Optimiser une caisse à savon

simbis · 24/04/2006, 11h58

bonjour,
une caisse à savon est une petite voiture de course sans moteur qui s'utilise en course de descente chronométrée. Le sol est evidemment inégal , en pente variable, il y a des virages , et la vitesse moyenne de descente est de l'ordre de 30 à 40 km/h. La masse actuelle voiture plus pilote (ma petite fille!) est de 90 kg
je m'interroge sur l'opportunité de lester cette voiture pour obtenir de meilleures performances.
Les avis sont partagés mais je ne vois guère d'avis scientifique ou argumenté.
Je fais un rapide bilan des forces en jeu:
-le poids de la caisse plus pilote
-la réaction du sol
-les forces de frottement mécanique des pneus, roulements (j'imagine qu'elles sont proportionnelles à la vitesse )
-force de résitance aérodynamique (elle doit être proportionnelle au carré de la vitesse)

pouvez vous m'aider à sur les points suivants:

y a t il d'autres forces significatives en jeu?

si j'augmente la masse jusqu'au maximum autorisé (130 kg) les resistances de frottement augmenteront elles dans la même proportion que la composante horizontale qui tend a faire avancer le véhicule.

merci d'avance de vos avis

Jackyzgood · 24/04/2006, 13h20

Les frottement fluides, sont proportionnel a la vitesse, les forces de frottement mécaniques elles sont constante par rapport a la vitesse.

En toute logique si l'ajout de poids ne change ni la forme si la surface de la voiture, les frottements fluides seront les même mais les frottement mecanique augmenteront.

Meumeul · 24/04/2006, 13h23

Bonjour,

je crois que toutes les forces importantes sont la.

Si les roulements sont de bonne qualite (roulement a bille), je pense que l'augmentation des frottements est negligeable. Par contre, la pente etant faible (j'ose esperer pour la survie de votre petite fille que la pente n'est pas de 45°), je ne suis pas convaincu que l'augmentation de masse apporte vraiment... de plus, il faut faire attention de garder de la « manoeuvrabilite » pour les courbes

David7578 · 24/04/2006, 13h34

Frottement aéro proportionnel au caré de la vitesse.

Frottements mécaniques, proportionnels à la vitesse, mais effectivement au poids aussi...
via les pneus.

Augmenter le poids, va donc augmenter le potentiel d'accélération en pente, mais il faudra ensuite bien gérer la difficulté de gérer l'adhérence différente, la répartition avant/arrière des masses, le freinage etc...

C'est en fait assez compliqué, puisqu'on travaille dans des domaines poids/vitesse très différents de l'automobile.
C'est aussi très différent du cyclisme à cause de la compacité de la caisse à savon et de sa meilleure stabilité (au moins 3 roues, plus souvent 4)

A votre niveau, il faudrait pouvoir commencer par une pente de référence ou vous auriez la possibilité de mesurer la différence d'accélération apportée par une masse suplémentaire.
Ensuite comparer avec différentes pressions de pneus, voir pouvoir changer de pneus.

une fois que vous avez établi ces essais, il faudrait aussi pouvoir comparer la manoeuvrabilité en courbe. l'idéal serait un courbe très large... pour pouvoir faire exprès de passer bien à l'interieur et tenter de déterminer le moment ou la caisse à savon tire tout droit.

etc...

Jackyzgood · 24/04/2006, 14h17

Citation:

Posté par David7578

Frottement aéro proportionnel au caré de la vitesse....

Pourtant les frottemens fluides sont toujours de la forme :
F=kv, non ??

simbis · 24/04/2006, 14h21

Citation:

Posté par Jackyzgood

Les frottement fluides, sont proportionnel a la vitesse, les forces de frottement mécaniques elles sont constante par rapport a la vitesse.

En toute logique si l'ajout de poids ne change ni la forme si la surface de la voiture, les frottements fluides seront les même mais les frottement mecanique augmenteront.

si je suis votre raisonnement il y aura un gain en vitesse sur la fraction frottement fluide? celle qui corespond a la lubrification des roulement peut être. le frottement des pneus resterait constant (au bémol de leur écrasement qui est très faible : gonflage à 5 kg/cm2)

simbis · 24/04/2006, 14h27

Citation:

Posté par David7578

Frottement aéro proportionnel au caré de la vitesse.

Frottements mécaniques, proportionnels à la vitesse, mais effectivement au poids aussi...
via les pneus.

Augmenter le poids, va donc augmenter le potentiel d'accélération en pente, mais il faudra ensuite bien gérer la difficulté de gérer l'adhérence différente, la répartition avant/arrière des masses, le freinage etc...

C'est en fait assez compliqué, puisqu'on travaille dans des domaines poids/vitesse très différents de l'automobile.
C'est aussi très différent du cyclisme à cause de la compacité de la caisse à savon et de sa meilleure stabilité (au moins 3 roues, plus souvent 4)

A votre niveau, il faudrait pouvoir commencer par une pente de référence ou vous auriez la possibilité de mesurer la différence d'accélération apportée par une masse suplémentaire.
Ensuite comparer avec différentes pressions de pneus, voir pouvoir changer de pneus.

une fois que vous avez établi ces essais, il faudrait aussi pouvoir comparer la manoeuvrabilité en courbe. l'idéal serait un courbe très large... pour pouvoir faire exprès de passer bien à l'interieur et tenter de déterminer le moment ou la caisse à savon tire tout droit.

etc...

moi je trouve qu'on est assez proche de l'automobile: 100 kg, vitesse environ à 60 km/h
Je fixe certains paramètres: pression des pneus constante à 5 kg/cm2 charge au centre de gravité pour rechercher un comportement neutre en courbe.
Bien sur la méthode expérimentale est excellente encore faut il disposer d'un circuit d'essai privé (la caisse a savon est hors la loi dans nos cités) mais j'aurais aimé isoler chaque paramètre et c'est assez compliqué....
PS pour vous rassurer la caisse a 4 roues ,des freins indépendants très puissants , un arceau de sécurité et un harnais solide. Ma fille ne conduit qu'avec une combianaison intégrale , un casque intégral et une minerve...

simbis · 24/04/2006, 14h58

Citation:

Posté par Jackyzgood

Pourtant les frottemens fluides sont toujours de la forme :
F=kv, non ??

en aérodynamique, en régime d'écoulement turbulent (on y est en plein..) la résitance à l'avancement est proportionnelle au carré de la vitesse.
pour le reste je suis beaucoup moins sur de moi...

Jackyzgood · 24/04/2006, 15h40

En fait j'ai trouvé ca :

-pour des vitesses V "faibles", les frottements fluides sont proportionnels à V
-pour des vitesses "plus élevées", ils sont proportionnels à V1,4
-enfin, pour des vitesses "très importantes", les frottements fluides sont proportionnels à V2

sur :

http://culturesciencesphysique.ens-l..._class/MecaFlu

simbis · 24/04/2006, 16h31

Citation:

Posté par Jackyzgood

En fait j'ai trouvé ca :

-pour des vitesses V "faibles", les frottements fluides sont proportionnels à V
-pour des vitesses "plus élevées", ils sont proportionnels à V1,4
-enfin, pour des vitesses "très importantes", les frottements fluides sont proportionnels à V2

sur :

http://culturesciencesphysique.ens-l..._class/MecaFlu

je n'ai pas de souci coté aerodynamique (je me pencherai dessus dans un deuxième temps), le nombre de Reynolds est supérieur à 2400 dès que la caisse a fait quelques mètres.
Ce qui me tracasse c'est la partie mécanique, et ma question demeure : a t on intérêt à lester le véhicule pour aller plus vite, toute considération de tenue de route mise a part?

chwebij · 24/04/2006, 19h04

une question: il ya til des virages dans le circuit?
car si la boite a savon est assez haute et qu'on leste un peu plus, ta petite fille ne verra sans doute pas le virage, par experience avec un cady et trois personnes al 'interieur, on a beau s'etre penchés, on a gouté au bitume.
en lestant tu augmentes l'inertie donc il faudra rabaisser la boite a savon pour baisser son centre d'inertie.

simbis · 24/04/2006, 19h47

Citation:

Posté par chwebij

une question: il ya til des virages dans le circuit?
car si la boite a savon est assez haute et qu'on leste un peu plus, ta petite fille ne verra sans doute pas le virage, par experience avec un cady et trois personnes al 'interieur, on a beau s'etre penchés, on a gouté au bitume.
en lestant tu augmentes l'inertie donc il faudra rabaisser la boite a savon pour baisser son centre d'inertie.

ne vous inquiétez pas pour elle! elle pilote plutôt bien...
Le lest c'est des barres d'acier solidement fixées sur le plancher. J'ai réglé la garde au sol au minimum permis par le réglement c'est à dire 35 mm et tout le lest que j'ajouterai abaissera le centre de gravité.
Quant au circuit c'est evidemment une succession de virages vicieux avec des dévers et des bosses, heureusement les bords sont généreusements garnis de bottes de paille. Pour vous décrire le véhicule: imaginez plutôt une petite formule 1 qu'une caisse en planches disjointes. La différence entre les concurrents rapides et ceux qui sont lents se fait plus par le pilotage que par le matériel , mais les dernières secondes à "gratter" pour grapiller les places du podium sont dures à gagner.
je crains finalement d'être obligé de recourir a des tests sur une pente étalon pour valider les solutions....

simbis · 24/04/2006, 19h53

PS en pièce jointe une Caisse à savon qui a une vague ressemblance avec celle de ma fille...

David7578 · 24/04/2006, 23h03

Citation:

Posté par simbis

je crains finalement d'être obligé de recourir a des tests sur une pente étalon pour valider les solutions....

je pense que c'est ce qui est le plus accessible immédiatement.

je me doute que vous avez pu parcourir des fora sur le sujet, tant francophones qu'anglphones (et autres peut-être)

la composante projetée du poids sur la pente, est une force d'accélération bien utile, donc il est interressant de pouvoir s'approcher du poids maxi autorisé, s'il ne réduit pas les autres capacité du véhicule.

@+

simbis · 24/04/2006, 23h30

Citation:

Posté par David7578

je pense que c'est ce qui est le plus accessible immédiatement.

je me doute que vous avez pu parcourir des fora sur le sujet, tant francophones qu'anglphones (et autres peut-être)

la composante projetée du poids sur la pente, est une force d'accélération bien utile, donc il est interressant de pouvoir s'approcher du poids maxi autorisé, s'il ne réduit pas les autres capacité du véhicule.

@+

je n'ai rien trouve sur les fora divers.
La composante utile est elle contrée par l'augmentation des frottements???

Pio2001 · 25/04/2006, 01h19

Tout dépend de la nature des frottements et de la résistance aérodynamique.

Je dirais qu'une masse plus importante aidera à vaincre la résistance de l'air (une plume tombe plus lentement qu'une pierre).
Elle pourra en revanche augmenter les frottements mécaniques simples.
Mais quid des frottements mécaniques complexes ? Jeu dans les roues, dans les axes, vibrations, pertes d'adhérence au sol sur les aspérités de la route... Impossible à dire.

simbis · 26/04/2006, 13h35

bonjour, je viens d'avoir une réponse qui me donne une première piste très sérieuse, elle émane d'une personne qui n'a aucune formation en physique mais qui m'étonne par son raisonnement et son esprit d'analyse:
"ça dépend de la pente!
un jour j'ai fait une course de caisse à savon ou il y avait une très faible pente très longue et au premier essai j'ai été battu par tous les juniors (leur caisse pèse 30 kg de moins avec lest maximum autorisé) alors j'ai oté tout mon lest et j'ai fait le meilleur temps de toutes les séries...mais dès qu'il y a de la pente je sens que ça pousse plus avec du poids...."
je vais creuser cette réponse qui me semble très interessante

David7578 · 26/04/2006, 13h48

Citation:

Posté par simbis

bonjour, je viens d'avoir une réponse qui me donne une première piste très sérieuse, elle émane d'une personne qui n'a aucune formation en physique mais qui m'étonne par son raisonnement et son esprit d'analyse:
"ça dépend de la pente!
un jour j'ai fait une course de caisse à savon ou il y avait une très faible pente très longue et au premier essai j'ai été battu par tous les juniors (leur caisse pèse 30 kg de moins avec lest maximum autorisé) alors j'ai oté tout mon lest et j'ai fait le meilleur temps de toutes les séries...mais dès qu'il y a de la pente je sens que ça pousse plus avec du poids...."
je vais creuser cette réponse qui me semble très interessante

Ok dans ce cas on doit être dans les domaines limites ou l'apport du poids en tant que force de propulsion est inférieur à l'augmentation des frottements sur le bitume des pneus à cause de ce poids supplémentaire.
D'ou l'idée de faire des essais sur une pente connue, ou tu pourrais prendre l'inclinaison par rapport à la verticale en différents points et donc évaluer la contribution à l'accélération du poids.
et pour différents poids, comparer la vitesse de passage à partir du même points de départ à vitesse nulle (avec différents tests pour le même poids, afin d'éliminer des variables telles que le vent)

Ensuite d'autres points à optmiser sont les pneus et leur pression, en fonction du poids et du besoin d'adhérence en fonction de la complexité de la course.

Comme je le pensais, on est finalement assez loin de l'automobile en ce qui concerne l'influence des paramètres entre eux.