Du fardier de Cugnot au train à lévitation magnétique - Une succession de progrès depuis le " siècle des Lumières " - Du Fer Au Savoir
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PETITES ET GRANDES INVENTIONS
DU 1er AU 5 avril 2019
LIANCOURT
Du fardier de Cugnot
au train à lévitation magnétique
Une succession de progrès
depuis le « siècle des Lumières »
Chariots et chars : depuis l’Antiquité
La roue pleine (parfois assemblage de
deux morceaux, voir ci-contre) et les
chariots, sont connus depuis le 3ème
millénaire av. JC. Mais le cheval n’est pas
encore là : ânes ou onagres seulement.
Chars d’Ur, plus de 2600 av. JC
Les progrès de la charronnerie accompagnent la « diffusion » du
cheval, « la plus belle conquête de l’homme »… des plaines de l’Asie.
Les premiers véritables chars apparaissent au sud de l’Oural, vers -2000.
Les Egyptiens ➔
sont presque les
derniers à adopter
les chars pour
contrer les
Hittites. Mais leur
technologie est
https://fr.wikipedia.org/wiki/Char
remarquable (ce
sont des
technologues
« tous azimuts »).
https://strategietotale.com/forum/21-les-guerres-en-mesopotamie-et-en-egypte/144047-le-char-egyptien
Plus tard, les Celtes (dont les Gaulois) passent maîtres en charronnerie, notamment
pour les roues et leur cerclage métallique (à rapprocher de la tonnellerie…). Il y aura
ensuite peu de progrès (roues à rayons inclinés vers l’intérieur, au Moyen-Age).
« Top départ » au Siècle des Lumières
http://www.fondation-lamap.org/fr/page/16815/6-histoire-de-la-roue
http://un-certain-regard.eklablog.com/carrosses-a46394627?noajax&mobile=1
Alors que Nicolas CUGNOT prépare son
fardier, il a sous les yeux le « nec plus ultra »
de la locomotion hippomobile, la plus rapide
et « confortable » (quoique…) de l’époque :
Le carrosse (« à six chevaux », « le top »)
http://maioresnostri.eu/2016/01/covoiturage-en-1787.html
La « chaise de poste » ➔
C’est le moyen d’aller vite et loin.
Mais c’est onéreux ! Il y a intérêt à
faire du covoiturage ! On passe des
annonces dans les journaux !
Précurseurs (17ème et 18ème siècles)
Blaise PASCAL - 1623-1662 – Français
Autour de 1647, par des expériences hydrauliques (le
« crève-tonneau Pascal ») et pneumatiques (mesure de
la pression atmosphérique avec le tube de Torricelli), il
ouvre la voie à la manipulation des pressions L’unité de force
(aujourd’hui, l’unité de pression est le Pascal (Pa)) et est le Newton (N)
invente la presse hydraulique et la seringue.
Denis PAPIN – 1647-1714 - Français (huguenot expatrié)
Son célèbre « digesteur » (ancêtre de la cocotte minute) Isaac NEWTON – 1643-1727 – Anglais
est loin d’être anecdotique : il lui permet d’inventer la Père de la mécanique classique, qui régit aussi
soupape de sécurité, puis le piston mû par la vapeur bien les planètes que les machines (par
(années 1690). Il imagine même de l’appliquer à la exemple… le régulateur de Watt).
propulsion d’un bateau avec roues à aubes (quatre
cylindres). Il expérimente par ailleurs lui-même en
Allemagne un sous-marin (tonneau ventilé par un
« schnorkel »).
Claude de Jouffroy d’Abbans – 1751-1832 – Français
En 1783, son Pyroscaphe remonte la Saône pendant un
quart d’heure devant 10.000 spectateurs.
Nicolas Joseph CUGNOT – 1725-1804 – Français
Avec le soutien de Louis XVI, de son ministre Choiseul, et de
Gribeauval (qui « standardisa » l’artillerie royale… dont Napoléon
se servit par la suite), il réalise au début des années 1770 le
premier véhicule automobile, propulsé par la vapeur. Il s’agissait de
transporter les canons, et autres objets pesants de l’artillerie.
Fardier de Cugnot
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:R%C3%A9tromobile_2011_-_Fardier_de_Cugnot_-_006.jpg
http://www.autocadre.com/actualites/
Deux pistons à 233-fardier-cugniot.html
Cheminée mouvements
alternatifs
Prise
de vapeur
http://www.lefardierdecugn
ot.fr/Prototype.htm
Chaudière
Voir dans ce site une
remarquable vidéo
Etanchéité intitulée « Visionner le
fonctionnement ». Toute la
cinématique est détaillée.
Alimentation
foyer à bois Roue
« de charron »
Piston Encliquetage Roue à rochet Roue directrice
L’âge de la vapeur
James WATT – 1736-1819 – Ecossais
Concepteur et constructeur, entre 1769-1774-1782-1788 (étapes principales) de la
première machine à vapeur relativement efficace : source froide séparée
(condenseur), système bielle-manivelle, piston double-effet, adaptation du
régulateur à boules. Prend un brevet de locomotive. Ne croit pas à (et empêche)
l’utilisation de vapeur haute pression. L’unité de puissance est le Watt.
(Nicolas Léonard) Sadi CARNOT – 1796-1832 – Français
Ayant entrepris le perfectionnement de la machine à vapeur, il devient le précurseur de la science
« thermodynamique » (ainsi nommée ultérieurement). En 1824, imagine un système cylindre+piston
« consommant » de la chaleur pour produire du travail, lors d’un cycle idéal (le cycle de Carnot) :
succession de détentes et compressions « isothermes » et « adiabatiques ». Malgré la croyance erronée au
« calorique » héritée de Lavoisier, les bases scientifiques de la thermodynamique sont posées.
James Prescott JOULE – 1818-1889 – Anglais
Il montre, autour des années 1845, la correspondance entre travail (mécanique)
et chaleur (calories) et révèle « l’effet Joule », dissipation de chaleur dans une
résistance parcourue par un courant électrique. Il réfute l’idée de « calorique »,
un « fluide » qui expliquerait l’écoulement de la chaleur, émise par Lavoisier et
soutenue par Sadi Carnot. L’unité d’énergie est le Joule.
George STEPHENSON - 1781-1848 – Anglais
Met au point en 1817 sa première locomotive opérationnelle, qu’il
perfectionne pour atteindre en 1825 la vitesse de 30 km/h. En 1829, il
réalise la fameuse locomotive « Rocket », qu’il mettra en service sur
« sa » ligne Liverpool-Manchester inaugurée en 1830.
Locomotive « Rocket » de Stephenson
https://fr.wikipedia.org/wiki/Fus%C3%A9e_de_Stephenson
https://en.wikipedia.org/wiki/Stephenson's_Rocket
Nota
Vapeur d’échappement Deux cylindres Présentation PowerPoint
injectée dans la cheminée Diam. 0,2m – Course = 0,4m « machines à vapeur »
pour favoriser le tirage Pression : 3,4 kgf/cm² (340 kPa)
disponible via la fondation
Chaudière diam. 1m L = 1,8m
Tender Du Fer Au Savoir
Tubulaire : 25 tubes de cuivre
Réserve : eau, charbon
On peut imaginer que cette locomotive
est un (énorme) perfectionnement du
fardier de Cugnot (en 50 ans…) :
➔ Deux pistons « alternatifs »
Mais :
➔« Haute pression » (3,4 kgf/cm²)
➔ Bielle/manivelle (et non cliquets)
➔ Chaudière tubulaire (brevetée par le
Français Seguin)
➔ Foyer à tirage activé par la vapeur
➔ Roues acier (quoique initialement
bois) adaptées à des rails
Roues diamètre 0,76m
Système bielle-manivelle Les résultats sont remarquables :
Roue motrice diam. 1,43 m ➔20 km/h en tractant 13 tonnes (locomotive : 4 tonnes)
1829 : roues en bois ➔ Plus de 40 km/h « à vide » (dépasse un cheval…)
1830 : roues en acier ➔ Permet un service régulier (Liverpool-Manchester etc.)
150 ans de thermodynamique (1)
Antoine Laurent (de) LAVOISIER – 1743-1794 - Benjamin THOMPSON - 1753-
Français 1814 – Anglais
« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se Il observe le dégagement de
transforme ». Voilà qui ressemble au premier chaleur lors du forage des
principe de la thermodynamique (conservation de canons, et le transport de chaleur
l’énergie). En outre, Lavoisier fait évoluer la notion de par un « rayonnement
« chaleur », en passant du « phlogistique » au thermique » : il pressent le
« calorique » (la chaleur vue comme un fluide principe de conservation de
circulant). l’énergie.
Joseph FOURIER - 1768-1830 – Français Sadi CARNOT – 1796-1832 –
Théorie analytique de la chaleur (1822). Il donne les Français (voir plus haut, « L’âge
fondements « analytiques » (au sens mathématique de la vapeur »). Il pose le
: séries de Fourier) qui permettent de comprendre « second principe de la
la propagation de la chaleur… et de bien d’autres thermodynamique » : l’énergie
« éléments » (signaux radioélectriques etc.). Un évolue irréversiblement vers ses
outil fondamental de la science. formes dégradées (« l’entropie »
= le désordre augmente).
James Prescott JOULE – 1818-1889 – Anglais (lord) Kelvin (William THOMSON) – 1824-1907 –
Il montre, autour des années 1845, la Anglais
correspondance entre travail (mécanique) et Il introduit la notion de température
chaleur (calories) et mesure l’équivalence : 1 calorie « zéro absolu », où le mouvement
= 4,18 Joule. (Voir plus haut, « L’âge de la vapeur ») des particules cesse (-273 degrés).
L’unité d’énergie est le Joule.
Dès lors, les températures absolues se mesurent
en °K (degrés Kelvin), unité internationale de
température.
150 ans de thermodynamique (2)
Rudolf CLAUSIUS – 1822-1888 – Ludwig BOLTZMANN – 1844-1906 – Autrichien
Allemand Ayant fait sa thèse (1866) sur la théorie cinétique des
Promoteur des travaux de Sadi gaz, à une époque où la théorie des atomes était
Carnot, il en complète l’énoncé suspecte pour beaucoup de scientifiques, il poursuit en
du « second principe de la développant une théorie probabiliste (« statistique »)
thermodynamique » (1850) et de la chaleur, basée sur la distribution des « agitations
invente le concept et le mot thermiques » des particules. Une percée conceptuelle
« entropie » (tiré du grec : fondamentale. Très critiqué puis oublié, il se verra
« transformation »)(1865). confirmé avec la théorique (quantique) du
rayonnement du corps noir, de Max Planck.
Max PLANCK – 1858-1947 – Allemand Albert EINSTEIN – 1879-1955 – « Apatride »
Travaillant sur le rayonnement du corps Avec son explication de l’effet
noir, il est amené, « à son corps photoélectrique (1905), il entre de plain pied
défendant », à imaginer que les « entités dans la « physique quantique » qui rend Max
rayonnantes » (les atomes ?) émettent Planck si hésitant… Mais les développements
leur énergie par quantités « discrètes » ultérieurs de celle-ci le rendront encore plus
(des quanta) et non continues (1900) : réticent lui-même… Il met aussi en équation
débuts de la physique quantique… le « mouvement brownien ».
Werner HEISENBERG - (1901-1976) - Allemand
Paul LANGEVIN – 1872-1946 – Français
Erwin SCHROEDINGER (1887-1961 ) - Autrichien
Il utilise la physique statistique de Boltzmann
pour interpréter le magnétisme au niveau
Les grands débuts microscopique.
de la physique Par ailleurs, son équation de Langevin (1908)
quantique décrit le mouvement brownien des particules
(années 1920) dans un liquide visqueux.
Locomotive(s) Pacific 231 ou 241
https://fr.wikipedia.org/wiki/Pacific_(locomotive)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Pacific_231_(mouvement_symphonique)
https://fr.wikipedia.org/wiki/241_A_PLM_1_%C3%A0_145
https://fr.wikipedia.org/wiki/241_P Locomotive « Pacific 241 »
et son tender.
Mais c’est pour la « 231 » (3
essieux moteurs) qu’Arthur
Honegger composa son
mouvement symphonique…
2 essieux porteurs 4 essieux moteurs 1 essieu porteur donc : « 241 » (Pacific)
Locomotives à vapeur, à leur apogée (années 1930) – Ordres de grandeur
Masse : plus de 100 tonnes https://fr.wikipedia.org/wiki/Pacific_Vapeur_Club
Puissance : 2500 « chevaux vapeur » - Vitesse max : 130 km/h
Roues motrices : diamètre 2 mètres - Longueur locomotive : plus de 14 mètres.
Concernant la vapeur (http://generateurvapeur.com/technique/convpt.htm)
Pression : 20 kgf/cm² - Nota : pression fonction de la température : P = (T/100)4
Température : plus de 200°C, et env. 350 °C (après surchauffe de la vapeur saturante).
Masse d’eau dans la chaudière : 7 tonnes – Dans le tender : 22 tonnes. Consommation : 10 à 15 m3/100 km.
Masse de combustible dans le foyer : 1,3 tonne. Dans le tender : 12 tonnes. Consommation : 1,5 à 2 tonnes/100 kmAutomobiles et autorails
(moteurs à combustion interne)
Alphonse BEAU de ROCHAS – 1815-1893 – Etienne LENOIR - 1822-1900 – Belge
Français naturalisé Français
Brevet, en 1862, du moteur à quatre temps Inventeur en 1860 du premier moteur (deux
qu’on trouve dans les automobiles à essence. temps) à allumage commandé à gaz de
Curieusement, il fait suite à un brevet houille (applications industrielles). Fait
allemand abandonné (Christian Reithmann) fonctionner ce type de moteur dans un
inspiré du moteur à deux temps d’Etienne bateau sur la Seine. Puis réalise le moteur 4
Lenoir… qui mit en œuvre avec succès le temps de Beau de Rochas, qui propulse une
moteur à quatre temps de Beau de Rochas… automobile à la vitesse de 3 km/h.
Taxi (Renault) de la bataille de la Marne
Moteur bicylindre de 8 CV, 1250 cm3. Poids du
véhicule : 1.100 kg. Capable d’emporter 4 à 5
hommes. Et aussi : les camions CBA Berliet (et
autres), qui sauvèrent Verdun en 1916, par la
Voie Sacrée (3,5 t de fret, 18 ch, 30 km/h).
Autorail « Picasso » des années 1950 ➔
Moteurs Renault ou Saurer,
de 300 à 360 chevaux
Rudolf DIESEL – 1858-1913 – Allemand
Passe son enfance en France. Ingénieur, il réalise le René PANHARD – 1841-1908
moteur à combustion interne à allumage par – Ingénieur français
compression, capable de combustibles bon marché. Pionnier de l’industrie
Premier moteur commercial présenté en 1900 à automobile et motoriste.
l’exposition universelle de Paris. Disparu en mer Sous licence Daimler, puis
(victime des services secrets allemands peu avant la variantes « sans soupapes »
première guerre mondiale ?). (à partir de 1910).Les pères de l’électromagnétisme
Alessandro VOLTA - 1745-1827 – Italien
Il découvre la notion de couple électrochimique selon laquelle la mise en contact de deux
électrodes métallique plongées dans un électrolyte crée une différence de potentiel
électrique. L’unité de tension électrique est le Volt (V). Pile électrique ➔
André Marie AMPERE - 1775-1836) – Français Charles Augustin COULOMB
Précurseur de la mathématisation de la physique, 1736-1806 - Physicien français
créateur du vocabulaire de l’électricité Pionnier de l’électrostatique.
(« tension », « courant »), pionnier de
l’électromagnétisme. Il invente le solénoïde,
l’électroaimant, le télégraphe électrique.
L’unité de courant électrique est l’Ampère (A).
L’unité de charge électrique est le Coulomb (C).
Michael FARADAY – 1791-1867 - Anglais
Auteur de travaux fondamentaux dans James Clerk MAXWELL
l’électromagnétisme, l’électrochimie et 1831-1879 – Ecossais
l’électrolyse, donne son nom à de multiples Ses équations régissent
lois et phénomènes et notamment la loi de la propagation du
Faraday en induction magnétique. Bien champ
connu par l’expérience de la cage de Faraday. électromagnétique
Notion de « champ » (avec Maxwell).
Le Farad (F) est l’unité de capacité électrique
(condensateurs) https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3805
James Clerk MAXWELL à Michael FARADAY : « Le champ crée une toile à travers tout le ciel »L’électricité monte en puissance
Zénobe GRAMME – 1826-1901 – Belge
En 1869, réalise la première génératrice de courant continu (machine tournante avec
collecteur) qui sera le point de départ des « dynamos ». Il perfectionne aussi des alternateurs
« archaïques ». En 1873, son partenaire Hippolyte FONTAINE (1833-1910) ➔
(Français, A&M 1848) montre et utilise la réversibilité de la machine (qui, de générateur
électrique, devient moteur électrique), et couple deux appareils par une liaison électrique de
2 km, ce qui réalise une transmission à distance du mouvement mécanique, percée
fondamentale.
Nota : l’ohm, l’ampère, le volt, le coulomb et le farad voient officiellement le jour les 17 et 20 septembre 1881,
à l’occasion de l’Exposition Internationale d’Electricité de Paris, dont Hippolyte Fontaine fut co-organisateur. Le
joule et le watt sont adoptés à l’Exposition Universelle de 1889 à Paris.
http://www.espace-sciences.org/sciences-ouest/archives/histoire-du-moteur-electrique
Brève histoire pour les jeunes
Le transformateur électrique : composant incontournable de l’électrotechnique
A l’origine, on trouve Michael Faraday, avec des bobines à induction sur noyau
magnétique torique. Mais il faudra de longs « tâtonnements » (où on trouve les noms
de Westinghouse et Edison… comme acquéreurs de licences et non inventeurs !) avant
d’arriver à une solution moderne qui, « curieusement », trouve sa source en Autriche-
Hongrie dans les années 1884-1885, dans la société Ganz de Budapest (fondateur :
Abraham Ganz). (Nota : le Français Lucien Gaulard a aussi été actif dans ce domaine)
L’accumulateur électrique : sans lui, pas de mobilité électrique autonome
Gaston PLANTÉ - 1834-1889 – Français. Au départ, préparateur au CNAM, puis assistant d’Edmond Bercquerel
(père du futur prix Nobel Henri Becquerel)
En 1859-1860, il présente à l’Académie des sciences une batterie plomb/acide (9 cellules), premier accumulateur
de l’histoire, et encore le plus produit de nos jours (industrie automobile). C’est ce type de batteries qui
permettra à un véhicule électrique (la « Jamais contente ») de dépasser la vitesse de 100 km/h en 1899.Voiture électrique
la « Jamais contente »
https://fr.wikipedia.org/wiki/La_Jamais_contente
Bat en 1899 le record de vitesse sur route : plus de 105 km/h
Pilote /inventeur : Camille JENATZY, ingénieur en électricité, Belge.
Poids total : 1500 kg.
Batterie plomb/acide Fulmen : 100 éléments de 2V, poids > 700 kg
Puissance max : 50 kW (68 chevaux) répartie sur roues arrière
Roues arrière motrices indépendantes, avec…
… chacune son moteur, en prise directe
Roues « modernes »…
…en caoutchouc
(pneumatiques)Courant continu, ou alternatif ?
Thomas Alva EDISON - 1847-1931 – Américain
Autodidacte et inventeur dans une grande variété de domaines (chimie, télégraphe,
phonographe, cinéma etc.), Edison est aussi l’inventeur d’une lampe à incandescence
à filament… de bambou. En 1881-82, un ingénieur de son laboratoire (un Noir ! Une
rareté à l’époque) prend des brevets sur les filaments de carbone, qui se généralisent.
Edison, qui est aussi un industriel, fonde en 1882 la première centrale électrique au
monde, à courant continu (dynamos), et son réseau d’éclairage urbain.
L’un de ses employés est Nikola TESLA (voir ci-après) qui perfectionne ces réseaux
continus sujets à problèmes (notamment la faible portée des lignes) mais lui propose
de développer les alternateurs et lignes à courant alternatif en haute tension grâce La chaise électrique
aux transformateurs. Edison a le tort d’éconduire Tesla et de le mettre sur une voie de Dénigrant le courant
garage. Tesla le quittera et trouvera en George Westinghouse (ci-dessous) l’industriel alternatif, soi-disant plus
qui lui permettra d’industrialiser ses idées. S’ensuit une guerre ouverte et malsaine propice aux électrocutions,
d’Edison contre Westinghouse+Tesla, mais c’est bien le courant alternatif qui finira Edison se fait l’avocat de la
par l’emporter, en électrifiant les Etats-Unis… et le reste du monde. chaise électrique… à courant
alternatif.
Nikola TESLA - 1856-1943 – (Serbe-Croate)Autrichien ➔ Américain
Etudes d’ingénieur dans l’empire d’Autriche-Hongrie, et ingénieur en chef du
premier réseau téléphonique hongrois. Emigre à Paris (1882) où il est recruté
par la compagnie Edison, et perfectionne le moteur à induction à courant
alternatif. Se voit offrir un poste aux Etats-Unis, où il émigre en 1884.
Travaille à améliorer le réseau Edison (en courant continu) d’éclairage de
New York, tout en se faisant l’avocat des solutions à courant alternatif. Entre
en conflit avec Thomas Edison, fonde sa propre société et coopère avec
George Westinghouse pour l’électrification des Etats Unis en courant
alternatif. Très inventif, titulaire d’une multitude de brevets. En 1960, on
donne son nom, le Tesla, à l’unité internationale d’induction magnétique.
George WESTINGHOUSE - 1846-1914 – Américain
Le grand industriel américain qui, en coopération avec Nikola Tesla, a
électrifié l’Amérique en courant alternatif, à partir de 1893, suite à sa victoire
dans « la guerre des courants » contre Thomas Edison.L’électricité pour une traction multiforme
TRANSFORMATEUR Le réseau électrique distribue
CENTRALE ELECTRIQUE du courant alternatif de
ALTERNATEUR fréquence 50 Hz (Hertz), c’est-
à-dire 50 cycles/seconde. Le
nom de cette unité est celui
du savant allemand
Henrich HERTZ – 1857-1894,
bien connu dans le domaine
de l’électromagnétisme.
Il existe aujourd’hui une variété de
Caténaire solutions pour la motorisation des
trains (voir « TGV », à la suite) :
courant continu avec onduleur,
courant alternatif synchrone
(modulé par IGBT) et aimants
permanents, moteurs répartis
dans les bogies etc. Le progrès
aboutit à… l’embarras du choix !
Chemin parcouru par le courant de traction, de la centrale électrique…
… aux moteursPropulsion électrique du TGV
https://fr.wikipedia.org/wiki/TGV Entrée en service Paris-Lyon : fin 1981.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Automotrice_%C3%A0_grande_vitesse
Les puissances en jeu sont de l’ordre de :
Caténaire – 25 kV 50 Hz « industriel »
Pantographe 6.000 kW (TGV Sud-Est)
9.000 kW (TGV Atlantique)
Soit l’équivalent de 60 à 90 automobiles
moyennes.
Courants dans les caténaires de l’ordre de
9.000/25 = 360 ampères
Les motorisations se sont perfectionnées
au cours du temps :
Motrice avant TGV Sud-Est : 12 moteurs à courant
continu de 500 kW (env.) chacun
TGV Atlantique : 8 moteurs synchrones de
Motrice arrière
1.100 kW chacun. Et 2 fois plus légers au
total.
Une rame « simple » pèse environ 400 tonnes Plus tard (AGV) : suppression des motrices,
Deux voitures successives ont un bogie (deux essieux) commun et moteurs « répartis dans les bogies »
(comme pour un millepattes…)
La notion de « progrès » est manifeste, en deux ou trois décennies :
➔ Passage de moteurs à courant continu (redressé) à des moteurs synchrones sans contact, puis, plus tard :
➔ Eurostar : moteurs asynchrones alimentés par onduleurs de tension à « IGBT » (transistors de puissance « générant de l’alternatif
à fréquence modulable »). Enormes progrès de l’électronique de puissance.
A noter aussi :
➔ La « qualité millimétrique » de la géométrie des rails
➔ Les prouesses en matière de pantographe/caténaire. Le frottement, à la manière d’un archet (caténaire) sur une corde
(pantographe) induit des résonances mécaniques qui sont une des limitations de la vitesse (environ 500 km/h)Voiture électrique citadine
Autolib’
http://www.automobile-magazine.fr/toute-l-actualite/article/4097-actualites-bollore-prix-autolib Autopartage dans l’agglomération parisienne
Blue car
➔ Trois portes, quatre places.
➔ Batteries lithium-métal-polymère particulières
(groupe Bolloré) : nécessitent le maintien à température
(80°C) ce qui vide la batterie en 3 jours, si non connectée
(mais avantages par ailleurs) : donc, usage urbain
« captif ».
➔ Recharge moyenne en 4 heures, autonomie nominale
250 km.
➔ Moteurs synchrones à aimants permanents.
➔ Navigation GPS intégrée, capacité de réserver
emplacement de recharge (à destination).
➔ ~ 4000 véhicules répartis dans plus de 1 000 stations couvrant 97 communes de l'agglomération parisienne.
➔~100.000 abonnés (nota : démarrage en 2011), en hausse, mais utilisation en baisse (6,2 ➔ 5,8 millions) car…
➔ Concurrence des VTC (voitures de transport avec chauffeur)
➔ Tarifs : coût à la minute de l’ordre de 0,2 €/minute (abonnement) à 0,3 €/minute
Malgré un développement intéressant…
La rentabilité financière de l’exploitation reste problématique.L’aérotrain… ne décolle pas
(années 1970)
Jean BERTIN – 1917-1975 – Français
Ingénieur de l’Ecole Polytechnique+SupAéro. Il quitte la SNECMA en 1955 pour fonder la société Bertin & Cie.
Avec un de ses ingénieurs, Louis Duthion, il brevète le « coussin d’air » en 1961. Il l’applique d’abord à un engin
terrestre à vocation militaire (le Terraplane, 1962), puis se consacre pendant dix ans à l’Aérotrain (1963-1974). En
1974, l’Etat arrête son soutien et lui préfère le Train à Grande Vitesse (TGV) , dont la ligne Paris-Lyon sera
inaugurée en 1981.
L’Aérotrain est porté par un monorail en T
inversé. Sa suspension est assurée par injection
d’une pression d’air sous son plancher et
latéralement vers la « jambe du T ».
Sa propulsion a connu diverses variantes :
moteur thermique et hélice comme pour un
avion (voir ci-contre), turboréacteur (et même
appoint de fusées à poudre, pour battre un
record !), et, technologie plus « ferroviaire »,
moteur électrique linéaire.
C’est une version à turboréacteur (le I80 HV)qui bat le record de vitesse en 1974 : (430 km/h)... juste avant l’arrêt du programme,
et un an avant le décès de Jean Bertin
Une version nettement plus silencieuse (mais moins rapide) est construite en 1969, avec un
moteur électrique linéaire (Merlin Gérin). Ce n’est pas ce que l’on voit ci-contre, qui est dû à la
société canadienne Bombardier (l’Airtrain). Un moteur électrique linéaire, par exemple
asynchrone, crée (ici, sous le véhicule) un champ magnétique, non pas « tournant », mais
« défilant » qui « lèche » le rail conducteur brillant situé au centre de la voie. Il y engendre des
« courants de Foucault » (comme dans un rotor de moteur asynchrone) qui interagissent avec le
champ magnétique pour créer une force propulsive (dans un moteur, ce serait un couple). Le
moteur électrique linéaire est, en somme, un moteur cylindrique « mis à plat ».25 siècles de magnétisme (1)
La magnétite est un minerai de fer assez répandu, dont les cristaux constituent de petits aimants
(« magnès », en grec). La légende dit qu’elle abondait dans une grande montagne (nommée
Magnetos). Ce minerai est connu depuis l’âge du fer (environ 1.000 av. JC), mais les
considérations « scientifiques » sur ses propriétés (attractives et répulsives) n’apparaissent
qu’avec les philosophes grecs, et notamment Platon, Aristote.
Noter que ce sont aussi les Grecs (Thalès) qui ont « mis le doigt »
sur les propriétés « électriques » de l’ambre (« elektron », en grec),
qui attire les corps légers quand on le frotte.
La boussole a été le premier instrument pratique utilisant le magnétisme. Cette utilisation est attestée
à partir des années 1100, en Chine et en Occident (pays musulmans et chrétiens), et les historiens
pensent majoritairement qu’il s’agit d’inventions indépendantes, contrairement à la thèse initiale de
l’origine chinoise.
Le perfectionnement des « boussoles » jusqu’à devenir des
« compas magnétiques » ➔
pour la navigation des navires restera la seule application
utilitaire du magnétisme jusqu’au siècle des Lumières, et ce
n’est au 19ème siècle que viendra l’ère des machines
électriques utilisant un « magnétisme de puissance ».
Cependant, à la Renaissance et au « Grand Siècle », le sujet fascine (dont : René Descartes), et par exemple :
Athanasius KIRCHER - 1602-1680 – Jésuite « allemand »
Sorte de « Léonard de Vinci scientifique » (surnommé « Maître des cent savoirs »), il publie en 1631 un traité
sur le magnétisme, « Ars magnesia », où il le qualifie de « labyrinthe et abîme impénétrable des philosophes ».25 siècles de magnétisme (2)
Hans Christian OERSTED – 1777-1851 – Danois
Observe le premier (1820) la déviation d’une aiguille
aimantée par le courant électrique d’un conducteur.
La même année 1820 :
Jean-Baptiste BIOT– 1774-1862 – Français
Félix SAVART – 1791-1841 - Français
Donnent la loi qui permet de calculer le champ magnétique créé en
un point par une distribution de courants continus : une des lois
fondamentales de la magnétostatique.
Par ailleurs, André-Marie AMPERE « intuite » que le magnétisme à
grande échelle résulte de l’existence de grands nombres de
particules chargées électriquement et en mouvement.
Pierre CURIE – 1859-1906 – Français
Célèbre pour ses travaux conjoints avec Marie Curie en
radioactivité, il est par ailleurs un chercheur fondamental en
magnétisme (loi de Curie). Il inspire Paul LANGEVIN ➔
(1872-1946 – Français) qui poursuit ses recherches en
utilisant la physique statistique de Boltzmann. Ils sont les
précurseurs d’une « école » scientifique française en matière
de magnétisme (Louis NEEL, prix Nobel de physique en 1970).
Louis NEEL – 1904-2000 - Français
Heike KAMERLINGH ONNES – 1853-1926 – Néerlandais
Suite à ses travaux sur les basses températures (hélium liquide), Des aimants de plus en plus puissants
il met en évidence le phénomène de supraconductivité de Ce sont des alliages de plus en plus subtils:
certains matériaux. Ceci ouvrira la porte à la création de ➔1931 : AlNiCo (fer, aluminium, cuivre, nickel, cobalt)
courants électriques de très forte intensité, dont l’action sur des ➔ Fer-Néodyme-Bore : 20 fois plus puissant
aimants (eux-mêmes très perfectionnés) permettra à terme la ➔ 1970 : samarium-cobalt
lévitation magnétique.Etranges lévitations magnétiques
Samuel EARNSHAW – 1806-1888 – Anglais Pseudo-lévitation
S S Dans le cas ci-contre, un « véhicule
Le théorème d’Earnshaw (1842) montre qu’il ne peut
exister d’équilibre statique pour des masses qui N N pendulaire » (bistre) porte un jeu
n’exercent entre elles que des forces inversement d’aimants S/N qui font face à des
aimants N/S d’un rail fixé au sol. La
proportionnelles au carré de leurs distances (comme N N répulsion entre pôles Nord soulève
pour la gravitation, les forces électrostatiques ou…
magnétiques). Donc, une lévitation magnétique S S le véhicule, mais le dispositif n’est
« naturelle » (non aidée) ne peut exister. stable que parce que la gravitation
(pendule ) vient à son secours.
Il existe plusieurs façons pratiques de « contourner » le théorème d’Earnshaw :
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/Levitation/levitation.html
Sustentation électromagnétique (électroaimants) Sustentation électrodynamique (supraconducteurs)
Un capteur mesure « l’entrefer » entre « L’aimant » du haut est en fait un enroulement
les pôles, et un amplificateur S supraconducteur, aux propriétés « diamagnétiques » :
S
commande un électroaimant qui N le pôle Nord de l’aimant du bas induit dans cet
N « module » la puissance magnétique enroulement supraconducteur l’apparition d’un pôle
de l’aimant ou électroaimant du haut. Nord qui « s’oppose » à celui qui « l’engendre ».
L’objectif est d’arriver à une « raideur » constante Nota : ceci est le cas du Maglev japonais, alors que la
N N
(avec amortissement) de la suspension, comme avec sustentation électromagnétique (ci-contre) est le cas du
S un ressort ordinaire (et non une raideur variable). S Transrapid allemand.
Pour aboutir à des réalisations concrètes, c’est loin d’être simple ! Pour quelques informations de plus, surtout orientées « jeunesse » :
http://www.train35.fr/monorail_levitation.html
http://www.train35.fr/monorail_sustentation.html
http://projets.polytech.univ-tours.fr/2013/01/23/conception-dun-systeme-de-levitation-magnetique/
http://www.train35.fr/maquette_levitation.htmlTrain à lévitation magnétique
https://fr.wikipedia.org/wiki/Train_%C3%A0_sustentation_magn%C3%A9tique
Des trains Maglev (à droite )
circulent déjà au Japon, en
Corée et en Chine.
Des électroaimants sont
placés au centre de la voie et
soulèvent le train à 10 cm
au-dessus du rail.
Record de vitesse : 603 km/h
https://www.newscientist.com/article/dn3153-first-passenger-maglev-train-set-for-lift-off/
http://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/maglev-train1.htm
En Chine, des scientifiques développent
un SuperMaglev capable de 2.900 km/h
(trois fois la vitesse d’un avion)…
… en se déplaçant dans un tube où la
pression de l’air sera 10% celle de la
pression atmosphérique.
Ce qui ressemble assez au programme
Hyperloop.
(Planches suivantes)Hyperloop (1)
Technologies/contexte
https://fr.wikipedia.org/wiki/Hyperloop
« Au commencement était Elon Musk », multi-entrepreneur
(Tesla : voitures électriques – Space X : lanceurs spatiaux
réutilisables – Batteries pour le stockage des énergies etc.).
L’idée est de lancer des voitures/capsules dans un tube où
on fait un vide, afin de pouvoir atteindre des vitesses
supérieures à 1.000 km/h. La suspension peut se faire
magnétiquement ou par coussin d’air, la propulsion
généralement par électromagnétisme … Elon Musk lance
un concours d’idées (2012) puis même un concours de
véhicules prototypes (Hyperloop Pod competition) entre
équipes d’étudiants.
Elon Musk fonctionne ici en agitateur d’idées, et son charisme entraîne dans
le sillage d’autres « start-upers » et des sponsors. Inventaire :
➔ Hyperloop One, 200 employés, 200 M$ investis (dont GE et SNCF)
➔ Hyperloop Transportation Technologies, 4 salariés, mais 450 personnes
travaillant à distance. Installe un centre de R&D à Toulouse Francazal ➔
http://www.usinenouvelle.com/editorial/en-images-a-quoi-ressemblera-l-hyperloop.N496289
➔ TransPod, start-up canadienne (Toronto). Envisage l’alimentation de son
Hyperloop à l’énergie solaire.
Tout ceci crée une ébullition sympathique, bien dans le style d’Elon Musk
(qui dit de lui-même : « Nous n’avons aucune idée de ce que nous faisons »)
mais attention, car comme disait quelqu’un : « Nous ne savions pas que
c’était impossible, et c’est pourquoi… nous l’avons fait ».Hyperloop (2) – « Marketing »
Source Sciences et Vie, août 2016
Jules (ou Michel)
VERNE :
« …ces tubes
L’utilité de ce mode de transport, censé être « nettement moins coûteux que le TGV », peut s’imaginer : sous-marins, par
lesquels on
➔ Soit dans une concurrence au TGV ou au transport aérien moyen ou long courrier, de centre ville à centre ville venait d’Europe
➔ Soit dans des applications « court-courrier » du genre « centre ville à aéroport » en 295 minutes,
Parmi les « projets » ou « protocoles préliminaires » publiés, on peut relever : étaient
préférables aux
➔ Une ligne Los Angeles-San Francisco (trajet de 450 km en 30 minutes), ou autres sites voisins (La Vegas…) aérotrains, qui
➔ Lyon-Saint Etienne ou, plus ambitieux, Londres-Bruxelles-Paris-Méditerranée (mais il faut avoir la foi…) ne faisaient que
➔ Emirats Arabes Unis : Dubai-Abu Dhabi 1000 kilomètres
à l’heure »
➔ Un « Maglev sous vide » : « Kiev-Pekin en une heure ». Une « nouvelle route de la soie » ?? Marco Polo aurait aimé…
http://www.cite-sciences.fr/archives/francais/ala_cite/expositions/jules_verne/livres/livres/LaJourneeDUnJournalisteAmericainEn2890.pdfSurvol des progrès réalisés
http://www.cite-sciences.fr/archives/francais/ala_cite/expositions/jules_verne/livres/livres/LaJourneeDUnJournalisteAmericainEn2890.pdf
2890
2020
Jules (ou Michel)
2000 VERNE :
« …ces tubes
sous-marins, par
lesquels on
1970 venait d’Europe
en 295 minutes,
étaient
1930 préférables aux
aérotrains, qui
ne faisaient que
1900 1000 kilomètres
à l’heure »
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