La plupart des gens pensent que déterminer la traînée aérodynamique de leur véhicule nécessite une installation de 50 000 $ et une équipe d’ingénieurs. Ce n’est pas le cas. Vous pouvez réellement calculer la traînée de votre voiture en utilisant la physique de base, un chronomètre et un ami. C’est étonnamment simple si l’on élimine le jargon corporatif et si l’on s’en tient à la deuxième loi de Newton.
Le concept de base est simple. La deuxième loi de Newton stipule que la force est égale à la masse multipliée par l’accélération (F = ma ). Lorsque vous roulez à vitesse constante, la puissance du moteur se traduit par une force sur les pneus. À ce moment précis, la traînée aérodynamique qui repousse est égale à la force qui pousse vers l’avant. La force nette est nulle. Vous n’accélérez pas. Vous ne ralentissez pas. Vous êtes en équilibre.
Mettez la voiture au point mort et cet équilibre disparaît. Le moteur arrête de tirer. La gravité et la résistance au roulement prennent le dessus, mais la force dominante qui vous ralentit est la résistance de l’air. En mesurant la vitesse à laquelle vous décélérez, vous pouvez travailler en arrière pour trouver la force de traînée.
L’équation de la charge routière
Avant de vous lancer sur l’autoroute, vous devez comprendre les forces en jeu. La résistance totale au mouvement, souvent appelée force de charge routière, suit une formule spécifique :
force de charge sur route = a + bv + cv²
Ici, v est votre vitesse. Les lettres a, b et c sont des constantes qui représentent différentes résistances physiques :
- Le terme « a » : Ceci est indépendant de la vitesse. Cela provient de la résistance au roulement des pneus et de la friction interne, comme le frottement léger des plaquettes de frein ou la traînée des roulements de roue.
- Le terme « b » : Cela provient également de la friction des composants et de la résistance au roulement, bien qu’il évolue légèrement avec la vitesse.
- Le terme « c » : C’est le terme le plus important pour les passionnés. Cela représente la traînée aérodynamique. Cela dépend de votre surface frontale, de votre coefficient de traînée (Cd) et de la densité de l’air.
Notez le v² dans l’équation. La force n’augmente pas de manière linéaire ; il croît de façon exponentielle. La traînée à 70 mph est nettement plus élevée qu’à 60 mph. C’est pourquoi l’efficacité à grande vitesse est si importante.
Étant donné que la force change rapidement avec la vitesse, vous devez mesurer l’accélération sur une fenêtre très étroite. Une autonomie de 3 mph ou 5 km/h est idéale. Nous utiliserons des unités métriques pour les calculs, car elles sont plus claires.
L’expérience
Disons que votre voiture, plus vous et votre copilote, pèse 2 000 kilogrammes. Vous souhaitez tester la traînée à environ 60 mph. En métrique, cela représente environ 97,5 km/h. Il faut donc mesurer la décélération entre 100 km/h et 95 km/h.
Trouvez un long tronçon d’autoroute plat. Un faible trafic est essentiel. Choisissez une journée avec des vents calmes et une chaussée sèche. La pluie ajoute du poids et modifie l’adhérence des pneus ; le vent introduit des variables que vous ne pouvez pas contrôler.
Demandez à votre passager de rouler jusqu’à 105 km/h. Passez au neutre. Commencez à rouler en roue libre. Lorsque le compteur de vitesse atteint 100 km/h, démarrez le chronomètre. Arrêtez-le lorsque la voiture descend à 95 km/h. Faites-le plusieurs fois, peut-être en conduisant dans la direction opposée pour égaliser les légères pentes ou les rafales de vent. Enregistrez les temps.
Supposons que votre temps moyen soit de 10 secondes. Maintenant, faites le calcul.
Tout d’abord, convertissez la baisse de vitesse en mètres par seconde. Une chute de 5 km/h équivaut à 5 000 mètres par heure. Divisez par 3 600 pour obtenir des secondes. Cela représente 1,389 mètres par seconde.
S’il a fallu 10 secondes pour baisser cette vitesse, la décélération est :
1,389 m/s ÷ 10 s = 0,1389 m/s²
Maintenant, branchez-le sur F = ma.
Masse = 2 000 kg
Accélération = 0,1389 m/s²
Force = 2 000 × 0,1389 = 277,8 Newtons
Pour mettre cela en termes impériaux (puisque la plupart des passionnés américains pensent en livres), 277,8 Newtons représentent environ 60 livres de force. Cela signifie qu’à 60 mph, votre voiture lutte contre 60 livres de résistance au vent. Pour maintenir cette vitesse, votre moteur doit générer 60 livres de force au niveau des roues.
Calcul de la perte de puissance
Connaître la force est utile, mais la plupart des gens veulent connaître la perte de puissance. La puissance est simplement la force multipliée par la vitesse.
Utilisez votre vitesse moyenne pour le test : 97,5 km/h, soit 27 mètres par seconde.
Puissance (Watts) = Force (Newtons) × Vitesse (m/s)
Puissance = 278 N × 27 m/s = 7 500 watts
Convertissez cela en kilowatts et vous obtenez 7,5 kW. En puissance, cela représente environ 10 CV.
Ainsi, à 60 mph, juste pour vaincre la traînée aérodynamique et la résistance au roulement, votre voiture utilise environ 10 chevaux. Le reste de la puissance de votre moteur est destiné à des éléments tels que l’alternateur, le compresseur de climatisation et la lutte contre les frictions internes.
C’est un petit nombre, mais cela s’additionne. À 100 mph, cette force de traînée triple et la puissance nécessaire pour la surmonter augmente considérablement. C’est pourquoi une berline élégante obtient un meilleur kilométrage sur autoroute qu’un SUV carré, même s’ils ont le même moteur. L’air ne se soucie pas de la fidélité à votre marque. Il ne se soucie que de la forme et de la vitesse.
Mesurez-le une fois. Vous pourriez être surpris de voir combien d’énergie vient de… disparaître. Dans le vent.
