite l’air perturbé par le passage de la voiture s’écoule autour de celle-ci en provoquant différents phénomènes aérodynamiques.

La traînée est la résistance aérodynamique à l’avancement. C’est une force qui s’oppose à l’avancement de la voiture dans l’air. Elle s’écrit :

aérodynamisme traînée — – ρ la masse volumique de l’air
– V la vitesse de la voiture
– S le maître-couple (surface frontale projetée du véhicule)
– Cx le coefficient de traînée

On peut en déduire que la résistance de l’air augmente comme le carré de la vitesse. Cela veut dire que si la traînée est de 100 N à 50 km/h, celle-ci peut être de 200 N à 70 km/h. Une résistance deux fois plus importante pour seulement 20 km/h de différence !

La surface frontale : plus c’est gros moins ça passe

Dans la formule de la traînée ci-dessus, le S désigne la surface frontale de la voiture (appelé aussi maître-couple, mot qui provient de l’architecture navale). Plus la surface frontale est grande et plus la traînée est forte.
En gros la surface frontale d’une voiture est sa surface projetée dans le sens de son écoulement.

Surface projetée d’un break
Surface frontale d’un camion comparé à une voiture

On peut aussi dire que S est la taille du « trou » que le véhicule laisse dans l’air à son passage. Il est intéressant de constater que minimiser la surface frontale est un enjeu important pour améliorer l’aérodynamisme d’une auto. Bien sûr la surface frontale est conditionnée par le design de l’habitacle de la voiture. Il faut bien que les passagers aient suffisamment de place à l’intérieur.

Les six traînées : des phénomènes bien distincts

Traînées de forme : 2/3 de la traînée globale

Au moins 2/3 de la traînée globale d’un véhicule est la traînée de forme. Cette traînée de forme se scinde en deux phénomènes physiques.

La traînée d’avant-corps liée aux pressions sur l’avant-corps du véhicule (carrosserie et pare-brise). Les molécules d’air heurtent le véhicule et provoquent une augmentation de la pression de l’air. Les molécules compressées cherchent naturellement un moyen de sortir de cette zone et s’échappent sur les côtés, le dessus et le dessous de la voiture.
On peut citer le principe de Bernoulli qui dit que pour un volume d’air donné, plus les molécules d’air se déplacent vite et plus la pression d’air diminue.

trainee avant corps — *Représentation de l’augmentation de la pression de l’air à l’avant du véhicule*

La traînée de culot liée à la dépression laissée après le passage du véhicule. Celle-ci est créée par les espaces « vides d’air » quand le véhicule avance. En fait, au-delà d’une certaine vitesse, l’air à l’arrière de la voiture n’arrive plus à combler tous les espaces. Les molécules d’air font du mieux qu’elles peuvent pour remplir ces « trous » mais la voiture a toujours une longueur d’avance. Cela provoque une aspiration constante opposée à l’avancement de la voiture. On peut ajouter que les lignes de courant d’air au-dessus et en dessous du véhicule ne se rejoigne pas directement à l’arrière. Elle se rejoigne un peu plus loin d’où la création d’une dépression produisant un « ventousage » arrière très violent opposé au mouvement.

trainee culot — *Représentation des flux d’air à l’arrière et des zones de dépression*

Phénomènes aérodynamiques : 1/3 de la traînée globale

Le 1/3 restant de la traînée globale d’un véhicule est composé de quatre types de phénomènes :

La traînée de frottement ou de rugosité est liée à la façon dont l’air glisse à la surface de la carrosserie. Elle dépend de la rugosité de la carrosserie (traitement de peinture, polissage) et de ses petites aspérités.
La traînée de turbulence intervient lorsque l’air entre en contact de divers obstacles, saillies ou protubérances sur la carrosserie. On peut citer les encadrements de vitres, les rétroviseurs, les passages de roues, les coffres de toit, etc.) Les molécules d’air se séparent et créent un détachement du flux d’air. Celui-ci devient alors très turbulent et chaotique.

trainee turbulence — *Représentation de la turbulence d’un flux d’air autour d’un rétroviseur*

La traînée interne correspondant à la pénétration de l’air à l’intérieur de la carrosserie. En effet, l’air est très utile pour le refroidissement du radiateur, l’alimentation en comburant pour le moteur (60 litres d’air par seconde nécessaires pour faire fonctionner un moteur de 100 ch) et la ventilation de l’habitacle.
La traînée induite qui provient de la déportance exercée par le véhicule. Pour ceux qui veulent savoir ce que signifie la déportance, poursuivez la lecture 🙂

Le coefficient de traînée (Cx)

Nous l’avons vu en tout début d’article, la traînée dépend également du Cx ou coefficient de traînée. Là aussi, plus le Cx est important et plus la traînée le sera. Pour pouvoir comparer la traînée d’un objet par rapport à un autre, une valeur sans dimension est créée, le Cx.
Il renseigne sur la traînée globale d’un objet. En d’autres mots, c’est la capacité d’un objet (son aérodynamisme) à générer le moins de résistance possible lors de son déplacement dans l’air.

Pour déterminer le Cx d’un objet, il faut le soumettre à un test, réel ou simulé par ordinateur, de soufflerie. La voiture est posée sur un chariot relié à un dynamomètre. Une turbine souffle de l’air en direction de l’avant de la voiture. Grâce à la force exercée par le flux d’air et la force de recul du chariot, on peut déterminer le Cx du véhicule.

trainee forme — *Le Cx dépend de la forme de l’objet*

Le Cx varie de 0.05 à 1.4. Un Cx de 0.05 est obtenue par la forme la plus profilée et par un rapport parfait entre la longueur de l’objet et sa plus grande section. Un Cx de 1.4 est le pire de ce qui est possible, il s’agit d’une demi-sphère creuse, face au vent (comme un parachute).

On comprend grâce à ce schéma qu’une voiture avec un Cx élevé sera fortement freinée par l’air qui s’écoule lors de son déplacement. Encore une notion supplémentaire pour comprendre l’aérodynamisme de ton auto et sa circulation dans l’air.

Les coefficients de dérive (Cy) et de portance (Cz)

Le coefficient de traînée (Cx) est lié au comportement d’un véhicule lors de son avancement (axe x). Il existe deux autres coefficients décrivant deux comportements supplémentaires liés au déplacement d’un véhicule.

Commençons par le coefficient de dérive (Cy) ou coefficient de portance latérale. Il est généralement utilisé pour décrire le comportement d’un véhicule lors d’un dépassement ou d’un coup de vent latéral sur l’axe y. Il intervient dans la formule de la dérive ou portance latérale :

coefficient derive — *Portance latérale avec le coefficient Cy*

Ensuite le coefficient de portance (Cz) qui décrit l’appui du véhicule lié à l’aérodynamique. C’est un paramètre important de la sécurité car il concerne la tenue de route. Il apparaît donc dans la formule de la portance ou appui aérodynamique :

appui aerodynamique — *Portance ou appui aérodynamique avec le coefficient Cz*

Quand une voiture se déplace, elle doit résister à une force de portance qui tend soit à l’appuyer sur la route (phénomène de déportance ou d’appui aérodynamique). Soit à la faire décoller de la route (phénomène de portance ou de délestage). Cette force, comme la traînée, est proportionnelle au carré de la vitesse.

Une voiture classique est concernée par une légère portance due à l’air qui s’engouffre en dessous et tend à la soulever. C’est également dû à la forme de la carrosserie qui génère des zones de faibles pressions au-dessus d’elle. Cette portance réduit l’adhérence des pneumatiques et peut devenir dangereuse à haute vitesse.
Les voitures de sport sont pour cela équipées d’une carrosserie permettant de créer de l’appui aérodynamique. Elles sont plaquées au sol à haute vitesse pour améliorer la vitesse de passage en courbe. Ces autos de sport ont un meilleur aérodynamisme que les autos classiques.

Les phénomènes au-dessus d’une voiture

aerodynamisme dessus auto — *Lift est la portance et Downforce est l’appui aérodynamique.*

Grâce à ce schéma très clair on voit que l’air qui arrive sur le capot perd de sa pression. En revanche la pression de l’air augmente au niveau du pare-brise. Cela a pour effet de « soulever » le capot et de plaquer la voiture au sol avec l’appui sur le pare-brise.
Ensuite, l’air circule sur le toit où il gagne de la vitesse. Bernoulli nous permet de savoir que la pression sur le toit de la voiture diminue. Quand l’air atteint l’arrière du toit, la courbure nette de l’arrière de la voiture crée une zone de basse pression. Le véhicule reçoit au total une force de portance assez importante.

Les phénomènes en dessous d’une voiture

Il se passe également des choses en dessous d’une voiture qui roule. Si le devant de la voiture est plus bas que l’arrière, l’air va s’accélérer. On parle d’effet de sol. La pression de l’air va donc diminuer et créer une zone de basse pression. La différence de pression entre l’air au-dessus et en dessous de la voiture créera donc plus ou moins de portance. Il faut faire la somme des zones de faibles et hautes pressions pour savoir si la carrosserie de la voiture crée naturellement de l’appui ou de la portance.

Le flux d’air en passant sous la voiture accélère, la pression diminue, la voiture est plaquée au sol.
Phénomènes en dessous d’une auto. La circulation de l’air crée une force plaquant l’auto au sol

La portance et la traînée sont liées

Eh oui, je l’ai évoqué dans la partie sur la traînée. La traînée induite dépend de la déportance. Comment expliquer ceci ?
Si l’on prend un aileron, qui est comme une aile d’avion inversée, le flux d’air est perturbé. Celui-ci circule plus rapidement en dessous et crée de la déportance. Dans le même temps, ce flux d’air perturbé par l’aileron provoque de la traînée.
En visualisant le schéma ci-dessous on voit que plus l’aileron est incliné, plus la déportance est forte. Et plus la déportance est forte est plus la traînée est grande. On dit que la voiture équipée d’un aileron pénètre moins bien dans l’air.

trainee portance — *Deux ailerons avec une inclination différente – La déportance en vert et la traînée en rouge*

En soulignant cette relation entre la portance et la traînée, on soulève une réflexion. Quel est le meilleur compromis à trouver entre créer de la déportance (pour améliorer la tenue de route) et diminuer la traînée (pour diminuer la résistance à l’avancement) ?

L’aérodynamisme de ton auto : une relation avec la vitesse et la consommation

Pour résumer les notions évoquées jusqu’ici, il faut retenir que tout véhicule en mouvement perturbe son milieu. Il perturbe l’air autour de lui et en retour, l’air va perturber l’avancée de ce véhicule.
On a vu que plus le véhicule se déplace rapidement et plus il va subir de force (la traînée) s’opposant à son déplacement.
On a aussi vu que le véhicule qui génère de l’appui aérodynamique va également générer de la traînée.

Cette traînée aérodynamique évoluant au carré de la vitesse n’intervient presque pas à basse vitesse. En revanche, à partir d’une certaine vitesse, la traînée aérodynamique devient la force majeure qui s’oppose au déplacement du véhicule.
L’autre force s’opposant à l’avancée du véhicule est la force de roulement. Elle est causée par la déformation des pneus sur la chaussée. C’est la force que l’on doit combattre pour pousser une voiture en panne sèche à vitesse constante.

aerodynamisme vitesse — *La traînée aérodynamique dépend de la vitesse et la force de roulement reste constante* *– Graphique pour une valeur de Cx de 0.25*

La forme du véhicule donne une valeur de Cx et donc une traînée aérodynamique propre à cette forme. La consommation du véhicule est proportionnelle aux forces s’opposant au déplacement. Cette consommation sera donc d’autant plus forte que la vitesse et la traînée seront importantes.

En reprenant la formule de la traînée, minimiser chaque composante minimisera la traînée :

Plus le Cx sera faible, plus la consommation sera faible.
Une surface frontale S faible sera un gage de consommation faible.
Plus la vitesse sera faible, plus la consommation sera faible

Vous voilà à la fin de cet article

La 2^ème partie est rédigée et si tu veux la retrouver immédiatement, clique sur CE LIEN. En revanche, je parlerai exclusivement des meilleurs moyens pour améliorer l’aérodynamisme de votre auto (forme, pièces aérodynamiques, réglages divers). A la clé, une consommation en baisse et de la sécurité en plus 🙂 !!

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