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"Roulement à plumes" pour le train du futur ?

ActualitéClassé sous :physique , frottement , train

Sheldon Weinbaum et ses collègues de l'université de New York proposent un nouveau type de voie ferrée : une « voie plumée » (faite de plumes d'oie) capable de soutenir le poids d'un train roulant ... et d'augmenter sa vitesse !

Le contexte

Comment faire rouler un train plus vite sans augmenter la puissance de son moteur ? Comment faire coulisser des pièces sans frictions ou presque ? « Elémentaire, mon cher Watson, il suffit de diminuer les forces de frottement ! Et, pour cela, observons les skieurs et les cellules rouges ! ».

Car, oui, les forces de frottement du ski sur la neige, des cellules rouges dans les capillaires ont un point commun : elles sont bien plus faibles que la théorie ne le prévoit !

Et, si un même phénomène physique explique le fluidité de mouvement des globules rouges et des skieurs alors que leur masse diffèrent d'un facteur de 10 15, pourquoi ne pas l'appliquer au mouvement d'un objet beaucoup plus gros ?

L'expérience

Sheldon Weinbaum et ses collègues sont partis d'un fait connu : lorsqu'un skieur glisse sur la neige, son poids compresse la neige en dessous de son ski. Une partie de l'air contenu dans la neige est alors chassé, sur une épaisseur de l'ordre du micromètre, et provoque une force verticale et ascendante sur le ski. Résultat :Les forces de frottement qui ont tendance à ralentir le mouvement du skieur sont significativement diminuées.

Cette force d'ascension explique aussi que les globules rouges du sang glissent sans à-coups dans nos capillaires : le réseau de protéines enduites de sucre qui tapissent les parois des vaisseaux est compressé au passage d'un globule rouge et chassent le fluide qui entoure les protéines.

Cependant, l'équipe de New York a constaté que ces matériaux poreux mous que sont l'intérieur d'un vaisseau sanguin ou de la neige molle produisent des forces ascendantes qui sont un million de fois plus grandes que les prévisions de la théorie classique de lubrification.

Pour déterminer si ces forces seraient suffisamment intenses pour supporter un train, Sheldon Weinbaum et ses collègues ont utilisé un piston cylindrique rempli de neige pour reproduire les forces dynamiques subies par un ski en mouvement et mesuré la force ascendante créée lorsqu'on comprime la neige placée dans le cylindre.

Schéma de l'appareillage dynamique de compression de neige © Phys. Rev. Lett.

Les résultats

Leurs mesures confirment que l'air emprisonné dans la neige peut facilement soutenir le poids d'un skieur de 70 kg.

Pendant la première seconde et demie que dure la compression de la neige par le piston, ils ont observé une brusque montée de la pression ascendante (1,4 kPa sous un ski d'une superficie de 5 000 centimètres carrés) : l'air a été éliminé de la neige poreuse. Ensuite, cette pression chute pratiquement à zéro, en quelques secondes : la majeure partie de l'air s'est échappé de la neige.

Voilà pourquoi de la neige, aussi légère et poudreuse soit-elle, peut supporter le poids d'un skieur ... en mouvement. Car, attention, l'effet « ascenceur » ne dure pas, il faut que le skieur soit en mouvement assez rapide pour que son ski ne pèse plus sur la neige quand elle a chassé tout son air.

Applications

En précisant que leurs résultats pourraient servir de base pour développer des roulements à faible friction et longue durée de vie pour des machines comportant des pièces mobiles, les chercheurs ont imaginé à quoi pourrait ressembler la voie ferrée du futur (qu'il faudra bien appeler une voie plumée, si on applique un jour leur procédé ! )

En extrapolant ces résultats au cas d'un train grande vitesse de 50 tonnes, Weinbaum et ses collègues ont calculé que 9,8 kPa de pression seraient nécessaires pour soutenir un train de 25 mètres de long et de 2 mètres de large.

Selon les scientifiques, un matériel poreux avec une perméabilité d'au moins 10-8 mètres, comme la plume d'oie - pourrait être employé pour faciliter le mouvement d'un train.

La plume d'oie est bien trop chère pour des applications pratiques (imaginez le nombre d'oie à plumer pour un Paris - Lyon !!), mais il existe des fibres synthétiques ayant des propriétés mécaniques comparables ...

Une voie de roulement serait composé de 2 parois verticales, contenant un matériau poreux. Au démarrage et dans les moments où il ne roule pas assez vite pour que la force d'ascension soit suffisante, le train disposerait de roues rétractables roulant sur les parois verticales ... comme sur de simples rails. Mais, à pleine vitesse, ces roues s'effaceraient pour laisser la partie centrale du wagon « glisser » sur le matériau poreux comme un skieur sur la neige.

Le train à grande vitesse du futur ? © Phys. Rev. Lett.

Et, il paraîtrait que ces mêmes chercheurs dévalisent les boutiques de New-York à la recherche d'oreillers bon marché ... pour se construire un prototype !!

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