1.2. Explications de l’aérodynamique
1.2.1. Les forces entrant en jeu
Les forces sont un des éléments importants à prendre en compte dans l’explication de l’aérodynamisme.
L’atmosphère terrestre freine n’importe quel objet en mouvement. Cet objet subit alors une force physique appelée résistance de l’air ou traînée. D’autres forces s’exercent également sur lui. Nous prendrons l’exemple d’une voiture pour les présenter.
Dès que le véhicule se met en mouvement, 5 forces principales entrent en jeu :
- Le poids : c’est la force d’attraction exercée par la Terre sur celui-ci, qui s’exerce dans le plan vertical. Elle attire donc le véhicule vers le sol et correspond à la force de gravitation.
- La portance : elle a la même direction que le poids, mais un sens opposé. Si elle est supérieure au poids, le véhicule se soulève.
- La poussée : c’est la force horizontale qui permet au véhicule d’avancer.
- La traînée : c’est la force qui s’y oppose : elle retient le véhicule avec les frottements de l’air.
- La dérive : elle permet au véhicule de changer de direction dans le plan horizontal.
L’aérodynamisme d’un véhicule est caractérisé par trois de ces forces : la portance, la dérive, et principalement la traînée. Les éléments qui impactent ces forces doivent être optimisés afin que le véhicule soit le plus aérodynamique possible.
1.2.2. Relation entre la forme d’un objet et sa traînée
On peut calculer la résistance à l’air d’un objet : la grandeur obtenue s’appelle le coefficient de trainée de l’objet. Ce coefficient dépend de la force de trainée, de la vitesse de l’objet et de celle de l’air, ainsi que de la surface que l’objet présente face à l’air. Il est caractérisé principalement par la forme du mobile. Plus il est grand, plus la résistance à l’air est importante. Un coefficient de traînée idéal s’approche de 0.
Pour obtenir le coefficient de traînée Cx qui correspond à la forme de l’objet, on calcule le rapport entre la force de traînée Fx et le produit de la pression dynamique q avec la surface de référence du mobile S.
Cx = 
Fx : force de trainée (en Newton)
q : pression dynamique (qui représente la pression exercée par ou sur l'air) (en Pascal)
S : surface de référence (surface donnant prise au vent) (en m²)
Quand un objet se déplace dans l’air, ou quand l’air avance face à un objet, celui-ci subit donc une résistance à l’air qui varie selon sa forme.
Sur les images ci-dessus, l’air circule de gauche à droite. Lorsqu’il rencontre l’objet, il le contourne et continue vers la droite. Cependant, on peut observer que l’air ne contourne pas les objets de la même manière suivant leur forme. Cela s’explique par leurs profils aérodynamiques différents.
- Pour le pavé, l’air s’écarte beaucoup de sa trajectoire pour contourner ses extrémités, et des turbulences sont provoquées à l’arrière : cela freine l’écoulement de l’air. Il n’épouse pas sa forme, et la résistance de l’objet face à l’air est importante.
- Pour la sphère, l’air s’écarte un peu moins de sa trajectoire. Il se crée aussi de légères turbulences à l’arrière de l'objet, ce qui freine également un peu son écoulement. Il épouse donc mieux la forme de l’objet. Ainsi, sa résistance à l’air est plus faible que celle du pavé.
- Pour la forme du corps profilé, l’air s’écarte très peu de sa trajectoire, il glisse sur les parois, en épousant parfaitement ses contours. Aucune turbulence n’est occasionnée. Ainsi, la résistance à l’air est faible.
Voici un schéma présentant quelques formes d’objets et leur coefficient de trainée. La forme avec le plus petit coefficient est le corps profilé, qui se rapproche d’une goutte d’eau.
Voici quelques ordres de grandeur de coefficients de trainée :
- Pour une aile d'avion, entre 0,005 et 0,010
- Pour un coureur comme l’athlète Usain Bolt de 1,2
- Pour la Citroën DS de 0,38 ou de 0,22 pour la Mercedes-Benz Classe A
Dans tous les moyens de transport, on cherche donc à réduire au maximum le coefficient de trainée qui est une contrainte importante. Le but est de diminuer les frottements générés par l’air sur le véhicule.
Ainsi, l’optimisation du coefficient de traînée permet d’augmenter les performances d’un véhicule au niveau de sa vitesse et de sa maniabilité, mais cela permet aussi de diminuer l’énergie perdue dans les frottements avec l’air.
Cependant, les véhicules ne peuvent pas atteindre la forme la plus aérodynamique possible, car ils doivent également être dans la capacité de remplir leurs autres fonctions : il faut par exemple prendre en compte les passagers qui entraînent des contraintes de place et de confort.
Il faut donc essayer, lors de la conception des véhicules, de trouver un équilibre entre leurs fonctions principales et leurs performances aérodynamiques.