Savez-vous que le coefficient de traînée d'un camion est meilleur que celui d'une Formule 1 ?

Eh oui, le titre de cet article est correct : le coefficient de traînée d’un camion est meilleur que celui d’une Formule 1. Et celui de la voiture que vous conduisez au quotidien aussi. Cela peut surprendre ceux qui ne connaissent pas bien les principes de base de l’aérodynamique. Mais il y a une explication. Et, même si vous ne le croyez pas, c’est plus simple qu’il n’y paraît.

Un camion a un coefficient de traînée plus favorable qu’une Formule 1, mais une F1 présente une résistance aérodynamique plus faible

Pour bien comprendre, il faut d’abord connaître quelques concepts clés et ne pas confondre résistance aérodynamique et coefficient de traînée. Pour vous faire une idée : le coefficient de traînée d’un camion se situe entre 0,6 et 0,7, même s’il existe des exceptions comme le camion de Tesla, pour lequel on a annoncé un Cx surprenant de 0,36 ; tandis que celui d’une Formule 1 tourne autour de 1, et que celui d’une voiture de tourisme de série se situe habituellement autour de 0,30. Et plus ce coefficient de traînée est bas, mieux c’est pour obtenir une résistance aérodynamique plus faible.

Mais d’autres facteurs interviennent dans la résistance aérodynamique. Et c’est là que réside la clé : un camion a un coefficient de traînée plus favorable qu’une Formule 1, mais une F1 présente une résistance aérodynamique plus faible. Voyons cela plus en détail.

Résistance aérodynamique

La résistance aérodynamique est la force qui s’oppose au mouvement d’un objet donné (ici une voiture, un camion… ou une Formule 1) lorsqu’il se déplace dans l’air. Cette résistance se calcule à l’aide d’une formule que vous n’avez pas besoin d’apprendre. Il suffit de savoir qu’elle est le produit de facteurs comme la masse volumique de l’air, la surface frontale de l’objet, son coefficient de traînée et le carré de la vitesse de l’objet par rapport à l’air.

Comme nous comparons des objets, la masse volumique de l’air et la vitesse ne nous intéressent pas ici. Retenez simplement que la résistance aérodynamique finale d’un objet dépend, entre autres facteurs, du coefficient de traînée et de la surface frontale que l’objet présente au vent. Et ce de manière directement proportionnelle à chacun des deux.

Coefficient de traînée

Quant au coefficient de traînée, appelé aussi coefficient de résistance aérodynamique, c’est un nombre sans dimension (c’est-à-dire sans unité de mesure) associé à une surface particulière, qui quantifie la résistance d’un objet à se déplacer dans un milieu fluide (ici l’air), par comparaison avec celle d’un corps capable d’arrêter complètement le flux d’air qui le heurte.

Un mur ou une paroi frappé perpendiculairement par l’air aurait un coefficient de traînée Cx=1. Une plaque plane perpendiculaire au flux d’air dépasserait cette valeur, avec un Cx supérieur à 1,2, en raison de l’effet qui se produit derrière la plaque lorsque l’air passe. C’est pourquoi, en aérodynamique automobile, la conception de l’arrière du véhicule est si importante, et le Cx peut varier d’une voiture à l’autre simplement en modifiant cette zone.

Comme nous l’avons déjà signalé, plus le Cx est bas, mieux c’est pour la résistance aérodynamique. D’autres exemples de coefficients de traînée de corps géométriques seraient, par exemple, 0,47 pour une sphère, 0,50 pour un cône ou 1,05 pour un cube. Rappelons ce que nous disions au début : dans le cas d’une automobile conventionnelle de série, le coefficient de traînée Cx se situe entre 0,25 et 0,30 ; pour un camion, il est d’environ 0,7 ; et pour une Formule 1, avec des roues non carénées et des ailerons variables, il peut aller… de 0,7-0,8 lorsqu’elle dispute des circuits comme Monza, jusqu’à près de 1,2 à Monaco !

Nous nous concentrons maintenant uniquement sur le coefficient dans la direction de l’axe X, dans lequel se déplace le véhicule ; mais il existe aussi des coefficients aérodynamiques Cy (latéral) et Cz (vertical). Ce n’est pas directement l’objet de notre propos, mais il est bon de savoir que sur une F1, on sacrifie le Cx pour obtenir un Cz élevé (qui procure l’appui aérodynamique) en jouant sur la configuration des ailerons. C’est pourquoi, sur les circuits « rapides », où l’on cherche peu d’appui, une F1 a un meilleur coefficient aérodynamique que sur les circuits lents, où la résistance aérodynamique influe moins, mais où il est préférable que la voiture « colle » au sol, ce qui facilite le passage en virage.

La surface frontale

La surface frontale est le terme le plus facile à comprendre dans cette équation : c’est la taille de la masse d’air que l’objet doit déplacer pour avancer. Autrement dit, la surface occupée vue de face. Dans un véhicule, interviennent ici les dimensions de la carrosserie, mais aussi les rétroviseurs, les pneus…

La surface frontale d’une voiture de tourisme peut être d’environ 2 mètres carrés. Celle d’une monoplace de Formule 1 tourne autour de 1,4 mètre carré. Et celle d’un camion moderne avoisine 8 à 9 mètres carrés. Il est clair que la forme la plus efficace pour obtenir un grand espace intérieur (la forme de caisse, dans le cas d’un camion) est la moins efficace en matière de résistance aérodynamique, car c’est celle qui présente la plus grande surface frontale.

Pour améliorer l’aérodynamique, les camions utilisent par exemple des déflecteurs sur le toit. Ces déflecteurs ne modifient pas la surface frontale, mais ils modifient le coefficient de traînée. Sur une voiture de série comme l’Audi e-tron, le remplacement des rétroviseurs classiques par des rétroviseurs virtuels améliore les deux aspects : une surface frontale plus petite et un meilleur Cx.

Un autre point important lorsqu’on parle d’aérodynamique est la conception de la partie arrière du véhicule, presque aussi importante que l’avant, car il faut faire en sorte que l’air s’écoule le long de la carrosserie à l’avant et « sorte » à l’arrière de manière rapide et fluide, sans créer de turbulences ni de couches à différentes vitesses qui nuisent à l’aérodynamique. Nous ne nous attarderons toutefois pas sur ce point.

Le camion, la Formule 1 et les mathématiques

Avec ces trois concepts, il devient beaucoup plus facile de comprendre l’équation qui résout l’énoncé de cet article. En effet, le Cx d’un objet, pris seul, ne nous dit pas grand-chose s’il n’est pas associé à la section frontale.

À coefficient de traînée égal, un objet ayant une surface frontale plus grande présentera une résistance aérodynamique plus élevée. C’est pourquoi un SUV consomme davantage qu’une voiture de tourisme de même puissance, car le Cx peut être équivalent, mais le SUV présente une surface frontale plus importante.

Nous avons déjà vu qu’une Formule 1 a effectivement un coefficient de traînée moins favorable que celui d’un camion. Pourtant, sa résistance aérodynamique est plus faible, car cette résistance est directement proportionnelle au produit du coefficient de traînée (Cx) par la surface frontale (S). Si nous appelons SCx ce produit, celui d’une Formule 1 peut tourner autour de 1,4-1,5, tandis que pour un camion le SCx est environ 4 fois supérieur à celui d’une Formule 1. Bien que son coefficient de traînée soit plus favorable, la résistance aérodynamique est plus élevée.

Un autre point intéressant est l’introduction du facteur vitesse. Si vous vous en souvenez, nous avons dit que la résistance aérodynamique est proportionnelle à la masse volumique de l’air, au SCx et au carré de la vitesse. Vous pouvez utiliser le calculateur pour voir la différence de résistance aérodynamique qu’un camion doit vaincre lorsqu’il roule à sa vitesse maximale, d’environ 100 km/h, et celle qu’une Formule 1 doit vaincre en roulant au triple de cette vitesse.

J’en profite pour vous dire qu’il existe aussi un lien entre la résistance aérodynamique, la vitesse et la puissance, qu’il est bon de connaître. Plus précisément, la puissance nécessaire pour vaincre une résistance aérodynamique donnée n’est pas proportionnelle à la vitesse, mais à son cube. C’est pourquoi une voiture à l’aérodynamique disons « assez moyenne » peut atteindre la barre des 200 km/h avec à peine 150 CV, alors que pour doubler la vitesse maximale sans modifier l’aérodynamique, il faut multiplier la puissance par plus de 6. Mais c’est une autre histoire, qui fera l’objet d’un prochain article.