Aérodynamique : le S.Cx
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Description en une ligne : Lorsqu’un corps entre en mouvement, plusieurs forces s’exercent sur ce dernier. Certaines permettent le déplacement (la force motrice d’un moteur sur une voiture, ou encore la force musculaire sur un vélo) mais d’autres, comme la résistance au roulement ou la trainée aérodynamique, sont des forces qui s’opposent à l’avancement du corps. Cette page connaissance s’intéresse à cette dernière : la trainée aérodynamique.
Description : Afin de réduire l’impact environnemental d’un véhicule lors de la phase d’utilisation, il est nécessaire d’augmenter l’efficience de ce dernier. Autrement dit, il faut chercher à diminuer les forces résistives à l’avancement : résistance au roulement et trainée aérodynamique entre autres. Parmi les leviers permettant de minimiser la demande énergétique, l’aérodynamique joue un rôle majeur.
Comme nous pouvons le voir sur ce graphique, la trainée aérodynamique évolue de façon non linéaire : plus la vitesse est importante, plus la résistance à l’avancement sera forte. Dans le cadre de l’extrême défi, bien que les véhicules imaginés ne permettent pas d’atteindre des vitesses élevées, l’étude aérodynamique permettra de gagner en efficience et de diminuer la consommation énergétique du véhicule.
La trainée aérodynamique est constituée de deux composantes : la trainée de pression et la trainée de frottement. La première représente la différence de pression qui existe entre l'avant et l'arrière du corps en mouvement. La traînée de pression est principalement dépendante de la taille générale et de la forme du corps en mouvement. La trainée de frottement représente quant à elle la résistance qui est générée par le contact des molécules du fluide directement sur la surface du corps en mouvement. Cette résistance augmente avec la taille et la rugosité de la surface.
Point technique :
Le produit S.Cx permet de quantifier l’efficience aérodynamique d’un véhicule :
- S : surface frontale du véhicule. Pour savoir ce qu’elle représente concrètement, il suffit de dessiner le véhicule de face ; la surface frontale correspond ainsi à l’aire définie par le dessin (en rouge sur la photo ci-contre). Pour un véhicule sans carrosserie, la surface frontale prend en compte la silhouette du véhicule et celle de ses utilisateurs. Ainsi, sur un vélo, la surface frontale équivaut à la bicyclette et au cycliste.
- Cx : coefficient de trainée, ou coefficient de pénétration dans l’air. Cette valeur caractérise la capacité d’un corps à pénétrer dans un fluide (ici : l’air ambiant). Plus ce coefficient est élevé, plus le corps aura du mal à pénétrer le fluide.
Ainsi, plus le produit SCx sera faible, plus le véhicule sera efficient d’un point de vue aérodynamique, les forces résistives à l’avancement seront réduites.
Point Histoire
L’étude aérodynamique est devenue au cours des dernières décennies un point clé d’efficience. Aussi bien pour le secteur automobile que pour les cycles, l’aérodynamique permet de réduire les forces résistives et permet donc d’aller chercher des records de vitesse, d’efficience ou encore de sobriété énergétique.
Le record du nombre de kilomètres en vélo sur une heure
Cette performance vise à parcourir la plus longue distance à vélo en une heure. Pour aller chercher des records, les cyclistes ont su faire évoluer leur position sur leur vélo afin d’optimiser le Cx, ou en d’autres termes, afin d’optimiser l’écoulement de l’air autour d’eux. Comme nous pouvons le voir sur ces images où le Cx est appelé Cd, le coefficient de trainée aérodynamique est passé de 0.75 en 1972 à 0.5 en 1994.
Le record de vitesse sur vélo
Le record de vitesse sur vélo a été battu en 2008 (132,8 km/h sur 200m) grâce à l’utilisation d’un carénage permettant d’abaisser le Cx à mois de 0,1 et à diminuer drastiquement la surface frontale. Ainsi, les forces résistives s’opposant à l’avancement du cycle sont fortement réduites.
Comment minimiser la trainée aérodynamique ?
Comme vu précédemment, plus le produit SCx est bas, plus la résistance à l’avancement sera faible. Ainsi, si nous souhaitons minimiser la trainée aérodynamique d’un véhicule, il faut travailler à la réduction de ces deux facteurs : la surface frontale et le coefficient de trainée aérodynamique.
Pour diminuer la surface frontale, la hauteur et la largeur du véhicule doivent être les plus faibles possibles.
Pour diminuer le Cx, il faut optimiser le design du véhicule pour que ce dernier pénètre facilement dans l’air. Pour cela, sa silhouette doit se rapprocher le plus possible de la forme d’une goutte-d ’eau : l’avant du véhicule correspond à la partie inférieure de la goutte, l’arrière à la partie la plus effilée. Le design doit donc être épuré, sans fioriture et doit éviter les lignes saillantes. Des artifices comme les becquets, ailerons, carénages ou déflecteurs d’air sont des éléments pouvant aider à optimiser le design du véhicule, dans le but de rapprocher le design final à la forme d’une goutte d’eau. Les meilleurs exemples d’efficience aérodynamique sont visibles lors du Shell Eco Marathon, un concours ayant lieu chaque année et ayant pour but de faire le plus de kilomètres possibles avec 1L d’essence. Pour espérer gagner la compétition, les équipes misent beaucoup sur le design de leur véhicule comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous.
Sur la photo ci-contre, mettant en avant un véhicule de l’ESTACA, nous pouvons voir l’effort de l’équipe à instaurer un design de goutte d’eau, l’avant étant la partie face à nous et l’arrière étant la partie la plus profilée.
Comme précisé dans le point histoire, installer un carénage sur un vélo couché permettra de réduire drastiquement le Cx du véhicule, bien que cet ajout entraine naturellement une augmentation de la surface frontale. Le véhicule sera donc plus efficient aérodynamiquement, attention toutefois à surveiller la masse du carénage afin d’éviter une surconsommation énergétique du véhicule.
Quelques ordres de grandeurs :
- SCX Peugeot ion : 0.71 (https://www.automobile-propre.com/voitures/peugeot-ion/fiche-technique/)
- SCX Renault twizy : 0.64 (https://cdn.group.renault.com/ren/fr/product-plans/brochures/twizy/renault_twizy_brochure.pdf)
- SCx vélo : 0.4 (http://cpge-grasshopper.fr/systemes/dossier_ressources/puissance_cycliste.pdf)
Etude de cas :
Une étude de cas sur l’impact de la masse, du rendement, des pneumatiques et du Scx sur l'autonomie d’une Renault Zoe a été réalisée il y a quelques années par JC Papazian - E. Buriez (Lycée Fourcade). Elle montre la variation de l’autonomie lorsque les facteurs cités ci-dessus évoluent. En voir plus.
Références :
DEBRAUX, P. (2012, Juin 12). Méthodes d'évaluation de l'aérodynamisme en cyclisme. Récupéré sur SCI-SPORT: https://www.sci-sport.com/dossiers/methodes-d-evaluation-de-l-aerodynamisme-en-cyclisme-002.php
LECLERC, C. (2008). REDUCTION DE LA TRAINEE D’UN VEHICULE AUTOMOBILE SIMPLIFIE A L'AIDE DU CONTROLE ACTIF PAR JET SYNTHETIQUE. Toulouse: INP TOULOUSE.
Tags : SCx, aérodynamique
Thème : Véhicules intermédiaires, eXtrême Défi, Ecoles et Etudiants
Organisations impliquées dans la ressource : ADEME
Référent (individu) : Theotimemartin
Défi auquel répond cette connaissance : L'extrême défi ADEME
Communauté d’intérêt : Communauté de l'eXtrême Défi
Personnes clés à solliciter : Theotimemartin
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