Rien n’est anodin dans une voiture. En jetant un œil sur les forces physiques basiques d’une voiture en mouvement, on se rend mieux compte de la difficulté de faire une voiture stable et efficace en toutes circonstances. Une question d’équilibre Les forces physiques qui entrent en jeu lors du déplacement d’une voiture sont multiples et parfois contradictoires. Prenons, pour commencer, une automobile à l’arrêt. Elle est attirée par la Terre, ce qui lui donne son poids (en physique, le poids est mesuré en Newton pour le différencier de la masse exprimée en kg). Mais si le sol ne réagissait pas, la voiture s’enfoncerait. Cette force de réaction du sol permet d’équilibrer le poids. Vous suivez toujours ? Disons pour ceux qui auraient perdu leur physique de base, que chaque force à une force de sens contraire. Ici, tous les contraires s’annulent car de mêmes valeurs. Donc la voiture reste bien à sa place. En route Quand la voiture roule, les choses se compliquent. Le poids est toujours là mais s’ajoute, en premier lieu, la force motrice du moteur. Le mouvement de la voiture est amorcé par la force motrice qui provoque, en collaboration avec le poids et via les roues, des forces de frottements sur la chaussée. S’il n’y avait pas de force de frottement, la voiture patinerait (exemple : le verglas). Si la force de frottement est inférieure à la force motrice, alors la voiture accélère. Si elles sont égales, la voiture reste à vitesse constante. Enfin, si la force de frottement est supérieure à la force motrice, la voiture ralentit. Et comme si cela ne suffisait pas, l’automobile doit aussi lutter contre la résistance de l’air, une force contraire qui freine la voiture. D’où l’importance de l’aérodynamique. Lutter contre l’air Déjà que le moteur doit montrer les muscles face aux forces de frottement des roues sur le sol, il doit aussi se faire violence contre la résistance de l’air. Heureusement, la physique des fluides a de fabuleux atouts dans sa poche. L’aérodynamisme d’un véhicule permet de diminuer la résistance opposée par l’air, et donc soulager un peu le moteur. Cette résistance dépend de la densité de l’air mais également de la vitesse, de la forme de la voiture et de sa surface frontale. L’idée est de modifier les réactions du véhicule dans l’air en contrôlant au mieux les déplacements de l’air. Une voiture en mouvement est soumise à différents phénomènes : la dérive, la traînée et la portance. La dérive est causée par les vents latéraux. La portance soulève la voiture à cause du vent qui s’engouffre sous la carrosserie. En réalité c’est l’air passant au-dessus de la voiture qui crée une sous-pression et donc la soulève (principe de l’aile d’avion). La traînée est la résistance à la progression en avant d’une automobile. Ça tourne Pour l’instant notre voiture est toujours restée en ligne droite. Il est temps de la faire tourner. Une autre force va entrer en jeu : l’inertie. Car lorsqu’une voiture tourne, elle n’a qu’une seule envie : aller tout droit. Cette drôle d’idée est due à l’inertie. Il faut donc procurer des forces de frottement (toujours elles) supérieures à l’inertie pour faire tourner la voiture. Les ingénieurs ont toutefois trouvé quelques astuces pour améliorer le virage comme le différentiel qui permet aux quatre roues de tourner à des vitesses différentes et une meilleure résistance des pneus aux mouvements latéraux et aux transferts de charges. Car les contraintes qu’acceptent une voiture sont liées aux transferts de charges. Lorsque l’on tourne, chaque roue subit des charges différentes. C’est lié à la force centrifuge et à l’énergie cinétique. Ainsi, au freinage, les roues avant ont plus d’appui. En virage, ce sont les roues extérieures qui souffrent. Faut freiner maintenant Si vous avez tout bien suivi, vous aurez compris que pour arrêter la voiture, il faut agir sur les forces de frottement. A priori il suffirait de supprimer la force motrice. Là on ralentit juste, c’est à dire que les roues continuent de tourner. Donc il faut des freins pour bloquer les roues et faire jouer ce qu’on appellera le coefficient d’adhérence. En préambule, il vaut mieux savoir que l’énergie d’une voiture avant freinage E ou énergie cinétique, est égale à la moitié de sa masse multipliée par sa vitesse au carré : E=½ mv². Prenons le cas d’une voiture de 1500 kg, roulant à 36 km/h, soit 10 m/s. L’énergie de la voiture avant le freinage est de 75.000 joules. Pour arrêter cette voiture, il faudra obtenir la même énergie : 75.000 joules. C’est le rôle des freins. Ceux-ci doivent se charger d’amener les roues au point optimal d’adhérence, un poil avant le blocage. Mais si les roues se mettent à bloquer, le frottement diminue de 20 %. Très mauvais signe. Un peu de calcul Pour connaître la distance de freinage, il faut tenir compte du coefficient d’adhérence du pneu à la route (disons 1 et appelons-le mu) et de l’attraction terrestre (g = 9,81m/s²). Et bien, il faudra à la voiture roulant à 10 m/s une distance de 5,09 m pour s’arrêter [d = v²/(2 x mu x g)] ou encore d=E/(m x mu x g). Sans tenir compte du temps de réaction et dans des conditions optimales de frottement. Maintenant, la voiture roule à 30 m/s (108 km/h). L’énergie cinétique de départ est de 675.000 joules (soit 9 fois plus). Il faudra alors à cette voiture une distance de 45,8 m pour s’arrêter. Soit une distance 9 fois plus importante que pour une voiture roulant à 10 m/s. Tout l’art des ingénieurs consiste à permettre aux freins d’assurer le meilleur coefficient d’adhérence possible aux pneumatiques en luttant contre l’énergie de la voiture en appliquant une force sur les roues pour les amener au point optimal. La dissipation de l’énergie se transforme en chaleur. Ce qui fait rougir les disques de frein. Améliorons le coefficient d’adhérence de l’auto et donnons-lui une valeur de 1,3 digne d’une voiture de compétition. Et bien alors notre voiture roulant à 30 m/s aura gagné 10 m de freinage (35,3 m). En prime, ce coefficient d’adhérence n’est pas qu’une question de marque de pneu et de frottement. Il varie en fonction de la vitesse de glissement, de la température, de la charge verticale, de la surface de contact, de la pression du pneu, du poids, de la force de freinage… Une voiture de tourisme conduite par un conducteur lambda aura un coefficient mu qui tournera plutôt autour de 0,75, soit une distance de freinage de 61 m à 108 km/h. Et alors ? À quoi veut-on en venir avec cette prise de tête ? Et bien que, comme on l’a dit plus haut : rien n’est anodin. Les forces physiques nombreuses et diverses (on n’a vu ici que les principales) imposent de terribles contraintes à tous les organes mécaniques de la voiture. Et en particulier les pneumatiques. Changez un peu leur coefficient d’adhérence et les forces de frottement en modifiant la gomme, la traînée, la masse, la pression ou le déplacement de masses et votre voiture vous laissera peut-être tomber plus vite que sa sœur a priori identique… © Olivier Duquesne Photos : Continental – BMW - DaimlerChrysler

Source : Divers