Chaque année, dans le monde entier, environ 100 million térajoules (10²⁰ J) sont nécessaires pour surmonter toute friction; soit un cinquième de toute l'énergie produite. 

Les frottements entraînent une résistance au mouvement et donc une perte d'énergie, un échauffement et une usure.
Tous les frottements ne sont pas négatifs. Les pneus, par exemple, doivent avoir un équilibre entre adhérence et résistance au mouvement. Il existe donc plusieurs types de frottements.
Nous cherchons donc à comprendre comment ils agissent et comment les réduire.

  Les frottements solide-gaz

Lorsque une voiture traverse une masse d'air, elle perturbe la direction et la vitesse des molécules d'air. La masse d'air se referme ensuite derrière. Ces turbulences consomment de l’énergie de la voiture. Tout objet sur Terre est soumis à ces frottements. Il existe cependant des objets plus aérodynamique que d'autres. L'aérodynamisme est la capacité à offrir peu de résistance à l'air.
Pour comprendre comment avoir une voiture pénétrant plus efficacement dans l'air, nous avons fait des expériences dans une soufflerie que nous avons construit.

  Les frottements solide-solide

En mécanique, dès qu'il y a un mouvement, il y a des frottements. En plus des frottements de l'air il y a tous les frottements entre solides. Tous les éléments en mouvements d'une voiture, du moteur aux pneus, sont générateurs de frottements.

L'aérodynamisme (solide-gaz)

Nous cherchons à comprendre comment le vent agit sur les objets. Plus concrètement, nous voulons savoir si la vitesse, la masse, ... entrent en jeu dans l'impact de la force du vent sur une forme.
Notre hypothèse: nous supposons que la vitesse du vent relative, la masse de l'objet, l'aire de l'objet, sa forme et sa rugosité auront un impact.

Nous avons donc fait une soufflerie afin de faire des expériences et ainsi valider ou rejeter nos hypothèses:

Voici les résultats de nos expériences:

On voit que lorsque l'on varie la masse de l'objet, la résistance au vent reste constante. Nous pouvons en déduire que la masse n'a pas d'effet sur la force du vent. Nous pouvons donc rejeter notre hypothèse. Cela nous a surpris car plus un objet est massive, plus il est difficile à déplacer.

Cependant nous mesurons la force sur un objet et non son déplacement. Il est vrai qu'une voiture ayant une masse plus élevée aura un poids plus important. Plus un véhicule est lourd, plus il aura besoin d'énergie pour avancer.

Mais la masse va surtout avoir un impact sur l'inertie du véhicule. L'inertie est la résistance des objets au mouvement imposé. C'est à dire qu'une voiture (avec une masse élevée) va être difficile à mettre en mouvement mais aussi compliqué à arrêter.
Ceci entraîne plus de frottements (solides/solides) et plus de carburant nécessaire.

La masse n'a donc pas d'effet sur la force de l'air sur un objet mais elle va cependant avoir un effet s'il est nécessaire de le déplacer.

4 forces appliquées sur une voiture en mouvement

D'après notre experience, nous observons différentes résistances selon la forme de l'objet. Nous en déduisons que la forme de l'objet joue donc bien un rôle dans la force du vent sur un objet. Notre hypothèse est verifiée.

Par ailleurs, nous constatons que les formes plus arrondies (sphère) perturbent moins l'air. On peut supposer que ce dernier "glisse" autour de la surface contrairement à un cube.

Trainée d'une sphère - Source: NASA

Tout les paramètres restent constants, seul la forme change

D'après nos valeurs experimentales, une sphère est 2 fois plus pénétrante qu'un cube.
Cela signifie que la force du vent sur un véhicule cubique est deux fois plus grande que sur un véhicule arrondi. C'est donc surprenant de voir beaucoup de voitures cubique au Japon:

En comparant nos rapports avec ceux théoriques, nous trouvons un pourcentage d'erreur de:

(2.23-2)/2.23*100 = 10%

L'erreur peut provenir de l'imprécision de notre capteur.

Source: Wikipedia

Un parachute (d'une grande surface) aura un coefficient de trainée plus important. Il est donc intuitive qu'une surface plus importante aura une résistance au vent plus importante qu'un objet ayant une petite surface.

La petite sphère a une surface de 38cm²
La grande sphère a une surface de 70 cm²

L'aire d'une sphère exposée au vent est l'aire du disque ayant le même rayon.

Cette intuition est en accord avec notre expérience. Nous pouvons valider notre hypothèse.
Par ailleurs, on observe un rapport de 7/4 = 1.75 pour la résistance au vent et un rapport de 70/38 = 1.84 pour la surface.

On peut donc supposer que la surface est linéairement proportionnelle au coefficient de traînée.

En effet nous retrouvons une proportionalité

Roulant à 50 km/h en voiture avec un vent de face de 20 km/h, la vitesse relative est de 70 km/h.
La voiture subira autant de résistance au vent qu'une voiture roulant à 70 km/h avec un vent d'une vitesse nulle.

La vitesse relative est donc la somme des vitesses de la voiture et du vent, si le vent est de face. Si le vent n'est pas de face, la vitesse du vent par rapport à la trajectoire de la voiture dépend de la direction du vent.

Notons a l'angle entre la direction du vent et la trajectoire de la voiture.
La vitesse "efficace" du vent (vitesse freinant la voiture), est égale au produit du cosinus de a et de la vitesse réelle du vent.

Dans nos quatre modélisations, nous supposons que l'air vient à une vitesse constante et que les flux d'air sont parallèles entre eux.

Supposons que la vitesse du vent est de 15 km/h

Dans notre représentation à gauche, a=0°
Soit V la vitesse efficace du vent.
On a V = cos(0)*15 = 15 km/h

Dans notre représentation a=45°
On a V = cos(45)*15 = 10.6 km/h

On voit que plus l'angle a augmente, plus la vitesse efficace diminue.

Dans notre représentation a=90°
On a V = cos(90)*15 = 0*15 = 0 km/h

Par ailleurs, si a est entre 90° et 270°la vitesse effective du vent est inférieure ou égale à 0.
C'est à dire que si le vent arrive derrière la voiture, le vent aurait un effet bénéfique.

Dans nos expériences, les objets ont une vitesse nulle. L'air cependant avait une certaine vitesse. Cette dernière depend de la vitesse de l'hélice. Nous l'avons varier et nous avons noté le résultat:

La "vitesse" est celle de l'hélice. Nous n'avions pas d’anémomètre.

Nous distinguons une droite. Cela nous laisse penser que la résistance au vent est linéairement proportionnelle à la vitesse relative. Cependant, voici la formule pour la force de traînée (d'après Wikipedia):

Fx = ½ x ρ x V² x S x Cx

Avec ρ, la masse volumique de l'air,
Avec V la vitesse relative,
Avec S la surface et,
Avec Cx le coefficient de traînée. Ce dernier prends en compte la forme, la rugosité de l'objet ainsi que la viscosité du fluide.

Grâce à cette formule, nous pouvons vérifier nos conjectures. Cependant, la force de traînée d'un objet est proportionnelle au carré de sa vitesse contrairement à ce que nous avons expérimentalement trouvé.
Peut être que nous aurions du mesurer la vitesse de l'air avec un anémomètre ou relever plus de données.

Un véhicule aérodynamique aurait une forme arrondie avec une surface frontale faible. Il serait préférable que la voiture ait une vitesse limitée. Cette formule s'applique aux voitures thermiques et électriques mais surtout à tout autre moyen de transport se déplaçant dans un fluide.

Frottements entre matériaux (solide-solide)

Il existe, dans la voiture, divers frottements au niveau du moteur, de l'arbre de transmission, des pneus ou des freins.
Voici l'éfficacité énergetique d'une voiture à moteur thermique en ville et sur l'autoroute:

Rendement énergetique d'une voiture thermique en ville

Source: Wikipedia

D'après Fuel Economy, le rendement d'une voiture thermique est compris entre 12 et 30%. Le rendement d'une voiture électrique est lui compris entre 72 et 94%.
Nous allons détailler les fuites d'énergies.

Dans les moteurs à combustion interne, une grande partie de l'énergie du carburant est perdu à travers la chaleur (50%). Une autre partie (plus petite) est perdue à cause des frictions du moteur, du pompage d'air et du carburant.
Pour limiter des pertes en chaleur, certaines pièces sont isolées thermiquement avec de la céramique ce qui pose des problèmes de prix et d'usure.

Dans les voitures électrique, l'électricité contenue dans les batterie est en courant continu. Le moteur, lui, nécessite un courant alternatif. Ce changement contribue à des pertes; compensée par l'utilisation d'un moteur à courant alternatif plutôt que continu.

Dans un véhicule à moteur thermique conventionnel, lorsque l'on freine, l'énergie utilisée initialement pour vaincre l'inertie est perdue en chaleur par frottements des freins.
Par ailleurs, plus d'énergie est nécessaire pour déplacer un véhicule plus massive. Il est donc plus simple de freiner un véhicule plus léger. Dans ce dernier, moins d'énergie est perdue.

Enfin, le freinage régénératif peut être employé dans les automobiles hybrides ou électrique. Ce concept consiste à transformer une partie de l'énergie cinétique d'un moyen de transport en une autre énergie, comme l'électricité, pour freiner la voiture.
Cette technique permet de récupérer une très grosse partie de l'énergie autrement perdue.

Roulage

Lorsque le pneu subit des déformations, les matériaux visco-élastiques dissipent de l'énergie sous forme de chaleur. Cette perte d'énergie se traduit par une force contraire au roulement du pneu.

Il existe des solutions pour limiter les pertes d'énergie en changeant les caractéristiques du pneu (plus élastique ou plus dure). Cependant, il faut garder un équilibre entre adhérence, prix, usure et économie du carburant.

Accessoires

Les accessoires électriques tels que chauffage ou l'air climatisé nécessitent une grande quantité d'énergie.

Les phares, lumières, GPS, radio et les essuies-glaces consomment eux, une plus petite part d'énergie.

Avec les meilleures techniques de pneumatique, de matériaux, d'isolation thermique et de lubrification disponibles aujourd'hui, les pertes par frottements pourraient diminuer de 42%. Moins de pertes signifie moins de carburant nécessaire et donc moins de pollution en CO2.

Par ailleurs les véhicules électrique permettraient de limiter les pertes de frottements par 3 par rapport aux véhicules à essence.
Dans les deux cas, un véhicule aérodynamique est nécessaire.

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