La perfectibilité de l’aérodynamique du casque
Atténuer les inconvénients de la turbulence de l’air autour du casque représente un défi aérodynamique majeur pour les motards et pour les utilisateurs se déplaçant à une vitesse élevée, comme les sportifs tels que les skieurs, les cyclistes professionnels et les pilotes de monoplace.
En effet ces inconvénients, matérialisés par des zones de décollements et de recirculation de l’air à la surface du casque, causent inconfort, instabilités et bruit, dégradant la performance en augmentant la résistance de l’air et en perturbant la disponibilité mentale et musculaire nécessaire au pilotage.
Quelles solutions pour atténuer ces phénomènes indésirables ? La compréhension des instabilités aérodynamiques et l’innovation dans le design de formes adaptées montrent qu’il est possible de réaliser des avancées significatives dans ces domaines.
Aérodynamique du casque : Comprendre les instabilités aérodynamiques sur une forme sphérique
L’instabilité aérodynamique aux abords d’une surface est souvent générée par la conjonction d’un écoulement insuffisamment énergisé et par la présence d’une forte divergence de la géométrie. Les lignes de flux perdent alors l’adhérence à la surface et se dispersent sous forme tourbillonnaire. Ces observations sont essentielles pour comprendre les écoulements tridimensionnels et notamment ceux autour des casques.
Pourquoi les formes sphériques sont sujettes aux instabilités ?
Les formes sphériques, comme celles des casques, sont particulièrement sujettes aux instabilités aérodynamiques. En raison de leur géométrie, l’air a tendance à se séparer de la surface, en général à l’arrière de la zone médiane correspondant à la section frontale maximale de la sphère vue dans la direction de l’écoulement.
L’importance de ce phénomène qui représente la quasi-totalité de la force de trainée qui s’oppose au mouvement est liée à l’énergie cinétique contenue dans les fines couches de l’écoulement ainsi qu’à la texture ou granulosité de la surface en elle-même.
Il y a donc une corrélation avec la vitesse et l’aspect de la surface de l’objet. La meilleure démonstration de ceci est la différence de distance très importante que l’on obtient entre le lancer d’une balle golf et celui d’une sphère de taille similaire dans les mêmes conditions. La trainée de la première est en effet largement réduite par les quelques 330 alvéoles qu’elle possède à sa surface.
Le casque est un dérivé de forme sphérique, ceci étant imposé par la précaution que cette forme doit pouvoir rouler sur le sol en cas d’accident, il présente ainsi des phénomènes aérodynamiques similaires à ceux de la sphère.
Les instabilités vont s’illustrer par la variation de la localisation où l’écoulement se détache, conduisant à une résultante des forces de pression exercées qui verra son point d’application se déplacer très rapidement dans le temps à la surface de l’objet. Retenons également que ces zones de recirculations tourbillonnaires sont également un lieu de génération acoustique de bruits indésirables.
Conséquences des turbulences et des décollements sur l’ensemble tête casque
Les turbulences de l’air autour d’un casque créent donc des fluctuations de pression qui se traduisent par du bruit. Ces fluctuations sont causées par des variations rapides de la vitesse et de la direction de l’air, générant des ondes sonores qui pénètrent dans le casque.
Elles peuvent aussi augmenter considérablement l’effort musculaire nécessaire pour maintenir la tête en position. Lorsque l’air turbulent agite et déstabilise le casque, il engendre des forces variables qui nécessitent des ajustements constants de la part des muscles du cou et des épaules.
Ces contraintes de bruit et d’effort musculaire conduisent à une fatigue accrue, ce qui peut réduire la performance globale et la réactivité de l’utilisateur. Dans des activités comme le ski de vitesse et la moto, les turbulences peuvent atteindre des niveaux élevés, affectant également la concentration. Pour les cyclistes, les turbulences augmentent la résistance à l’air, nécessitant plus d’effort pour maintenir la vitesse. Pour les sports extrêmes comme le wingsuit, les turbulences peuvent compromettre la sécurité en perturbant la stabilité en vol.
Solutions pour réduire les turbulences : étude de formes spécifiques
Les effets de la turbulence varient selon le type de casque et l’activité pratiquée. Ainsi les solutions d’amélioration porteront sur des objectifs distincts. Pour les casques de cyclistes professionnels, ce sera souvent un objectif de réduction de traînée de l’ensemble coureur et vélo. Pour les casques destinés aux hautes vitesses, la stabilité, la tolérance au vent latéral et l’atténuation du bruit seront également à prendre en compte.
Importance du design aérodynamique du casque
Certaines formes spécifiques ont prouvé leur efficacité pour réduire les turbulences. Par exemple, les casques avec une forme profilée et des bords arrondis permettent un écoulement d’air plus fluide. Les casques de vélo de contre-la-montre, avec leur design allongé, sont un bon exemple de cette optimisation qui permet une réduction de traînée du casque de plus de 10% par rapport à un casque conventionnel. De même, les casques de moto avec des spoilers intégrés aident à stabiliser efficacement la zone de décollements tout en améliorant également la traînée. Leur généralisation dans la compétition moto, telle la motoGP ou le SuperBike, en est la démonstration.
Il existe aussi les turbulateurs qui sont des dispositifs aérodynamiques conçus pour transformer l’écoulement laminaire de l’air en écoulement turbulent dans la fine couche des lignes de flux qui suivent au plus près la surface du casque. Cette couche ‘limite’ devenue ainsi turbulente se caractérise par le recul du point de décollement, donc par la diminution de la zone de recirculation, et apporte ainsi un gain en traînée, une réduction du bruit et un meilleur contrôle de la zone d’instabilité. Ces turbulateurs peuvent être intégrés sous forme de petites crêtes ou de bandes adhésives placées stratégiquement sur la surface du casque.
Développement, optimisation et dimensionnement de l’Aérodynamique du casque par simulation CFD
Le design, la conception et le dimensionnement par calcul utilisent des outils de simulation comme la CFD (dynamique des fluides numérique) pour modéliser et analyser l’écoulement de l’air autour du casque. Ces simulations permettent d’optimiser la forme du casque dans ses moindres détails ainsi que son intégration et son positionnement dans l’ensemble utilisateur et véhicule. La circulation de l’air à l’intérieur du casque est également prise en compte. La CFD offre aussi la visualisation des trajectoires de l’écoulement et des zones de recirculation. Enfin, elle permet de tester et de développer de multiples configurations sans avoir à construire un prototype physique, apportant ainsi un avantage économique pour le fabriquant du casque.
Enfin, il pourrait être possible d’innover par l’apport de dispositifs aérodynamique variables en fonction de la vitesse. Ceci contribuerait encore davantage à l’amélioration des performances et du confort, que ce soit par la réduction de la traînée, la diminution du bruit ou l’augmentation de la stabilité.
