Propulsion (physique)

La propulsion est dans la technologie d'entraînement (également en tant que force motrice ;) et des questions connexes comme la biomécanique de la force , qui sert la locomotion. La force de réaction de la force motrice dans les véhicules z. B. par des roues, chez les êtres vivants par des extrémités, telles que des ailes ou des nageoires , transmises à l'environnement. La propulsion n'est possible que par recul dans le vide.

Pour générer de la propulsion, une source d'énergie, un convertisseur d'énergie et un élément de transmission de puissance sont généralement nécessaires. Des exemples plus simples sont l'utilisation directe de la force gravitationnelle ou de l'énergie éolienne pour l'entraînement.

Véhicules terrestres

Véhicules routiers

Les véhicules routiers sont exposés à différentes résistances , qui doivent être compensées par la propulsion: par exemple la résistance de l' air , la résistance au gradient , la résistance à l'accélération ou la résistance au roulement des roues. Les pertes par frottement à l'intérieur du véhicule entre le moteur d'entraînement et les roues motrices s'ajoutent à l'efficacité de la machine d'entraînement (résistances de frottement des roulements, résistances du moteur et de la transmission), et le véhicule est divisé entre le côté entraînement et le côté entraîné , dont seul ce dernier est considéré ici.

La résistance à l'air peut être calculée à partir de:

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {WL}} = {\ frac {\ rho} {2}} \, c_ {w} \, A \, v ^ {2}}$

${\ displaystyle \ rho}$: Densité de l'air , 1,4 ... 1,2 kg / m³ (−20 ° C à +30 ° C)

${\ displaystyle c_ {w}}$: Coefficient de traînée

${\ displaystyle A}$: Visage

${\ displaystyle v}$: Vitesse d'approche

La résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse.

• ${\ displaystyle c_ {w}}$est de 0,6 pour un cabriolet et autour de 0,25 pour une voiture moderne, l'ancienne VW Beetle avait 0,42, 0,7 pour un camion plateau et 1,1 pour une semi-remorque.
• La surface frontale est d'environ 2 m² pour les voitures, 10 m² pour un camion (4 m × 2,55 m selon StVO) et pour les véhicules ferroviaires de 10 à 15 m² (norme européenne: 4,30 m × 3,25 m maximum ).
• La résistance au roulement est calculée à partir du coefficient de résistance au roulement c _Ro de 0,001 pour le chemin de fer et d'environ 0,006-0,015 pour les pneus de voiture sur asphalte, est d'environ 1% pour les véhicules ferroviaires et les voitures, mais atteint généralement 3 à 5% sur les mauvaises routes, et beaucoup plus pour les véhicules utilitaires.

D'autres résistances incluent la résistance aux virages et la résistance à l'eau dans des conditions humides, qui dépend de la vitesse (voir aquaplaning ) et autres.

Globalement, la résistance du véhicule est d'environ 14% pour un camion articulé de 40 t chargé à 80 km / h et déchargé à 31%.

La propulsion qui rend le mouvement possible est généralement transmise par des roues ou des chenilles , ce qui ne peut être obtenu que par glissement . Trop de glissement a un effet négatif sur la stabilité de conduite. Les véhicules modernes ont donc des systèmes de contrôle qui limitent la propulsion.

Avec des véhicules qui battent tous les records , la puissance requise ne peut plus être transmise à la route; la propulsion doit alors être générée par des moteurs à réaction. D'autres possibilités pour générer de la propulsion sont les animaux de trait, la force musculaire ou le poids .

Véhicules ferroviaires

La résistance totale au sol est cependant tout à fait pertinente pour les véhicules ferroviaires à essieu rigide, sans direction et au faible frottement statique de l'acier sur l'acier dans les virages (résistance à l'arc ou résistance à la courbure). Les deux résistances partielles sont tout à fait indépendantes de la vitesse, mais proportionnelles au poids du véhicule. Une autre résistance est la résistance du pitch.

La résistance au sol est causée par le frottement de roulement et les cadres et se compose de la résistance de frottement entre la jante et la voie et la résistance au roulement (la résistance à la déformation des roues ou du rail). ${\ displaystyle c _ {\ mathrm {Re}}}$ ${\ displaystyle c _ {\ mathrm {Ro}}}$

Globalement, la résistance des véhicules est d'environ 4% pour un train de marchandises de 1 800 t (quatre essieux) à 80 km / h.

Il n'y a pas de résistance au roulement sur les trains à lévitation magnétique . La propulsion est générée par des moteurs linéaires et, par rapport au système roue-rail, n'est pas limitée par la liaison par frottement. Cela permet des dégradés plus importants. Une autre façon de surmonter les pentes raides est la connexion moulée entre la roue dentée et la crémaillère dans les rails à crémaillère .

Accélération et performance

Lors de l' accélération d' un véhicule, non seulement la masse mais aussi les pièces en rotation (moteur, transmission, roues) doivent être prises en compte. Les moments d'inertie massiques des pièces tournantes sont réduits à l'essieu moteur. Le résultat est une force de traînée en rotation:

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {red}} = {\ frac {\ Theta _ {\ mathrm {red}}} {r ^ {2}}} a}$

${\ displaystyle \ Theta _ {\ mathrm {rouge}}}$: Le moment d'inertie de toutes les pièces en rotation sur l'axe d'entraînement est réduit

${\ displaystyle r}$: Rayon de la roue

Cette force fait partie de la résistance interne du véhicule et n'est donc plus disponible pour accélérer le véhicule.

La force totale requise pour l'accélération résulte de la composante translationnelle et rotationnelle:

${\ displaystyle F_ {B} = \ left ({\ frac {\ Theta _ {\ mathrm {red}}} {r ^ {2}}} + m \ right) \ cdot a}$

${\ displaystyle a}$: Accélération

${\ displaystyle m}$: Dimensions

La puissance requise pour une vitesse résulte de la somme de toutes les résistances : ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle F _ {\ mathrm {W}}}$

${\ displaystyle P = F _ {\ mathrm {W}} \ cdot v}$

La puissance dépend de la vitesse dans la troisième puissance, car la résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse. C'est pourquoi la vitesse maximale dépend tellement de la puissance d'entraînement, et la capacité d'accélérer diminue également fortement avec le carré de la vitesse.

Avion

Dans l'aviation, seule la résistance de l'air est importante (sauf pour le décollage et l'atterrissage). En vol, la direction du mouvement et la force de propulsion sont généralement sur une seule ligne et, comme la vitesse d'écoulement dépend principalement de la vitesse anémométrique, la résistance sur le fuselage l'est également. La résistance à l'air peut être séparée en une traînée de forme , une traînée plus parasite et une traînée induite causée par la portance. Un grand nombre de systèmes de propulsion d' avion différents ont été développés pour générer la propulsion requise .

Plus léger que l'air

• Dans le cas le plus simple d'un ballon, il n'y a pas de force de propulsion, la flottabilité est générée par déplacement (flottabilité statique) : Le ballon se déplace partout où le vent souffle et aussi vite que le vent souffle (en supposant un courant stable), le mouvement au-dessus du sol se produit uniquement à travers le mouvement du médium.
• Dans un dirigeable , la portance est également générée par le corps de flottabilité. Pour les faibles vitesses, la résistance de l'air est calculée selon la loi linéaire de la résistance , c'est-à-dire qu'elle est proportionnelle à la vitesse. La résistance à l'air d'un dirigeable dépend moins de sa surface de châssis (face d'extrémité), mais plutôt de son volume , c'est- à- dire du rapport longueur / diamètre. Les valeurs optimales sont incluses . La propulsion est générée par des hélices qui peuvent être pivotées pour améliorer la maniabilité.${\ displaystyle V}$${\ displaystyle l / d \ approx 4 {,} 5}$
  

Plus lourd que l'air

Forces sur l'aile en vol plané

En vol avec des ailes , la portance dynamique générée par les ailes est le facteur décisif. La traînée agissant sur l'aile est la traînée totale de l'avion. Afin de relier la résistance du fuselage à l'aile, en déterminant l'équilibre des forces, on introduit une zone nuisible , l'aire d'une plaque carrée (avec une valeur c _W de 1,2) avec la même résistance que les parties non flottantes de l'aéronef et est à imaginer montée dans le point de pression du profil. Cette valeur est simplement ajoutée aux ailes.

• Avec les planeurs en vol stationnaire , un équilibre est établi entre la résistance de l'air et la composante de la force de poids dans le sens du vol, qui assure la propulsion.
• Dans les aéronefs à hélices, l'assiette correspond à un vol de planeur avec une puissance de propulsion supplémentaire. Le même processus physique a lieu sur les ailes de l'hélice que sur les ailes, seulement ici la portance des ailes forme l'entraînement (la force de vissage ).

Forces dans l'avion

• Avec la propulsion de recul , la force propulsive s'appelle la poussée .
  Peu de temps avant d'atteindre le mur du son, le coefficient de traînée augmente fortement, mais diminue à nouveau en vol supersonique . Dans ces zones, l' indice de Mach ( vitesse à travers la vitesse du son ) est un paramètre important. La valeur c _w s'élève parfois à plusieurs valeurs et se rapproche à nouveau d' une valeur stable, qui est proche de la valeur subsonique.${\ displaystyle Ma = v / c}$${\ displaystyle Ma \ à 1}$${\ displaystyle Ma> 2}$

Vaisseau spatial

La résistance de l'air est la plus faible lorsque la fusée a la forme d'un triangle allongé car elle «monte» sur le jet d'échappement (qui se dilate également sur le côté) et il n'y a pas de résistance d'aspiration à l'arrière. Les ailes omnipotentes ne servent généralement que de stabilisateurs de vol , ce qui empêche le missile de tourner autour de son axe longitudinal ou de commencer à tourner .

La propulsion est générée par des moteurs de fusée conçus pour être utilisés dans le vide .

Le propulseur constitue une grande partie de la masse du missile et donc la masse ne peut pas être considérée comme constante. L' équation de base de la fusée s'applique :

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {V}} = F _ {\ mathrm {P}} = v _ {\ mathrm {s}} \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} m} {\ mathrm {d} t} }}$

v _s : vitesse du jet du moteur

Pour les sondes spatiales z. B. dans le programme Voyager , la gravité des autres corps célestes est utilisée pour accélérer (soi-disant " swing-by "), car le carburant à bord ne serait pas suffisant pour de telles missions.

Motomarine

• En nage , la propulsion dépend du style de nage : le style le plus rapide est le crawl .
• Les bateaux à propulsion musculaire utilisent des pagaies ou des sangles pour transmettre la puissance à l'eau. Avec des radeaux aussi des enjeux pour pousser le sol.
• Dans les ferries à lacet , l'énergie de l'eau qui coule est utilisée pour la propulsion.
• Les bateaux à vapeur à aubes sont entraînés par des roues à aubes. Aujourd'hui, ils ne sont principalement utilisés qu'à des fins touristiques.
• Le domaine de la propulsion des bateaux et des navires est appelé «propulsion».

Littérature

• Karl-Heinrich Grote, Jörg Feldhusen (Hrsg.): Dubbel - broché pour génie mécanique . , Springer, Berlin, diverses éditions, actuellement: 22e édition, 2007, ISBN 978-3-540-49714-1
• Manfred Mitschke: Dynamique des véhicules automobiles . Springer, Berlin 1972, 1982, ISBN 3-540-05207-0 , 2004, ISBN 978-3-540-42011-8
• Dietrich Wende: Dynamique de conduite. Transpress, Berlin 1983, 1990, ISBN 3-344-00363-1
• H. Oertel (éd.): Guide Prandtl à travers la mécanique des fluides. Fondamentaux et phénomènes . Vieweg, 2002 (11e édition), ISBN 3-528-48209-5

Preuve individuelle

1. ^ Livre de poche automobile . 22e édition. Springer, 1998, ISBN 978-3-662-22073-3 ( aperçu limité dans la recherche de livres Google).  
2. ↑ ^{a b} Dubbel, chap. Résistance des véhicules
3. ↑ ^{a b} Rainer Rauschenberg: Potentiels de réduction des effets externes du secteur des transports grâce au transport ferroviaire de marchandises décentralisé et automatisé . Mémoire, Département d'économie, Université Goethe, Francfort-sur-le-Main; surtout chap. 4: Variables techniques d'influence ( document Web ), total 27 novembre 2007
4. ↑ ^{a b} Mitschke, 1972, p. 39ff - après Rauschenberg
5. ↑ Reif (éd.): Systèmes de stabilisation de la conduite et systèmes d'assistance à la conduite . 1ère édition. Springer, 2010, ISBN 978-3-8348-1314-5 ( aperçu limité dans la recherche de livres Google). 
6. ↑ Wende, 1983, p. 36ff - d'après Rauschenberg
7. ↑ Dubbel, 7e édition, p. 272, fig. 69