Coefficient de traînée aérodynamique (Cd)
Le coefficient de trainée aérodynamique (Cd) est utilisé pour illustrer les facteurs de forme, de fluide agissant sur le corps et de la position du cycliste sur son vélo. Le coefficient de trainée aérodynamique (Cd) est très souvent appelé le coefficient de forme (Cx) : c’est la même chose. Il ne possède pas d’unité.
Le coefficient de trainée aérodynamique est en rapport avec :
-
La résistance aérodynamique (Ra en Newton)
-
Le produit de la pression dynamique (q en Pascal) du fluide en mouvement et de l’aire frontale projetée (Ap)
La pression dynamique représente la pression de l’air en mouvement sur le corps du cycliste. La pression dynamique (q) est définie par :
p : masse volumique de l’air / vf ² : carré de la vitesse d’écoulement du fluide sur le corps
Le coefficient de trainée aérodynamique est donc défini par l’équation suivante :
Cd : coefficient de trainée aérodynamique / Ra : Résistance aérodynamique / q : Pression dynamique / Ap : Aire frontale projetée
Exemple : Calcul d’un coefficient de trainée aérodynamique :
Paramètres utilisés : p = 1.16 kg/m³ / Vf ² = 10² m/s / Ap = 0.436 m² / Ra : 15 N
1. Calcul de la pression dynamique
q = 0.5 × 1.16 × 10²
= 58 Pascal (Pa)
2. Utiliser la formule de la trainée aérodynamique
Cd = 15 / (58 × 0.436)
= 0.60
Plus le coefficient aérodynamique est petit, plus la résistance aérodynamique est faible. Le coefficient de trainée aérodynamique dépend principalement de la vitesse d’écoulement du fluide sur le corps et de la rugosité de la surface du corps, ces deux paramètres sont dus respectivement à la trainée de pression et à la trainée de frottement. En effet, le fluide aura un impact de surpression à l’avant du cycliste et un impact de dépression à l’arrière, (comme expliqué dans la partie " Résistances Aérodynamiques ") De ce fait, cela jouera un rôle important dans la mesure du coefficient de trainée aérodynamique. De plus, cela dépendra de la rugosité de la surface du corps, en effet la trainée de frottement a un impact à ce niveau-là, du fait qu’un fluide s’attache à la surface d’un corps en mouvement et ne glisse plus, le fluide ralentit donc le cycliste, (comme expliqué dans la partie " Résistances Aérodynamique ".
Expérience : Montrer l’importance de la position pour le coefficient de trainée aérodynamique
La première expérience que nous avons réalisée a pour but de montrer l’importance du coefficient de de trainée aérodynamique dans l’air qui est lié à la position du cycliste. Pour ce faire, nous nous sommes positionnés dans une descente avec un vélo. Nous avons mesuré une longueur de 50 mètres et nous nous sommes placés à cette distance pour prendre le temps. Pour ne pas fausser les résultats avec une force extérieure, nous n’avons procuré aucune force au vélo, c’est-à-dire aucun coup de pédale et nous sommes parti à l’arrêt. Nous avons commencé par une position de type « danseuse » qui est censé prendre beaucoup l’air donc avoir un coefficient de trainée aérodynamique élevé, puis nous avons pris une position utilisée en cyclisme dans les descentes qui a pour but de diminuer le coefficient de trainée aérodynamique. Nous nous attendons à avoir un temps plus faible avec la position de « descente ». Pour être le plus précis possible, nous avons pris quatre temps et nous avons fait la moyenne. La moyenne des quatre temps pour la position « danseuse » est de 16 secondes sur 50 mètres. La moyenne des quatre temps en position de descente est de 15,07 secondes sur 50 mètres. La différence de temps entre les deux n’est que de 53 dixièmes de seconde Cette différence à l’air moindre mais si on convertit sur 10 km elle est beaucoup plus importante. Pour faire cette conversion on multiplie tout par 200. Ce qui fait passer cette différence de moins d’une seconde à 86 secondes d’écart sur une distance de 10 km. C’est donc un gain de temps pour le cycliste mais aussi un gain d’énergie, ce qui peut être très bénéfique pour le cycliste car il s’épuisera moins vite donc ses performances n’en seront que meilleur.
Expérience Bilan :
Montrer l'importance de la position sur la résistance aérodynamique en modifiant les valeurs de l’aire frontale projetée et du coefficient de trainée aérodynamique :
Le but de cette expérience est de calculer la résistance du cycliste face à l'air dans différentes position et d'en déduire l'influence de l'air sur l'avancée du sportif. Dans cette expérience nous déterminerons à l’avance le cadre dans lequel elle va se passer : une température de 10°C (soit 283 K), pression barométrique de 1025 hPa, et une humidité relative de 0%. L’expérience se réalisera avec un vent face au cycliste de 7 km/h et le cycliste aura une vitesse de 25 km/h. Le cycliste est un homme de 1,74 m et de 68 kg.
On se rend compte que pour des positions différentes, la baisse de la résistance aérodynamique peut être très importante. C’est pourquoi l’aire frontale projetée et le coefficient de trainée aérodynamique sont les résistances agissant le plus dans la résistance aérodynamique, elles sont très souvent assimilées ensemble : ApCd.