Les forces s'exerçant sur une automobile

Le principe de l’aérodynamique est de donner à un véhicule, une forme afin que les frottements avec l’air qu’il rencontre lors de son déplacement soient réduis le plus possible. Les constructeurs jouent donc entre une aérodynamique performante afin d’atteindre leurs objectifs (performances et faible consommation) mais également limité afin que la tenue de route du véhicule n’en sois pas affectée.

          Les forces s’exerçant sur une voiture sont :

-          La trainée

-          La portance

-          La poussée

-          Le poids

http://colleges.ac-rouen.fr/raimbourg/blog/CenC_00/index.php?post/2012/09/24/Simulation-a%C3%A9rodynamique
 
 

    Les forces non aérodynamiques

        Pour réduire la portance on peut augmenter le poids du véhicule, mais des paramètres comme l’accélération et la vitesse de pointe sont alors réduit. 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 × 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 face 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 vers l'avant du véhicule. Le point d'application est le centre de gravité du véhicule.

              La portance

             La portance est le fait que des flux d’air ont tendances à tirer le véhicule vers le haut. Les flux d’air passent sous le véhicule et ont une direction verticale, a un sens vers le haut et son point d’application est le centre de gravité du véhicule, c’est d’ailleurs cette force qui permet l’envol des avions. La voiture ressemble à une aile d'avion. En effet, elle a un dessus incurvé et un fond quasiment plat. Donc l'air qui passe dessus (courbe) doit parcourir plus de distance que celui qui est au-dessous (ligne droite) ; résultat l'air du dessus est plus rapide que celui du dessous. Cette différence de vitesse crée une dépression qui soulève la voiture. Cependant la portance ne doit pas forcément être évitée sur une voiture commune car elle permet de limiter l’usure des pneus, la consommation d’essence.

http://blogpeda.ac-poitiers.fr/lp2i-sti2d/2012/05/23/voiture-du-present-ok-mais-voiture-du-futur/

La portance Fz se calcule:

Fz = 1/2 × p × V² × S × Cz

- p masse volumique de l'air en kg/m3 (environ 1.2 kg/m3 sa masse volumique varie en fonction de la pression, de la température et du taux d’humidité)

 -V vitesse du véhicule par rapport à l'air en m/s (si le vent souffle de face, on additionne la vitesse de la voiture à celle du vent et s’il souffle de dos on soustrait la vitesse du vent a la vitesse du véhicule).

 -S surface de référence en m2 (dessous du véhicule)

 -Cz coefficient de portance

            Les constructeurs automobiles essayent donc de réduire cette portance, voir même de créer une déportance ou appui aérodynamique (augmenter l’adhérence du véhicule) pour que le véhicule ne s’envole pas. Cette déportance vas avoir pour objectif de garder la voiture au sol alors que celle-ci atteint des vitesses très élevées surtout dans les compétitions de vitesse ainsi que sur les modèles très puissant que peuvent proposer certains constructeurs.

http://www.automobile-sportive.com/technique/aerodynamique.php
 

Il existe aussi une force de dérive ou portance latérale qui peut faire dévier le véhicule.Cette force s’exerce seulement lorsqu’il y a du vent sur un des côtés du véhicule. Le véhicule a alors tendance à dévier.

            La trainée

        La trainée est en automobile, la force qui s'oppose à l'avancement du véhicule dans l'air. Cette force est donc en rapport direct avec l’aérodynamisme. Il est donc dans l'intérêt des constructeurs de diminuer la traînée, force à l'origine d'une augmentation de la consommation en carburant et d'une dégradation de la vitesse de pointe en ligne. Cette force a une direction horizontale, un sens vers l'arrière et le point d’application est le centre de gravité du véhicule.

Cette traînée Fx s'exprime:

Fx = 1/2 × p × V² × S × Cx

 - p masse volumique de l'air en kg/m3 (environ 1.2 kg/m3 sa masse volumique varie en fonction de la pression, de la température et du taux d’humidité)

 -V vitesse du véhicule par rapport à l'air en m/s (si le vent souffle de face, on additionne la vitesse de la voiture à celle du vent et s’il souffle de dos on soustrait la vitesse du vent a la vitesse du véhicule).

 -S section  transversale maximale du véhicule en m² pour approximer cette surface, on utilise la formule suivante : S = 0,9 * l * h, avec l la largeur du véhicule à l’avant, et h la hauteur totale du véhicule.

 -Cx coefficient de trainée (Le Cx des voitures varie entre 0,04 et 0,7)

 

Forme

Sphère

Demi-sphère

Cube

Corps profilé

Semi-corps profilé

Coefficient de trainée Cx

0,47

0,42

1,05

0,04

0,09

 

Par exemple un SUV (Cx = 0,38 et S = 2,70 m2) roulant à 130 km/h :

Fx = 0,5 × 1,2 × (36,11)² × 2,70 × 0,38 = 802,7 N

Une citadine (Cx = 0.3 et S = 1.75 m2) roulant à 130km/h :

Fx = 0.5 × 1,2 × (36,11)² × 1.75 × 0,3 = 410,7 N

 

Généralement la traînée se décompose en :

-          65 % pour la traînée de « forme »: due à la forte pression à l’avant du véhicule et au vide partiel laissé par le véhicule après son passage formant une traînée ayant pour conséquence de l'« aspirer » dans la direction opposée à son mouvement.

-          15 % pour la traînée de frottement, c'est la résistance des roulements du véhicule

-          5 % pour la traînée « interne » (refroidissement, moteur, circulation d’air dans l’habitacle…)

-          5 % pour la traînée de « peau » due à la viscosité de l'air.

-          10 % pour la traînée associée à la portance ou trainée « induite »

 

Pour réduire cette force les constructeurs automobiles peuvent seulement réduire la section transversale, mais c’est souvent difficile pour des questions de confort et de sécurité. Donc ils essayent essentiellement de réduire le Cx. Le Cx est étudié en soufflerie par les constructeurs automobiles.

La voiture parfaite devrait avoir la forme d'une goutte d'eau de 5 m de longueur. Elle devrait être ronde à l'avant et, vers l'arrière, aller en se resserrant sur toute sa longueur. Cependant celle-ci n’est pas réalisable, car il y a beaucoup de contraintes notamment en sécurité et en fonctionnement (la place des roues…) qui ne correspondent pas à la forme en goutte d’eau.

Les voitures courantes, elles, sont dites "tronquées" à l'arrière et, à cet endroit, l'écoulement de l'air se détache de la trajectoire normale et provoque des turbulences qui sont responsables de 20% de la résistance à l'avancement lorsque le véhicule se déplace à 90 km/h.