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Influence de la pluie sur l’étude de frottement (appliqué à un pneu de vélo) Qu

Influence de la pluie sur l’étude de frottement (appliqué à un pneu de vélo) Quels sont les effets de l’eau lors d’un freinage dans la sécurité routière ? Le coeff de frottement ne dépend pas de la surface de contact. aquaplaning = aquaplanage = hydroplanage I. Équation du vélo / voiture II. Aquaplanage A. Principe L’aquaplanage se produit lorsqu’un véhicule circulant à une certaine vitesse passe sur une accumulation d’eau et vole littéralement au-dessus de celle-ci. Son pneu n’est plus en contact direct avec la chaussée. Lorsque la vitesse augmente, la résistance de l’eau augmente et la force pour pousser l’eau sur les côtés augmente. Un certain temps est donc nécessaire pour développer la force qui va pousser l’eau. Cependant, puisque le véhicule va plus vite, le temps est moindre et le pneu ne peut plus pousser toute l’eau afin d’être en contact avec le pavage. À une certaine vitesse critique, le poids supporté par le pneu est égal à la résistance nécessaire pour pousser l’eau. À cette vitesse, les pneus avant vont "rouler sur l’eau". Les pneus arrière seront encore en contact avec la chaussée puisque les pneus avant vont quand même avoir déplacé la moitié du film d’eau. De plus, le véhicule subissant l’aquaplanage ne contrôlera plus la stabilité de son véhicule. On peut décomposer ce phénomène en 3 phases : - l'eau est évacuée efficacement et la surface de contact entre la bande de roulement et la route est optimale. Cela intervient particulièrement quand la vitesse est réduite. - le pneu rencontre des difficultés à évacuer l'eau. Cela intervient quand la vitesse augmente occasionnant un faible drainage. - la bande de roulement est inondée, une épaisse pellicule d'eau se forme entre la route et la surface de contact du pneumatique. L'eau n'est plus évacuée. Le pneu n'adhère plus et glisse. Ceci peut se manifester visuellement par le fait que les roues avant glissent sur l’eau et ne tournent plus. Ainsi, tout le freinage doit être fait par les freins arrières puisque les roues avants ne touchent plus la route (en décélérant, les roues avant vont finir par toucher la route). La distance d’arrêt sera donc augmenter. De plus, en conditions d’aquaplanage, les roues à l’avant glissent et il est donc impossible de contrôler la direction du véhicule. B. Type d’aquaplaning Visqueux : L'aquaplaning visqueux est dû aux propriétés visqueuses de l'eau. Un film mince de fluide ne dépassant pas 0,025mm de profondeur suffit. Le pneu ne peut pas pénétrer dans le fluide et le pneu roule au-dessus du film. Cela peut se produire à une vitesse beaucoup plus faible que l'aquaplanage dynamique, mais nécessite une surface lisse ou à action douce telle que l'asphalte ou une zone de toucher des roues recouverte du caoutchouc accumulé des atterrissages précédents. Une telle surface peut avoir le même coefficient de frottement que la glace humide. Dynamique : L'aquaplaning dynamique est un phénomène à vitesse relativement élevée qui se produit lorsqu'il y a un film d'eau sur la route d'au moins 2,5mm de profondeur. À mesure que la vitesse de l'aéronef et la profondeur de l'eau augmentent, la couche d'eau acquiert une résistance croissante au déplacement, ce qui entraîne la formation d'un coin d'eau sous le pneu. À une certaine vitesse, appelée vitesse d'aquaplaning, la force ascendante générée par la pression de l'eau est égale au poids de l'aéronef et le pneu est soulevé de la surface de la piste. Dans cette condition, les pneus ne contribuent plus au contrôle directionnel et l'action de freinage est nulle. L'aquaplaning dynamique est généralement lié à la pression de gonflage des pneus. Caoutchouc inversé : L'aquaplaning en caoutchouc (vapeur) inversé se produit lors d'un freinage brusque qui entraîne un dérapage prolongé de la roue bloquée. Seule une fine couche d'eau sur la piste est nécessaire pour faciliter ce type d'aquaplaning. Le dérapage du pneu génère suffisamment de chaleur pour transformer le film d'eau en un coussin de vapeur qui maintient le pneu hors de la piste. Un effet secondaire de la chaleur est que le caoutchouc en contact avec la piste revient à son état d'origine non durci. On s’intéressera pour des raisons pratiques lors de ce TIPE qu’à l’aquaplaning dynamique. C. Facteurs et interprétation Facteurs liés à la route : - profondeur d’eau : 5 et 8mm d’eau au minimum pour observer le phénomène. - texture de la surface de roulement : un pavage fermé et lisse facilitera les chances d’un aquaplanage contrairement à un pavage poreux. - la pente latérale de la route : Une chaussée avec une pente latérale importante va évacuer plus facilement l’eau sur les côtés. Une route large aura besoin d’une pente latérale plus importante pour obtenir le même degré de drainage. Un creux entre deux collines facilitera l’accumulation d’eau, donc le risque d’aquaplanage. Facteurs liés au véhicule : - pression du pneu : plus le pneu est gonflé, plus le phénomène d’aquaplanage interviendra à des vitesses élevées. Un sous-gonflage peut faire dévier un pneu vers l'intérieur, soulevant le centre du pneu et empêchant la bande de roulement de s'éclaircir. - rainures sur le pneu : retarde l’aquaplanage en évacuant l’eau. - usure de la bande de roulement : si le pneu est usé, la bande de roulement aura une profondeur moins grande ce qui faciliter l’aquaplanage. - vitesse / accélération / freinage / direction du véhicule. - type de véhicule : les véhicules combinés comme les semi-remorques sont plus susceptibles de subir un aquaplaning irrégulier causé par une répartition inégale du poids. Une remorque déchargée fera de l'aquaplanage plus tôt que la cabine la tirant. Les camionnettes ou les remorques de remorquage de SUV présentent également des problèmes similaires. - largeur de la bande de roulement : plus la zone de contact est longue et mince, moins il est probable qu'un pneu aquaplanera. Interprétation de la largeur du pneu par le débit : Pour éviter l’aquaplanage et diminuer la pression qu’exerce l’eau sur le pneu, celui-ci doit donc évacuer le plus rapidement le plus d’eau possible. Il faut donc que le débit d’eau qui circule soit grand. DV=Sv=l×h×v Ainsi plus le pneu est large, plus le débit qu’il doit assurer est important augmentant donc le risque d’aquaplanage. De plus, un pneu large empêchera l’eau au milieu de fuir vers les côtés augmentant la pression (voir simulation) et la quantité d’eau à évacuer. C’est pourquoi un pneu de vélo ne pourra subir ce phénomène. Prenons une roue gonflée à 2 bars et chargée d'un poids de 300daN (cas d'une roue d'une petite voiture). Si on isole mécaniquement la partie de la bande de roulement en contact avec le sol, et si on néglige la raideur des flancs et les efforts de flexion de la ceinture, on peut donc considérer que la pression moyenne sol/pneu dans l'aire de contact est de la même valeur que la pression de gonflage. La surface de contact pneu/sol est donc Scontact= charge Pgonflage =150cm². Ainsi il est trivial de montrer que plus la pression est élevée, plus l’aire de contact sera faible ainsi que le débit volumique d’eau à évacuer. L’aquaplanage est donc retardé. (super bonne transition avec l’interprétation suivante) (Cette hypothèse est tout à fait réaliste sur des voitures, elle est loin de la réalité dans le cas des pneumatiques motos) Interprétation de l’effet du sous-gonflage des pneus : Interprétation de la vitesse : On peut observer cela en regardant les voitures, plus la vitesse est élevée, plus l’eau reste "accrochée" sur le pneu. L’évacuer est ainsi plus difficile si elle reste dans les rainures (vérifier si ce n’est pas à cause de la vitesse). D. Mise en équation (les expressions proviennent de la formule de Bernoulli) Il n’existe pas d’équation précise afin de déterminer la vitesse à partir de laquelle le véhicule subira un aquaplanage, mais pour les voitures cela intervient à partir de 72-93km/h. On peut cependant estimer cette vitesse à partir de l’équation suivante : Phydrodynamique=1 2 ρV 2 Si cette pression hydrodynamique du bourrelet d’eau devient supérieure à la pression moyenne d’appui du pneu sur le sol (de l’ordre de 2 bars pour une voiture), le pneu ne peut plus repousser l’eau et il est soulevé : c’est le phénomène d’hydroplanage. Ainsi il est clair que plus la vitesse est élevée, plus la pression hydrodynamique a de chance d’être supérieure au poids exercé par la voiture sur le sol et ainsi de créer de l’aquaplaning. ((Cette formule reste très approximative, elle ne permet pas de calculer la vitesse d’aquaplaning. En effet, il faut aussi prendre en compte la largeur du pneu, le poids du véhicule, …)) (Calculer les valeurs avec les exemples de la partie précédente) Pour un véhicule léger on a la formule : V hydroplanage=5.55×( P×10 3 w l ) (V en km/h, P pression de gonflage en Pa, l et w la longueur et la largeur de l’aire de contact) Par ailleurs la déformation du front d’onde causée par la trace et la déformation de la gomme influe aussi sur la pression hydrodynamique. Ainsi la uploads/Ingenierie_Lourd/ coucou-c.pdf