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I. Les résistances agissant sur le cycliste

13 mar

1. La Friction :

Dans un premier temps, les seules surfaces ayant un contact immédiat avec le sol sont les roues d’un vélo. Ainsi toutes la friction se retrouvent sur ces dernières. Ce fait permet ainsi une grande économie d’énergie au travers d’un voyage de façon horizontale possédant un contact constant avec le sol. Ainsi, nous avons la friction qui est constamment exercer sur les roues d’un vélo. Le mouvement devient donc régulier et rectiligne. Le coefficient de frottement statique est donc plus petit due à un point de contact entre la roue et le sol est minimal. Ceci permet donc la mise en mouvement plus facile des roues. Nous avons donc la transformation d’une rotation de roue facile à produire grâce au pédalier sa traduisant par la mise en mouvement du vélo. Néanmoins, la friction varie en fonction du lissage du pneu et du sol nous ramenant ainsi au principe d’inertie dans un référentiel galiléen admettant que tout corps qui est soumis à une force nulle est soit immobile soit en mouvement rectiligne uniforme. Ce principe est la première des trois lois de Newton.

téléchargement (5)

Ainsi nous pouvons en conclure qu’une roue plus lisse serra soumise à moins de friction se traduisant par une perte de vitesse moins importante en fonction du sol de contacte. A partir de ceci nous pouvons conclure que des roues plus lisses amélioreront les performances d’un cycliste étant donné qu’il dépensera moins d’énergie.

2. La Gravité :

Le centre de gravité de la position d’un cycliste est un grand facteur de stabilité. Ce centre de gravité peut se trouver autant à l’intérieure de l’objet que l’extérieur. En effet, lorsque l’on se tien debout, les jambes soudées ainsi que les bras le long du corps, notre centre de gravité se trouvera ainsi au niveau du ventre. Néanmoins, ce centre de gravité se déplacera si les bras sont avancés. Dans ce cas le centre de gravité se situera à l’extérieur du corps. De ce fait, le centre de gravité d’un vélo est situé vers le milieu du cadre lorsque il est maintenu parfaitement horizontale. A l’inverse, lorsque le vélo s’incline  d’un côté ou de l’autre, son centre de gravité se déplacera hors du cadre et entraînera ainsi la chute du vélo. Le vélo est donc considéré comme un objet à équilibre instable puisqu’il ne pourra pas à revenir à sa position initiale après un mouvement. Par ailleurs, à l’inverse lorsque un objet reprend sa position initiale après un mouvement, il serra alors considéré comme étant un objet à équilibre stable. Ainsi, lorsque l’on prend un vélo dans le sens de la longueur, il se trouvera en équilibre stable. Par exemple, si nous levons la roue avant, se dernier tombera de tel sorte à retrouver son équilibre.

téléchargement (6)

La gravité est également importante, étant donné qu’elle est à l’origine de l’un des facteurs majeurs du cyclisme : le poids. En effet, la puissance nécessaire pour avancer un vélo varie en fonction du poids du cycliste ainsi que de son équipement. Effectivement moins le poids est important, moins le cycliste aura besoin d’effectuer d’effort dû à une diminution de la résistance gravitationnelle, tandis qu’à l’inverse plus le poids est important plus le cycliste aura besoin d’effectuer un effort intense pour avancer.

 3. Les forces

Dans la suite, nous nous intéresserons à la puissance exercée par le poids du cycliste et de son vélo (sachant que les autres forces qui « freinent » le cycliste sont pour la majorité des forces de frottements).

Avec :

-          la variation de hauteur qui s’exprime en mètres.

-          m la masse du cycliste qui s’exprime en kg.

-          g la gravité : 9,81 m/s².

I. Les résistances agissant sur le cycliste dans aérodynamisme tpe10

La trigonométrie nous amène ainsi à la relation suivante :

tpe11 dans aérodynamisme

Soit, en revenant à notre puissance du poids et en prenant en compte le fait que la vitesse (ici supposée comme constante) est une variation de distance sur un intervalle de temps :

tpe12

Prenons désormais un exemple concret :

Un cycliste équipé et son vélo avec une masse de 80 kg grimpe une côte à 4% (soit a=2,3°) à une vitesse de 20km/h (soit 5,6 m/s):

tpe14

 

Nous allons désormais comparer deux cyclistes montant une pente de 4% et dont on estime que la puissance uniquement destinée à contrer leur poids et de 180W :

Cycliste 1, équipé et avec son vélo : 70kg

tpe14

 

Cycliste 2, équipé et avec son vélo : 85kg

tpe15
Ainsi nous pouvons remarquer que la vitesse des deux cyclistes est différente malgré un apport de puissance ainsi qu’une montée identique, avec environ 1 mètre par seconde de différence soit 3,6 km/h. Ceci met donc en avant l’influence du poids sur un cycliste étant donné que l’effort nécessaire pour monter la pente diminue au fur et à mesure d’une réduction du poids du cycliste ainsi que son équipement. Cette démonstration nous amène donc à deux points pouvant permettre une amélioration des performances d’un cycliste:
- Une perte de poids du cycliste permet un effort moins intense pour un résultat identique.
- Une réduction du poids de l’équipement permet un effort moins intense pour un résultat identique.

 Les vélos sont alors de mieux en mieux équipé de la plus légère des façons. Les ingénieurs essaye de rendre le vélo toujours plus léger. Par ailleurs, cette quête au vélo léger a été freinée brusquement dû à l’apparition d’une norme de la part de l’UCI (Union Cycliste Internationale) fixant un seuil de 6.8 kg. En effet tout vélo possédant un poids inférieur engendra une disqualification immédiate du coureur. Néanmoins l’innovation incessante du vélo amène à de nombreuses spéculations envers l’évolution de cette règle extrêmement restrictive.

Ainsi, pour obtenir une performance optimale d’un cycliste nous devons avoir recours à un cadre en carbone dû à son extrême légèreté. En effet, la réduction du poids de l’équipement amoindri les efforts de la part du cycliste pour faire avancer le vélo étant donné que l’énergie humaine nécessaire diminuent en fonction du poids. Par ailleurs, ce poids ne doit pas excéder 6.8 kg pour un cycliste professionnel.

Nous verrons donc dans une seconde partie les les techniques d’aérodynamisme sur le vélo afin de connaître un meilleur résultats.

II. Vélo

7 mar

Le vélo et ses accessoires sont aussi très importants pour une meilleure pénétration dans l’air et pour améliorer les performances d’un cycliste. On retient principalement l’importance du guidon, des roues et du cadre. L’évolution de l’aérodynamisme du vélo accorde moins d’importance au poids du vélo mais beaucoup d’attention au vélo profilé qui donnera une meilleure position au cycliste mais qui va surtout réduire  la résistance frontale, du vent et de glissement. Ces vélos que l’on pourraient trouver inhabituel ou encore « futuristes » sont uniquement utilisés lors de contre la montre et de certaines courses sur piste. Ils sont strictement interdits lors de course de vélo en ligne (c’est-à-dire en groupe), nous parlerons de ca à la fin de cette partie.

téléchargement (7) - CopieVélo de Contre-La-Montre

1. Les Roues :
   La première chose que nous remarquons est évidemment les roues. La roue à l’arrière, une roue pleine s’appelle une roue « lenticulaire » et la roue avant  se nomme une roue à « bâton ». Il n’y a pas de roue lenticulaire à l’avant car la roue est trop lourde et cela est plus difficile pour la direction (pour diriger le guidon).

 

   Ces roues sont fabriquées en carbone pour permettre une  grande légèreté et rigidité. Les cyclistes professionnels ou les « pistards » (cycliste sur piste) utilisent ces roues car cela permet au vélo d’être moins rugueux et donc d’avoir une meilleure pénétration dans l’air. On pourrait aussi dire que qu’une roue lenticulaire augmente l’inertie, le cycliste aura du mal à démarrer mais une fois lancée la roue va lui permettre de garder une vitesse constante.

 

Différentes roues
roues-carbone-orka-3-batons-70-mm-a-boyau-shim

roue à trois batons

roue-velo-arriere-lenticulaire-zipp-super-9-a-pneu - Copie (2)

roue lenticulaire

295883P1030573

roue à cinq batons

 

 
 2. Le Guidon :
   De plus on voit un guidon spécial sur ce vélo, muni de « prolongateur » ou encore un « repose coude ».  En effet cela permet au cycliste de poser ces avants bras sur le guidon et donc de baisser son corps et d’avoir les bras serrés pour réduire les frottements de l’air.  C’est un objet essentiel pour réaliser la position « parfaite » (dont nous parlerons dans la partie C). Avec cet équipement la pénétration dans l’air est réduite énormément et la performance peut encore être améliorée.
Prolongateur
prolongateur
3. Le Cadre :
   On remarque aussi que le cadre du vélo est très différent des vélos normaux. En effet le cadre est plus gros et plus massif donc plus lourd mais profilé, il permet de compléter les roues pour créer le vélo le moins rugueux possible.
original1Le cadre est beaucoup plus large vu du côté mais très fin vu de face. Le tube n’est pas rond comme pour les vélos normaux
Etude du cadre du vélo
   Certains constructeurs vont même jusqu’à remplir le cadre complètement ou créer des cadres avec uniquement une barre. C’est pour cela que l’UCI a instauré une règle :
 Article 1.3.020 c)
    « Pour les compétitions sur route autres que les compétitions contre la montre et pour les épreuves de cyclo-cross, le cadre de la bicyclette sera de type classique, soit de «forme triangulaire». Il sera constitué d’éléments tubulaires droits ou étirés (de forme ronde, ovale, aplatie, en «goutte d’eau» ou autres) »
téléchargement - CopieOn peut voir jusqu’où certains pousse l’aérodynamisme
4. Le bidon :
 
   Reste finalement un petit objet mineur à étudier, la bouteille ou aussi appelé un « bidon ». Certaines personnes ne pensent pas qu’une bouteille profilée fasse une différence. Mais pour les superstitieux ou les fins tacticiens il faut soigner le moindre détail. Aucune étude n’a été faite pour voir si la bouteille profilée était vraiment bénéfique mais certaines équipes professionnelles les utilisent.
Différence entre une bouteille normal et une bouteille aérodynamique
téléchargement (2) - CopieGourde Classique
téléchargement (3) - CopieGourde aérodynamique
Avoir un vélo aérodynamique est donc indispensable pour améliorer les performances d’un cycliste.

5. Pourquoi ces vélos ne sont-ils pas utilisés lors de courses en ligne ?
 
 Tout d’abord car les vélos sont plus lourds (en moyenne un vélo normal pèse 7kg contre 9kg pour un vélo profilé). Lors de courses en ligne les montées sont plus nombreuses, plus dures et plus longues. Il est donc plus difficile de rouler avec un vélo profilé.
   De plus lors d’une course en ligne l’aérodynamisme est un facteur moins important car les cyclistes roulent en peloton (en groupe) et les cyclistes au milieu ou derrière sont « cachés » du vent. Lorsqu’un cycliste est « caché » dans le peloton la résistance du vent est réduite.
Finalement l’argument qui clos le débat, est que ces vélos ne sont pas autorisés lors de course en ligne. Lors de course en ligne un    cycliste n’a pas le droit d’avoir de roue pleine, ni de roue à batons (pour des raisons de sécurité). Le guidon doit être de forme traditionnelle. Le cadre est en revanche autorisé mais aucun cycliste ne l’utilise pour des raisons de compatibilité et de poids.

III. Soufflerie

7 mar

90% de la puissance développée par un cycliste sert à combattre la résistance aérodynamique.

10Watts gagnés = 1 seconde gagnée par kilomètre à 45km/h

Gains moyens pour un cycliste s’entraînant en soufflerie = 15 à 30 Watts

Voilà les raisons qui rendent le travail en soufflerie incontournable pour des sports comme le triathlon, les contre-la-montre, et les épreuves en lignes.

téléchargement (3)Travail des pros en soufflerie 

En effet, nous allons voir dans le cas d’Eric Barone que le travail qui a été fait en soufflerie est fondamentale. Il voulait dans un délai de 4 mois battre le record du monde de vitesse sur neige avec un vélo de série qui était de 222,2 km/h.

Pour qu’il puisse atteindre son objectif, ACE (aero concept engineering) a mis à disposition son savoir faire et toutes ses compétences.

Premièrement dans la conception du vélo : tout en gardant le cadre de série et l’encombrement mécanique ils ont réussi a concevoir un carénage le plus aérodynamique possibles ainsi que des surfaces aérodynamiques. Les test en soufflerie ont aidé a cette recherche.

De plus l’optimisation en soufflerie a permis des essaies en soufflerie avec roues tournantes, une optimisation de la position d’Eric Barone et une optimisation de l’intégration des accessoires en finition (étanchéité,jeux…)

Tout cela à payé, avec un objectif atteint pour Eric Barone et un nouveau record de vitesse sur neige en VTT avec une vitesse de 223,30 km/h

Vidéo du record : Cliquez pour voir la vidéo.

https://m.youtube.com/watch?v=WpAKB75c0xU

 

IV. Expérience Vélo

14 nov

Image de prévisualisation YouTube

Il suffit de cliquer sur la vidéo pour la visionner.

Nous avons d’abord commencer à faire une descente avec le vélo « rouge » (non-aérodynamique), pour pas influencer sur le résultats nous n’avons pas pédaler afin de mettre seulement l’aérodynamisme comme facteurs de vitesse. Ensuite nous avons fait une seconde vidéo avec une tenue plus aérodynamique et un vélo de ligne qui est aérodynamique. Nous savons que notre travail n’est pas de grande qualité étant donné de nos moyens cependant nous avons essayer de faire de notre mieux. De plus le chronométrage étant pris à la main, les résultats peuvent varié selon les test nous avons donc choisis les résultats en enlevant les plus grands temps et les plus petits temps afin d’obtenir un temps intermédiaire.

On y voit qu’avec un vélo non-aérodynamique le temps de la descente est plus longue qu’avec le vélo aérodynamique. En effet avec le vélo « rouge » le temps de la descente dure en moyenne 27’98 alors qu’avec le second vélo qui est lui aérodynamique la descente dure 25’07.

On peut donc voir que même si la distance est courte, un écart a déjà lieu, elle est ici d’environ 2’91.

On en conclut que l’aérodynamisme est primordial dans l’amélioration sportive. En effet sur une plus longue durée l’écart serait encore plus grand, je vous laisse alors imaginé l’importance de ce facteur dans les courses en lignes qui s’élève parfois à 200km.

V. Conclusion

14 oct

  Au travers des études que nous avons faites nous avons pu constater que de nombreux facteurs sont envisageables pour améliorer les performances d’un cycliste. En effet, avec une utilisation perfectionnée des vitesses, un suivi d’une diète stricte, d’un entraînements et d’un échauffement rigoureux, le cycliste est performant. Il lui faut aussi un équipement adéquat, ainsi qu’une optimisation du rapport poids et muscles pour lui permettre une amélioration.

Cependant il reste un dernier point majeur qui est l’aérodynamisme et qui est fondamentale. Ainsi, un cycliste doit perfectionner de nombreux paramètres d’aérodynamisme pour espérer atteindre un niveau professionnel. Tout cela se joue sur des positions aérodynamique ainsi qu’un matériel aérodynamique.

En effet comme nous l’avons vu dans l’expérience que nous vous avons présenté (à notre échelle) nous avons vu que le sportif ne fait pas tout, l’aérodynamisme était le principal facteurs de cette baisse de temps.

Nous pouvons donc en conclure que l’aérodynamisme joue bien un rôle important dans l’amélioration sportive surtout dans un sport comme le cyclisme.

Certains font même ceci avec humour comme nous le montre la photo ci-dessous

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Sources

14 mar

Cyclisme

 

http://www.sci-sport.com/dossiers/002.php
http://le-triple-effort.fr/laerodynamisme-sur-le-velo/
http://lplagrangemaths.free.fr/Sciences/exercices/statique/moment/qcm_moment.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dynamique_des_cycles
http://www.lemonde.fr/sport/article/2011/09/06/cyclisme-radioschack-et-leopard-unissent-leur-force_1568134_3242.html
http://www.aso.fr/fr/cyclisme.html
http://homedesignplans2015.com/le/le-cyclisme-en-photos.html

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