Qu'est-ce qui limite la vitesse d'une voiture?

D'un point de vue technique, qu'est-ce qui limite la vitesse maximale que vous pouvez atteindre avec une voiture ordinaire? Je comprends que certaines des voitures les plus rapides sont pour des raisons de sécurité limitées à ne pas rouler plus vite que 250 km / h, mais ce n'est pas ma question.

Je peux penser à plusieurs raisons, mais je ne sais pas laquelle d'entre elles est pertinente:

1. Est-ce que la limite fixée par une partie (laquelle?) Est cassée si j'augmente le régime, comme le suggèrent les marques rouges sur les compteurs de régime?
2. Ou est-ce plutôt que vous ne pouvez pas faire le plein de carburant assez rapidement pour continuer à augmenter le régime?
3. Ou est-ce que la friction / traînée augmente à mesure que vous accélérez et que le moteur ne peut pas surmonter cela car il ne peut générer qu'une quantité maximale de force / couple? Si oui, de quoi dépend cette quantité de couple / force?

Il existe quelques raisons simples pour lesquelles la vitesse d'un véhicule (malgré les conditions routières) peut être limitée:

1. Gearing - Les véhicules de production avec des transmissions conventionnelles ont un nombre limité de vitesses. Pour la plupart des voitures modernes, c'est généralement 5 ou 6, alors que les véhicules plus anciens peuvent en avoir aussi peu que 2 ou 3. Si le rapport de vitesse de la vitesse la plus élevée est trop bas (les vitesses "inférieures" sont exprimées sous forme de rapports numériques plus grands), c'est entièrement possible que le moteur rougisse avant que la résistance à l'air ne devienne un facteur. Cela rejoint votre premier point sur la zone rouge du tachymètre. Si vous avez atteint la ligne rouge, qui est la vitesse de rotation maximale de votre moteur, mais que vous ne disposez pas d'un rapport supérieur, vous ne pouvez pas aller plus vite sans endommager votre moteur.

2. Traînée - Comme tout objet physique, les voitures sont sujettes à la résistance à l'air et à d'autres sources de traînée (résistance au roulement, etc.). Si la traînée sur la voiture dépasse la quantité de puissance que le moteur est capable de produire aux roues, votre vitesse est à nouveau limitée.

3. Limiteurs de vitesse - Il convient de mentionner que les véhicules de production sont presque toujours limités en vitesse dans l'ECU (Engine Control Unit) pour des raisons de sécurité ou légales. Si l'ECU détecte que les roues tournent à une vitesse suffisamment rapide, il coupera l'alimentation du moteur pour empêcher le véhicule d'aller plus vite. Il est possible de contourner cette protection avec un calculateur de rechange ou avec une modification de celui d'origine. À titre d'exemple, certaines années-modèles de la Honda Civic sont limitées à environ 120 mph (190 km / h).

4. Évaluation des pneus - Tous les pneus ont une certaine cote de vitesse, qui est probablement bien inférieure à la vitesse de pointe réelle de votre véhicule. L'indice de vitesse est une seule lettre et fait partie du code du pneu (voir ici pour plus d'informations). Par exemple, les pneus de secours temporaires peuvent être limités à seulement 130 km / h (80 mi / h) avant qu'ils ne courent le risque imminent de subir une éruption.

5. Stabilité / Aérodynamique - Il s'agit moins d'un point de vue technique que d'un point de vue technique, mais pour une voiture "ordinaire", il y aura un certain point que la suspension et les autres composants ne sont pas suffisants pour garder la voiture roulant tout droit sur la route dans un mode sûr. Des preuves anecdotiques à l'appui de ce point se présentent sous la forme d'une histoire sur une vieille voiture américaine pleine grandeur des années 70 qui, lorsqu'elle était portée à des vitesses à trois chiffres, n'avait pas les capacités aérodynamiques pour garder les roues avant au sol. En bref, l'ascenseur de l'air se déplaçant sous la voiture a soulevé les roues avant du sol dans un "wheelie" à grande vitesse terrifiant. Bien que ce processus n'ait pas techniquement entraîné un ralentissement de la voiture, il a certainement rendu difficile le contrôle à cette vitesse.

Donc, ce qui limite la vitesse est une combinaison de deux choses: la puissance du moteur avec l'engrenage et la résistance au roulement et à l'air.

Jusqu'à environ 40 mph, la résistance au roulement est la plus grande résistance, mais au-dessus de cette vitesse, la résistance à l'air est le facteur dominant et augmente plus vite.

La puissance du moteur est fixe (réglage correct, etc.) mais l'engrenage est également important - un moteur de 200 ch peut propulser un tracteur agricole ou une voiture de sport soignée.

Une fois que la résistance totale est égale à la puissance disponible sur les roues, vous n'allez pas plus vite.

La physique vous arrête. Avez-vous déjà fait du vélo? 25 mph est facile, 30 est difficile, 40 nécessite un équipement spécial ou un corps très gonflé, et 50 est presque impossible. Pourquoi l'effort devient-il si raide pour de si petites augmentations de vitesse? Air.

Traînée aérodynamique

La résistance au roulement est le facteur dominant lorsque votre voiture ralentit - c'est pourquoi ils sont si difficiles à pousser. Mais à des vitesses plus élevées, le facteur déterminant est la traînée aérodynamique. En effet, la résistance au roulement est assez linéaire. La traînée aérodynamique n'est pas , et est au moins un facteur de second ordre - elle se présente comme un train de marchandises à des vitesses plus élevées. En fait, j'ai entendu des trains de charbon qui peuvent faire 40 mi / h chargés, ne peuvent en faire que 35 à vide. C'est parce que chaque wagon à charbon vide est un gros scoop, attrapant le vent. Et la résistance au roulement est proche de zéro pour un train.

Puissance disponible

De toute évidence, cette traînée aérodynamique est équilibrée par rapport à la puissance que les moteurs peuvent appliquer contre elle. Ils pourraient obtenir ce train de charbon vide jusqu'à 70 mi / h s'ils y mettaient quatre fois les locomotives.

Vous parlez de voitures, il s'agit donc de la quantité que les batteries peuvent fournir et le contrôleur de moteur peut pousser sans subir de dommages. Ou puisque vous supposez des voitures à essence, il s'agit de la quantité d' air que le moteur peut traverser . Ajouter la bonne quantité de carburant est facile. Le débit d'air est déterminé par le réglage - conduits d'admission / d'échappement / portage / résonance, taille et nombre de soupapes, came, des trucs comme ça. (Également la ligne rouge du moteur (RPM max), mais si votre conduite / résonance est réglée de sorte que l'augmentation de la ligne rouge fera une différence, ce moteur fonctionnera assez mal dans la rue.)

L'engrenage peut également être un facteur. J'avais une voiture qui se débattait à sa vitesse maximale. La quatrième vitesse était trop haute pour pouvoir accélérer. Le troisième rapport a dépassé son pic de puissance, donc plus vous alliez vite, moins vous aviez de puissance. L'engrenage était mauvais pour la vitesse, mais c'était excellent pour le plaisir de conduire dans la rue, le raffinement et le MPG, ce que j'ai payé.

Une voiture de rue non sportive typique comme une Ford Flex est susceptible d'atteindre les limites physiques de la traînée aérodynamique avant d'atteindre un point où l'ordinateur limiterait le régime ou la limite MPH.

Pour les voitures modernes à hautes performances, construites après l'an 2000 jusqu'à aujourd'hui (2018), la réponse est simple: l' adhérence des pneus .

Les performances et la gestion du moteur ont déjà atteint un niveau qui peut surpasser la quantité d'adhérence des pneus sur la route. Ce qui se passe lorsque vous essayez d'exercer plus d'énergie que vos pneus ne peuvent en supporter, c'est le patinage des roues.

La plupart des gens seraient familiarisés avec le patinage des roues lors des départs en position debout (comme dans les courses de dragsters) et lorsque les voitures se déplacent lentement (lorsque les gens brûlent délibérément du caoutchouc). Ce type de glissement a été éliminé en laissant un CPU contrôler les freins (antipatinage).

Vient ensuite le patinage des roues qui nous préoccupe. Glissement de la roue lors du déplacement à vitesse maximale. La solution traditionnelle consistait à modifier l'aérodynamisme de la voiture et à ajouter de la force pour pousser la voiture sur la route.

Nous avons maintenant atteint le stade où ajouter encore plus de force vers le bas augmenterait la traînée et réduirait les performances. Mais nos moteurs les plus performants peuvent toujours générer un patinage des roues.

Cependant, parallèlement au développement du moteur, les progrès de la chimie et de la conception des pneus ont également contribué à augmenter la vitesse maximale d'une voiture en augmentant la vitesse que le pneu est capable de gérer avant de perdre en adhérence. Maintenant que nous avons atteint un point où nos meilleurs moteurs peuvent constamment faire échouer les pneus, le facteur limitant actuel est l'adhérence des pneus.

Trouver la limite purement théorique dépendant totalement des limites de la résistance au roulement du pneumatique et de la traînée d'air. Voici donc le travail.

Formules

• $F_d = \dfrac{1}{2}pA\mu_d v^2$
• $f_s = \mu_s mg$

REMARQUE: j'utilise les valeurs d'un modèle Tesla 3.

Valeurs connues

• A = 0,23 m ²
• g = 9,80665 m / s ²
• m = 1611 kg
• $\mu_s$
• $\mu_d$ = 0,23
• p = 1,2754 kg / m ³

Hypothèses

• La voiture est parfaitement perpendiculaire à la force de gravité.
• La voiture est au niveau de la mer.
• Les conditions sont idéales.
• La puissance du moteur est infinie.

Résultats

$V_{theo} = 1280.9\text{ mph}$

Vous n'avez pas spécifié de voiture à engrenages (à entraînement direct), pour une chose. Même pour les véhicules à entraînement direct, la vitesse limite est définie en fin de compte par la conception de l'aérodynamisme pour empêcher la voiture de décoller et de voler.

La dernière fois que j'ai vérifié, des records de vitesse au sol ont été établis avec des voitures de conception extrême, propulsées par des jets ou des fusées, avec des roues et des freins incroyablement spécialisés (les disques standard se séparaient simplement aux hauts régimes impliqués) entre autres.

En résumé, à mesure que de nouveaux matériaux sont mis au point avec des rapports résistance / masse toujours plus élevés, les records de vitesse au sol devraient continuer à battre.