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Vitesse et économies d'énergie

par coryphea, le 31/07/2020 à 18:47 - 199 visites

Bonjour,

Est-il vraiment plus économique en carburant (et de ce fait moins polluant) de parcourir la même distance, sur route, à 80 km/h qu'à 90 km/h ? De même à 110 km/h qu'à 130 km/h sur autoroute ?
Il n'est pas question ici de sécurité, la seule chose qui m'intéresse – ou plutôt qui me laisse perplexe – c'est l'argument d'une prétendue économie d'énergie, étant donné que pour parcourir la même distance on passera plus de temps, donc on consommera et polluera plus longtemps.

Réponse du Guichet du savoir

par gds_et, le 03/08/2020 à 14:48

Bonjour,

Effectivement, plus une voiture roule vite, plus la consommation de carburant en L / 100 km augmente. En physique, cela s’explique par les phénomènes de résistance que le moteur doit compenser, en particulier la résistance de l’air :

« Dans beaucoup de pays, la plupart des routes sont plates. Il y a peu de montées et de descentes et s’il y en a, elles se compensent largement. Que se passe-t-il sur une route plate ? Premièrement, il faut fournir de l’énergie pour accélérer. L’énergie nécessaire pour atteindre une vitesse donnée est proportionnelle à la masse de la voiture (qu’on appelle parfois improprement son poids) et à sa vitesse au carré (c’est 1/2mv2, pour être précis). Ainsi, il faut quatre fois plus d’énergie pour atteindre 100 km/h que pour atteindre 50 km/h. Pensez-y quand vous verrez le feu passer à l’orange au loin ! En prenant garde, mieux vaut parfois éviter de freiner pour avoir à accélérer ensuite. L’anticipation est le maître mot !
Quelle quantité de carburant consomme-t-on à chaque arrêt ? Quand on fait les calculs à la louche, on trouve qu’accélérer de 0 à 100 km/h demande autant de carburant que de parcourir 1 km sur autoroute. Ou que 15 km en train ! […]
C’est sur autoroute que l’on consomme la plus grande quantité d’essence (ou de diesel, ou de quoi que ce soit d’autre). Dans ce cas, qu’est-ce qui détermine la consommation d’énergie ? Lancée à vitesse constante, une voiture doit combattre une certaine résistance. Le rôle du moteur est alors de fournir à la voiture exactement la force qu’il faut pour vaincre cette résistance. C’est donc précisément cette résistance qui détermine la consommation de carburant […]. Mais quels phénomènes se cachent derrière cette résistance ? Au moins deux, que nous allons expliquer l’un après l’autre.

La résistance au roulement

Les roulements à bille ne jouent pas un grand rôle dans la résistance au roulement d’une voiture. Cette résistance est presque entièrement causée par la déformation des pneus sur la route. Cela peut sembler bizarre : le caoutchouc n’est-il pas élastique ? Ne reprend-il pas parfaitement sa forme après avoir été comprimé ?
Bien sûr que si, mais ce mécanisme de compression et d’expansion consomme de l’énergie. La force nécessaire pour comprimer la gomme est plus grande que la « force de rappel » exercée par le pneu quand il se remet forme […]. La différence entre les deux – l’énergie nette – finit en chaleur. On sent bien à quel point les pneus chauffent après un voyage sur autoroute ! La résistance qui en résulte – la résistance au roulement, ou le frottement de roulement – est proportionnelle au poids de la voiture. Il s’agit, dans la pratique, d’un pourcentage fixe de ce poids qui dépend du type de pneus et de leur pression. Ce pourcentage est le « coefficient de résistance au roulement », noté Cr.
Quelle est la valeur de Cr ? Autour de 1 ou plutôt de 0,1 ? Des valeurs aussi élevées sont impossibles, nous allons voir pourquoi. Supposons que notre voiture soit garée sur une pente et que l’on enlève le frein à main. A partir de quelle pente la voiture va-t-elle se mettre à rouler ? On constate qu’une pente de l’ordre de 1% suffit. Quelle est la force correspondante ? Le poids de la voiture pointe dans la direction verticale. Seule sa composante parallèle à la route nous importe ici. Elle vaut à peine 1% du poids du véhicule, mais elle suffit à mettre la voiture en mouvement. Si elle suffit pour dépasser la résistance au roulement de la voiture, c'est donc que la valeur de Cr doit être de l’ordre de 0,01. C’est ce que l’on trouve en pratique, si la pression des pneus est correcte. Très logiquement, Cr augmente quand la pression des pneus diminue, puisque tout le processus repose sur de la déformation des pneus. En pratique, la résistance au roulement augmente d’environ 5% quand la pression baisse de 10%.
La valeur de Cr varie d’un pneu à l’autre, mais aussi en fonction de la surface de la route. C’est le béton qui donne les meilleurs résultats. Il ne s’écrase pas du tout et présente donc une résistance plus faible que celle du bitume, un peu plus mou. Pour une voiture moyenne, Cr vaut habituellement autour de 0,010. Mais avec des pneus récents, on peut espérer descendre jusqu’à 0,009. Des valeurs de 0,006 semblent accessibles dans le futur. L’essentiel est de se souvenir que pour toutes les applications usuelles, la résistance au roulement est indépendante de la vitesse.

La résistance de l’air

La résistance de l’air, qu’on appelle aussi la traînée, ne se comporte pas de la même manière. Elle augmente avec le carré de la vitesse et se trouve donc quadruplée quand on roule deux fois plus vite. On peut le tester facilement : quand on passe la main par la fenêtre de la voiture à 100 km/h, on ressent une force beaucoup plus grande qu’à 50 km/h. Pour être précis, elle est quatre fois plus grande.
D’autre part, la résistance de l’air est proportionnelle à la densité de l’air. Elle augmente donc avec la pression atmosphérique. En plein été, la résistance de l’air est donc plus petite qu’en hiver pour une pression atmosphérique donnée. C’est logique si on se souvient que l’air chaud se dilate, donc se « dilue ». de la même manière, l’air est plus léger à haute altitude et la traînée subie par les voitures est donc réduite. Idem pour les vélos et pour les patineurs de vitesse : battre un record du monde est plus simple à haute altitude, si on fait abstraction de l’essoufflement dû à un air plus pauvre en oxygène.
Un autre facteur dont dépend la traînée est la taille du véhicule… ou, plus précisément, sa surface frontale. Les voitures basses et étroites offrent une résistance à l’air plus faible que les voitures hautes et larges.
Pour finir, la résistance de l’air est proportionnelle au coefficient de trainée Cd qui dépend de l’aérodynamisme de la voiture. Alors que Cd peut valoir 1 pour des objets grossiers pas profilés du tout, il peut descendre jusqu’à 0,25 pour les véhicules les plus récents. D’après Wikipedia, une bonne vieulle 2 CV présente un Cd de 0,51 tandis qu’il vaut 0,34 pour une Peugeot 106 plus récente, 0,28 pour une Citroën C4 ou 0,25 pour une Peugeot 508. Pour des véhicules expérimentaux comme Nuna, […] Cd descend à 0,007. Soit pratiquement la plus petite valeur possible, qui vaut à peu près 0,05 pour une géométrie idéale.

Pièce jointe:
résistance voiture.jpg
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Source : L'énergie sous toutes ses formes. 01 [Livre]. : comment se transforme-t-elle ? / Jo Hermans
(extraits disponibles dans Google Livres)


Vous trouverez aussi des informations sur le calcul de la consommation de carburant en fonction de la vitesse dans les pages suivantes :

- Consommation de carburant des véhicules automobiles, Wikipedia
- Consommation d'essence, weber.fi.eu.org


Pour aller plus loin :

- Nos conseils pour faire baisser votre consommation de carburant, europe1.fr
- 10 règles pour consommer moins de carburant, quechoisir.org
- 10 conseils pour consommer moins en conduisant, energie-environnement.ch
- Techniques de conduite écoénergétique, Gouvernement du Canada


Bonne journée.
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