31 MAI 2008 - Les pilotes les plus aérodynamiques
Il est bien entendu que la résistance de l'air est l'ennemie absolu, dans le cadre de la progression d'un kart sur un circuit, certains pilotes ont bien compris le principe, et appliquent leurs solutions pour avoir un coefficient de pénétration le plus faible possible. (Voir les photos - CT Photos - Tino Cacopardo - au bas de la page!)
Ci dessous l'explication scientifique du phénomène ( je sais qu'il y a des amateurs!) :
Un véhicule se déplace dans une masse d'air non-stationnaire, et le vent peut avoir une influence même en roulage rectiligne, du fait des turbulences. La densité de probabilité de la vitesse du vent suit approximativement une loi gaussienne, et on appelle intensité de la turbulence le ratio de l'écart-type de cette distribution à la vitesse "moyenne". Cette intensité est évidemment très faible (moins de 0.1 %) dans une soufflerie, par exemple.
L'aérodynamique d'un véhicule terrestre est fondamentalement différente de celle d'un engin volant, pour bon nombre de raisons : il faut tenir compte des contraintes pratiques (présence des roues, structure massive, ...), de la proximité du sol, de la séparation du flux, ...
La force de traînée est
Ftr = ½ \rho SCxv2
où \rho est la masse volumique de l'air, S la surface frontale et Cx le coefficient de pénétration dans l'air.
Le Cx peut être mesuré dans des souffleries, mais on obtient déjà des approximations correctes en plaçant le véhicule dans une descente de pente connue, au point mort (pour supprimer les effets de l'inertie de la chaîne de transmission), et à condition de connaître la résistance au roulement afin de déduire son effet.
L'aérodynamique d'un véhicule peut être testée sur des modèles réduits, même si cela nécessiterait en toute rigueur de respecter l'invariance des nombres de Reynolds Re = \rho v.x/\mu et de Mach Ma = v/vs, où v est la vitesse, x une dimension caractéristique du véhicule, \mu la viscosité dynamique, et vs la vitesse du son. Lorsqu'on teste un modèle réduit, x diminue, donc Re diminue à vitesse constante. Il est donc nécessaire d'augmenter la vitesse de l'écoulement, ce qui induit une erreur sur Ma. Cette erreur n'est en pratique pas trop importante, et des corrections existent. Dans le domaine de l'aéronautique, on utilise la correction de Prandtl, qui dit que le coefficient de portance C évolue selon
C'/C = (1-Ma2)-1/2
La correction est donc d'environ 1 % pour Ma = 0.14, soit une vitesse de 48 m/s.
Cette méthode n'est plus valable pour des vitesses particulièrement élevées, comme celles qui peuvent être atteintes lors de tentatives de records de vitesse terrestres, mais elle est toujours valable pour des véhicules de compétition, et devient négligeable dans les conditions de circulation classiques.
Le nombre de Reynolds, quand à lui, donne une indication sur l'importance relative des efforts de viscosité et des efforts d'inertie.
Les efforts aérodynamiques se décomposent en une composante longitudinale que l'on a déjà vue, mais aussi en une composante verticale (la portance, à laquelle on associe le Cz) et un moment autour de l'axe y. L'expression du moment nécessite de faire intervenir une longueur caractéristique. Il serait logique, puisqu'on parle d'aérodynamique, d'introduire la longueur du véhicule, mais on utilise généralement l'empattement.
L'importance relative des autres composantes (Cy, CMx, CMz) dépend de l'angle entre le vecteur vitesse du vent et l'axe longitudinal du véhicule. Ces termes sont donc négligeables en ligne droite, mais peuvent être pris en compte lorsque l'angle de lacet, l'angle d'incidence du vent et l'angle de glissement latéral ne sont pas "petits".
On considère que la participation des différents éléments à la traînée se décompose en :
- 65 % pour la traînée "de forme"
- 15 % pour la traînée "d'interférence"
- 5 % pour la traînée "interne" (refroidissement du moteur, circulation d'air dans l'habitacle, ...)
- 5 % pour la traînée "de peau"
- 10 % pour la traînée associée à la portance
La surface frontale d'un véhicule standard est typiquement égale à 0.81 fois le produit de sa largeur par sa hauteur. Ci-dessous un tableau de synthèse :
Détaillons un peu les résultats obtenus pour les voitures de tourisme : pour les petites citadines et les sportives, la surface frontale est de 1.7 à 1.85 m2. Pour les "compactes" et "moyennes", de 1.8 à 1.9 m2. Pour les grandes routières, de 1.9 à 2.1 m2.
On peut constater que le SCx d'un cyclotouriste est du même ordre de grandeur que celui d'une bonne voiture (~ 0.50 m2).
La force de portance et le moment de tangage ont une importance sur la tenue de route à haute vitesse, du fait des charges induites sur les trains qui modifient la raideur latérale des pneus. Un manque d'appui à l'avant provoque une sensation de légèreté de la direction, et réduit le potentiel d'adhérence, alors qu'un manque d'appui à l'arrière peut mener à une instabilité directionnelle.
Le Cz varie de 0.2 à 0.5 pour un véhicule de tourisme, alors que CMy vaut environ -0.05 et 0.2.
Les sensibilités de Cx et Cz à la hauteur h sous caisse sont approximativement dCx/dh = 0.5/m et dCz/dh = -0.2 m.
Le Cx "désastreux" d'une F1 est nécessaire pour obtenir les appuis permettant des vitesses de passage en courbe élevées : au plus fort de la mode "effet de sol", les efforts verticaux générés étaient de l'ordre de 22 kN (dont 20 % venaient des ailerons), ce qui permettait des accélérations supérieures à 4 g. Un aspect intéressant de ces efforts verticaux est que cela rend les performances plus sensibles à la masse. En effet, l'appui dû au poids propre devenant négligeable devant les appuis aérodynamiques, les efforts verticaux sont à peu près indépendants du poids. L'accélération latérale maximale devient alors inversement proportionnelle à la masse ...
A l'époque où les jupes étaient utilisées sur les monoplaces pour améliorer l'effet de sol, il a été constaté dans les courbes à grand rayon que les efforts latéraux sur les pneus dus à la charge aérodynamique augmentaient plus vite avec la vitesse que la force centrifuge. La vitesse dans de telles courbes n'était donc pas strictement limitée par l'adhérence, mais uniquement par la puissance du véhicule, la capacité du pilote à soutenir de telles accélérations, et la capacité des pneus à supporter une charge verticale aussi élevée. C'est donc la sensibilité du pneu à la charge verticale qui est un facteur prépondérant dans la tenue de route des F1 dans les courbes à très grande vitesse.
D'aprés Eric Cabrol. (cette explication n'engage que lui ne comptez pas sur moi pour le contredire!!!)
En pratique, voilà ce que ça donne (avec plus ou moins de conviction):
Forcément on retrouve plutôt ce genre d'attitude dans de petites catégories, là ou le moteur manque un peu de chevaux, mais en dehors de l'aspect purement aérodynamique, elle révèle aussi de la part du pilote, une motivation et une envie d'aller de l'avant. ( et surtout ça fait plaisir à papa!!!!)
à suivre...
