Clothoïde - Définition
La clothoïde est une courbe transcendante plane dont la courbure est proportionnelle à l'abscisse curviligne.
Elle est également appelée spirale de Cornu, en référence à Alfred Cornu, le physicien français qui l'a inventée. Plus rarement, elle peut apparaître sous le nom de radioïde aux arcs, spirale d'Euler ou spirale de Fresnel.
Étymologie
Le mot clothoïde vient du grec klothein : filer (la laine), la forme de la courbe rappelant celle du fil qui s'enroule autour du métier à tisser. La même racine apparaît dans le nom de Clotho, celle des trois Parques qui tient le fil des destinées humaines.
Définition mathématique
La courbe peut être définie paramétriquement par l'équation suivante :
On voit que l'Intégrale de Fresnel entre en jeu dans son calcul.
On peut également la définir par une équation intrinsèque :
, où Rc représente le rayon de courbure et s l'abscisse curviligne.
Propriétés et applications
En cinématique, la propriété fondamentale de la clothoïde se traduit par " une trajectoire qui, parcourue à vitesse constante, est telle que sa courbure varie linéairement ". La force centrifuge subie par un observateur circulant de façon continue le long de cette courbe varie donc continûment.
Concrètement, elle représente la trajectoire d'une automobile se déplaçant à vitesse stabilisée et dont on tourne le volant progressivement. C'est donc la trajectoire la plus " confortable ", celle que l'on adopte pour le tracé des autoroutes. En pratique, on n'utilise cette courbe que pour assurer le raccordement progressif d'un alignement droit et d'un arc de cercle. Pour plus d'information, on se reportera à l'article sur le tracé en plan d'une route.
Cette forme est également adaptée aux fins de courbes dans les tracés des chemins de fer parce qu'un véhicule suivant ce tracé à une vitesse constante subit une accélération angulaire constante, ce qui réduit à la fois les efforts sur les rails et l'inconfort des passagers dans les voitures.
Enfin, les sabots montés sur les pylones de téléphériques, et qui supportent le cable porteur, adoptent cette forme. De fait, il est possible de faire circuler la cabine à sa vitesse maximale sur le pylone, sans incommoder les passagers.
De même cette courbe est utilisée pour les boucles verticales ou loopings dans les montagnes russes pour le confort des passagers, afin que l'accélération verticale subie soit continue.
D'autre part, une fois la clothoïde tracée, on peut en déduire des valeurs approchées d'expressions intervenant dans le calcul de la vibration résultante lors des phénomènes de diffraction. C'est la raison de l'utilisation de cette courbe par le physicien Alfred Cornu. Néanmoins, les moyens de calcul actuels l'ont fait tomber en désuétude pour cet usage.