La puissance du moteur animal : application à la traction et au travail

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Message par Barnabé le Dim 10 Aoû 2014 - 11:20

(fil lancé en dérivantion de celui-ci : https://www.le-projet-olduvai.com/t8475-la-puissance-du-moteur-humain-le-cas-du-velo )

Le cheval-vapeur a été défini comme la puissance d'un cheval qui soulèverait (à l'aide d'une poulie) une charge de 75 kg en parcourant 1 m en une seconde (soit 3,6 km/h) :

La puissance du moteur animal : application à la traction et au travail Cheval_vapeur

Ca correspond effectivement à 736 Watts. De nos jours, on ne parle plus trop de "chevaux-vapeurs" mais plutôt de ch DIN (norme allemande), et encore, les puissances des véhicules sont désormais exprimées en kW. A noter aussi que le horse-power anglais (hp) est à 745 Watts.

Pourquoi un cheval qui soulève 75 kg à la vitesse de 1m/s produit-il 736 watts ? Je rappelle que :
P = f.d/t
en français : la puissance, c'est la force x distance parcourue / temps.
Or d/t = V
en français : la vitesse, c'est : distance parcourue/temps
Donc P= f.V
La puissance, c'est la force multipliée par la vitesse.

Donc le calcul est simple dans le cas ci-dessus :
la force, c'est la masse x l'accélération de la pesanteur = 75*9,81 = 735,75 newtons.
La vitesse, c'est 1 m/s donc force x vitesse  = 735,75*1= 735,75 Watts.

Est-ce que c'est la vraie puissance d'un cheval ?

On lit parfois qu'il faut 3 à 4 chevaux réels pour fournir une puissance d'un cheval-vapeur... ou à l'inverse qu'un cheval est bien plus puissant qu'un cheval-vapeur ! Essayons d'y voir plus clair.

Voici un excellent document de la FAO sur la puissance que peuvent produire différents animaux utilisés pour le travail :
http://www.fao.org/docrep/010/ah810f/AH810F09.htm

voir en particulier le tableau 13.

On parle souvent de la force de traction. "Une règle approximative donne pour la capacité de traction d'un cheval 10 à 15 % de sa masse, pour un travail de 6h00/jour au pas" (source : http://www.france-trait.fr/fr/materiel-traction-animale/preambule.html ).

Donc, pour un cheval pesant 650 kg, sa "force de traction" est entre 65 et 97,5 kg.

Précision sur la force de traction : souvent exprimée en kg ou en kgf (kilogramme-force), c'est la valeur qu'on lirait sur un dynamomètre placé entre un cheval et sa charge. Donc, c'est vraiment la force exercée par le cheval pour tirer son attelage.

Il ne faut surtout pas confondre avec le poids du véhicule attelé !  Sur route plate et lisse, on considère que le coefficient de traction est de 2 %, c'est à dire qu'un cheval tire une tonne avec un effort de 20 kg-force (c'est très approximatif bien sûr, mais c'est pour donner un ordre de grandeur).

Pour faciliter les calculs, il faut mieux tout faire en unités du système international (USI). L'USI pour la force est le newton. A partir des kilogrammes-force, multiplier par 10 (ou si on veut être exact, par 9,81), pour obtenir des Newtons.

Bref, dans le tableau de la FAO, on voit qu'ils sont assez conservateurs sur les valeurs . Si on prend la limite supérieur des fourchettes qu'ils donnent pour les chevaux de trait : 1200 kg mais force de traction seulement 100 kg soit 8 % de sa masse. La source citée précédemment dit jusqu'à 15 %, ce qui ferait 180 kg pour le même cheval de 1200 kg.
Ensuite, si on multiplie leurs 100 kg par 10 (accélération de la pesanteur pour avoir des newtons) puis la vitesse moyenne de 1 m/s on obtient leurs 1000 watts de puissance.
Mais on note que le cheval de 1200 kg qui développe 180 kg de traction sort 1800 Watts de puissance soit presque le double.
A l'inverse maintenant, prenons leur "cheval ordinaire" : on voit que la limite basse de puissance est de 400 watts.

Donc, rien qu'en comparant entre un cheval ordinaire et un gros percheron de 1200 kg capable de tirer 180 kg, on voit que la puissance varie du simple au quadruple : 400 watts à 1800 Watts ! On commence à comprendre pourquoi il est si difficile de dire si un cheval-vapeur correspond à la puissance d'un cheval !

Ensuite, il faut raisonner sur les différentes puissances que peut développer un même cheval. Prenons l'exemple d'un brave cheval de trait de ferme pesant 700 kg.
certains jours, attelé à la cariole, il mène son maître à la ville. Faible effort, peut-être une force de traction de 10 kg en moyenne seulement, soit 100 watts à l'allure du pas. Du coup, son maître le met au trot, ou même là (environ 10 km/h) il ne donne que 250 watts et encore !
D'autre jours, il tire des outils relativement légers. L'effort de traction moyen est peut-être de 50 kg soit 500 watts.
D'autres jours, il faut labourer ou faucher les foins, l'effort de traction est plutôt dans les 100 kg soit 1000 watts, ce qui le met au taquet (il tracte 15 % de sa masse).
Parfois, il débarde un arbre, et là, quand il faut faire décoller une grume à moitié retenue par les broussailles, il est capable de mettre un "coup de collier" équivalent à sa masse, donc 700 kg, soit une puissance de 7000 watts, mais seulement sur 2 ou 3 secondes.

Enfin, il faut se rappeler que plus le cheval travaille, plus il faut le nourrir. Dans les endroits où les gens sont pauvres, il n'y a pas forcément de quoi nourrir le cheval suffisamment. Et la FAO écrit pour les régions où la traction animale est encore utilisée, et où les gens utilisent des animaux de tous âges et n'ont pas forcément les moyens de très bien les nourrir... On voit pourquoi la FAO prend des valeurs relativement conservatives : il s'agit de décrire les animaux réellement utilisés dans le monde, pas des bêtes de concours !

Donc, en résumé :
un cheval ordinaire mené de façon à le ménager ne va produire que de l'ordre de 100 à 400 Watts, voire moins.
un cheval de trait "normal" de 700 kg va produire à son effort maximal (mais qu'il peut soutenir pendant plusieurs heures) entre 10 et 15 % de sa masse, soit 70 à 100 kg de traction, soit à 1m/s 700 à 1000 W.
un très beau percheron de 1200 kg va être à 1800 W pour ce même effort soutenu pendant plusieurs heures.
Enfin, la puissance instantanée sur un coup de collier monte à 7000 watts pour un cheval de trait "normal", mais jusqu'à 12000 Watts pour le très beau percheron.

Au final, les 736 watts fixés par les pionniers de la physique moderne (Mister Watt et compagnie) sont corrects et réalistes : c'est l'effort d'un bon cheval de trait, pesant 700 et quelques kg, qui tracte 10 % de sa masse. Il peut soutenir cet effort pendant 6 heures par jour, à la vitesse du pas d'environ 1 mètre par seconde.
Mais la puissance fournie effectivement par un cheval peut être 10 fois inférieure, si c'est un cheval ordinaire utilisé à des tâches peu fatigantes ; et elle peut être plus de 10 fois supérieure sur le "coup de collier", qui ne dure que quelques secondes, fourni par un bon cheval de trait.

Voir aussi :
http://www.biotacc-project.com/Ressources/WP4_Tests_Expl/Manuels/ManuelTraction_FR_112010.pdf
http://hippotese.free.fr/blogdocs/puissance-des-chevaux-de-trait.pdf
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Message par Barnabé le Lun 11 Aoû 2014 - 20:02

Voici quelques réflexions supplémentaires sur la base du tableau 13 du doc de la FAO. En fait, il confirme ce que savent les gens qui utilisent la traction animale :
- un bœuf tire quasiment autant qu'un cheval de trait. Par contre, il va deux fois plus lentement. Donc, sa puissance est environ la moitié de celle d'un cheval de trait. Pour autant, les bœufs sont appréciés pour leur "force tranquille" : ils ne s'emballent pas, ils sont capables de tirer très fort. C'est pour ça qu'ils étaient utilisés traditionnellement dans des tâches nécessitant beaucoup de traction, comme le débardage et le labour.
- les vaches sont moins puissantes qu'un bœuf, mais à la campagne, on n'avait pas toujours les moyens d'avoir une paire de bœufs ou une paire de chevaux de trait dédiés. Les vaches fournissaient une force de travail appréciable, notamment en montagne.
- un âne a une force de traction très limitée. Elle est très variable aussi (de 75 à 200W), ce qui reflète la grande variété des races d'ânes (c'est un peu comme si on comparait un petit cheval à un percheron). C'est pour ça que les ânes sont très rarement utilisés pour des travaux nécessitant beaucoup de traction.
- une mule peut être presque aussi forte qu'un cheval de trait. Les gens qui utilisent une mule disent qu'elle a divers avantages : elle est moins peureuse qu'un cheval, elle a moins tendance à s'emballer et, en descente, elle a tendance à retenir sa charrette alors que le cheval aurait plus tendance à s'emballer et à se mettre à courir. Encore au début du siècle, le Poitou était un gros producteur de mules de travail, en croisant des baudets du Poitou mâles avec des juments de la race "trait poitevin". La production décline à partir de 1920 et s'effondre dans les années 1950 et 1960 avec la généralisation du tracteur dans les campagnes. http://fr.wikipedia.org/wiki/Mule_poitevine

Enfin, plutôt que d'essayer d'avoir un animal unique et très puissant, on pratiquait beaucoup l'attelage de plusieurs animaux, notamment la paire de vaches, la paire de bœufs et la paire de chevaux, qui permettaient de labourer sans épuiser les bêtes.

Pour ce qui est de tracter carrioles, charrettes et diligences, il faut prendre en compte que ce qui nécessite de la puissance, ce sont les fortes pentes. Autant sur le plat, c'est assez facile, autant une forte cote risque de mettre les bêtes à genoux (et même de conduire à la catastrophe, avec le véhicule qui se met à reculer...). On dimensionnait donc l'attelage non pas en fonction de la puissance nécessaire sur le plat, mais de la puissance nécessaire pour passer les fortes cotes. C'est aussi pour ça que les passagers des diligences étaient invités à descendre lors des fortes cotes, voire même à pousser...
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Message par fokeltok le Mer 13 Aoû 2014 - 16:43

Barnabé a écrit:
- un bœuf tire quasiment autant qu'un cheval de trait. Par contre, il va deux fois plus lentement. Donc, sa puissance est environ la moitié de celle d'un cheval de trait. Pour autant, les bœufs sont appréciés pour leur "force tranquille" : ils ne s'emballent pas, ils sont capables de tirer très fort. C'est pour ça qu'ils étaient utilisés traditionnellement dans des tâches nécessitant beaucoup de traction, comme le débardage et le labour.

Il me semble que l'alimentation du cheval de travail coûte aussi plus cher que l'alimentation du boeuf, auquel on ne donne pas forcément de complément alimentaire (avoine, céréale).
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Message par Barnabé le Jeu 14 Aoû 2014 - 11:06

fokeltok a écrit:
Barnabé a écrit:
- un bœuf tire quasiment autant qu'un cheval de trait. Par contre, il va deux fois plus lentement. Donc, sa puissance est environ la moitié de celle d'un cheval de trait. Pour autant, les bœufs sont appréciés pour leur "force tranquille" : ils ne s'emballent pas, ils sont capables de tirer très fort. C'est pour ça qu'ils étaient utilisés traditionnellement dans des tâches nécessitant beaucoup de traction, comme le débardage et le labour.

Il me semble que l'alimentation du cheval de travail coûte aussi plus cher que l'alimentation du boeuf, auquel on ne donne pas forcément de complément alimentaire (avoine, céréale).

Franchement, je n'en sais rien. Je n'ai jamais travaillé avec des boeufs, et discuté seulement une fois avec quelqu'un qui a travaillé avec (pour du débardage).

C'est vrai que le cheval est réputé plus fragile et plus exigeant pour son alimentation.

Pour les bœufs comme pour le cheval, il faut bien distinguer le cas d'un animal qui travaille de manière intensive seulement occasionnellement ; par exemple, s'il n'y a qu'une journée de gros labour, il peut compenser un manque de supplémentation d'alimentation ; il fait sa journée de gros travail sur ses réserves, et il compense les jours suivants en mangeant plus. Par contre, un animal qui travaille fort tous les jours, bœuf ou cheval, je pense qu'il faut une forme de complémentation alimentaire, quelle qu'elle soit.

Sur ce sujet, deux sources d'infos complémentaires :
1) En page 41 du bouquin de John Seymour (Revivre à la campagne en français, The complete book of self sufficiency en anglais), il compare les différents animaux de travail avec le tracteur et le motoculteur. C'est intéressant et amusant à la fois. Il note par exemple que le tracteur et le motoculteur, comme la mule, ne se reproduisent pas.
Dans le texte, il dit que les bœufs sont de très bons animaux de traction, mais plus lents que le cheval. Par contre, il recommande de prendre plutôt deux bœufs pour remplacer un seul cheval de trait, donc un attelage de 4 bœufs pour les gros travaux qui emploieraient une paire de chevaux de trait. Dans l'ensemble, il recommande quand même les chevaux.
Je note deux erreurs dans ce tableau, concernant le bœuf :
- une durée de vie de seulement 3 ans, alors que d'autres sources donnent 9 ans de durée de vie dont 6 de travail. A 9 ans, les animaux sont envoyés à l'engraissement puis à la boucherie. http://www.fao.org/docrep/w0613t/w0613t0a.htm
- le fait qu'il soit mentionné comme pouvant se reproduire ! Par définition, un bœuf ne se reproduit pas, sinon on appelle ça un taureau !

Précisions sur les mules (passage corrigé suite à la remarque de Cyrus) :
- En anglais, John Seymour parle de mule, et c'est traduit "mulet" en français. Mule en anglais désignant aussi bien les mâles que les femelles, on peut en déduire que ses commentaires et appréciations s'appliquent aux mules et aux mulets à la fois.
- Ses commentaires négatifs sur les mules me semblent un peu excessifs. J'ai eu l'occasion de voir travailler des mules et ce sont des animaux très puissants et efficaces s'ils sont bien dressés.

Autre source intéressante : un bouquin de 1957 sur le bœuf de labour dans l'ancienne Provence : http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/rga_0035-1121_1957_num_45_1_1951
L'auteur note une très forte régression des bœufs entre 1780 et 1830, non seulement en Provence, mais aussi dans toute l'Europe occidentale.
Les raisons qu'il relève sont les suivantes :
- augmentation du prix de la main d'oeuvre ; donc le "patron" a intérêt à prendre des chevaux ou des mules, pour que le même employé soit presque deux fois plus rapide qu'avec des bœufs.
- apparition d'épizooties spécifiques aux bovins
- développement de la vigne en Provence : le cheval est mieux adapté au travail entre les rangs.
- diminution de la taille des propriétés, suite à la redistribution des terres à la révolution française et sous l'effet des partages lors des héritages
- et même un effet de "mode" : les mules et chevaux sont plus valorisants pour leur propriétaire !
Par contre, je n'ai rien trouvé dans ce bouquin sur l'alimentation comparée du bœuf et du cheval.


Dernière édition par Barnabé le Jeu 14 Aoû 2014 - 14:57, édité 2 fois
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Message par Cyrus_Smith le Jeu 14 Aoû 2014 - 11:46

Barnabé a écrit:Je précise aussi qu'il me semble y avoir une erreur de traduction dans la version française, sur cette page : en anglais, il parle de mule, qui devrait se traduire par "mule" en français, alors que c'est traduit "mulet". Au sens strict, mule en anglais veut bien dire "mule", puisqu'il existe un mot spécifique pour le mulet : hinny. Du coup, ses commentaires négatifs sur les mules me semblent un peu excessifs. J'ai eu l'occasion de voir travailler des mules et ce sont des animaux très puissants et efficaces s'ils sont bien dressés.
Si on en croit Wikipédia, hinny correspond au bardot et pas au mulet. Si on veut être spécifique en anglais, il faudrait utiliser "horse mule" pour le mulet, et "mare mule" pour la mule (voir les pages respectivement en anglais et français).
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Message par Barnabé le Jeu 14 Aoû 2014 - 14:47

Merci pour la correction ! J'ai mis à jour mon message ci-dessus.

Si la mule et le mulet sont tous les deux le résultat d'un croisement entre un âne et une jument, la différence, c'est que le mulet, s'il n'est pas castré, est réputé avoir un caractère plus instable (comme pour le cheval) :
Le mulet entier est moins docile qu'une mule car, « impropre à produire, il en a la fantaisie »
Du coup, les producteurs préféraient le vendre plus jeune (et moins cher) qu'une mule, nous dit ce doc : http://www.livre-poitoucharentes.org/escales/_pdf/H.pdf (page 61).

Ce second doc dit que c'est pour ça que les mulets sont très souvent castrés (comme pour le cheval aussi, finalement) : http://home.nordnet.fr/mfroideval/00-QR-2005.htm
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