Chaque année, dès qu’il fait froid, il est recommandé de mettre des pneus hiver sur sa voiture ou son vélo.
Pourquoi cela ?
Une question de température de transition
Les pneus sont fabriqués en caoutchouc, qui est un polymère relativement tendre. La gomme épouse donc les aspérités de la route, augmente sa surface de contact et donc l’adhérence.
Si votre pneu était en plastique dur, cela commencerait par faire un bruit d’enfer, mais surtout l’adhérence ne serait pas au rendez-vous : la gomme ne se déformerait pas pour épouser les aspérités et la surface de contact serait nettement plus faible. Conduire avec des pneus en plastique dur serait donc dangereux : freiner se révèlerait impossible et vous sortiriez de la route au premier virage, etc.
Or, lorsqu’il fait froid, c’est exactement ce qui arrive avec le caoutchouc. Ce dernier, comme beaucoup de matériaux, présente une température de transition vitreuse :
- Au-dessus de cette température, la matière est tendre, comme on pourrait s’y attendre du caoutchouc.
- En dessous, la matière se vitrifie : la structure moléculaire perd en régularité et elle devient dure et cassante.
Pour le voit, il suffit de mettre un élastique ou un ballon de baudruche au congélateur : le caoutchouc perd de son élasticité.
Ceci n’est pas un changement de phase : l’élastique est toujours solide, au chaud comme au froid. Mais ça n’empêche pas sa structure moléculaire de changer radicalement quand-même, d’une phase solide tendre, à une phase solide dure.
Spécificité des pneus hiver
Dans le cas des pneus, la solution, c’est de mettre des « pneus hiver » ayant une composition spéciale qui abaisse la température de transition vitreuse. Ceci permet au pneu de conserver sa souplesse et son adhérence même par des températures très basses.
En plus de la gomme, les pneus hiver ont également un profil adapté à la route mouillée ou enneigée : les rainures sont plus profondes, les crampons plus marqués, etc. Ceci afin d’assurer encore un peu plus d’adhérence dans les conditions humides de l’hiver.
Dans le cas de pneus particulièrement profilés pour une conduite sur route humide ou enneigée, on parle de pneus neige, plus seulement de pneus hiver.
Pour savoir si un pneu est « hiver », il faut repérer le logo « 3PMSF ». C’est lui le seul logo normatif pour ce genre de pneu, qui garantit ses caractéristiques par temps froid et un profil adapté sur route humide :
Les logos avec un ou plusieurs flocons, quant à eux, sont seulement du marketing, ils ne sont pas réellement reconnus ni normalisés.
Pourquoi ne pas garder ses pneus froid toute l’année ? Quid des pneus 4-saisons ?
Si le problème de la transition vitreuse semble réglé avec un caoutchouc plus tendre par temps froid, on peut se dire qu’on a la solution à tous les problèmes de pneu. On peut même se demander pourquoi on ne porte pas toute l’année des pneus hiver ?
En fait, si le caoutchouc des pneus hiver conserve sa souplesse en hiver, il peut s’avérer trop tendre lorsqu’il fait chaud, comme en été.
Dans ce cas, on fait face à d’autres problèmes. En été, le pneu hiver engendre par exemple trop de pertes mécaniques dans la gomme elle-même, ce qui la fait chauffer encore plus, la ramollit d’autant plus, etc.
Il en résulte une usure prématurée et une consommation de carburant beaucoup plus élevée. Ce n’est donc bon pour personne.
Il existe désormais des pneus quatre saisons, portant généralement l’inscription « M+S » (mud + snow ou boue + neige) : leur gomme est développée pour rester souple sur une large gamme de température.
Ces pneus ne sont pas les plus performants par temps chaud (moins bons que des pneus été, en termes de consommation de carburant notamment), mais présentent l’intérêt de pouvoir être utilisées en sécurité tout au long de l’année. Notez bien que l’accent est ici mis sur la sécurité du pneu au détriment du reste : usure prématurée, consommation de carburant non-optimal, etc.
Dans l’idéal, pour avoir la meilleur solution en toute saison, il reste préférable de changer de pneus deux fois par an si le climat local l’impose.
Attention, car si les pneus « M+S » sont conçus pour avoir des performances correctes tout au long de l’année, ils ne sont pas officiellement des « pneus hiver ».
Leur usage peut ainsi ne pas être réglementaire en hiver, selon les pays (Allemagne, Pays-Bas, Luxembourg, notamment, qui exigent des pneus hiver « véritable » en hiver) et votre assurance peut considérer comme une négligence de votre part si vous provoquez un accident par un mauvais choix de pneumatiques, y compris avec des pneus quatre saisons.
En résumé
Les pneus sont en caoutchouc et le caoutchouc réagit à la température : il présente une température de transition vitreuse au-dessous de laquelle il devient particulièrement dur et cassant.
Sur un pneu, cela se traduit par une adhérence réduite par de basse températures et donc un danger réel.
Les pneus hiver sont conçus avec des gommes dont la composition permet d’abaisser la température de transition vitreuse. Ces pneus conservent leur adhérence par temps froid.
Les pneus été, quant à eux, conservent leur avantage en termes de tenue de route et de consommation de carburant par temps chaud (tout le reste de l’année).
Le point de transition vitreuse est présent dans beaucoup de polymères, mais aussi certains métaux ou verres. Il s’agit d’une température qui n’a rien avoir avec un changement de phase : ce n’est pas un passage de l’état liquide à l’état solide.
Le phénomène semble lié à l’interaction des molécules et la façon dont elles glissent et s’entre-mêlent les unes sur et dans les autres. Avec une température élevée, les longues chaînes de polymères sont plus déroulées et s’enchevêtrent donc moins : les chaînes moléculaires sont plus souples et le matériau globalement aussi. Par de basses températures, les molécules changent de formes, se réticulent et s’enlacent fermement, empêchant toute mobilité : le matériau devient rigide voire cassant.
Le phénomène semble logique, mais son existence n’est pas encore expliquée et constitue pour le moment un mystère en sciences des matériaux.
On l’observe de façon spectaculaire quand on plonge du caoutchouc, du latex ou un matériau plastique souple dans de l’azote liquide, il devient friable et casse comme du verre.
C’est également une des raisons pour laquelle les rover martiens n’utilisent pas de pneus en caoutchouc sur Mars : la température y est si basse que le pneu s’effriterait. À la place, la Nasa utilise des « pneus » en nitinol, un alliage métallique élastique et à mémoire de forme.
Dans les métaux et les verres, on contrôle la structure microscopique par un procédé de trempe : on chauffe la matière de façon à atteindre la température de transition de phase, puis on le refroidit brusquement : la structure est alors figée et n’a pas le temps de se réorganiser. Un acier ou un verre trempé est alors beaucoup plus dur et résistant, mais il perd alors en souplesse. C’est donc à utiliser selon les applications et en connaissance de cause.
