La physique explique pourquoi votre économie de carburant chute soudainement au-dessus de 75 mph

Selon le ministère de l’Énergie, une voiture à essence de taille moyenne atteint un rendement énergétique optimal à 55 mph. Plus vite, l’économie de carburant commence à s’effondrer. La même tendance générale s’applique également aux voitures diesel et hybrides. Par exemple, le rendement énergétique d’une voiture diesel de taille moyenne chute de 33 % lorsqu’elle accélère de 55 mph à 75 mph. La raison en est la résistance de l’air, qui, à grande vitesse, peut provoquer une poussée puissante sur un véhicule en accélération.

La situation des camions diesel longue distance est encore pire : les camionneurs dépensent environ 10 % de leur carburant simplement pour lutter contre la résistance de l’air. Les avions aussi luttent contre d’énormes forces opposées provenant des gaz atmosphériques. C’est pourquoi les avions de passagers naviguent généralement à environ 30 000 pieds d’altitude, là où l’air est plus raréfié.

De telles statistiques peuvent être difficiles à avaler, car beaucoup d’entre nous ont été amenés à croire à tort qu’une plus grande vitesse entraîne une meilleure efficacité énergétique. Les voitures sont annoncées avec leurs économies de carburant « ville » et « autoroute » répertoriées séparément, et cette dernière est presque toujours plus élevée que la première. Cependant, les estimations de consommation de carburant reposent davantage sur les habitudes de conduite que sur la résistance de l’air, car la conduite en ville nécessite des arrêts et des démarrages fréquents. Mais sur une route droite, des vitesses plus lentes signifient moins de résistance à l’air et, par conséquent, une plus grande efficacité énergétique.

La physique permet de comprendre pourquoi la résistance de l’air augmente avec la vitesse. La formule que les ingénieurs utilisent pour calculer la force de traînée aérodynamique d’un véhicule est la suivante :

force de traînée = (vitesse de la voiture)² × (surface avant) × (coefficient de traînée) × (½ densité de l’air)

Étant donné que la force de traînée est un produit de la vitesse de la voiture au carré, les augmentations linéaires de vitesse se heurtent à une plus grande résistance de l’air. En d’autres termes, à mesure que vous allez plus vite, la résistance au vent devient exponentiellement plus puissante.

Intuitivement, conduire deux fois plus vite devrait entraîner une résistance au vent deux fois plus élevée, et pourtant ce n’est pas le cas. En réalité, doubler la vitesse signifie quadrupler la traînée, un concept difficile à visualiser en raison du fait que l’air est invisible. Encore plus déroutant, la résistance de l’air n’est pas une force unique mais une force nette provenant d’un grand nombre de particules d’air. En d’autres termes, les vents forts que nous ressentons lorsque nous conduisons à grande vitesse sont en réalité le résultat d’innombrables particules d’air entrant en collision avec notre véhicule.

Combien ? National Geographic estime qu’il y a environ 25 sextillions de molécules dans une seule bouffée d’air, soit 25 suivies de 21 zéros. Pour estimer le nombre de molécules d’air qui passent au-dessus d’une voiture sur l’autoroute, il faudrait beaucoup plus de zéros.

Il n’est donc pas pratique d’additionner toutes les forces électrostatiques de chaque collision de particules d’air pour calculer la résistance de l’air. Les physiciens considèrent plutôt le problème comme une question de thermodynamique et utilisent le concept de pression pour le mesurer. La pression peut exprimer la force nette des collisions des particules de gaz contre une surface, telle qu’un pare-brise de voiture. Cela fait de la pression l’unité idéale pour mesurer la traînée d’un véhicule, et elle augmente également de façon exponentielle avec la vitesse. Thermodynamiquement, la résistance de l’air (q) peut être exprimée comme un produit de l’énergie cinétique :

q = (½ densité du fluide) × (vitesse du fluide)²

Encore une fois, même exprimée sous forme de fluide, la résistance de l’air est calculée en mettant au carré la vitesse. En termes simples, des augmentations constantes de vitesse entraînent des augmentations de plus en plus importantes de la résistance de l’air. Dans tous les cas, la consommation de carburant chute avec la vitesse.

La résistance de l’air ne détermine pas seulement notre efficacité énergétique, elle détermine aussi parfois nos limites de vitesse légales. Étant donné que le véhicule moyen a besoin de plus en plus de carburant pour accélérer au-dessus de 55 mph, les législateurs ont utilisé cette référence comme bonne limite de vitesse maximale pour les routes à double sens dans de nombreuses régions des États-Unis. Cela était particulièrement vrai lors de la crise pétrolière des années 1970, lorsque le gouvernement américain cherchait des moyens d’économiser le carburant.

Bien entendu, de nombreux facteurs affectent l’économie de carburant d’un véhicule au-delà de la résistance de l’air. La force de friction entre les pneus d’une voiture et la route joue également un rôle, tout comme la vitesse et la direction du vent. Pourtant, nous nous souvenons du pouvoir d’arrêt de l’air chaque fois que nous devons le tirer sur l’autoroute et que le souffle du vent claque nos pare-brise. Compte tenu de la physique de la conduite rapide et de la hausse des prix du carburant, il est très probablement un choix judicieux sur le plan financier de ralentir sur la route.