Test de freinage sur neige Tiguan/Range

[spooky]

Perso, je suis bien convaincu que l'aptitude a dissiper l’énergie cinétique détermine bien la distance de freinage, par contre, il y a 2 points dans le raisonnement qui m'ont échappés:
1. En supposant la longueur de contact du pneu au sol identique, comment trouve-tu 28.4%? J'arrive a 1 - 225/255 = 11.7%
2. L’énergie cinétique de translation est dissipée dans le travail des forces de frottements, Ok mais aussi dans les freins, non?

[vravolta]

Pour les 35%, je suis parti du principe que la surface de contact etait une elipse dont tant le petit que le grand axe etaient proportionnels a la largeur du pneu, largeur qui elle est par definition egale au grand axe. J'ai donc fait le ratio du carre de la largeur des pneus.
Pour l'energie, elle se dissipe bien dans les freins, mais ces derniers ne ralentissent la voiture que dans la mesure où ils permettent d'appliquer une force de ralentissement au sol et c'est du travail de cette force dont j'ai tenu compte. Pour le dire autrement, si j'applique a la route une force de 6kN pour me ralentir, qu'on dit que le diametre des disques est la moitié de celui de la roue, ca veut donc dire que je dois avoir une force de freinage de 12kN sur le disque de frein et que la creation de cette derniere implique une dissipation d'energie sous forme de chaleur dans le disque de frein.
Bref, y'a un truc qui est l'energie et le travail qu'il faut effectuer pour la dissiper et un autre truc qui est les forces que ces diverses energies et travaux des forces entrainent dans les divers endroits du systeme, ce qui nous interesse etant le point de contact au sol de la roue.

[vravolta]

Et sinon, il se peut effectivement que les algos d'ABS soient plus efficaces d'une marque a une autre ou meme aussi d'une application a une autre cf ce que je disais sur les differences de ressenti entre le X5 et la RS4 ou meme encore hier avec la Q3 de moins d'un an d'une amie sur la route qui descend de mon chalet: les reactions des Audi se traduisent par des vibrations quand le X5 sur la meme pente et a la meme vitesse donne le sentiment d'une cirrection continue: possible que le poids permette une correction plus souple, je ne sais pas. Ce serait interessant de pouvoir un jour faire un test avec differents vehicules, differents pbeus et differentes conditions de neige et meme de jouer en lestant les vehicules pour voir l'influence du poids toutes choses etant egales par ailleurs (technos embarquees, qualite des chassis).

[spooky]

Pour les 35%, je suis parti du principe que la surface de contact etait une elipse dont tant le petit que le grand axe etaient proportionnels a la largeur du pneu, largeur qui elle est par definition egale au grand axe. J'ai donc fait le ratio du carre de la largeur des pneus.

Je ne comprends pas pourquoi utiliser une ellipse. En fait, si les diametres sont semblables, et si on neglige l'ecrasement du pneu, on peut utiliser un simple rectangle, au pif de 50 mm selon le petit cote, et 255 ou 225 selon l'autre.
Au final on a: (50x255)/(50x225) (et le petit cote ne compte pas!)

Pour l'energie, elle se dissipe bien dans les freins, mais ces derniers ne ralentissent la voiture que dans la mesure où ils permettent d'appliquer une force de ralentissement au sol et c'est du travail de cette force dont j'ai tenu compte. Pour le dire autrement, si j'applique a la route une force de 6kN pour me ralentir, qu'on dit que le diametre des disques est la moitié de celui de la roue, ca veut donc dire que je dois avoir une force de freinage de 12kN sur le disque de frein et que la creation de cette derniere implique une dissipation d'energie sous forme de chaleur dans le disque de frein.
Bref, y'a un truc qui est l'energie et le travail qu'il faut effectuer pour la dissiper et un autre truc qui est les forces que ces diverses energies et travaux des forces entrainent dans les divers endroits du systeme, ce qui nous interesse etant le point de contact au sol de la roue.

Les 2 trucs en question ne sont pas pas independants: si l'un converti de la chaleur, l'autre en a moins a convertir, mais la somme de la chaleur totale degagee ne peut pas depasser l'energie cinetique.
Au final, la totalite de l'energie cinetique est convertie en chaleur. En negligeant l'air, le frein moteur, les roulements, etc, on a:
1/2*mV^2 = Qfreins + Qpneus
Deux cas extremes:
Train a cremaillere au freinage: Qpneux = 0 (si les engrenages sont parfaitements rigides), Qfreins = 1/2mV^2
Voiture roues bloquees, ABS deconnecte: Qfreins = 0, Qpneux = 1/2mV^2

[vravolta]

En pratique, la surface de contact est bien assimilable à une ellipse comme on peut le voir ici par exemple:
http://www.michelin-pneu-agricole.fr/Pn ... N-CEREXBIB
le petit axe est la largeur du pneu, le grand axe, une fonction de la largeur du pneu et du diamètre de la roue. Ce dernier étant fixé. Et la surface d'une ellipse, c'est du style Pi*R*r. Donc bottom line, la surface de contact d'un pneu en fonction de sa largeur, toutes choses étant égales par ailleurs, est bien proportionnelle au carré de la largeur du pneu.

Ensuite, ton raisonnement sur les freins me parait faux: hors résistance au roulement qui sera valable que tu roules à vitesse constante ou en freinage, il n'y a pas de dissipation d'énergie au niveau du point de contact pneu-route sauf s'il glisse, ce qui n'est pas possible avec l'ABS. Et si le pneu glisse, c'est qu'il est bloqué et alors, les freins ne dissipent plus rien, toute la dissipation se fait au niveau du pneu. Donc soit le pneu roule et tu as 1/2mv^2= Q freins soit le pneu bloque et tu as 1/2mv^2=Q pneus. Dit autrement, l'énergie est dissipée là où il y a du frottement et aucune énergie n'est dissipée là où il y a une vitesse relative nulle entre les 2 surfaces de contact.

Mais cette partie, à la limite on s'en cogne dans le raisonnement car ca ne fait que nous dire où l'énergie est dissipée mais ne nous renseigne pas vraiment sur les forces et donc où calculer un travail. Ce qui compte, c'est d'appliquer l'équation W=F*d au référentiel centré sur le point de contact de la roue et aligné sur la route car c'est là que s'applique la force d'adhérence qui nous intéresse.

Si tu préfères tu oublies les freins et tu prends le système fermé que représente le véhicule complet et tu imagines que tu l'arrêtes avec un parachute de freinage pouvant exercer une force constante sur la voiture. La question est de savoir quelle force il doit appliquer sur le crochet d'attelage pour arrêter la voiture sur une distance de 6m depuis 20 km/h. La réponse est la même que celle qu'il te faudrait appliquer sur la calandre pour la stopper avec une main invisible ou encore la même que celle que tu dois appliquer globalement aux pneus pour l'arrêter.

Dit autrement, ce qui compte dans le système fermé que représente la voiture, c'est la force à lui appliquer de l'extérieur, que ce soit par les pneus, la carrosserie, le poids (si tu mets la voiture sur une montée et que tu veux qu'elle s'arrête en 6m par la force constante de son poids).

Après, dans le cas de l'arrêt par le poids, tu n'as pas dissipé l'énergie cinétique, tu l'as convertie en énergie potentielle (tu es monté). Dans le cas du parachute, tu as dissipé cette énergie en dehors de la voiture, dans les frottements du parachute sur l'air. Dans le cas du frein, tu as dissipé la même quantité d'énergie en chaleur dans les freins. Mais ca, c'est juste le moyen qui diffère (où tu mets l'énergie), mais ce moyen ne change rien à la force que tu appliques à la voiture.

Dit encore autrement, la conservation de l'énergie dit qu'à l'origine, tu as une énergie cinétique de 1/2mv^2. Après freinage, tu dois avoir encore cette énergie: soit elle est devenue énergie potentielle en montant, soit elle est devenue chaleur dans les freins ou le parachute, soit elle a été reprise par le véhicule dans lequel tu as fait un strike (facon boule de billard). Mais l'endroit où cette énergie est à la fin ne change rien, ce qui compte, c'est le travail de la force qui a ralenti la voiture, dans notre cas, celui de la force d'adhérence. On suppose que cette force est constante, = à l'adhérence maxi du pneu. On connait la distance du travail de la force (6m) et comme notre système a perdu toute son énergie cinétique, on sait qu'on a autant d'énergie sous forme de chaleur dans les freins (conservation de l'énergie) et que le travail pour ammener cette énergie cinétique à 0 est le même que celui du poids qui m'aurait permis de convertir la même énergie cinétique en énergie potentielle =f*d.

Je ne sais pas si je suis très clair, mais en gros, l'idée c'est de dire que l'énergie est conservée et donc se retrouve quelque part, mais ca on s'en fout, ce qui compte, c'est le travail que la force qui veut ralentir le bouzin doit effectuer, pas l'endroit où ce travail déplace l'énergie cinétique.

[spooky]

Ok, pour l'ellipse. J'etais parti pour te trouver des references demontrant que ce n'est une ellipse, mais ce que j'ai trouve c'est des documents... montrant que le footprint est en effet assimilable a une ellipse donc t'as raison la...
http://www.boeing.com/assets/pdf/commer ... ctarea.pdf

Pour le travail de frottement, ce que je mettais en cause c'est ton equation:
"W= Fadh*distance= Ec"
Car dans ce cas toute l'energie thermique part dans le travail de la force d'adherence du pneu au sol, mais on a un probleme car les freins ont aussi chauffes donc au final on a plus d'energie thermique que d'energie cinetique... En realite on a des plaquettes qui freinent en frottant un disque (chaleur) + un pneu qui freine en frottant le sol (chaleur), donc l'equation devrait etre:
Ec = Fadh*distance + Fadh_disques*nbtoursderoues*2piRdisques

[spooky]

Et voici un test a ~50 km/h sur terrain neige tasse + pluie, en legere pente, un endroit different du premier test.

Malheureusement je n'ai pas reussi a atteindre exactement la meme vitesse avec les 2, le Range a pres de 5 km/h de plus, et il freine seulement 30 cm plus long, ce qui n'est pas significatif... donc, ca se confirme, meme a 50 km/h un Range freine mieux. On voit que le Range produit un deceleration bien reguliere pendant tout le freinage, ce qui est loin d'etre le cas du Tiguan (a noter que j'ai un defaut d'ESP sur le Tiguan, mais je doute que ca compte au freinage en ligne droite).

[spooky]

Je suis un grand malade, j'ai re-mesure le Range pour avoir une vitesse de depart identique. Cette fois, c'est bon: 48 km/h.
Le resultat c'est 2 m de freinage plus court sur 30 en faveur du Range... J'aurai bien voulu comparer mes resultats avec d'autres... mais j'ai google sans reussir a trouver une seule etude comparant les distance de freinage sur neige entre voitures !

[vravolta]

Ok, pour l'ellipse. J'etais parti pour te trouver des references demontrant que ce n'est une ellipse, mais ce que j'ai trouve c'est des documents... montrant que le footprint est en effet assimilable a une ellipse donc t'as raison la...
http://www.boeing.com/assets/pdf/commer ... ctarea.pdf

Pour le travail de frottement, ce que je mettais en cause c'est ton equation:
"W= Fadh*distance= Ec"
Car dans ce cas toute l'energie thermique part dans le travail de la force d'adherence du pneu au sol, mais on a un probleme car les freins ont aussi chauffes donc au final on a plus d'energie thermique que d'energie cinetique... En realite on a des plaquettes qui freinent en frottant un disque (chaleur) + un pneu qui freine en frottant le sol (chaleur), donc l'equation devrait etre:
Ec = Fadh*distance + Fadh_disques*nbtoursderoues*2piRdisques

Sauf que le pneu ne frotte pas sur le sol, il y roule et donc n'y dissipe aucune énergie cinétique. Si ton raisonnement tenait, alors si tu mettais une voiture à tourner quelques minutes en rond, même pas très vite, tu aurais 0 perte dans le freinage et la force centrifuge qui travaillerait sur ton pneu qui donc verrait sa température monter vers l'infini, ce qui n'est pas le cas ... car le pneu roule. Ce serait le cas si le pneu glissait sur le sol. Dans ces conditions, on voit d'ailleurs le pneu se mettre très rapidement à fumer cf les video de glisse sur circuit en virage.

Autre preuve que le travail ne chauffe pas en tant que tel: si tu descends une pente sur un skate board parfait, ton poids va avoir travaillé de m*g*h ce qui t'aura donné une vitesse ... mais ne t'aura pas particulièrement réchauffé. Il aura fallu le travail du poids pour te donner une énergie cinétique ou plus précisément, pour convertir une énergie potentielle en énergie cinétique. En gros, le travail, c'est le chemin, le changement de répartition entre énergie potentielle, énergie cinétique et chaleur, c'est le résultat du chemin parcouru. Donc grace au travail de la force d'adhérence du pneu, le véhicule convertit de l'énergie cinétique en chaleur dans le disque de frein. Grace au travail du poids en montée, il peut convertir la même énergie cinétique en énergie potentielle. Dans les 2 cas, on a une force constante qui a travaillé et conduit à la transformation de l'énergie cinétique en 1 autre forme d'énergie. Ce truc du poids te montre que même en l'absence de frottement ou de dégagement de chaleur, une force peut travailler, ce qui est le cas de la force d'adhérence du pneu sur la route, mais pas le cas de la force de frottement de la plaquette sur le disque: là il y a glissement et donc dégagement de chaleur.

A noter que l'échauffement d'un pneu qui roule, c'est pas le frottement, c'est la série de compressions détentes que subit le pneu en roulant (la thermodynamique (entropie) t'assurant que ce genre de truc entraine un dégagement de chaleur (les histoires de compression qui ne sont pas adiabatiques ni quasistatiques de mémoire). Donc oui un pneu qui roule chauffe, mais pas du tout dans des ordres de grandeur correspondant au travail de sa force d'adhérence car ce n'est pas cette force responsable, c'est sa déformation. et heureusement car sinon, tu imagines la température des roues d'un train vu le travail considérable des forces pour le maintenir sur les rails?

[ze_shark]

Là où c'est difficile à suivre, c'est la conservation d'énergie dans ton travail du pneu. Un transfert d'énergie potentielle à cinétique ou cinétique à thermique, je suis, mais le travail fourni par le pneu, il se transfère en quoi ?

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[vravolta]

Pour moi, le travail ne se transfère en rien, le travail est le chemin qui permet de changer la répartition des énergies, le total restant constant (du fait de la conservation de l'énergie globale). Donc le travail du poids permet de transformer une quantité W=Poids*hauteur d'énergie cinétique en énergie potentielle. Le travail de la force d'adhérence du pneu permet de transformer une quantité d'énergie cinétique W=Fadh*distance de freinage en chaleur.

Donc en gros, l'équation du travail W=f*d permet de dire quelle quantité d'énergie va être transformée/transférée par l'action de forces le long d'un chemin donné. Dans notre cas = le freinage, on utilise l'équation à l'envers: on constate qu'il y a eu une perte d'énergie cinétique sur une certaine distance et on en déduit la force qui a été appliquée pour perdre cette énergie cinétique. Après, il se trouve que la conservation de l'énergie globale entraine que l'énergie cinétique a été convertie en chaleur dans le disque de frein, mais ca quelque part, ca ne nous intéresse pas.

En fait, la réalité du phénomène si on veut vraiment aller jusqu'au bout, c'est qu'on a toute une chaine de transfert de l'énergie en place: elle commence par la force d'adhérence du pneu sur la route, le moyeu de la roue permet de la convertir à travers sa liaison pivot au disque de frein (il y a bien conversion car on récupère une force plus importante qui va travailler sur une distance plus faible vu que le diamètre du disque de frein est inférieur à celui de la roue). Et l'étrier de frein, en se serrant, va créer un frottement (et pas un roulage qui lui est neutre du point de vue de l'énergie) qui lui va permettre de convertir une énergie cinétique appliquée au début de la chaine (point de contact du pneu sur la route) en chaleur (énergie calorifique au point de frottement des plaquettes sur le disque).

Ce raisonnement marche aussi sans frottement sur le disque de frein avec le principe des ralentisseurs électromagnétiques des camions (le fameux commodo TELMA qu'on voit souvent en main droite dans les cars): Là le principe c'est qu'on applique un champ magnétique sur le disque de frein, ca génère des courants de Foucault dans le disque qui se dissipent par effet joule dans ce dernier. L'avantage c'est qu'on a le même résultat qu'avec un frein par frottement (conversion d'une énergie transmise par rotation en chaleur dans le disque) mais sans frottement et donc sans usure du disque ni problème de fading (dans la mesure où le disque ne se disloque pas par fusion de ce dernier). L'inconvénient, c'est que l'efficacité de ce dispositif est fonction de la vitesse de rotation du disque donc en gros, plus on ralenti, plus ca relache naturellement le frein => ce dispositif est donc inapte à arrêter, raison pour laquelle on l'appelle ralentisseur et pas frein. A noter que cette propriété a l'avantage d'être un ABS naturel vu que dès que la vitesse de rotation se réduit, la puissance de ralentissement fait de même. Dans ce cas, l'énergie cinétique a été transformée en courant de Foucault (i) à l'intérieur du disque. Si on appelle R la résistance électrique du disque, la puissance électrique sera de Ri^2 et alors l'énergie dissipée par effet joule de Ri^2*durée de l'action.

Pour en revenir au travail et bien se persuader que ce n'est qu'un moyen de transformer/transférer de l'énergie, il faut se rappeler du premier exemple qu'on donne pour illustrer le travail d'une force: c'est le coup de l'homme qui monte une charge accrochée à une poulie. si la masse pèse 1 kg et est montée de 1m, le travail de la force de la corde sur la charge est égal à f*h=1*1. Il se trouve que le dispositif corde+ poulie ne fait que convertir 1 pour 1 la force des bras en force sur la corde et donc le travail de la force de la corde est le même que le travail de la force des bras.

C'est encore cette loi W=F*d en conjonction avec le principe de conservation de l'énergie qui permet d'expliquer le fonctionnement d'une boite de vitesse: on se place au point de contact entre les 2 roues dentées d'un engrenage. A cet endroit il y a roulement et pas glissement et donc l'énergie est conservée on sait que les travaux de chacune des roues dentées sont égaux ce qui nous fait F1*d=F2*d (d est le déplacement infinitésimal au point de contact, par définition égal vu qu'il n'y a pas ripage). Or sur un cercle, on a la formule s=R*alpha où s est la longueur de l'arc (le d de la formule précédente), R le rayon de la roue et alpha l'angle parcouru pour décrire cet arc. Il vient donc F1*R1*alpha1=F2*R2*alpha2. On divise chaque coté par t, le temps et on obtient r1*omega1=r2*omega2 (omega = vitesse angulaire). A noter que j'ai pu simplifier F1 et F2 car par définition, F2 étant la réaction à F1, elles sont de même grandeur (sinon, la roue dentée réceptrice se déplacerait par rapport à la roue dentée émettrice). Et on arrive alors à la formule classique r1/r2=omega2/omega1 qui régit la manière dont l'énergie est transférée à travers un engrenage et on voit que le concept de travail de la force n'a pas servi à dissiper mais juste à transférer de l'énergie.

Pour le dire autrement, la chaleur est une forme d'énergie comme une autre et donc il n'y a pas de différence à convertir de l'énergie cinétique en énergie potentielle vs convertir de l'énergie cinétique en chaleur. Alors en fait, je dis tout de même un truc incomplet ici: la chaleur est une forme dite dégradée de l'énergie au sens où on peut convertir sans perte thermodynamique n'importe quelle forme d'énergie en chaleur. En revanche, si on veut convertir de la chaleur en une forme plus noble d'énergie, la thermodynamique impose que cela coutera de l'énergie supplémentaire car on a réduit l'entropie. C'est la raison pour laquelle un moteur qui n'est jamais qu'une machine à transformer de la chaleur (celle de la combustion) en énergie mécanique, même si on arrivait à avoir 0 frottements, n'aurait pas un rendement supérieur à une quarantaine de pourcents. Cette histoire d'entropie est aussi la raison qui fait qu'on peut sans effort (énergie) mélanger de l'eau et du vin. Mais si après on veut séparer l'eau du vin (réduction de l'entropie), on va devoir injecter de l'énergie.

Mais on se fiche de ce point car ici, on exploite la partie énergie noble vers énergie dégradée et là on sait qu'il y a conservation intégrale car on crée de l'entropie plutot que d'essayer d'en détruire.

[spooky]

Ok, t'as peut-etre raison en fait. Mais... en pratique le pneu travaille et chauffe, en regardant a droite a gauche je trouve 20% de perte thermiques a cause de ça.
https://community.michelinchallengebibe ... s/DOC-2292

Maintenant, peut-être que ça ne modifie rien a tes calculs.

Pour revenir au sujet, j'ai voulu cross-checker mes résultats avec d'autres mais pour l'instant je n'ai rien trouve... Je ne suis quand même pas le seul au monde (!!) a avoir reporte sur internet des tests comparatifs de freinage sur neige entre voitures?...

[Derrick]

Peut-être parce que ces tests (de voiture donc) ne sont pas relevant et que seul le poids et la monte pneumatique (taille, type, etc..) sont réellement intéressant.
Avec une adhérence aussi précaire, tu ne crois pas que les freins actuels, toutes marques confondus, ne font pas de différence? (le système ABS pourquoi pas)

[ze_shark]

Pas sûr que seuls le poids et la monte jouent un rôle. La gestion de l'ABS et la répartition des masses peuvent aussi être des contributeurs.

[spooky]

Peut-être parce que ces tests (de voiture donc) ne sont pas relevant et que seul le poids et la monte pneumatique (taille, type, etc..) sont réellement intéressant.

Ben justement, en général on pense que "les SUV ca freine pas sur la neige car c'est lourd". Alors même si le poids et en effet un fondamental, c'est utile de savoir si ca joue (ou non?) en faveur d'un freinage sur neige, ce qui est pour le moins contre-intuitif...Dans mes tests, il ne s'agit pas d'une différence minime, mais vraiment de qque chose qui peut faire la différence entre crash ou pas. Et ensuite, il y a en effet l'ABS, la répartition des masses, etc.

Et puis, j'ai vu des tests pour moins que ça je pense que ce serait utile d'avoir des tests officiels, le TCS pourrait très bien le faire.