II-La pratique
Symboles et unités fondamentales
Préambule
Dans cette partie, nous développerons les expériences et les calculs d'aérodynamique que nous avons effectués tout au long de notre TPE pour démontrer l'influence des formes (aérodynamique) sur la résistance à l'air, la vitesse et la consommation d'énergie.
L'aérodynamisme est une science complexe et les formules pour déterminer différents facteurs de cette science sont nombreuses.
En préambule, et pour que vous ayez tous les outils à disposition pour comprendre notre démarche, nous allons maintenant énoncer les formules propres au domaine de l'aérodynamique. De plus, par soucis de clarté, nous allons montrer la signification des différents symboles et leur unité pour éviter de les expliquer plusieurs fois, ce qui chargerait encore plus les expressions et serait une source de confusion.
L'aérodynamisme est une science complexe et les formules pour déterminer différents facteurs de cette science sont nombreuses.
En préambule, et pour que vous ayez tous les outils à disposition pour comprendre notre démarche, nous allons maintenant énoncer les formules propres au domaine de l'aérodynamique. De plus, par soucis de clarté, nous allons montrer la signification des différents symboles et leur unité pour éviter de les expliquer plusieurs fois, ce qui chargerait encore plus les expressions et serait une source de confusion.
Symboles et unités
Écoulement (formule de Reynolds):
v : « nu », la viscosité cinématique du fluide
V : la vitesse représentative de l'écoulement en m/s
L : la distance représentative de l'écoulement en m
Aérodynamique :
V : La vitesse exprimée en m/s
S : la surface frontale ou maître-couple exprimée en m2
ρ : la masse volumique de l'air égale à 1,3 Kg/m³dans des conditions normales
d : la distance parcourue par le véhicule en mètres (m)
v : « nu », la viscosité cinématique du fluide
V : la vitesse représentative de l'écoulement en m/s
L : la distance représentative de l'écoulement en m
Aérodynamique :
V : La vitesse exprimée en m/s
S : la surface frontale ou maître-couple exprimée en m2
ρ : la masse volumique de l'air égale à 1,3 Kg/m³dans des conditions normales
d : la distance parcourue par le véhicule en mètres (m)
Formules et valeurs clés
De nombreux chercheurs travaillent dans le domaine de l'aérodynamique car l'automobile est un secteur en pleine expansion et les financements en recherche et développement sont donc nombreux. Ainsi, en travaillant dans des laboratoires en tunnels aérodynamiques, ou soufflerie, ils ont pu mettre au point des formules fondamentales à partir de leurs mesures. Ces formules permettent de calculer les forces s'exerçant sur les véhicules, telle que la force de traînée, où encore sur la perte d'énergie. Nos expériences nécessitent ces formules, nous les énonçons donc ici : |
La constante aérodynamique A
Elle est exprimée en Kg/m. Elle donne un vague aperçu du profil aérodynamique d'un objet à condition que l'on connaisse la surface frontale de ce dernier. Cette valeur est en fait surtout destinée à calculer la force de traînée d'un objet. |
La résistance de l'air ou la force de traînée F
Elle est exprimée en Newtons (N).
Cette force s'oppose à la force de traction de même formule et de même intensité (en effet, les forces exercées sur un corps s'annulent). Il s'agit de la principale force, en aérodynamique à s'opposer à l'avancée d'un solide et c'est la force que nous chercherons à déterminer durant nos expériences. Cette force permet de comparer, dans des conditions similaires, les résistances de l'air sur deux véhicules. Les deux formules présentées ci-dessus sont identiques, mais celle de droite est développée. |
Le coefficient de trainéeCette valeur, notée Cx est la plus représentative pour juger de l'aerodynamisme du véhicule.
Elle est également appelée coefficient de pénétration ou coefficient aérodynamique. Elle désigne la capacité du véhicule à réduire sa résistance à l'air (plus elle est proche de 0 et moins la force de trainée sera grande). Cette valeur permet de comparer l'aérodynamisme de plusieurs objets peu importe leur taille et leur vitesse (S et V étants au dénominateur). Contrairement à A et F qui sont des valeurs à interpréter avec précaution, le Cx est très fiable et permet de généraliser le profil aérodynamique de chaque véhicule. |
Profils aérodynamiques et Cx correspondants
Voici l'exemple du parachute :
Remarques
Remarque 1 :
Ce graphique a pour but de montrer qu'une faible augmentation de vitesse est responsable d'une grande augmentation de la force de trainée. En effet, le taux d'accroissement de cette courbe est exponentiel, ce qui signifie qu'une faible différence en abscisse (vitesses) entraîne une grande augmentation au niveau des ordonnées (force de trainée). Cela s'explique grâce au facteur V^2 de la formule de F. Le conseil donné aux automobilistes de rouler à allure réduite pour économiser leur carburant n'est donc pas une fausse affirmation visant à réduire la vitesse des automobilistes mais bien un résultat prouvé grâce aux études d'aérodynamique. |
Remarque 2:
Les graphiques ci dessous montrent qu'un véhicule peut avoir un coefficient de trainée plus faible qu'un autre, c'est à dire qu'il sera plus aérodynamique, mais avoir une résistance à l'air, à vitesse égale, plus grande en raison de sa taille. C'est ici le cas entre le Shinkansen et la peugeot 307. En effet, on voit sur les graphiques que le Shinkansen a un Cx de 0,07 et la peugeot, un Cx de 0,35. Pourtant, la force de traînée sur la Peugeot est d'environ 60 N alors qu'elle est plus grande (environ 200 N) sur le Shinkansen. Cela illustre la remarque précédente expliquant que la force de traînée est à interpréter avec recul, car elle ne décrit pas l'aérodynamisme d'un véhicule mais seulement la force de résistance à l'air qu'il subit dans une situation particulière. |
Les véhicules présentés ici serviront pour nos expériences. Ainsi, nous vous les présenterons plus en détail dans la suite de ce TPE. Il faut ici se concentrer sur le Shinkansen et la peugeot 307 (véhicules 2 et 3) qui illustrent la remarque.
Perte d'énergie due à la trainée
Lors de nos expériences que nous présenterons plus tard, nous avons également jugé intéressant de faire des recherches sur l'énergie en plus de la vitesse, pour cela il est nécessaire de connaître un théorème de l'énergie cinétique dite énergie de mouvement :
Le théorème de l'énergie cinétique
Il correspond à la perte d'énergie notée ΔEc du véhicule provoquée par la force de traînée.
En analysant cette formule nous pouvons déjà mettre évidence que quand A diminue, la perte d' énergie diminue également.
Or, A est un indicateur du profil aérodynamique d'un véhicule. Ainsi, plus le profil aérodynamique sera performant et plus A sera faible et donc plus, d'après cette formule, la perte d'énergie sera faible.
Cette formule nous permettra plus tard de calculer l'économie d’énergie acquise par les différents profils aérodynamiques.
Or, A est un indicateur du profil aérodynamique d'un véhicule. Ainsi, plus le profil aérodynamique sera performant et plus A sera faible et donc plus, d'après cette formule, la perte d'énergie sera faible.
Cette formule nous permettra plus tard de calculer l'économie d’énergie acquise par les différents profils aérodynamiques.
Tout au long de notre TPE, nous avons mis en place 3 expériences principales, ainsi qu'une étude approfondie sur des sujets concrets.
Nous avons ainsi pu mettre en évidence la relation entre l'aérodynamisme d'un véhicule, sa consommation d'énergie et sa vitesse.
Nous avons ainsi pu mettre en évidence la relation entre l'aérodynamisme d'un véhicule, sa consommation d'énergie et sa vitesse.
Expériences réalisées
EXPERIENCE 1
Protocole :
La première expérience avait pour but de mettre en évidence les écoulements de fluides autour de solides de différentes formes, ainsi que leur vitesse dans ce fluide afin d'en déduire le profil aérodynamique idéal.
Pour cela nous avons fabriquer un cône, et une sphère retournée avec le même matériau et de même masse pour rester dans des conditions similaires car la masse volumique influe sur la densité.
Nous les avons ensuite lâchés dans un grand récipient d'eau pour analyser leurs mouvements.
Avant cette expérience, nous connaissions déjà les Cx des différentes formes. Nous voulions donc mettre en évidence leur fiabilité dans cette expérience.
La première expérience avait pour but de mettre en évidence les écoulements de fluides autour de solides de différentes formes, ainsi que leur vitesse dans ce fluide afin d'en déduire le profil aérodynamique idéal.
Pour cela nous avons fabriquer un cône, et une sphère retournée avec le même matériau et de même masse pour rester dans des conditions similaires car la masse volumique influe sur la densité.
Nous les avons ensuite lâchés dans un grand récipient d'eau pour analyser leurs mouvements.
Avant cette expérience, nous connaissions déjà les Cx des différentes formes. Nous voulions donc mettre en évidence leur fiabilité dans cette expérience.
Interprétation :
De premier abord, sans s'intéresser aux différentes formules, nous pouvons observer que le cône semble le plus rapide et son onde de choc la plus faible tandis que la sphère retournée est la plus lente et son écoulement totalement désordonné.
Le profil aérodynamique de type cône semble être le plus efficace, comme le montre son Cx observable sur les fiches de référence. (Voir précedemment)
Cette expérience nous a donc permis de montrer que la valeur Cx est bien une valeur fiable.
De premier abord, sans s'intéresser aux différentes formules, nous pouvons observer que le cône semble le plus rapide et son onde de choc la plus faible tandis que la sphère retournée est la plus lente et son écoulement totalement désordonné.
Le profil aérodynamique de type cône semble être le plus efficace, comme le montre son Cx observable sur les fiches de référence. (Voir précedemment)
Cette expérience nous a donc permis de montrer que la valeur Cx est bien une valeur fiable.
Expérience de substitution
Sur la vidéo de notre expérience, nous ne sommes pas parvenu à observer les écoulements de l'eau autour des solides, voici donc une expérience de substitution le permettant mais nous n'avons pas pu la réaliser
Cette expérience montre les écoulements d'air autour d'un modèle.
A gauche, les pailles permettent un écoulement sans perturbation et les flux d'air sont visibles au moyen de talc, poudre de faible densité et donc assez légère pour être transportée par l'air.
Différents profils aérodynamique sont testés afin de déterminer l'écoulement en fonction du Cx
A gauche, les pailles permettent un écoulement sans perturbation et les flux d'air sont visibles au moyen de talc, poudre de faible densité et donc assez légère pour être transportée par l'air.
Différents profils aérodynamique sont testés afin de déterminer l'écoulement en fonction du Cx
Nous pouvons observer sur cette vidéo que pour les formes ayant un Cx relativement faible (< 0,3) comme l'aile profilée et la voiture de course, les écoulements d'air sont laminaires autour des corps.
Pour les objets aux Cx élevés (>0,5) tel que l'ancienne voiture, l'aile inclinée et le cube, les écoulements sont plutôt de type turbulent.
Enfin, la sphère présente un écoulement intermédiaire en raison de son Cx moyen : 0,47
Pour les objets aux Cx élevés (>0,5) tel que l'ancienne voiture, l'aile inclinée et le cube, les écoulements sont plutôt de type turbulent.
Enfin, la sphère présente un écoulement intermédiaire en raison de son Cx moyen : 0,47
EXPERIENCE 2
Nous ne possédions pas de moyens aussi importants que ceux des chercheurs en souffleries.
En effet, les instruments dont nous avions besoin étaient trop coûteux et comme nous voulions donner un caractère authentique à ce TPE, nous avons dû concevoir notre propre soufflerie.
Pour cela nous avons eu besoin du matériel suivant : une boîte en carton, du film plastique, la partie supérieure d'un robot de tennis de table pour faire un diffuseur et un sêche-cheveux.
En effet, les instruments dont nous avions besoin étaient trop coûteux et comme nous voulions donner un caractère authentique à ce TPE, nous avons dû concevoir notre propre soufflerie.
Pour cela nous avons eu besoin du matériel suivant : une boîte en carton, du film plastique, la partie supérieure d'un robot de tennis de table pour faire un diffuseur et un sêche-cheveux.
Nous avons également confectionné deux types de mobiles sur roues : l'un avec un coefficient de traînée fort, de près de 1,1 ( comparable à celui d'un cube ) et un autre en forme de prisme avec un coefficient de traînée inférieur à 0,5.
Nous les avons ensuite positionné face au sèche-cheveux et avons calculé leur vitesse.
Le but de cette expérience était de mettre en évidence le fait que les mobiles opposant le plus de résistance à l'air sont ceux ayant un coefficient de traînée plus important.
En effet, le vent arrivant de face, c'est le pavé qui devrait être le plus rapide car il devrait opposer le plus de résistance à l'air.
Nous les avons ensuite positionné face au sèche-cheveux et avons calculé leur vitesse.
Le but de cette expérience était de mettre en évidence le fait que les mobiles opposant le plus de résistance à l'air sont ceux ayant un coefficient de traînée plus important.
En effet, le vent arrivant de face, c'est le pavé qui devrait être le plus rapide car il devrait opposer le plus de résistance à l'air.
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Après 6 répétitions et de cette même expérience, voici les valeurs présentées et analysées :
Interprétation :
Le mobile en forme de prisme, dont le coefficient de traînée Cx était le plus faible, a été le plus lent.
On peut donc en déduire que la force qu'exerçait le vent était moindre sur ce dernier.
En d'autre termes, sa résistance à l'air est plus faible et donc sa force de traction, ou de poussée (ici confondue à F) est plus faible que celle s'exerçant sur l'autre solide.
Son profil aérodynamique est donc plus efficace
Le mobile en forme de prisme, dont le coefficient de traînée Cx était le plus faible, a été le plus lent.
On peut donc en déduire que la force qu'exerçait le vent était moindre sur ce dernier.
En d'autre termes, sa résistance à l'air est plus faible et donc sa force de traction, ou de poussée (ici confondue à F) est plus faible que celle s'exerçant sur l'autre solide.
Son profil aérodynamique est donc plus efficace
EXPERIENCE 3 : Mesure de F - la force de trainée
Dans les expériences précédentes, nous nous sommes contentés de mettre en évidence une différence de résistance à l'air des différents mobiles mais nous ne l'avions pas déterminée.
Dans cette expérience, nous avons cherché à déterminer la valeur de cette force sur chacun des prototypes que nous avons créés. Dans la formule de la force de trainée, le facteur V^2 apparaît.
Il était donc nécéssaire de déterminer la vitesse de l'air envoyé par le sèche-cheveux pour vérifier par le calcul la valeur de F que devrait nous donner l'expérience. Or, un anémomètre est un instrument de physique permettant de déterminer la vitesse d'un flux d'air. Il est donc essentiel au bon déroulement de l'expérience. Nous avons donc conçu notre propre anémomètre. Nous l'avons fabriqué grâce à des balles de tennis de table, des roues, un compteur de vélo et des barres de fer. Ainsi, nous avons pu calculer la vitesse du courant d'air (voir tableau ci-contre). |
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Une fois la vitesse du vent connue, nous avons pu mettre en place notre expérience visant à mesurer la trainée F exercée par le sèche cheveux sur les prototypes. Cela nous permettra aussi de trouver le Cx de nos mobiles sur roues.
La partie difficile de ce travail était principalement la conception de l'anémomètre (voir ci-dessus) et du dynamomètre.
En effet, le dynamomètre est un instrument de physique permettant de calculer les forces exercées sur un objet.
Nous avons réussi a en créer un grâce à un élastique, des pipettes de doliprane et des poids, ce qui semblait pourtant compliqué.
La partie difficile de ce travail était principalement la conception de l'anémomètre (voir ci-dessus) et du dynamomètre.
En effet, le dynamomètre est un instrument de physique permettant de calculer les forces exercées sur un objet.
Nous avons réussi a en créer un grâce à un élastique, des pipettes de doliprane et des poids, ce qui semblait pourtant compliqué.
Protocole expérimental
Nous avons placé notre prototype à l'intérieur de notre soufflerie et l'avons fixé sur un dynamomètre.
Nous avons ensuite introduit un sèche-cheveux à une extrémité de telle sorte que la force du courant d'air n'affecte pas le dynamomètre mais seulement le prototype sinon l'expérience serait biaisée.
La force exercée par le flux d'air venant du sèche cheveux sur le prototype le poussera en arrière, et, étant fixé au dynamomètre, celui-ci mesurera la valeur de la force F.
Nous avons ensuite introduit un sèche-cheveux à une extrémité de telle sorte que la force du courant d'air n'affecte pas le dynamomètre mais seulement le prototype sinon l'expérience serait biaisée.
La force exercée par le flux d'air venant du sèche cheveux sur le prototype le poussera en arrière, et, étant fixé au dynamomètre, celui-ci mesurera la valeur de la force F.
Malheureusement, notre sèche cheveux n'étant pas assez puissant, nous n'avons pas réussi à obtenir de valeur même avec les dynamomètres du lycée allant de 0 à 1 N, qui sont pourtant des valeurs très faibles et très précises.
Cela signifie que la force exercée sur ces prototypes est largement inférieure à 1 Newton. Or, on sait que: Donc, l'absence de résultats s'explique en raison de la très petite surface frontale (ou maître couple) des prototype S, qui rend cette force extrêmement négligeable.
En effet, on a S(pavé) = 0,0025m^2 et S(prisme) = 0,0015 m^2 La très faible vitesse occasionnée par le sèche cheveux est également responsable de cette absence de résultats. En effet, V= 3,33m/s |
Résultats et interprétation attendus :
Cette expérience aurait dû mettre en évidence que la force exercée par le flux d'air sur le mobile en forme de prisme, ayant le Cx le plus faible, était plus faible que sur l'autre qui résistait donc plus à l'air et était moins efficace...
Cette expérience aurait dû mettre en évidence que la force exercée par le flux d'air sur le mobile en forme de prisme, ayant le Cx le plus faible, était plus faible que sur l'autre qui résistait donc plus à l'air et était moins efficace...
Calculs de substitution
Grâce à des tableaux de référence, nous savions que le Cx du pavé était égal à 1,1 et celui du prisme à 0,5.
Nous pouvons ainsi déterminer la force de traînée de chacun de nos prototypes par le calcul car nous n'y sommes pas parvenus lors de notre expérience.
Nous pouvons ainsi déterminer la force de traînée de chacun de nos prototypes par le calcul car nous n'y sommes pas parvenus lors de notre expérience.
Les forces de trainée exercées par le sèche-cheveux sur les prototypes sont très faibles ( de 0,0106N à 0,0396N). Elles sont donc de 30 à 100 fois inférieures à 1 N. Ainsi, il est tout à fait logique que notre expérience se soit soldée par un échec, aucun dynamomètre non numérique n'affiche de telles valeurs. Il aurait fallu un souffleur beaucoup plus puissant et des prototypes beaucoup plus grands pour obtenir des résultats significatifs sur le dynamomètre. |
RAPPEL : Si nous nous intéressons à la force de traînée F plutôt qu'au coefficient de traînée Cx, c'est tout d'abord parce qu'il s'agit d'une valeur concrète (le Cx, en revanche a une unité arbitraire) mais également parce que pour calculer les pertes d'énergie, il est nécessaire de connaître cette force.
Expérience de substitution de l'expérience 3 possible:
Cette expérience permettrait de calculer également la force exercée par le flux d'air sur les prototypes afin de déterminer la force de traînée F mais elle semblait très compliquée à concevoir et nous n'avons pas eu le temps de la préparer.
A l' origine, cette expérience présente un prototype et un poids de même masse disposés de part et d'autre d'une balance.
Un rapporteur est fixé au centre de cette balance. Ensuite, le souffleur est placé sous le prototype, face au profil aérodynamique et la force qu'il va exercer sur lui va provoquer un déséquilibre sur la balance. L'angle obtenu sur le rapporteur va pouvoir être mesuré et la force de trainée pourra être calculée grâce à la formule suivante : F=(2β*θ)/(ρSV²)avec β la constante de Newton (1.0*10e(-3)),
θ (en °) l'angle |
Gain d'énergie des prototypes
Données :
F(prisme) = 0,0106N
F(pavé) = 0,0396N
Enonçons une nouvelle fois le théorème de l'énergie cinétique (exprimé en joule):
Considérons à présent la situation suivante : nos prototypes roulent sur 50m à une vitesse de 3,33 m/s (vitesse du vent envoyé par le sèche-cheveux)
F(prisme) = 0,0106N
F(pavé) = 0,0396N
Enonçons une nouvelle fois le théorème de l'énergie cinétique (exprimé en joule):
Considérons à présent la situation suivante : nos prototypes roulent sur 50m à une vitesse de 3,33 m/s (vitesse du vent envoyé par le sèche-cheveux)
Nous allons calculer le d'énergie des prototypes, causée par la force de traction du vent créée par le sèche cheveux
Les valeurs énergétiques étant très faibles, elles ne sont pas forcément très intéressantes à exploiter, nous nous contenterons donc d'observer que le prototype de forme pavé ayant le moins bon profil aérodynamique (ou F et Cx sont les plus forts), subit un plus faible gain d'énergie d'énergie.
Cela prouve donc qu'il éprouve moins de résistance au vent que l'autre prototype en forme de pavé.
Nous allons donc étudier des cas plus concrets et revenir à notre sujet : Le Shinkansen
Cela prouve donc qu'il éprouve moins de résistance au vent que l'autre prototype en forme de pavé.
Nous allons donc étudier des cas plus concrets et revenir à notre sujet : Le Shinkansen
Calculs de pertes d'energie à partir de cas concrets
Bien qu'ayant obtenu des résultats grâce à nos expériences, ceux-ci n'était pas significatifs et intéressants à développer. Ainsi, nous avons décidé de calculer ces valeurs sur des véhicules concrets choisis sur internet. Ainsi, nous pourrons déterminer leur résistance à l'air dans un schéma particulier (50km/h sur 100 mètres).
Afin de rendre cette étude la plus intéressante possible, nous allons procéder sur le principe de la comparaison.
De plus, la remarque qui nous semblait la plus adaptée au niveau du Shinkansen était celle en rapport avec le gain d'énergie qui est le point le plus important et le plus utile au quotidien …
Afin de rendre cette étude la plus intéressante possible, nous allons procéder sur le principe de la comparaison.
De plus, la remarque qui nous semblait la plus adaptée au niveau du Shinkansen était celle en rapport avec le gain d'énergie qui est le point le plus important et le plus utile au quotidien …
Nous avons donc fait nos calculs sur PAC CAR, peugeot 307 (notre voiture, ce qui pouvait être intéressant et aiguisa notre curiosité), ainsi que sur le Shinkansen et son ancêtre.
Tout d'abord, le théorème de l'énergie cinétique dans la mécanique newtonienne qui permet de lier l’énergie cinétique d’un système au travail des forces auxquelles celui-ci est soumis va nous permettre de calculer les pertes d'énergies occasionnées.
Calculs de ΔEc :
Pour chaque système cité ci-dessus, nous considérons que la distance parcourue est égale à 100 m et que la vitesse de chacun des mobiles est égale à 50 km/h soit 13,8m/s.
Peugeot 307:
Dans cette situation, la résistance de l'air sur la peugeot 307 est de 62, 388 N, ce qui représente pour la voiture, une perte d'énergie de 6238,81 J
Pac Car :
Dans cette situation, la résistance de l'air sur PAC CAR est de 4, 71 N, ce qui représente pour ce véhicule, une perte d'énergie de 471, 624 J
Comparaison: 6238/ 471 = 13, 2.
Ainsi, la peugeot 307 perd 13,2 fois plus d'énergie que le PAC CAR pour assurer les même performances de vitesse et de distance. Ce rapport est vrai dans toutes les situations possibles. Nous avons donc pu mettre en évidence que Pac Car économisait 5767,18 J (6238,81-471,624) par rapport à la peugeot 307 dans ce schéma. Or, nous pouvons déterminer la vitesse que le Pac Car pourrait atteindre sur une distance parcourue de 100 m avec cette énergie économisée, ce qui est une manière plus imagée de montrer l'importance de l'aérodynamisme dans l'économie d'énergie des véhicules. Cette perte peut être associer à leur surplus consommation de carburant (le PAC CAR a parcouru 10 000 Km avec un litre de pétrole, il faut plus de carburant pour faire rouler une peugeot 307 sur cette distance). |
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Nous avons ici repris le théorème de l'énergie cinétique, en remplaçant ΔEc par la différence des énergies consommées par les deux véhicules. Ainsi, nous pouvons retrouver la valeur de F, et donc de V (voir ci-dessus). On peut donc voir que l'économie d'énergie pourrait permettre au PAC CAR de développer une puissance lui permettant d'aller à 173 Km/h sur 100m, ce qui est énorme.
De même :
Calculs de Δec :
Shinkansen :
Dans cette situation, la résistance de l'air sur le Shinkansen est de 186,29 N, ce qui représente pour le TGV, une perte d'énergie de 18 629 J
Ancien train :
Dans cette situation, la résistance de l'air sur l' ancêtre du Shinkansen est de 2661,399 N, ce qui représente, pour cet ancien train, une perte d'énergie de 266139, 9 J
Comparaison: 266139,9/ 18629 = 14, 2. Ainsi, l' ancien train perd 14,2 fois plus d'énergie que le Shinkansen pour assurer les même performances de vitesse et de distance. Ce rapport est vrai dans toutes les situations possibles. De même, nous pouvons déterminer la vitesse que le Pac Car pourrait atteindre sur une distance parcourue de 100 m avec cette énergie économisée : |
Nous avons donc pu mettre en évidence que le Shinkansen économisait 241510 J (266139,9-18629) par rapport à son ancêtre dans ces conditions de vitesses et de distance.
Voir explication du calcul ci-dessus.
On peut voir que l'économie d'énergie pourrait permettre au Shinkansen de développer une puissance lui permettant d'aller à 178,848 Km/h sur 100m, ce qui est énorme quand l'on connaît les grandes forces de frottements auxquelles sont soumises les trains.
Cette courbe montre que la perte d'énergie est proportionnelle à la force de traînée. Ainsi, le constat observé sur le shinkansen est avéré car l'aérodynamisme affecte de façon importante la consommation d'énergie des différents véhicules (que ce soit une consommation d'énergie ou d'essence).
Pour conclure, nos expériences et nos calculs en rapport avec l'aérodynamique nous ont permis de mettre en évidence a quel point la forme du nez d'un véhicule est importante. En effet, cela influe profondément sur la vitesse et la consommation d'énergie du moyen de transport.
Ainsi, en donnant une forme ovoïde inspirée du bec très aérodynamique du martin-pêcheur au Shinkansen, la vitesse maximale du train a augmenté de 10 % tandis que sa consommation d'énergie a diminué de 15%.
En effet, cette forme permet à ce train de diminuer sa force de traînée grâce à un écoulement beaucoup plus laminaire de l'air sur le corps du Shinkansen, réduisant ainsi les forces de frottements qui deviennent alors presque négligeables.
Le problème de la résistance de l'air, qui représentait 90% de l'opposition à l'avancement du train a donc été résolu et le train dépense donc moins d'énergie électrique pour avancer.
Ainsi, en donnant une forme ovoïde inspirée du bec très aérodynamique du martin-pêcheur au Shinkansen, la vitesse maximale du train a augmenté de 10 % tandis que sa consommation d'énergie a diminué de 15%.
En effet, cette forme permet à ce train de diminuer sa force de traînée grâce à un écoulement beaucoup plus laminaire de l'air sur le corps du Shinkansen, réduisant ainsi les forces de frottements qui deviennent alors presque négligeables.
Le problème de la résistance de l'air, qui représentait 90% de l'opposition à l'avancement du train a donc été résolu et le train dépense donc moins d'énergie électrique pour avancer.