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Dossiers-Conseils > Fonctionnement d'une auto > L'aérodynamisme d'une voiture (Cx, sCx, trainée etc.) 11/04/2017

L'aérodynamisme d'une voiture : principes et notions

L'aérodynamisme d'une voiture est une variable qui a une importance non négligeable puisqu'elle va influer sur le comportement ou encore le confort. Voyons ensemble les éléments principaux à connaître sur le sujet.


Avant propos

Tout d'abord, il faut comprendre que l'étude des flux d'air est la même chose que l'étude des fluides (mêmes équations mathématiques). L'air est justement un fluide comme les autres et il se comporte de la même manière que l'eau. Nous vivons donc (animaux terrestres) dans un aquarium dans lequel l'eau est incarnée par l'air. Et si la résistance de l'air est bien moindre (800 X moins) que celle de l'eau, elle est tout de même suffisamment importante pour qu'elle ait une véritable influence sur les mouvements.



Chez Porsche, cela fait longtemps qu'on s'est fait une spécialité des ailerons rétractables : aussi bien pour la stabilité à haute vitesse que pour la frime ...

Quelques notions

Vous le savez, l'Homme a transformé beaucoup de processus naturels sous forme d'équations afin de comprendre et prédire le fonctionnement des choses. Les fluides en font évidemment partie avec la fameuse notion de coefficient de traînée nommée Cx. Il s'agit d'un coefficient qui indique la résistance d'une forme face à un vent de face : il est situé entre 0.05 (forme la plus aérodynamique : goute d'eau) et 1.4.
La trainée se manifeste de quatre manières :

  • Trainée de forme : air qui vient percuter frontalement une forme
  • Trainée de turbulence : les remous chaotiques (tourbillons) qui se forment aux abords de certaines formes freinent encore un peu plus le tout
  • Trainée de surface : le frottement de l'air contre la carrosserie provoque aussi une résistance. La texture même de la carrosserie peut donc influer sur la résistance
  • Trainée interne : résistance liée à l'air qui circule dans la voiture : air récupéré pour l'aération de l'habitacle, l'air pour refroidir les radiateurs (clim et LDR), pour alimenter le moteur en comburant


L'IAA concept réduit les trainées de turbulence grâce à la partie arrière qui s'allonge en roulant !



Les voitures électriques ont un aérodynamisme optimisé au maximum car leur autonomie est restreinte. Hélas, cela leur fait perdre en appui à haute vitesse et les pneus fins (peu résistants à la friction de la route mais aussi de l'air) réduisent la tenue de route ...

Notion de Cx de pénétration dans l'air

L'équation en lien, et qui fera peut-être mal à vos méninges, est la suivante :
Portance = coefficient_de_traînée_Cx_qui_depend_de_la_forme X 1/2 X Masse_volumique X Vitesse² X Surface_frontale_exposée


Voici le Cx de trois formes différentes. Notez au passage que c'est la goute d'eau qui est la forme la plus aérodynamique, c'est d'ailleurs pour cela que l'eau prend cette forme en tombant ...

Le Cx représente donc une valeur qui permet de mesurer la résistance d'une forme face à un fluide, en l'occurrence l'atmosphère terrestre qui est à environ 1 bar de pression (la résistance change en altitude, d'où la difficultés des avions à aller très haut). Il faudra donc distinguer cette résistance avec celle des pneus contre le sol.
Si tout le monde a tendance à dire qu'un Cx faible est une bonne chose, les amateurs de compétition savent très bien que c'est loin d'être le cas ... En effet, un Cx bas indique que l'auto à un appui aérodynamique très moyen.


Sur la série 4, ce genre d'appendice permet de réduire de manière symbolique le Cx, ce qui permet d'économiser quelques centilitres et donc passer sous certains seuils d'émissions de polluants (pour éviter tout malus ou taxe).

Différence entre Cx et SCx

Le SCx est tout simplement le coefficient de traînée multiplié par la surface frontale exposée à l'air (en mètre carré). Cette chose là a toute son importance car elle permet de réellement comparer deux modèles contrairement au Cx seul.

Comparons deux voitures qui ont le même Cx de pénétration dans l'air : le Mazda CX-5 et la Ferrari Modena.


Le Cx est ici totalement identique malgré leurs gabarits bien différents


La différence de surface entre ces deux modèles va complètement changer la donne. Voici le calcul ...

Les CX-5 et Modena ont le même Cx de pénétration dans l'air, c'est à dire que leur forme de carrosserie provoque la même résistance à l'air à surface égale. Et comme on sait bien qu'un CX-5 a plus de surface qu'une Ferrari il ne faut pas s'arrêter au "simple" Cx.

  • Surface CX-5 : 1.84 X 1.67 = 3.07 m² (vous aurez compris que je prends une valeur grossière car je ne fais que multiplier la hauteur à la largeur : l'espace vide entre les roues et les rétroviseurs ne sont pas bien intégrés ici. Mais cela permet tout de même d'avoir des valeurs relativement cohérentes)
  • Surface Modena : 1.92 X 1.21 = 2.32 m²

Pour connaître la résistance réelle de chaque voiture il faut alors multiplier le Cx à la surface trouvée, soit :

  • CX-5 : 3.07 X 0.33 = 1.01
  • Modena : 2.32 X 0.33 = 0.72

On voit donc clairement ici que le CX-5 a une résistance plus importante à l'air que la très effilée Modena. Donc même avec un Cx identique, deux voitures n'auront pas la même trainée et donc la même consommation. Notez aussi que si j'ajoute un aileron à la Modena pour gagner en appui je vais faire grimper le sCx (dépendra de l'inclinaison de celui-ci). Un sCx élevé peut donc aussi être le signe d'une bonne performance puisque sans appui les hautes vitesses deviennent périlleuses ...

Comment se mesure le taux de pénétration dans l'air Cx ?

C'est tout simple mais il faut quand même avoir un équipement onéreux ... En effet, il suffit de placer une voiture dans une soufflerie sous laquelle on place un chariot qui va se déplacer plus ou moins vers l'arrière (selon le Cx / résistance à l'air de l'auto). La force de recul est mesurée et le Cx est déduit.


La force est mesurée par un dynamomètre

Portance déportance

Ici on va parler de l'incidence qu'a le fluide lorsqu'il vient interagir avec l'objet. Si le fluide reçu frontalement fait monter l'objet en l'air (ex : avion) on parle alors de portance. Dans le cas inverse (l'air fait aller l'objet vers le bas) on parle alors de déportance. Cette valeur se mesure en Newton (qui est la valeur d'une "force de poussée", que l'on appelle couple). Les plus curieux peuvent aller consulter l'article qui traite de la différence entre puissance et couple (Newton).
Au passage, il est logique qu'une déportance importante va influer le coefficient de pénétration dans l'air (ex : DRS en Formule 1), et une auto qui a un très faible Cx indique toutefois que la déportance (force de plaquage) est légère. Enfin, un objet symétrique de face n'aura ni de portance ni de déportance, ce qui semble logique, d'où un profil asymétrique des ailes d'avions ou même des ailerons.
Portance = coefficient_de_traînée_Cx_qui_depend_de_la_forme X 1/2 X Masse_volumique X Vitesse² X Surface_frontale_exposée




Sur quoi influe l'aérodynamisme d'une voiture ?

Les conducteurs lambdas penseront certainement dans un premier temps à la consommation de carburant, tant présente dans les discussions de notre époque  ... Toutefois, il faut aussi préciser que l'aérodynamisme influera aussi sur les performances et le comportement à haute vitesse. De plus, une gestion optimisée des flux d'air permet d'accroître le confort en réduisant le plus possible les bruits d'air.

Consommation


Réduire le taux de pénétration dans l'air permet donc de réduire la consommation de carburant. En effet, il est logique que plus la voiture peine à avancer, plus elle consomme ... La résistance de l'air qui paraît anecdotique à petite vitesse s'accentue d'autant plus que la vitesse augmente, la hausse n'est donc pas régulière (c'est pour cela que les ailerons rétractables ne se déploient qu'à partir d'une certaine vitesse, en dessous ils n'agissent pas vraiment). Résultat, plus on va vite, plus la résistance augmente vite : vous aurez donc bien moins de différence (de résistance) entre 50 km/h et 60 km/h qu'entre 190 km/h et 200 km/h. Mais cela est une loi que l'on retrouve partout dans l'univers. C'est d'ailleurs la même chose avec les puissances de nos moteurs : il est bien plus dur de faire gagner 20 km/h de pointe à une voiture qui culmine à 250 km/h que de faire gagner la même vitesse à une auto qui plafonne à 140 km/h (d'ailleurs, la vitesse de la lumière est inatteignable par un objet de masse non nulle car il faudrait plus d'énergie que l'univers n'en possède ...).



Le concept Eolab optimise l'aérodynamisme de manière "paranoïaque" pour réduire le plus possible sa résistance à l'air. Des volets mobiles ont même été installés pour moduler le flux d'air selon la vitesse

Toutefois, il faut avouer qu'aux vitesses auxquelles ont roule, l'influence reste assez modérée. En guise d'exemple concret nous allons compter sur ce cher Wikipédia : il y est comparé deux autos ayant pour l'une un Cx de 0.3 et l'autre 0.38 (donc comparaison par simple Cx et non pas sCx. Il faut donc espérer que les comparaisons ont été effectuées avec des véhicules dotés d'une surface frontale équivalente..

Deux SUV : un au Cx de 0.3 et l'autre 0.38


Pour deux SUV ayant pour l'un 0.3 de Cx et l'autre 0.38, on aura une perte de (liée à la résistance de l'air) 0.26 litres à 50 km/h pour le premier (0.3) et 0.33 litres pour le deuxième (0.38). Donc + 27% de consommation pour la plus résistante à l'air.
A 130 km/h on a 1.79 litres et 2.26 litres . Si la vitesse n'a été augmentée que d'un facteur d'environ 2.5 (vitesse de 130 km/h environ 2.5 fois plus élevée que 50km/h), l'incidence énergétique a quant à elle été multipliée par 7 environs (0.26 litres à 50 km/h contre 1.79 litres à 130 km/h pour la plus aérodynamique des deux). Notez aussi que la différence entre les pertes énergétique s'est quant à elle réduite puisque la moins aérodynamique est pénalisée par une surconsommation de + 26% (contre 27% à 50 km/h).

Deux citadines : une au Cx de 0.3 et l'autre 0.38


Dans ce cas ci, il n'y a aucune différence en terme de perte énergétique jusqu'à une vitesse de 110 km/h (le Cx n'a rien changé sur la consommation ..). Au delà (130 km/h), on constate que l'écart se creuse avec + 27% de consommation pour la moins aérodynamique (Cx de 0.38).

Appui aérodynamique : portance et déportance

Pour la performance, et notamment en compétition, un Cx faible indiquera que la voiture a très peu d'appui aérodynamique (peu de déportance). Si cela est très bon pour la vitesse de pointe (au risque d'avoir une portance et donc de s'envoler ...) cela ne permet pas de garder la voiture collée au sol ni de la rendre très stable. Le but pour les ingénieurs sportifs est de trouver le meilleur compromis sachant que d'un circuit à l'autre (plus ou moins rapide) il faudra changer les réglages pour approcher au mieux ce compromis.
Pour faire simple, plus un aileron est incliné vers le bas (et vers l'avant ...) plus il y aura d'appui, et donc de déportance. En faisant l'inverse (orienté vers l'arrière) vous aurez de la portance (on s'envole).


Voyez un peu comment l'aileron change selon la vitesse sur la Panamera II : trois positions possibles.


Notez aussi que l'aérodynamisme ne concerne pas seulement la portance et la déportance. En effet, les formules 1 utilisent aussi les ailerons pour améliorer les vitesses de passage en courbe. Des surfaces placées perpendiculairement permettent de leur ajouter de l'appui latéral (à la façon d'un voilier en quelque sorte).
De plus, les ailerons aident parfois à gagner en stabilité plutôt qu'en appui.


Sur ce genre d'auto, l'aileron sert plus à flatter le propriétaire plutôt qu'à appuyer l'auto sur la route. Concernant les économies de carburant elles restent très modestes ...

Effet de sol ?


L'effet de sol, obtenu grâce à l'emploi d'un fond plat couplé à un diffuseur, permet de plaquer la voiture sans qu'il y ait nécessairement un aileron. On remarque cela sur certaines supercars qui sont étrangement dénuées d'appendice aérodynamique sur leur partie supérieure (aileron donc).
Contrairement à un aileron qui va appuyer la voiture grâce à l'air qui s'accumule sur ce dernier (et donc qui pèse), le principe de l'effet de sol est inverse. On va cette fois orienter les flux aérodynamiques pour générer une sorte de vide sous la voiture. En gros, au lieu de plaquer la voiture vers le bas (aileron) on la colle au sol comme si un aspirateur géant était situé dessous. C'est donc par effet d'aspiration et non d'appui que la voiture colle par terre.
La dépression se produit grâce l'air qui se trouve détendu (on peut dire qu'il est "écartelé") vers le diffuseur. On peut d'ailleurs faire un petit rapprochement avec la climatisation (même si certains trouveront cela déplacé) qui produit du froid grâce à la détente d'un flux (détendre un gaz produit naturellement du froid).

Insonorisation / bruits d'air

Sur certaines autos, les ailerons rétractables aident pour la consommation mais aussi pour améliorer l'écoulement des flux dans le but de diminuer le plus possible les turbulences qui pénalisent le Cx.


Il manque quelque chose dans l'article ? N'hésitez pas à le signaler en bas de page !

Tous les commentaires et réactions

Dernier commentaire posté

Par Laurent (Date : 2017-04-11 09:27:35)

Bonjour,
Merci pour l article. Tout d abord il y a une petite faute d orthographe dans le début de l article :
Trainée de turbulence : les remous chaotiques (tourbillons) qui se forment aux abords de certaines forment freinent encore un peu plus le tout

Je pense qu il faut écrire formes et non forment avant freinent.

Par aillleurs en soufflerie je ne comprends pas pourquoi c est le Cx et non pas le SCx qui est mesuré puisque en soufflerie on a bien la surface de la voiture face au vent.

Cdlt

Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2017-04-11 10:00:49) : Petite erreur d'inattention en effet.
    Pour la soufflerie vous avez raison, on obtient le SCx qui nous permet par la suite de déduire le CX de l'auto par calcul (puisqu'on connait sa surface frontale).

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Derniers commentaires postés (ordre décroissant):


Par hhhhh (Date : 2017-03-31 14:51:19)

Bojour ,
vous avez oublié de cahcher les plaques du 4*4 et de la ferrari sur la deuxieme image contrairement a la premiere
cdlt


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2017-04-01 16:20:46) : Très gentil de votre part, j'ai corrigé ça à l'instant ! J'ai eu la tête en l'air sur ce coup là ...

(Votre post sera visible sous le commentaire après validation)

Par Yongden (Date : 2017-02-16 17:23:26)

Je vous remercie énormément, j'ai vraiment adorer votre façon d'expliquer l'aérodynamisme automobile.
Je voudrais à mon tour vous demander votre autorisation pour reprendre certains points de votre article dans un projet purement scolaire.
Merci de votre compréhension.
Une dernière question.
Nous avons construit une réel soufflerie de taille réduite, serait-t-il possible de calculer par exemple le coefficient de trainer d'une maquette de voiture ou autre ?


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2017-02-16 17:45:49) : Comme je l'ai déjà dit, pas de soucis si c'est pour du scolaire / support papier (ne doit pas finir sur un autre site Internet).
    Pour votre dernière question il est évident que vous pouvez effectuer des mesures, reste à savoir dans quelle mesure elles seront précises ...

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Par inconnu (Date : 2017-02-09 09:56:13)

Bonjour,
J'aimerais utiliser des images de cette page pour mon TPE et j'aurais besoin de votre accord pour ce faire.
Cordialement,
Inconnu xoxo


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Hondiste convaincu TOP CONTRIBUTEUR (2017-02-09 10:53:11) : Tant que ça reste pour un usage strictement personnel Admin ne voit aucune objection.

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Par Pierre-Jean (Date : 2017-01-03 12:20:06)

Bonjour
j'ai trouvé votre article passionnant et excellent.
je voudrais vous demander l'autorisation d'utilisé quelque partie de votre écrite de votre article pour mon tpe qui sera sur papier et qui restera uniquement dans le milieu scolaire et avec un lien de votre article sur les sources utilisé.
j'attend votre réponse avec impatience,et vous remercie d'avance pour votre réponse.


Il y a 4 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Pierre-Jean (2017-01-03 12:22:07) : d'utilisé quelque partie écrite de votre article* ^^
  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2017-01-03 15:01:35) : Dans ces conditions il n'y a pas de soucis !
    Bon courage pour votre travail ;-)
  • Par Hondiste convaincu TOP CONTRIBUTEUR (2017-01-03 16:08:26) : Admin a déjà répondu par l'affirmative à la question posée par un autre étudiant il y a 4 jours seulement me semble-t-il, tant que ça reste dans le domaine scolaire, c'est-à-dire non divulgé sur le net et d'autres sites, pas de problème.
  • Par Pierre-Jean (2017-01-03 17:22:36) : merci beaucoup

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Par Fixou000312 (Date : 2016-12-31 15:00:48)

Bonjour, je suis dans le même cas que Nathan. Je suis en première et notre tpe porte sur le lien entre consommation énergétique et aérodynamisme d'une citadine. Est ce que vous nous autoriseriez à copier votre article à afin d'en extraire ce que nous souhaitons et comme bon nous semble?


Il y a 2 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2016-12-31 16:50:57) : Cela doit alors rester dans le cadre scolaire uniquement. Si le contenu est diffusé ailleurs sur internet, sans consentement, vous vous exposerez à d'éventuelles poursuites.
  • Par Fixou000312 (2016-12-31 16:55:36) : Pas de problème merci beaucoup. 👌

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Par Pierre-Louis 12345 (Date : 2016-11-21 20:37:07)

Bonjour monsieur, je trouve votre article très intéressent surtout pour un passionné comme moi! Puis-je utiliser quelques informations de vôtre article afin de les greffer sur mon TPE.

En attendant vôtre réponse avec impatience, je vous souhaite une bonne continuation.


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Wanu1966 TOP CONTRIBUTEUR / MECANO (2016-11-21 20:49:17) : Après accord de mon administrateur, oui mais sur support papier, et surtout de pas s'en servir ailleurs sur Internet, cdt.

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Par Nathan (Date : 2016-11-21 13:24:33)

Bonjour
je trouve votre article très intéressant
Est-ce que ce serais possible de l'utiliser à des fins scolaires pour notre tpe?
Nous attendrons votre réponse avec impatience
Merci


Il y a 2 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2016-11-21 15:33:12) : Merci à vous. Si cela reste dans le domaine du scolaire (et sur support papier) aucun soucis. Cet article (ou même les images) ne doivent cependant pas se retrouver ailleurs sur Internet.
    Bonne continuation.
  • Par Nathan (2016-11-28 12:53:10) : Je vous remercie de votre compréhension

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Par agalois (Date : 2016-10-18 13:18:31)

Bravo encore pour cet article.

Je précise que mes remarques ne visent qu’à rectifier quelques points de détails, non à critiquer un article par ailleurs excellent, qui a dû demander une masse de travail assez importantes !

(le cx) » il est situé entre 0.05 (forme la plus aérodynamique : goute d'eau) et 1.4. » vrai, mais pas la goutte d’eau

« Voici le Cx de trois formes différentes. Notez au passage que c'est la goute d'eau qui est la forme la plus aérodynamique, c'est d'ailleurs pour cela que l'eau prend cette forme en tombant ... »

Ce qui ressemble dans votre exemple à une goutte d’eau est une sphère (cx 0.47) n’est pas le plus petit des trois qui sont montrés puisque votre demi-sphère a un cx de 0.42.

« c'est d'ailleurs pour cela que l'eau prend cette forme en tombant ... »
Ce n’est pas son aérodynamisme qui rend une goutte en chute sphérique (pas très aérodynamique d’ailleurs), c’est la tension superficielle, en dessous de la longueur capillaire. sphère (cx 0.47)

La forme la plus aérodynamique est plutôt : le corps profilé qui ressemble…à une goutte d’eau stylisée ou à un profil d’aile d’avion symétrique. Cx 0.04 !
La première formule est plutôt celle de la force de trainée que celle de la portance puisque qu’on a un cx et non un cz

---« Le Cx représente donc une valeur qui permet de mesurer la résistance d'une forme face à un fluide, en l'occurrence l'atmosphère terrestre qui est à environ 1 bar de pression (la résistance change en altitude, d'où la difficultés des avions à aller très haut »

A vous lire on dirait que la résistance d'une forme face à un fluide augmente avec l’altitude d’où « la difficulté des avions à aller très haut » ce qui n’est bien sur pas le cas.

Si je ne suis pas clair dans mes interventions, il ne faut pas hésiter à me le dire.





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Par yoyox TOP CONTRIBUTEUR (Date : 2016-07-27 12:47:05)

C'est pour cela qu'il y à les commentaire pour apprendre des autre car je doute que notre chère admin soit omniscient


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2016-07-27 15:20:24) : Les commentaires ne servent pas qu'à ça. Mais en effet il est toujours plus constructif de pouvoir donner la possibilité de signaler une erreur. Il serait dommage de se priver de la parole de certains experts ...
    Et en effet, je ne suis hélas pas omniscient :-(

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Par Jp (Date : 2016-07-26 16:30:26)

A la différence de l'air, l'eau est incompressible. Passe encore les erreurs sur les formules que vous ne tarderez pas à corriger. (Traînée, Cx / Portance, Cz).

Sinon les constructeurs axent souvent la communication sur le Cx. Cela permet de quantifier l'effort fait pour optimiser une voiture en particulier. Mais les pertes sont liées au SCx. Et la c'est souvent une information plus difficile à trouver. Et pourtant c'est celle qui impacte directement la consommation sur route.. et c'est surtout la seule qui permette de comparer deux véhicules. En clair un SUV même avec un bon Cx sera très désavantagé par rapport a une berline a cause de sa surface frontale...

Je trouve donc dommage que vous tombiez dans ce "biais". Alors que la réputation de votre site est construite sur une communication differente des constructeurs et autres medias auto : transparence la clarté. Cela n'enlève rien a l'excellent travail que vous avez fait par ailleurs (notamment sur la fiabilité)

La partie parlant de la portance est tres interessante mais la comparaison avec la climatisation est tirée par les cheveux.


Il y a 2 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2016-07-27 15:17:43) : Merci pour votre commentaire pertinent et riche d'informations.
    Pour la compression c'est une idée fausse : tout se comprime, même le liquide (voir ici entre autres). Les étoiles à neutron en sont la preuve vivante, et les trous noirs encore plus ...
    Paraitrait même qu'à 10 000 bars l'eau se réduit de moitié en volume ! Sous d'énormes pressions elle finit aussi par se glacer (même à une température supérieure à 0 degré C).
    Concernant les formules je vais les revoir mais je n'ai fait que les reprendre ... N'hésitez pas à préciser Où est l'erreur.
    Enfin, je vais essayer d'ajouter des détails concernant le SCx. Je tacherai d'éviter les erreurs car vous n'êtes pas loin semble-t-il ;-)
  • Par Jp (2016-07-27 15:57:19) : L'idée et le contenu de L article si y excellents Le but à mon commentaire était juste de vous signaler ce qui pouvait être surprenant pour un lecteurayabt étudié le sujet. Et dans les co dirions de la vie courante l'eau est loin d'être compressible...

    Ce matin même je lisais un article indiquant que tel SUV "avait le Cx d'une Ferrari". Lassant comme communication. 1 Chez Ferrari le Cx n'est certainemtb pas la priorité car il faut aussi de l'appui ce qui impacte la pénétration dans l'air. 2 vu la surface frontale du dit SUV il a peur être effectivement la conso de la Ferrari sur autoroute...


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