Force

Aucun corps ne peut, de lui-même, modifier son état de repos ou son état de mouvement.

On appelle force toute cause capable de mettre en mouvement un corps au repos ou, si le corps est en mouvement, toute cause capable de rendre ce mouvement plus lent ou plus rapide.

On conçoit donc que des forces puissent être motrices ou résistantes. Par exemple : la force musculaire et la force d'expansion de gaz sont des forces qui sont tantôt motrices, tantôt résistantes ; le frottement qui gêne le glissement d'un corps sur un autre, la résistance de l'air à l'avancement d'une voiture sont des forces résistantes.

Pour mesurer les forces, on les compare à l'une d'elles, la pesanteur. Le poids d'un corps qui, en effet, représente l'influence exercée par la terre sur lui est une force qui nous est des plus familières. Il est particulièrement aisé de vérifier l'égalité ou la différence de deux poids.

L'unité de force est le kilogramme (kg.). On dira, par exemple, que pour déplacer une voiture pesant 1.000 kilos, il faut exercer une poussée de seize kilos environ. Cet effort sert à vaincre la résistance du sol et les frottements des arbres dans leurs paliers.

 

 

Travail

On dit qu'une force, produit du travail, quand elle a vaincu une résistance. La notion de travail associe intimement des idées de force et de déplacement.

Par exemple, une poussée de dix kilos sur une voiture de 1.000 kilos est insuffisante pour déplacer la voiture : cette force ne produit aucun travail.

Il y a encore production de travail si l'effet de la force a été un changement de vitesse, ou encore une déformation du corps sur lequel la force agit.

L'unité de travail est le kilogrammètre (kgm), représentant le travail d’une force nécessaire à l’élévation d’une masse d’un kilogramme à la hauteur d’un mètre. : 1 kgm=1 kg x 1 m .

Ainsi, en déplaçant la voiture de quatre mètres, on a développé un travail de : 16 x 4 = 64 kgm .

 

 

Puissance

Confions à un homme robuste la tâche de monter 500 kg de briques, par exemple, à 4 m de hauteur. À chaque montée, il pourra sans peine transporter 25 kg ; un jeune manoeuvre ne pourra, sans fatigue, emporter plus de 5 kg par montée. Quand tous les deux auront terminé leur mission, ils auront effectué le même travail : 500 kg x 4 m. = 2.000 kgm, mais l'homme a fourni ce travail en cinq fois moins de temps que le jeune manoeuvre qui, à chaque montée, emporte une charge cinq fois plus faible. On dit que l'homme est plus puissant que le jeune manoeuvre. De même, de deux moteurs fournissant le même travail, le plus puissant est celui qui effectue ce travail dans le moins de temps : c'est le temps qui détermine la notion de puissance.

On appelle puissance d'un moteur et non-force d'un moteur le travail que ce moteur fournit en une seconde ; on l'évalue en chevaux : 1 cheval (1 CV) correspond à un travail de 75 kgm par seconde. (On emploie souvent comme unité de puissance le watt : 1 CV = 736 watts).

Exemple : On a pu mesurer la résistance opposée par l'air à l'avancement des véhicules : insignifiante si la voiture avance lentement (par exemple si on la pousse à la main), elle augmente très rapidement avec la vitesse ; ainsi, on a constaté que cette résistance quadruplait quand on passait d'une vitesse à une vitesse deux fois plus grande.

Admettons que, à la vitesse de 72 km/h, cette résistance soit de 64 kg pour la voiture de 1.000 kg déjà considérée.

La résistance totale à vaincre comprend :
16 kg pour la résistance opposée par le roulement sur le sol.
64 kg pour la résistance de l'air, soit en tout : 80 kg (force).

Comme le chemin parcouru en une heure est égal à 72 km ou 72.000 m, le travail utile fourni par le moteur est en une heure :
Force x chemin parcouru = travail.
80 x 72.000 = 5.760.000 kgm .

En une seconde, le travail fourni est 3.600 fois moindre (1 h=60 min x 60 = 3.600 secondes) ou 5.760.000/3.600= 1.600 kgm par seconde (puissance).
Ou 1.600 / 75 = 21 CV environ (puissance).

 

 

Rendement organique de la transmission

Nous venons de parler de travail utile fourni par le moteur ; c'est que, en effet, le moteur doit, outre les résistances opposées par le sol et par l'air, vaincre encore les résistances de frottement présentées par les organes de transmission : on appelle rendement organique de la transmission, la fraction de la puissance du moteur qui est disponible pour l'avancement de la voiture ; on peut l'évaluer à 80 % environ, de sorte que la puissance du moteur à placer sur la voiture doit être 21 / 0.80 = 26 CV.

Nous aurons à parler du rendement en de multiples circonstances. Il convient de noter qu'un rendement, quel qu'il soit, est toujours inférieur à 1.

 

 

Equivalent mécanique de la calorie

Considérons le mélange air-gaz comprimé dans la chambre de combustion d'un moteur. La combustion de ce mélange met en liberté un certain nombre de calories, la température du gaz augmente considérablement, ainsi que la pression et, le piston est chassé dans le cylindre : la force expansive du gaz provient ainsi de la chaleur et comme elle produit du travail, on voit que l'on peut transformer la chaleur en travail.

Les physiciens ont reconnu que : une calorie pouvait produire environ 425 kgm. Ce nombre est appelé équivalent mécanique de la calorie.

 

 

Cheval-Heure. Equivalent calorifique du Cheval-Heure.

Le cheval-heure (CV/h) est le travail qu'un moteur d'une puissance de 1 CV produit en 1 heure ou 3.600 secondes. 1 CV/h représente donc 75 x 3.600 = 270.000 kgm, qui correspondent à 270.000 /425 = 635 calories. (Il existe d'autres unités de travail utilisées fréquemment telles que le kilowatt-heure (kWh). On passe aisément de l'une à l'autre, car 1 kWh vaut 36.720 kgm).

Ce nombre est appelé l'équivalent calorifique du cheval-heure.

Ainsi, le moteur de la voiture, considérée plus haut, transformerait en travail, par heure : 26 x 635 = 16.510 calories.

 

 

Rendement thermique d'un moteur. Consommation.

Un moteur ne peut malheureusement pas transformer en travail utile toutes les calories qu'il reçoit : une certaine partie du travail fourni par la combustion sert à actionner divers organes auxilliaires ( pompes à huile et à eau, dynamo, alternateur...) ou à vaincre des frottments; d'autre part , les gaz d'échappement et l'eau de refroidissement emportent de la chaleur qui ne produit aucun travail. On appelle rendement thermique du moteur ou rendement effectif la fraction de la chaleur contenue dans le carburant qui est transformée en travail utile.

On évalue le rendement moyen d'un bon moteur à essence à 0,26 environ, c'est-à-dire aux 26 centièmes de la chaleur dégagée dans les cylindres. Il faudrait alors fournir au moteur déjà étudié : 16.510/0.26 = 63.733 calories par heure. L'essence ayant un pouvoir calorifique moyen de 7.600 cal kg/litre, la consommation horaire serait 63.733 /7.600 = 8,4 litres environ. Comme la voiture parcoure 72 km en une heure, la consommation aux 100 km serait (8,4 x 100)/72=11,7 litres.