Comment calcule-t-on les forces G ?

Le 29 avril 2001, les responsables de CART (Championship Auto Racing Teams) ont annulé une course au Texas Motor Speedway parce que les pilotes ont ressenti des étourdissements après seulement 10 tours. La combinaison de vitesses élevées et de virages serrés au Texas Motor Speedway produit des forces de près de 5 G dans les virages. Un G est la force de gravité de la Terre – c’est cette force qui détermine notre poids. À 5 Gs, un conducteur subit une force égale à cinq fois son poids. Par exemple, lors d’un virage à 5 G, il y a 60 à 70 livres de force qui tirent sa tête sur le côté. Voyons comment calculer combien de Gs une voiture tire dans un virage et comment ces voitures de Champ peuvent rester sur la piste sous une telle force.

Calculer les forces G sur les pilotes est en fait assez simple. Il suffit de connaître le rayon des virages et la vitesse des voitures. Selon le Texas Motor Speedway’s Track Facts, les virages de la piste ont un rayon de 750 pieds (229 mètres). Pendant les essais, les voitures effectuaient des tours à environ 230 miles par heure (370 km/h).

Lorsqu’une voiture prend un virage, elle accélère tout le temps (c’est pourquoi, lorsque vous prenez un virage dans votre propre voiture, vous ressentez une force qui tire votre corps vers l’extérieur de la voiture). La quantité d’accélération est égale à la vitesse de la voiture au carré divisée par le rayon du virage :

Faisons les calculs :

Comment la voiture peut-elle rester sur la piste sous une telle force ? C’est à cause des virages inclinés.

Le Texas Motor Speedway présente une inclinaison de 24 degrés dans les virages. L’inclinaison n’affecte pas vraiment la façon dont nous calculons les forces G sur le conducteur, mais sans l’inclinaison, les voitures ne pourraient jamais prendre un virage aussi serré à 230 mph. Voyons comment l’inclinaison aide.

Si une Champ Car essayait de prendre un virage plat à 230 mph, elle glisserait directement hors de la piste car elle n’a pas assez de traction. La traction est proportionnelle à la quantité de poids sur les pneus (plus il y a de poids, plus il y a de traction). Le fait de prendre un virage permet à une partie des forces G créées dans le virage d’augmenter le poids sur les pneus, ce qui augmente l’adhérence. Pour déterminer quelle partie des G obtient ajoute du poids sur les pneus, vous multipliez les forces G par le sinus du degré d’inclinaison. Dans notre exemple :

Donc, avec un degré d’inclinaison de 24 degrés, 1,93 Gs ajoute du poids aux roues. En outre, une partie des 1 G provenant de la gravité terrestre pèse également sur les pneus : 1 G x cos24° = 0,91 Gs. Ensemble, 2,84 Gs (soit 2,84 fois le poids de la voiture) poussent sur la voiture pendant le virage, l’aidant à adhérer à la piste.

L’aérodynamique de la voiture crée également une force descendante importante à 230 mph. Sur un avion, les ailes assurent la portance. Une Champ Car a des spoilers qui sont comme des ailes inversées, fournissant l’opposé de la portance : la force descendante. La force d’appui maintient la voiture collée à la piste grâce à la pression vers le bas exercée par les ailes avant et arrière, ainsi que par la carrosserie elle-même. La force d’appui est étonnante : lorsque la voiture roule à 200 mph (322 km/h), la force d’appui est suffisante pour que la voiture puisse adhérer au plafond d’un tunnel et rouler à l’envers ! Dans une course sur circuit de rue, l’aérodynamique a suffisamment d’aspiration pour soulever réellement les plaques d’égout – avant la course, toutes les plaques d’égout sont soudées pour empêcher que cela ne se produise !

Entre la force descendante et les forces G, bien plus de quatre fois le poids de la voiture maintient les pneus sur la piste lorsqu’elle prend l’un de ces virages inclinés à 24 degrés à 230 mph.

Les pilotes subissent une énorme punition sur une piste comme celle-ci. Ce niveau d’accélération est supérieur à ce que la plupart des gens connaissent jamais. Même la navette spatiale ne développe que 3 G lorsqu’elle décolle. Ce qui est encore plus étonnant, c’est la durée pendant laquelle ces pilotes tolèrent ce genre de force. Le Texas Motor Speedway fait 2,4 km de long : La partie avant fait 686 m de long, et la partie arrière 405 m de long. À 230 mph (337 f/s), les conducteurs mettent environ 6,5 secondes pour descendre la ligne avant, puis ils sont soumis à une force de près de 5 G pendant les 6,5 secondes suivantes, lorsqu’ils prennent le virage. Il ne leur faut que 4 secondes pour parcourir la ligne droite arrière avant le prochain virage et 6,5 secondes supplémentaires de presque 5 Gs. Si la course prévue de 600 miles (966 km) avait eu lieu, les pilotes auraient fait des allers-retours entre 5 et presque zéro G au total 800 fois.

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