Hippotese, Le cheval de Travail

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samedi 16 mars 2024

Mesure d'efforts et temps de récupération en buttage de poireaux au cheval (La Kassine améliorée aux potagers de Gaia) Partie 3

Suite des précédents billets (ici et ) sur la recherche d'une méthode non invasive de mesure d'efforts et temps de récupération chez un équidé en situation réelle de travail.

Voici un petit récapitulatif des données observées/calculées à partir de notre observation non-invasive...

Longueur de ligne moyenne : 78 m
Vitesse de travail moyenne: 0,942 m/s (3,39 km/h)
Temps de travail total (pour cette intervention) : 57 mn et 10 s
Réparti ainsi :
Effort inférieur à 6 kgf (0 - 6 kgf), pendant 35 mn, 62 % du temps total
Effort de 6 à 44 kgf, pendant 8 mn, 14 % du temps total
Effort supérieur à 45 kgf, pendant 14 mn, soit 24 % du temps total
Nota 01 : Une donnée toutes les 0,1865 s, 11368 données inférieur à 6 kgf, soit 2120 s ou 35 mn/57 mn (62%), 2654 données entre 6 et 44 kgf, soit 495 s ou, 8 mn/57 mn (14%), 4368 données supérieur à 45 kgf, soit 815 s ou 14 mn/57 mn (24%).

Plage d'effort quand l'outil travaille : de 45 kgf à 150 kgf
Effort moyen quand l'outil travaille : 97 kgf soit 97 x 9,81 = 951,57 N (1 kgf = 9,81 Newton)
70 % des valeurs présentes sont comprises entre 78 kgf à 116 kgf (Moins un écart-type, plus un écart-type).

Angle de traction par rapport au déplacement du cheval : 12,9 °, soit un cos(12,9) = 0.9747
Nota 02 : On peut remarquer aussi que l'angle de traction est faible (12,9°) par rapport à l'angle théorique (15°), sur la photo de profil en traction, l'angle d'inclinaison du collier sur l'épaule, semble un peu trop vertical. Épaule très verticale sur ce cheval ? collier trop serré en haut ? position des crochets trop basse? ... A vérifier...

Puissance moyenne nécessaire pour que l'outil travaille :
La Puissance (en watt) = Force (en Newton) x cos α x Vitesse (en mètre/seconde)
P = 951,57 x 0.975 x 0,942 = 874 W

Pour rappel, voici une diapo sur l'Énergie.

L'énergie totale fournie par le cheval pendant le temps ou l'outil travaille effectivement est égale à E = P x t

Soit E = 874 w x 815 s = 712310 Joules (712 kJ),
comme 1Wh = 3600 J
on a E = 712310/3600 = 198 Wh (Watt-heure, Wh, unité d'énergie souvent utilisée en électricité, plus parlante).

Que l'on pourrait exprimer autrement, pendant sa séance, le cheval à travaillé effectivement 815 s (soit 815/3600 = 0,226 h) à une puissance de 983,5 W.
Il a donc fourni 874 x 0,226 = 198 Wh (pendant que l'outil est en terre).

Nota 03 : On ne considère ici que l'énergie nécessaire à la traction de l'outil, sans prendre en compte l'énergie que le cheval dépense pour se mouvoir lui-même.

Que peut-on conclure à partir des données recueillies :

Quand l'outil travaille, l'effort moyen peut être qualifié d'important (97 kgf), ce qui se confirme dans la valeur de la puissance nécessaire (874 W) qui est supérieure à un cheval vapeur (735,5 W). Par contre, le temps de travail effectif de l'outil pendant la séance reste faible (24 % du temps total) soit une durée totale de 14 mn.

L'énergie fournie par le cheval pour le travail effectif est de 712 kJ ou 198 Wh.
Pour l'instant, nous n'avons pas beaucoup de données de comparaison.

On remarque simplement que la mesure de la durée et la répartition des temps de travail avec des efforts effectifs/légers/faibles sont des données qu'il faut absolument prendre en compte dans une observation globale de l'énergie demandée au cheval dans sa séance/journée/semaine de travail.

La mesure de la durée des efforts :

En effet, on ne peut pas se contenter de mesurer seulement les valeurs des efforts effectifs, on doit aussi prendre en compte leur durée.
Avec un effort moyen et une vitesse de travail identique en labour par exemple, mais des temps en effort effectif beaucoup plus longs, nous n'aurions pas du tout les même impacts sur la fatigue. L'énergie demandée étant beaucoup plus forte.

La répartition des temps de travail :

De plus, si l'on veut aussi prendre en compte la récupération après l'effort et la santé sur le long terme de l'animal, on doit aussi étudier la répartition des plages d'efforts importants/légers/faibles pendant une séance.
Cette prise en compte peut être globale si la séquence est courte comme ici et doit être plus précise si l'effort est intense (débardage par exemple) ou continu (labour) par exemple, et/ou si ces efforts se reproduisent plusieurs fois sur une période plus longue (journée/semaine...).


Le matériel minimum nécessaire pour mettre en œuvre la méthode d'observation non-invasive : un appareil photo et un DataPalo.

Que peut-on conclure à propos de la méthode d'observation proposée.

On peut tout d'abord rappeler pour mémoire les principes de la méthode :

1) Dans une situation réelle de travail, mesure continue des efforts (nuls, faibles ou forts) pendant tout la durée de la séance (1 heure, 1/2 journée, 1 journée, un chantier...).
2) Filmage continu de la séquence ou au moins de l'ensemble des différentes phases (harnachement, mise en place, réglage de l'outil, travail sur plusieurs lignes, arrêts, demi-tour, pauses, retour, désharnachement...)
3) prise de Photos/film latérales au travail (pour l'angle de traction).
4) Mesure longueur parcelle/ligne/traîne... Mesure nombre de lignes/surface... Mesure longueur parcourue et vitesse de travail...(on pourra utilement utiliser une photo aérienne de la parcelle et/ou une trace GPS avec un smartphone embarqué sur le cheval et/ou un odomètre/tachymètre).

En option :
5) Si cela est souhaité, retour oral chaque seconde des valeurs moyennes au meneur pour information.
6) Mesure fréquence cardiaque (du cheval et du meneur).
7) Mesure hauteur garrot et tour de poitrail pour vérification des formules de calcul de la capacité d'effort potentiel théorique (nous aurons l'occasion de discuter des ces formules une autre fois)
8) S'informer du poids du cheval, s'il est connu. Voir peser le cheval si c'est possible.

En conclusion :

La méthode d'observation proposée, la moins invasive possible, permet quand même de relever un certains nombres de données chiffrées tout en n'interférant que modérément avec le travail du couple cheval/meneur.

Elle peut donc être plus facilement mise en place, mieux acceptée par les intervenants, voir se dérouler sur un temps long (typiquement sur une semaine, la durée d'un chantier, voir même une saison) pour permettre des observations sur l'énergie demandée, la fatigue et la récupération sur le temps long.

Le recueil de nombreuses données dans des situations de travail différentes, par cette méthode d'observation simplifiée, permettra à terme de tirer des enseignements sur l'énergie que l'on peut attendre d'un cheval de travail sur un temps long, en respectant son intégrité et sa santé. Ces données pourront servir de base de réflexion pour les notions de bien-traitance.

dimanche 4 février 2024

Mesure d'efforts et temps de récupération en buttage de poireaux au cheval (La Kassine améliorée aux potagers de Gaia) Partie 2

Suite du précédent billet sur la recherche d'une méthode non invasive de mesure d'efforts et temps de récupération chez un équidé en situation réelle de travail.

Nous en étions resté au calcul de la puissance instantanée demandée au cheval :

La Puissance (en watt) = Force (en Newton) x Vitesse (en mètre/seconde)

NB1 : on aurait aussi pu écrire que la puissance P (watt) = Travail (joule ou newton.mètre) / Temps (en seconde) car le Travail est le déplacement d'une force (N) x une distance (m)

NB2 : Quand la force n'est pas tout à fait alignée avec le déplacement et forme un angle, on utilise le cosinus de cet angle pour le calcul.

Pour mémoire, je vous redonne les 3 diapos que j'avais réalisé dans une présentation à Avignon en 2018.

Nous avons une vitesse moyenne de 0,942 m/s (voir billet précédent, partie 1)

Nous avons un angle de traction par rapport à l'horizontale de 12,9 °, soit un cos(12,9) = 0.9747 (voir billet précédent).

Mais quelle est la force moyenne développée par le cheval pour ce travail de buttage de poireaux ?

Si l'on regarde la courbe totale des efforts mesurés au DataPalo et mis en forme avec notre application DataGraph pendant l'heure de travail...

On constate, à vue de nez, que l'effort varie de 0 à 140 kgf, avec une tendance moyenne autour de 100 kgf.

Traçons maintenant la courbe de fréquence d'apparition des valeurs d'effort :

Si on regarde la courbe de fréquence d'apparition des valeurs d'effort sur la période, on constate que les valeurs autour de 0 sont très nombreuses, ce nombre baisse ensuite très fortement jusqu'à 45 kgf environ puis la courbe forme une courbe de Gauss.

NB3 : La courbe de Gauss est connue aussi sous le nom de « courbe en cloche » ou encore de « courbe de la loi normale ». Elle permet de représenter graphiquement la distribution d’une série et en particulier la densité de mesures d’une série. Elle se base sur les calculs de l’espérance et de l’écart-type de la série. Pour un échantillon important, il est généralement constatée une courbe en forme de cloche, c’est-à-dire une forte concentration des valeurs autour de la moyenne puis des valeurs de moins en moins nombreuses aux extrémités de la série. (https://www.soft-concept.com/surveymag/definition-fr/definition-courbe-de-gauss.html)

Cette courbe est logique car il y a de nombreux moments où l'outil ne travaille pas :
- 1 temps de déplacement de l'outil jusqu'à la parcelle (et retour),
- 2 temps de retournement en bout de ligne,
- 3 temps de réglage des outils,
- 4 temps de nettoyage des dents,
- 5 arrêt demandé par le meneur pour pose/réflexion/échange/casse-croûte...,
- 6 arrêt non demandé, imposé par le cheval...

Ces données nous renseignent sur les temps de repos/récupération du cheval qui sont très importants et qu'il faut prendre en compte.

On peut considérer :
Qu'un effort de 0 à 5 kgf ne représente aucun travail (pas de mouvement ou seulement un balancement de la chaîne, sans traction),
Qu'un effort de 5 à 45 kgf représente un effort faible avec l'outil relevé (déplacement de l'outil jusqu'à la parcelle, retournement en bout de ligne),
Qu'un effort supérieur à 45 kgf représente la force nécessaire pour réaliser effectivement le travail de buttage.

On peut donc trier par ordre croissant les 18391 valeurs relevées, soit un enregistrement de 10 valeurs toutes les 2s (en fait, toutes les 1,865 s) soit 1 valeur tous le 2 dixièmes de seconde ou 5 données par seconde environ pendant une heure (de 11:06:39 à 12:03:49 soit 57 mn et 10 s ou 3430 s).

On obtient :
-1 11368 valeurs inférieures à 6 kgf -> 61,81 %
-2 2654 sont entre 6 et 44 kgf -> 14,43 %
-3 4368 sont = ou sup à 45 kgf -> 23,75 %

Comme ces données correspondent à des temps, sur l'heure d’activité nous avons en pourcentage du temps passé :

Par contre, on ne peut pas calculer la moyenne de l'effort effectif de buttage à partir de ces données, car cette moyenne serait forcément minorée (avec tous ces moments "sans effort").

On peut alors demander à l'application Datagraph de représenter la courbe de fréquence d'apparition des valeurs d'effort uniquement supérieurs à 45 kgf, on obtient la courbe suivante :

On a donc la moyenne de l'effort "en travail" qui est de :

97 kgf soit 97 x 9,81 = 951,57 N (1 kgf = 9,81 Newton)

NB4 : La plage 78 kgf à 116 kgf (Moins un écart-type, plus un écart-type) correspond presque 70 % des valeurs présentes.

NB5 : L'écart-type est une mesure de la dispersion des valeurs d'un échantillon statistique ou d'une distribution de probabilité (https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89cart_type).

Nous avons maintenant les données nécessaires au calcul de la puissance moyenne développée par le cheval quand l'outil travaille effectivement.

A savoir :
La Puissance (en watt) = Force (en Newton) cos α x Vitesse (en mètre/seconde)

soit : P = 951,57 x 0.975 x 0,942 = 873,96 W (874 W)

NB6 : Un cheval vapeur (ch) = 735,5 W
Le cheval-vapeur est une unité de mesure initialement créée 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 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. ''Même si la puissance maximale développée par un cheval pendant un temps court peut être de dix à presque quinze fois supérieure à un cheval-vapeur, on considère que dans le cadre d'une activité soutenue, une puissance moyenne d'environ 1 ch (0,75 kW) par cheval est effectivement conforme aux conseils agricoles des XIXe et XXe siècles.

Références a télécharger : R. D. Stevenson et Richard J. Wassersug, "Horsepower from a horse", Nature, vol. 364, no 6434,‎ juillet 1993 et E. Collins et A. Caine, "Testing draft horses", cité sur Wikipédia.''

Nous aurons l'occasion de reparler de tout cela dans la troisième partie de ce billet...

mardi 9 janvier 2024

Mesure d'efforts et temps de récupération en buttage de poireaux au cheval (La Kassine améliorée aux potagers de Gaia) Partie 1

Comme promis, voici la Kassine-Gaia en action, en buttage de poireaux (voir précédents billets ici et ici).

Cette vidéo est volontairement assez longue pour que vous preniez la mesure de l'intervention (buttage de poireaux) dans son ensemble...

Elle a, à mon avis une valeur pédagogique et intéressera sans doute particulièrement les personnes en formation.

Mais tout d'abord, la vidéo :

Nous avons filmé cette activité de buttage de poireaux, aux Potagers de Gaïa, à Hermance (Suisse) le 25 septembre 2023, nous en avons profité pour faire des mesures au DataPalo (qui est un Datafficheur à un seul capteur monté sur un palonnier porté (bas-cul) que beaucoup d'entre-nous utilisent à Hippotese).


(Le DataPalo porté est simplement monté à la place du palonnier porté habituel)

Les conditions de l'expérience étaient ici de ne pas trop interférer avec le couple meneur/cheval pendant le travail qui doit se dérouler le plus habituellement possible.

L'échange se limite à la lecture des valeurs moyennes relevées, qui sont communiquées en continu au meneur pour information, s'il le souhaite.

A posteriori, on veut analyser et traiter les données relevées et en tirer un maximum d'informations.

L'objectif est de développer une méthode de relevé de données, la moins "invasive" possible pour être utilisée en situation réelle et qui puisse être mise en œuvre par des non-spécialistes.
Les résultats permettront ainsi de se constituer une banques de données de terrain, libre de droit et gratuite, utilisable par tous.

Résultats :

Observations sur le terrain :
Il s'agit d'une parcelle de maraîchage, plantée de 10 lignes de poireaux, déjà bien développés, à désherber et butter en un seul passage.

Un petit tour sur GéoPortail (on est à 100 m de la frontière française, ligne bleue à droite) permet d'estimer la longueur moyenne des lignes qui est de 78 m (le côté du chemin est en trapèze)
Nb1 : On aurait pu mesurer la longueur des lignes avec un Odomètre, mais nous l'avions oublié.


(Estimation de la longueur de la parcelle avec Géoportail, ici 78 m environ)

Nb2 : Il nous manque la largeur de la parcelle, que nous ne pouvons pas évaluer par photo satellite car celle-ci n'est pas à jour.

Cette longueur de 78 m permet d'évaluer la vitesse de travail (distance /temps).

Observations sur la vidéo :
Dans la vidéo, on choisi un buttage sur une ligne si possible sans arrêt (ou en déduisant les arrêts au chronomètre), on obtient un temps de parcours pour cette ligne. En réitérant l'observation plusieurs fois, on obtient un temps moyen par ligne.

1ère ligne 84 secondes
2ème ligne 90 secondes
3eme ligne 80 secondes
4eme ligne 77 secondes
Soit une moyenne de 82,75 secondes pour 78 m et donc une vitesse moyenne de 0,942 m/s (3,39 km/h).

Nb3 : nous avons le projet de construire un Odomètre/Tachymètre (électronique) avec enregistreur horodaté (synchronisé avec le DataPalo) qui permettra de mesurer la vitesse et les distances sans soucis.

On profite de la vidéo pour trouver une vue latérale qui nous permet d’estimer l'angle des traits par rapport au sol.

Nb4 : ne pas oublier, quand on filme, de multiplier les angles de vue des vidéos et de faire des cadrages de profil et en "plan large" qui permettent aussi d'analyser la position du cheval à l'effort (et observer la position du collier aussi... petit clin d’œil aux personnes qui ont assisté à la journée "collier" en décembre, compte-rendu à venir...)


(Capture vidéo d'une vue de profil "au travail" pour estimer l'angle de traction)

Un petit tour dans Geogebra en ligne permet de récupérer cet angle...


(Un petit tour dans Geogebra, logiciel libre de géométrie...)

La valeur estimée de l'angle de traction est donc de 12,9 °, soit un cos(12,9) = 0.9747

Nous avons la vitesse et l'angle de traction, il nous reste à estimer les efforts pour avoir une idée de la puissance instantanée développée par ce cheval...

C'est ce que nous verrons dans le prochain billet...