Cheval-vapeur

Illustration de la définition du cheval-vapeur.

Le cheval-vapeur n'est pas une unité du système métrique actuel (système SI), mais d'un système d'unités associant le mètre au kilogramme-force (ou kilogramme-poids). Dans cet ancien système, l'unité de puissance est le kilogrammètre par seconde, correspondant au travail effectué par une masse de 1 kg tombant de 1 m en 1 seconde dans un champ de pesanteur uniforme. Le cheval-vapeur français a été défini comme valant exactement 75 kg m s⁻¹, soit la puissance nécessaire pour soulever (verticalement) un poids de 75 kg (le poids d'un objet étant confondu avec sa masse) en 1 s sur une hauteur de 1 m  :

1 ch = 75 [kg poids] × 1 [mètre] / 1 [seconde] = 75 kg m s⁻¹.

La 3^e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en 1901 adopte une valeur normale de l'accélération de la pesanteur g égale à 9,806 65 m s⁻². Cette valeur conventionnelle servait de référence pour la définition du kilogramme-force, cette dernière unité étant maintenant abolie[3].

Le poids d'un objet exprimé en newtons (N) d'une masse de 1 kg est donc égal à :

• masse multipliée par accélération de la pesanteur = 1 kg (masse) × 9,806 65 m s⁻² (accélération de la pesanteur) = 9,806 65 N.

Ainsi, exprimé en watts, 1 W étant la puissance associée au déplacement d'une force de 1 N sur une longueur de 1 m parcourue en 1 s, le cheval-vapeur vaut :

• le poids (force) d'une masse de 75 kg vaut : 75 [kg] × 9,80665 [m s⁻²] = 735,498 75 N (soit 735,5 N) ;
• le cheval-vapeur représente donc : 735,5 [N] × 1 [m] / 1 [s] = 735,5 W.

Schématisation du hp.

Le horsepower (HP), cheval-vapeur en système anglo-saxon, dit « impérial », se calcule comme suit :

P = m⋅g⋅v

avec :

• m = 550 livres (une livre = 0,453 592 37 kg) ;
• v = 1 pied par seconde (un pied = 0,304 8 m) ;
• g = 9,806 65 m s⁻² ;

d'où on déduit :

1 HP = 745,7 W.

La définition de l'unité a été effectuée par James Watt à partir de la puissance nécessaire pour faire tourner un moulin à grain de 24 pieds de diamètre avec une force résistante équivalente à 180 livres à une vitesse de 144 tours par heure. L'application numérique fait 32 572 pieds-livres force par minute, arrondis à 33 000 pieds-livres force par minute, soit 550 pieds-livres force par seconde.

La définition anglaise est donc le déplacement, à la surface de la Terre, d'environ 81 kg dans un sens opposé au champ de gravitation terrestre à une vitesse de 0,93 m s⁻¹.

Il existe également différentes dénominations spécifiques selon le point auquel la puissance est mesurée. Ainsi, le shaft horsepower, abrégé en « shp », désigne la puissance s'exerçant sur l'arbre de transmission d'une hélice de bateau ou d'avion ou d'un rotor d'hélicoptère.

Plusieurs écoles coexistent pour mesurer la puissance du moteur d'une automobile.

En Europe, la principale norme a été établie par le Deutsches Institut für Normung (Institut allemand de normalisation, fondé en 1917 à Berlin) plus connu sous son sigle DIN. Il s'agit de la norme DIN 70020 (le cheval-vapeur allemand s'appelle Pferdestärke, et son symbole est PS). La puissance est mesurée à l'embrayage, avec le moteur de série équipé de tous ses accessoires, de ses échappements.

En Italie, le cheval-vapeur est calculé selon la norme italienne CUNA (Commissione Unificazione e Normalizzazione Autoveicoli e Commissione tecnica di UNificazione nell'Autoveicolo). Cette norme est restée en vigueur jusqu'à l'utilisation du kilowatt. Elle était comparable à la norme américaine SAE où la puissance du moteur est déterminée sur banc pratiquement sans accessoires. La puissance était de fait légèrement supérieure à celle déterminée avec la norme DIN.

Aux États-Unis, la norme a été établie par la SAE International (Société des ingénieurs de l'automobile, fondée en 1905 à Troy, dans le Michigan). La puissance est mesurée à la sortie du vilebrequin de façon à éviter les pertes de puissance dues à la transmission. À l'origine, la SAE avait établi un protocole de mesure sur banc avec un moteur de série dépourvu de ses accessoires, et parfois même de ses échappements. La puissance était mesurée en brake horsepower (bhp), ou puissance au frein. Le frein était à l'époque un outil permettant de déterminer la puissance du moteur. Le frein était connecté directement en sortie du moteur, le couple et le régime appliqués au frein étaient mesurés pour déterminer la puissance maximale du moteur.

La norme SAE était la J245. Il en résultait donc que les chiffres de puissance annoncés en norme SAE étaient largement supérieurs à ceux exprimés en norme DIN. Mais en 1972, la SAE a revu sa copie en édictant la norme J1349. Désormais, la puissance est mesurée avec le moteur équipé de ses accessoires et de ses échappements de série, ce qui a diminué l'écart entre ces deux normes.

Par ailleurs, les protocoles de mesure étant différents, il n'existe pas de règle de conversion simple pour passer d'une mesure à l'autre.

Le cheval-vapeur électrique européen est défini comme valant

1 ch = 735,5 W,

tandis que le cheval-vapeur électrique britannique vaut

1 hp = 746 W.

Les États-Unis ont un « cheval-vapeur de chaudière » (boiler horsepower (en), ou bhp) défini comme étant la puissance requise pour faire évaporer 34,5 lb (livre impériale britannique) d'eau à 212 °F (100 °C) par heure sous une atmosphère normale. La valeur exacte dépend de la chaleur d'évaporation utilisée, mais la plus fréquente est 970,3 BTU_IT/lb, ce qui donne :

P ~ 9 810 W (soit un peu plus de 13 ch).

Le boiler horsepower a été utilisé depuis 1876 pour mesurer la puissance des machines à vapeur et n'est plus utilisé de nos jours.

Le cheval-vapeur est une unité de mesure initialement crée par James Watt, qui souhaitait vendre les machines à vapeur de sa firme à des industriels ou des cultivateurs pour faire fonctionner des ateliers ou des engins agricoles. Ses clients potentiels utilisaient précédemment des attelages de chevaux, en chair et en os, pour effectuer ces travaux, il fallait donc créer une unité qui soit "parlante" pour que l'éventuel client ait un point de comparaison entre les deux sources d'énergie. James Watt effectua un certain nombre de comparaisons entre les machines de sa fabrication et de véritables chevaux entraînant une lourde roue tournant autour d'un pivot central, comme dans certains types de pressoirs agricoles et ce durant plusieurs heures.

Toutefois diverses études modernes ont déterminé que la puissance développée par un cheval est très nettement supérieure à un cheval-vapeur.

Un gros cheval de trait en pleine santé , comme un Percheron, peut développer sur un effort de courte durée pas moins de 15 chevaux-vapeur. Il est permis de penser que James Watt ait pris comme point de comparaison des valeurs minimales pour la puissance d'un équidé, aux fins de valoriser son invention auprès de ses futurs clients[4].

En ce qui concerne les êtres humains, un individu en bonne forme physique peut développer une puissance de 200 watts sur une courte période et des cyclistes de haute compétition atteignent de très brefs pics de puissance de l'ordre de 1 600 watts (environ deux chevaux-vapeur) lors de l'accélération pour le sprint final d'une course sur route.^{[réf. nécessaire]}