L’aérodynamique est l’étude de l’interaction des gaz avec les corps en mouvement. Comme le gaz que nous rencontrons le plus est l’air, l’aérodynamique s’intéresse principalement aux forces de traînée et de portance, qui sont causées par l’air passant au-dessus et autour des corps solides. Les ingénieurs appliquent les principes de l’aérodynamique à la conception de nombreuses choses différentes, y compris les bâtiments, les ponts et même les ballons de football ; cependant, la préoccupation principale est l’aérodynamique des avions et des automobiles.
L’aérodynamique entre en jeu dans l’étude du vol et la science de la construction et de l’exploitation d’un avion, ce qu’on appelle l’aéronautique. Les ingénieurs aéronautiques utilisent les principes fondamentaux de l’aérodynamique pour concevoir des avions qui volent dans l’atmosphère terrestre.
La traînée aérodynamique
La force aérodynamique la plus importante qui s’applique à presque tout ce qui se déplace dans l’air est la traînée. La traînée est la force qui s’oppose au mouvement d’un avion dans l’air, selon la NASA. La traînée est générée dans la direction du mouvement de l’air lorsqu’il rencontre un objet solide. Dans la plupart des cas, comme dans les automobiles et les avions, la traînée est indésirable car il faut de la puissance pour la surmonter. Il existe cependant certains cas où la traînée est bénéfique, comme dans le cas des parachutes, par exemple.
Pour décrire la quantité de traînée sur un objet, on utilise une valeur appelée le coefficient de traînée (cd). Ce nombre dépend non seulement de la forme de l’objet, mais aussi d’autres facteurs, comme sa vitesse et la rugosité de sa surface, la densité de l’air et le fait que l’écoulement soit laminaire (lisse) ou turbulent. Les forces qui affectent la traînée comprennent la pression de l’air contre la face de l’objet, la friction le long des côtés de l’objet et la pression relativement négative, ou aspiration, à l’arrière de l’objet. Par exemple, le cd d’une plaque plate se déplaçant dans l’air de face est d’environ 1,3, celui d’un cube de face est d’environ 1, celui d’une sphère est d’environ 0,5 et celui d’une forme de larme est d’environ 0,05. Le coefficient de traînée des automobiles modernes est compris entre 0,25 et 0,35, et celui des avions entre 0,01 et 0,03. Le calcul de cd peut être compliqué. C’est pourquoi il est généralement déterminé par des simulations informatiques ou des expériences en soufflerie.
Aérodynamique des avions
Pour surmonter les forces de traînée, un avion doit générer une poussée. Cela se fait à l’aide d’une hélice entraînée par un moteur ou d’un moteur à réaction. Lorsque l’avion est en vol en palier à une vitesse constante, la force de la poussée est juste suffisante pour contrecarrer la traînée aérodynamique.
L’air en mouvement peut également générer des forces dans une direction différente de celle de l’écoulement. La force qui empêche un avion de tomber s’appelle la portance. La portance est générée par l’aile d’un avion. Le trajet sur le sommet incurvé d’une aile est plus long que le trajet le long du fond plat de l’aile. L’air se déplace donc plus rapidement sur le dessus que sur le dessous. Toutes choses égales par ailleurs, l’air qui se déplace plus rapidement a une pression plus faible que l’air qui se déplace plus lentement, selon le principe de Bernoulli, énoncé par Daniel Bernoulli, l’un des plus importants pionniers dans le domaine de la dynamique des fluides. Cette différence permet à l’air plus lent de pousser vers le haut contre le bas de l’aile avec une plus grande force que l’air plus rapide qui pousse vers le bas contre le haut de l’aile. En vol en palier, cette force ascendante est juste suffisante pour contrebalancer la force descendante causée par la gravité.
Les forces aérodynamiques sont également utilisées pour contrôler un avion en vol. Lorsque les frères Wright ont effectué leur premier vol en 1903, ils avaient besoin d’un moyen de contrôler leur avion pour monter, descendre, s’incliner et tourner. Ils ont développé ce que l’on appelle la commande à trois axes pour le tangage, le roulis et le lacet. Le tangage (pointe du nez vers le haut ou vers le bas) est contrôlé par une gouverne de profondeur (les « volets ») située à l’arrière ou sur le bord de fuite du stabilisateur horizontal dans la section de la queue. Le roulis (inclinaison vers la gauche ou la droite) est contrôlé par des ailerons (également des volets) situés sur les bords de fuite des ailes, près des extrémités. Le lacet (pointe du nez vers la gauche ou la droite) est contrôlé par la gouverne de direction située sur le bord de fuite de la dérive dans la section de la queue. Ces commandes font appel à la troisième loi du mouvement de Newton, car elles génèrent une force en déviant le flux d’air dans la direction opposée au mouvement souhaité. Cette force est également ce qui permet aux avions de voltige de voler à l’envers.
Un pilote peut également utiliser des volets sur la section intérieure du bord de fuite de l’aile pendant le décollage et l’atterrissage. Lorsqu’ils sont en position basse, les volets augmentent à la fois la portance et la traînée pour permettre à l’avion de voler plus lentement sans décrocher. Certains avions plus grands peuvent également étendre des becs sur l’avant ou les bords d’attaque des ailes pour augmenter la portance à basse vitesse.
Lorsque l’écoulement régulier de l’air sur l’aile d’un avion est perturbé et que cela réduit la quantité de portance, un décrochage peut se produire. Selon le manuel de vol d’avion de la Federal Aviation Administration, « Cela se produit lorsque l’aile dépasse son angle d’attaque critique. Cela peut se produire à n’importe quelle vitesse, dans n’importe quelle attitude, avec n’importe quel réglage de puissance ». En général, la plupart des décrochages se produisent lorsqu’un avion se déplace trop lentement avec le nez à un angle trop élevé vers le haut. L’air ne s’écoule plus le long de l’extrados mais se détache et forme des tourbillons turbulents sur le dessus de l’aile. L’avion perd alors sa portance et commence à tomber, parfois de façon assez brutale.
Une autre chose qui peut se produire dans un avion est une vrille. L’Airplane Flying Handbook définit une vrille comme « un décrochage aggravé qui entraîne ce que l’on appelle une « autorotation » dans laquelle l’avion suit une trajectoire en tire-bouchon vers le bas. » Cela se produit généralement dans un virage lent, lorsque l’aile intérieure, plus lente, décroche et que l’aile extérieure continue à générer de la portance. « Selon Scot Campbell, candidat au doctorat en génie aérospatial à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et Donald Talleur, chef instructeur de vol adjoint à l’Institut de l’aviation de l’Université de l’Illinois, qui ont écrit un article intitulé « The Aerodynamics of a Spin » pour la Canadian Owners and Pilots Association, il peut être difficile, voire impossible, de sortir d’une vrille, surtout à basse altitude. L’une des raisons en est le danger de partir en vrille à plat, dans laquelle les deux ailes et toutes les gouvernes sont décrochées, et l’avion tombe comme une graine d’érable.
Aérodynamique des automobiles
Les automobiles ont commencé à utiliser des formes de carrosserie aérodynamiques au début de leur histoire. Alors que les moteurs devenaient plus puissants et que les voitures devenaient plus rapides, les ingénieurs automobiles se sont rendu compte que la résistance au vent nuisait considérablement à leur vitesse. Les premières voitures à adopter un aérodynamisme amélioré, ou streamlining, étaient des voitures de course et celles qui tentaient de battre le record de vitesse terrestre.
« Les rêveurs, les ingénieurs, les coureurs et les entrepreneurs étaient attirés par le potentiel des gains profonds qu’offrait l’aérodynamique », a écrit Paul Niedermeyer, auteur de « Automotive History : An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics », sur le site Web Curbside Classic. « Les efforts déployés pour y parvenir ont donné naissance à certaines des voitures les plus remarquables jamais construites, même si elles remettaient en cause les présupposés esthétiques de leur époque. »
En ce qui concerne l’aérodynamisme d’une voiture de course, le Dr Joe David, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale, et connu sous le nom de « Mr. Stock Car » à l’université d’État de Caroline du Nord, a déclaré : « La plupart des chevaux-vapeur générés par un moteur de course sont dévorés par l’air à haute pression qui pousse l’avant de la voiture et l’air à basse pression – un vide partiel – qui entraîne la voiture par l’arrière. »
Cependant, la traînée ne peut pas être la seule considération. Si la portance est souhaitable pour un avion, elle peut être dangereuse pour une automobile. Afin de conserver un meilleur contrôle pour la direction et le freinage, les voitures sont conçues de manière à ce que le vent exerce une force descendante lorsque leur vitesse augmente. Cependant, l’augmentation de cette force descendante accroît la traînée, ce qui augmente la consommation de carburant et limite la vitesse, de sorte que ces deux forces doivent être soigneusement équilibrées.
Plusieurs classes de voitures de course utilisent des ailes mobiles en forme de profilés pour ajuster la force descendante de l’air sur la voiture. Lors du réglage d’une voiture de course, il faut également tenir compte des turbulences provoquées par les autres voitures sur la piste. Il faut donc régler les ailes de la voiture de manière à produire une force descendante plus importante pendant la course que celle nécessaire pour les qualifications lorsque la voiture est seule sur la piste. C’est pourquoi les temps au tour pendant les qualifications sont généralement beaucoup plus rapides que pendant la course.
Plusieurs des principes aérodynamiques utilisés dans les courses s’appliquent également aux voitures et camions ordinaires. Les ingénieurs automobiles utilisent des simulations informatiques et des expériences en soufflerie avec des modèles réduits et des véhicules réels pour affiner l’aérodynamisme des automobiles afin qu’elles génèrent la quantité optimale de force descendante vers les roues avant et arrière avec le moins de traînée possible.
Ressources supplémentaires
- Voyez une galerie de quelques automobiles aérodynamiques vraiment cool sur le site Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- Le site Web du Smithsonian National Air and Space Museum propose des activités et des projets multimédias sur le thème « Comment les choses volent ». »
- Mesurez le coefficient de traînée de votre voiture dans une expérience sur le site Instructables.
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