La science du vélo

Où va votre énergie ?

Nous avons décrit un vélo comme une machine et, en termes scientifiques, c’est exactement ce qu’il est : un appareil qui peut amplifier la force (ce qui facilite la montée d’une côte) ou la vitesse. C’est aussi une machine dans le sens où elle convertit l’énergie d’une forme (ce que tu as mangé) en une autre (l’énergie cinétique que ton corps et ton vélo ont en se déplaçant à toute allure). Tu as probablement entendu parler d’une loi de la physique appelée la conservation de l’énergie, qui dit qu’on ne peut pas créer de l’énergie à partir de rien ou la faire disparaître sans laisser de trace : tout ce qu’on peut faire, c’est la convertir d’une forme à une autre. Où va donc l’énergie que vous utilisez en faisant du vélo ? En termes scientifiques, nous disons qu’elle sert à « faire du travail » – mais qu’est-ce que cela signifie en pratique ?

Le cyclisme peut parfois donner l’impression d’un travail difficile, surtout si vous montez une côte.
Dans la science du cyclisme, « travail difficile » signifie que vous devez parfois utiliser beaucoup de force pour pédaler sur une certaine distance. Si vous montez une côte, vous devez travailler contre la force de gravité. Si tu vas vite, tu dois travailler contre la force de résistance de l’air (traînée) qui pousse ton corps. Parfois, il y a des bosses sur la route que tu dois franchir ; cela demande plus de force et utilise aussi de l’énergie (les bosses réduisent ton énergie cinétique en réduisant ta vitesse).

Photo : Les bicyclettes fonctionnent si bien avec le corps humain parce qu’elles exploitent la puissance de nos grands et très puissants muscles des jambes. Les vélos couchés (ceux que l’on conduit en position allongée) peuvent sembler ultra-modernes et un peu bizarres, mais ils datent d’au moins 100 ans. Ils sont plus rapides que les bicyclettes classiques parce que leurs utilisateurs adoptent une posture beaucoup plus aérodynamique, semblable à un tube, qui minimise la traînée. Comme les pédales sont plus hautes par rapport au sol, les manivelles peuvent être plus longues, ce qui permet d’obtenir un meilleur effet de levier, et les muscles peuvent fournir une puissance élevée pendant plus longtemps, et ce de manière plus efficace. Photo par Robin Hillyer-Miles avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Mais que vous montiez ou descendiez une pente, que vous alliez vite ou lentement, sur une route lisse ou cahoteuse, il y a un autre type de travail que vous devez toujours faire simplement pour que vos roues tournent. Lorsqu’une roue repose sur le sol, supportant une charge telle qu’un cycliste sur un vélo, le pneu qui l’entoure est écrasé à certains endroits et gonflé à d’autres. Au fur et à mesure que vous pédalez, les différentes parties du pneu s’écrasent et se gonflent tour à tour, et le caoutchouc dont elles sont faites est tiré et poussé dans toutes les directions.L’écrasement répété d’un pneu de cette manière est un peu comme le pétrissage du pain : il faut de l’énergie, et cette énergie est ce que nous appelons la résistance au roulement. Plus la charge exercée sur le pneu est importante (plus vous êtes lourd ou plus vous transportez de choses), plus la résistance au roulement est élevée. Environ 80 à 90 % de la résistance au roulement est causée par la déformation du pneu lui-même, le reste provenant de la résistance à l’air du pneu et de la façon dont il glisse sur le sol.

Pour un vélo de course se déplaçant rapidement, environ 80 % du travail du cycliste servira à surmonter la résistance à l’air, tandis que le reste sera utilisé pour lutter contre la résistance au roulement ; pour un vététiste allant beaucoup plus lentement sur un terrain accidenté, 80 % de son énergie est consacrée à la résistance au roulement et seulement 20 % est perdue en traînée. Il y a aussi de petites pertes par frottement dans des choses comme la chaîne et les engrenages, mais, quelle que soit la façon dont vous roulez et quel que soit votre vélo, tant qu’il est raisonnablement bien entretenu, l’énergie perdue de cette façon ne vaut généralement pas la peine de s’en inquiéter.

Chart : Les vélos de montagne lents gaspillent le plus d’énergie par la résistance au roulement ; les vélos de course plus rapides en gaspillent davantage par la résistance à l’air.

De quelle quantité d’énergie parlons-nous réellement ici ? Dans le Tour de France, selon une analyse fascinante de Training Peaks, les coureurs de haut niveau ont une puissance moyenne d’environ 300 à 400 watts, soit autant que 3 à 4 vieilles lampes de 100 watts ou environ 15 % de la puissance dont vous auriez besoin pour faire fonctionner une bouilloire électrique.À titre de comparaison, vous pouvez générer environ 10 watts avec un générateur d’électricité à manivelle, bien que vous ne puissiez pas en utiliser un pendant très longtemps sans vous fatiguer. Qu’est-ce que cela nous apprend ? Il est beaucoup plus facile de produire de grandes quantités d’énergie pendant de longues périodes en utilisant les muscles de vos jambes qu’en utilisant vos mains et vos bras. C’est pourquoi les vélos sont si intelligents : ils utilisent bien les muscles les plus puissants de notre corps.

Comment fonctionne un cadre de vélo

En supposant qu’un adulte pèse de 60 à 80 kg (130-180lb), le cadre d’un vélo doit être assez solide s’il ne veut pas se casser ou se déformer au moment où le cycliste monte à bord. Les bicyclettes ordinaires ont des cadres fabriqués à partir d’acier tubulaire solide et peu coûteux (littéralement, des tubes d’acier creux ne contenant rien d’autre que de l’air)ou d’alliages plus légers à base d’acier ou d’aluminium.Les vélos de course sont plus susceptibles d’être fabriqués à partir de composites en fibre de carbone,qui sont plus chers mais plus solides, plus légers et à l’épreuve de la rouille.

Photo : Le cadre en A inversé du vélo est une structure incroyablement solide qui permet de répartir votre poids entre les roues avant et arrière.Il permet de se pencher vers l’avant ou même de se tenir debout lorsque vous montez une côte afin d’appliquer une force maximale sur les pédales et de garder votre équilibre.

On pourrait penser qu’un cadre de vélo fait de tubes d’aluminium serait beaucoup plus faible qu’un cadre fait d’acier – mais seulement si les tubes ont des dimensions similaires.Dans la pratique, chaque vélo doit être suffisamment solide pour supporter le poids du cycliste et les charges qu’il est susceptible de subir au cours de différents types de manipulation.Ainsi, un vélo en aluminium utiliserait des tubes d’un diamètre plus grand et/ou des parois plus épaisses qu’un vélo fabriqué en tubes d’acier.

Le cadre ne fait pas que vous soutenir : sa forme triangulaire (souvent deux triangles réunis pour former un losange) est soigneusement conçue pour répartir votre poids. Bien que la selle soit placée beaucoup plus près de la roue arrière, vous vous penchez en avant pour tenir le guidon. Les barres angulaires du cadre sont conçues pour répartir votre poids plus ou moins équitablement entre les roues avant et arrière. Si vous y réfléchissez, c’est vraiment important. Si tout ton poids agissait sur la roue arrière, et que tu essayais de pédaler en montée, tu basculerais en arrière ; de même, s’il y avait trop de poids sur la roue avant, tu ferais des tonneaux à chaque fois que tu descendrais une pente !

Les cadres ne sont pas conçus pour être 100 % rigides : cela rendrait la conduite beaucoup moins confortable.Pratiquement tous les cadres de vélo fléchissent et se plient un peu afin d’absorber une partie des chocs de la conduite, bien que d’autres facteurs (comme la selle et les pneus) aient beaucoup plus d’effet sur le confort de conduite. Il est également utile de rappeler que le corps humain est lui-même un système de suspension remarquablement efficace ; en roulant en VTT sur un sentier accidenté, vous vous rendrez très vite compte que vos bras peuvent servir d’amortisseurs ! En effet, il peut être très instructif de considérer le corps comme une extension (ou un complément) du cadre de base du vélo, en équilibre sur celui-ci.

Comment fonctionnent les roues de vélo

Photo : Comme la roue d’une voiture, la roue d’un vélo est un multiplicateur de vitesse. Les pédales et les engrenages font tourner l’essieu au centre. L’axe ne tourne que sur une courte distance, mais l’effet de levier de la roue fait que la jante extérieure tourne beaucoup plus loin dans le même temps. C’est ainsi qu’une roue vous aide à aller plus vite.

Si vous avez lu notre article sur le fonctionnement des roues, vous savez qu’une roue et l’axe autour duquel elle tourne est un exemple de ce que les scientifiques appellent une machine simple : elle va multiplier la force ou la vitesse selon la façon dont vous la tournez. Les roues de bicyclette ont généralement un diamètre de plus de 50 cm (20 pouces), ce qui est plus petit que la plupart des roues de voiture. Plus les roues sont hautes, plus elles multiplient votre vitesse lorsque vous les faites tourner au niveau de l’essieu. C’est pourquoi les vélos de course ont les roues les plus hautes (généralement environ 70 cm ou 27,5 pouces de diamètre).

Les roues supportent finalement tout ton poids, mais d’une manière très intéressante.Si les roues étaient solides, elles seraient écrasées (comprimées) lorsque tu t’assieds sur le siège, etpoussées vers le haut pour te soutenir. Cependant, les roues de la plupart des vélos sont en fait formées d’un moyeu solide, d’une jante fine et d’environ 24 rayons hautement tendus. Les bicyclettes ont des roues à rayons, plutôt que des roues en métal massif, pour les rendre à la fois solides et légères, et pour réduire la traînée (certains cyclistes utilisent des rayons plats « à lames » ou de forme ovale, au lieu des traditionnels rayons arrondis, pour tenter de réduire encore plus la traînée).

Ce n’est pas seulement le nombre de rayons qui est important, mais la façon dont ils sont reliés entre la jante et son moyeu. Comme les fils d’une toile d’araignée, ou les cordes pendantes d’un pont suspendu, une roue de vélo est en tension – les rayons sont tendus. Comme les rayons s’entrecroisent de la jante au côté opposé du moyeu, la roue n’est pas aussi plate et fragile qu’elle en a l’air, mais plutôt une structure tridimensionnelle étonnamment solide. Lorsque vous êtes assis sur un vélo, votre poids exerce une pression sur les moyeux, qui étirent certains rayons un peu plus et d’autres un peu moins. Si vous pesez 60 kg, il y a environ 30 kg qui poussent sur chaque roue (sans compter le poids propre du vélo), et les rayons sont ce qui empêche les roues de se déformer.

Photo : Malgré les apparences, une roue de vélo n’est ni plate ni faible. Le moyeu est beaucoup plus large que le pneu, les rayons sont en tension, et ils s’entrecroisent, rejoignant le moyeu en tangente. Tout cela forme une structure tridimensionnelle rigide qui peut résister à la torsion, au flambage et à la flexion. Photo de David Danals, avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Puisque chaque roue a quelques dizaines de rayons, on pourrait penser que chaque rayon ne doit supporter qu’une fraction du poids total – peut-être aussi peu que 1 à 2 kg (2,2 à 4,4 lb), s’il y a 30 rayons, ce qu’il peut faire facilement. En réalité, les rayons supportent le poids de manière inégale : les quelques rayons qui sont proches de la verticale supportent une charge beaucoup plus importante que les autres. (Les spécialistes du vélo ne s’accordent toujours pas sur la manière dont la charge est réellement supportée et sur la question de savoir s’il est préférable de considérer qu’un vélo est suspendu aux rayons du haut ou qu’il pousse vers le bas sur ceux du bas). Au fur et à mesure que la roue tourne, les autres rayons se rapprochent de la verticale et commencent à assumer une plus grande part de la charge. La charge sur chaque rayon augmente et diminue considérablement à chaque rotation de la roue. Ainsi, après plusieurs milliers de cycles de contraintes et de déformations répétées, au cours desquels chaque rayon s’étire et se détend en alternance rapide, l’un des rayons (ou sa connexion à la roue ou au moyeu) est susceptible de céder par fatigue du métal. Cela augmente instantanément et de façon spectaculaire la charge sur les autres rayons, ce qui les rend plus susceptibles de céder aussi, et provoque une sorte d’effet « domino » qui fait flamber la roue.

Comment fonctionnent les engrenages de vélo

Photo : Un engrenage est une paire de roues avec des dents qui s’emboîtent pour augmenter la puissance ou la vitesse.Dans un vélo, la paire d’engrenages n’est pas entraînée directement mais reliée par une chaîne. Dans une bicyclette, la paire de vitesses n’est pas entraînée directement mais reliée par une chaîne. À une extrémité, la chaîne est enroulée en permanence autour de la roue principale (entre les pédales). À l’autre extrémité, elle passe d’une série de roues dentées plus ou moins grandes lorsque vous changez de vitesse.

Une bicyclette typique possède de trois à trente vitesses différentes – des roues avec des dents, reliées par la chaîne, qui rendent la machine plus rapide (en ligne droite) ou plus facile à pédaler (en montée). Des roues plus grandes permettent également d’aller plus vite dans la ligne droite, mais elles sont un gros inconvénient dans les côtes. C’est l’une des raisons pour lesquelles les VTT et les BMX ont des roues plus petites que les vélos de course. Ce ne sont pas seulement les vitesses d’un vélo qui aident à amplifier votre puissance de pédalage lorsque vous montez une côte : les pédales sont fixées à la roue principale par une paire de manivelles : deux courts leviers qui amplifient également la force que vous pouvez exercer avec vos jambes.

Les vitesses peuvent faire une différence incroyable sur votre vitesse. Sur un vélo de course typique, par exemple, le rapport d’engrenage (le nombre de dents de la roue de la pédale divisé par le nombre de dents de la roue arrière) peut atteindre 5:1, de sorte qu’un seul tour de pédale vous propulse à environ 10 m (35 pieds) dans la rue. En supposant que vous ne pouvez pas bouger vos jambes plus vite, vous pouvez voir que les vitesses vous font effectivement aller plus vite en vous aidant à aller plus loin pour chaque tour de pédales.

Lisez-en plus dans notre article principal sur les vitesses.

Artwork : Les bicyclettes avant les engrenages : Les premières bicyclettes comme celles-ci (connues sous le nom de « Penny Farthings » ou « High Wheels »)avaient une énorme roue avant, multipliant efficacement votre vitesse et permettant d’aller très vite en ligne droite.Il n’y avait pas de vitesses : la roue avant tournait une fois chaque fois que vos jambes poussaient de haut en bas sur les manivelles (pédales).Descendre une pente était assez délicat (à moins que vous n’enleviez vos pieds des manivelles) et monter une pente était pratiquement impossible !Détail d’une peinture originale, vers 1887, par Henry « Hy » Sandham, avec l’aimable autorisation de la bibliothèque du Congrès américain.

Comment fonctionnent les freins des vélos

Photo : Freins sur jantes : Les sabots (blocs) en caoutchouc des freins de ce vélo serrent la jante métallique de la roue pour vous ralentir. Lorsque vous perdez de la vitesse, vous perdez de l’énergie. Où va l’énergie ? Elle se transforme en chaleur : les patins de frein peuvent devenir incroyablement chauds !

Quelle que soit la vitesse à laquelle vous allez, il arrive un moment où vous devez vous arrêter. Les freins d’un vélo fonctionnent grâce au frottement (la force de frottement entre deux choses qui glissent l’une sur l’autre alors qu’elles se touchent). Bien que certains vélos soient maintenant équipés de freins à disque (semblables à ceux des voitures), avec des disques de frein séparés fixés aux roues, beaucoup utilisent encore des freins sur jante traditionnels actionnés par des étriers avec des sabots.

Lorsque vous appuyez sur les leviers de frein, une paire de sabots en caoutchouc (parfois appelés blocs) se fixe sur la jante intérieure métallique des roues avant et arrière. Lorsque les sabots de frein frottent fermement contre les roues, ils transforment votre énergie cinétique (l’énergie que vous avez parce que vous avancez) en chaleur, ce qui a pour effet de vous ralentir.Vous trouverez plus d’informations à ce sujet dans notre article principal sur les freins.

Freins sur jante contre freins à disque

Les freins sur jante actionnés par un étrier poussent sur le bord extérieur de la roue, là où elle tourne le plus vite mais avec le moins de force. Cela signifie qu’ils ont besoin d’une force de freinage relativement faible pour ralentir les roues (ils peuvent donc être petits et légers), bien que vous deviez toujours appuyer fort, et vous devez appliquer cette force plus longtemps pour vous arrêter, vous et votre vélo. L’un des gros inconvénients des freins sur jante est qu’ils sont entièrement exposés à la pluie venant d’en haut et des côtés, ainsi qu’aux éclaboussures des roues. Si les sabots de frein et les roues sont mouillés et boueux, la lubrification est considérable, la friction entre les freins et les roues peut être jusqu’à dix fois moindre que sur le sec (selon Bicycling Science de David Gordon Wilson), et votre distance d’arrêt sera beaucoup plus grande.

Les freins à disque travaillent plus près du moyeu, ils doivent donc appliquer une plus grande force de freinage, ce qui peut stresser les fourches et les rayons, et ils sont à la fois plus lourds (ce qui peut affecter la maniabilité d’un vélo) et mécaniquement plus complexes, mais ils ont tendance à être plus efficaces par temps humide et dans la boue.

Fouillez dans les forums de vélo en ligne et vous trouverez des opinions très différentes sur le type de freins qui sont les meilleurs pour différents types de vélos, de terrains et de conditions météorologiques. Certaines personnes aiment les freins à disque parce qu’ils donnent une meilleure apparence au vélo ; d’autres aiment les freins sur jante parce qu’ils sont si simples et directs.

Artwork : Les freins à disque (simplifiés). Lorsque vous tirez sur le levier de frein, un câble métallique ou une conduite hydraulique (jaune) actionne les étriers (bleu) qui poussent les plaquettes de frein contre un disque appelé rotor (rouge) fixé à la roue. Comme les étriers sont fixés à l’une des fourches (gris) et que la force de freinage doit passer par les rayons (noir) pour arrêter la roue, les freins à disque sollicitent beaucoup plus les fourches et les rayons que les freins sur jante.

Comment fonctionnent les pneus de vélo

La friction joue aussi à votre avantage entre les pneus en caoutchouc et la route sur laquelle vous roulez : elle vous donne une adhérence qui rend votre vélo plus facile à contrôler, surtout les jours de pluie.

Comme les pneus de voiture, les pneus de vélo ne sont pas faits de caoutchouc solide : ils ont une chambre à air remplie d’air comprimé (pressé). Cela signifie qu’ils sont plus légers et plus élastiques, ce qui vous donne une conduite beaucoup plus confortable. Les pneus, comme on les appelle, ont été brevetés en 1888 par l’inventeur écossais John Boyd Dunlop.

Différents types de vélos ont différents types de pneus.Les vélos de course ont des pneus étroits et lisses conçus pour une vitesse maximale(bien que leur profil « mince » leur donne une plus grande résistance au roulement), tandis que les vélos de montagne ont des pneus plus gros et plus robustes avec des bandes de roulement plus profondes, plus de caoutchouc en contact avec la route et une meilleure adhérence(bien qu’étant plus larges, ils créent plus de résistance à l’air).

Pourquoi les vêtements ont de l’importance

Le frottement est une excellente chose dans les freins et les pneus, mais il est moins bienvenu sous une autre forme : comme résistance à l’air qui vous ralentit. Plus vous allez vite, plus la traînée devient un problème. À grande vitesse, faire de la bicyclette peut donner l’impression de nager dans l’eau : vous sentez vraiment l’air qui vous pousse et (comme nous l’avons déjà vu) vous utilisez environ 80 % de votre énergie pour surmonter la résistance. Un vélo est assez fin et profilé, mais le corps d’un cycliste est beaucoup plus gros et plus large. En pratique, le corps d’un cycliste crée deux fois plus de résistance que son vélo. C’est pourquoi les cyclistes portent des vêtements serrés en néoprène et des casques à pointe pour se rationaliser et minimiser les pertes d’énergie.

Photo : Les vélos de course ont deux jeux de guidons. Le guidon intérieur permet aux cyclistes de réduire la résistance à l’air en rapprochant leurs coudes.Photo de Ben A. Gonzales avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Vous ne l’avez peut-être pas remarqué, mais le guidon d’un vélo est aussi un levier : un guidon plus long fournit un effet de levier qui facilite le pivotement de la roue avant.Mais plus vous espacez vos bras, plus vous créez une résistance à l’air.C’est pourquoi les vélos de course ont deux jeux de guidons pour aider le cycliste à adopter la meilleure position, la plus aérodynamique. Il y a un guidon extérieur conventionnel pour diriger et un guidon intérieur pour se tenir sur la ligne droite. L’utilisation de ce guidon intérieur oblige les bras du cycliste à adopter une position beaucoup plus serrée et plus aérodynamique.La plupart des cyclistes portent maintenant un casque, à la fois pour des raisons de sécurité et pour améliorer l’aérodynamisme.

Les vélos, c’est de la physique en action

Résumons brièvement avec un simple diagramme qui montre toutes ces différentes parties de la science du cycle en action :

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