Aérodynamique du vélo: rigide

1990/12/01 Lopez, Luis Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Garraioak

Le vélo sera probablement l'un des véhicules les plus simples inventés par l'être humain, et pourtant on pourrait difficilement obtenir un autre avec le même rendement énergétique que cet instrument. Beaucoup seront surpris, mais le vélo est l'instrument le plus efficace jamais construit pour transformer la force humaine en mouvement.

Les données publiées par Stuart Wilson en 1973 dans la revue Scientific American démontrent que le moins de calories par kilomètre et gramme de corps correspond au cycliste. Parmi les animaux et machines étudiés, la souris a été la plus grande énergie dissipatrice: 50 calories par kilomètre. Dans le livre Bicycling Science de 1982 de Frank Whitt et David Wilson, on apprenait cette efficacité d'un autre point de vue: l'énergie perdue dans la transmission des jambes à la roue arrière n'est que d'un pourcentage, la plupart de cette perte étant celle correspondante à l'entrée dans l'air.

Ces calculs peuvent être considérés comme réalisés dans des conditions particulières: sur le plan, sans vent, vitesse moyenne (20-25 km/h). Et c'est que n'importe qui sait que le rendement énergétique du vélo est variable, qu'il n'est pas le même rouler en plaine, en montée ou en descente, dans une machine légère ou vieux, rouillé, dans un sol régulier ou plein de batxes, etc. Cependant, le vélo est reconnu, dans ses limites, qui est un instrument très efficace.

Cette efficacité est basée sur la conception du vélo. Grâce à cela, nous utilisons les muscles les plus forts du corps, des cuisses, pour nous déplacer, dans une cadence raisonnable et dans une position confortable. D'autre part, le vélo a un poids raisonnable pour se déplacer avec la force humaine et un profil exigeant d'entrée d'air.

L'amélioration de ces caractéristiques de base dans l'histoire du vélo a été un effort constant de concepteurs et d'auteurs. Dans la recherche de la machine moins résistante à la mobilité, les objectifs à atteindre seraient alléger le poids, améliorer l'adéquation et le fonctionnement des composants et augmenter l'aérodynamique, sans oublier que le véhicule qui en résulte doit être maniable, sûr et durable, à un prix raisonnable.

Vers les années 20 de ce siècle ont commencé à voir des vélos similaires à ceux actuels. Depuis, les progrès n'ont pas paralysé : matériaux, techniques de fabrication, mesures, etc. Cependant, deux ont été les caractéristiques de conception qui sont restés relativement fixes sur la plupart des vélos: le cadre trapézoïdal et les roues radio. Cependant, ces dernières années, une grande révolution a été donnée à la conception du vélo. La raison est d'obtenir une meilleure aérodynamique.

Amélioration de l'aérodynamique ou transformation du vélo

La résistance de l'air est la barrière la plus dure que le cycliste a pour se déplacer à grande vitesse. Lorsque agi, 90% de l'énergie qui est dépensée à vitesse rapide est utilisé pour cela. En fait, cette résistance est proportionnelle au carré de la vitesse, ce qui signifie que si nous voulons doubler notre marche, nous n'avons pas à multiplier par quatre le travail que nous devons faire, ou qu'avec une vitesse de 25 km/h, avec un double de force, nous n'obtiendrons qu'une vitesse de 35 km/h, et que le double de force que vous faites pédaler n'est pas un travail quelconque.

La facilité de mouvement d'un solide par un fluide est mesurée par le coefficient de pénétration Cx, qui est fonction des caractéristiques des deux. D'une part, à mesure que la densité et la viscosité du fluide augmentent, le mouvement est difficile. Cela peut être lié à la tentative de briser de nombreux records de vitesse dans “hautes altitudes”. D'autre part, il faut tenir compte de la surface montrant le solide dans le sens d'avancement et les caractéristiques qu'il a pour générer un flux laminaire ou turbulent dans le mouvement à travers le fluide. Les mesures du coefficient Cx sont réalisées dans le célèbre tunnel à vent, soutenu actuellement dans la conception par ordinateur. Une des voies pour réduire la consommation de carburant des voitures est de réduire votre Cx.

Sur la même ligne, une voie pour augmenter l'efficacité du cycliste est l'optimisation du CX du couple homme-machine, et beaucoup des nouveautés qui ont transformé le vélo ces dernières années ont été le fruit de la volonté de répondre à cet objectif. Les premiers essais ont été réalisés par Gitane dans un tunnel à vent, mais beaucoup situent le début de cette nouvelle façon de regarder le vélo en 1984, quand Moser et son équipe technique ont utilisé un grand potentiel technologique pour construire une machine optimale qui permettrait de briser le record du monde. Il est vrai que depuis lors, les vélos utilisés dans des courses spéciales (individuelles et collectives dans des essais chronométrés) semblent un peu plus et les résultats sont également en faveur d'eux. Mais comment cette équipe a-t-elle amélioré l'aérodynamique du vélo ?

Tout d'abord, il a été étudié la nécessité de réduire la hauteur du système cyclotouriste. Pour ce faire, afin qu'il puisse adopter une posture plus inclinée, le prédécesseur du cadre se dirigea vers le bas, inclinant la barre horizontale traditionnelle, décrivant dans des cadres sophistiqués les courbes. Le cycliste peut obtenir d'une manière plus naturelle porter le dos horizontal. Ce nouveau design exigeait que la roue avant soit plus petite et que le guidon soit également collé au cadre par un point inférieur au précédent. D'autre part, lorsque vous allez “couché” à vélo, le point de préhension le plus confortable et le plus efficace du guidon est l'aspect courbe, qui est la seule chose qui nous intéresse maintenant. Ce sont deux facteurs qui ont influencé la création d'un guidon en forme de “sarde”.

Le problème suivant est de réduire les turbulences générées par les rayons des roues en tournant. Ces turbulences se produisent en frappant l'air contre les rayons. Quelqu'un a eu l'idée d'aborder une invention inventée alors à la fin du siècle dernier mais qui n'a jamais réussi: la roue lenticulaire. À l'époque, il était méprisé pour avoir plus de poids que les roues radio, mais la roue lenticulaire est beaucoup plus facile de pénétrer dans l'air lorsque le vélo circule en ligne droite, c'est-à-dire sans courbes ou sans vent latéral.

À des fins comme celle de Moser, il semblait et était la même chose. En fait, dans le tunnel éolien, il a été démontré qu'un lenticulaire par rapport à une roue à 36 rayons présente une avance de plus d'une minute à 40 km à 48 km/h. L'avantage secondaire de ce type de roues est le poids, car en raison de l'inertie élevée, il est plus facile de garder la marche, si vous allez vite et à vitesse constante.

Nous avons vu l'innovation de dernière minute dans la dernière étape du Tour de France il y a deux ans. Greg Lemond monte un guidon complémentaire type U sur le type de grille traditionnelle. Il ne fait aucun doute que s'il a gagné par sa forme et son courage, il a commenté à de nombreuses reprises l'impact de ce guidon spécial sur la victoire. La polémique ne manqua pas non plus, arguant que ce complément était aujourd'hui acceptable selon les normes de la Société Cycliste Internationale. Cependant, le guidon de type U n'a pas été utilisé par Lemond comme étranger.

Déjà dans les tests de triathlon on a pu voir avec assiduité un guidon similaire, au lieu d'être une pièce auxiliaire de type U, fait avec une seule barre. La question est que certains essais réalisés dans un tunnel à vent ont montré qu'on obtient un plus grand coefficient de pénétration, en diminuant la surface en largeur par rapport à la hauteur. Pour ce faire, la clé était d'étirer les bras vers l'avant. L'utilisation d'un guidon de ces caractéristiques est un avantage de deux secondes par kilomètre à 40 km/h. D'autres affirment que la distance de 40 km devient 90 secondes plus rapide. En outre, il semble que le cycliste respire plus calme et obtient une posture plus appropriée pour faire de la force.

La section du tableau a récemment changé. Le tableau standard a une section circulaire (circonférentielle) et on sait depuis longtemps qu'en se déplaçant dans un fluide, des turbulences se produisent à l'arrière du solide de cette façon. Il est prouvé que la section en larme est la plus appropriée pour générer flux laminaire. Cette section est appelée feuille aérodynamique. Aujourd'hui, on a commencé à construire des tableaux basés sur cette idée.

Aux innovations précédentes, il faut ajouter, bien sûr, le goût du cycliste lui-même. C'est-à-dire que les vêtements portés par le cycliste doivent faciliter au maximum l'entrée de l'aisa dans l'air. C'est pourquoi il utilise des casques spécialement conçus (également en feuille aérodynamique, étiré par l'arrière), des t-shirts en...

Lorsque vous utilisez tous ces nouveaux éléments, la différence n'est pas lente. L'équipe de l'Union soviétique, champion du monde dans l'épreuve anti-montre par équipes de 100 km, a estimé que l'avantage était de 10 minutes.

Amélioration de l'aérodynamique à faible valeur

Si l'une des tâches les plus importantes du cycliste est de surmonter la résistance de l'air, on pourrait penser que tout ce qui suppose une amélioration de celui-ci devrait avoir une application immédiate. Mais en dehors des essais contre-la-montre, l'aspect du vélo est maintenu principalement. Pourquoi ?

À l'étape normale (une fois en ligne), les carreristes vont en peloton et il est évident que tous ne supporteront pas la résistance de l'air dans la même mesure. Tous ceux qui sont allés à vélo dans la troupe savent parfaitement combien il est difficile de tirer en avant tandis que d'autres vont rejoindre notre roue. Alors que les cyclistes sont derrière le baptême, il est prouvé que le premier doit maintenir environ 20 pulsations cardiaques de plus que le second pour courir à 35 km/h. Ce rythme de pulsation descend, mais dans une moindre mesure, de la seconde.

Dans les positions 6 ou 7, par contre, des problèmes de turbulence se produisent et la protection de l'air devient plus incertaine. Dans tous les cas, aller à l'intérieur d'un peloton fort peut être un peu calme, car il faut ou il faut la moitié de l'énergie qui va devant. Et nous avons dit "peut être", parce que ses œuvres, si nous allons avoir la paix avec les amis voisins, ils seront garder l'équilibre et aller correctement. C'est la capacité des années d'expérience.

Si quelqu'un quitte le peloton, il devra sortir avec beaucoup d'accélération et faire attention que personne ne colle par derrière, car si «nous accrochons à la roue» il est difficile de le laisser derrière. Nous avons donc besoin d'une machine à grande accélération, pas très lourde et avec une bonne maniabilité pour que, comme nous l'avons dit, les changements de direction à effectuer si nous ne voulons pas que personne se positionne à l'arrière de manière avantageuse, soient rapides et sûrs.

Dans l'étape de montagne les choses changent encore plus. En montant la pente, la force principale à surmonter n'est pas la résistance de l'air, mais la gravitation. La même consommation énergétique permet des vitesses inférieures. En comparaison, l'énergie nécessaire pour maintenir une vitesse de 25 à 30 km/h dans la chambre ne sert qu'à augmenter la pente de 7% à une vitesse de 10-12 km/h. Parce que la résistance de l'air varie par rapport au carré de la vitesse, cette marche est méprisable par rapport à la force gravitationnelle.

Sur la pente que nous entendrons beaucoup des carreristes qui valent les forces de l'individu, parce qu'aller derrière un autre n'est pas aussi bénéfique que dans la ligue. Le Cx optimal n'aura donc pas autant d'importance que sur la laune, et il faudra se fixer sur le poids de la machine. Nous avons besoin de plus de machine légère et de réponse rapide que jamais.

Un autre aspect à prendre en compte est celui de la posture; bien qu'il existe différentes techniques pour monter une pente, il est nécessaire de saisir le guidon dans une position relativement élevée. Le cycliste adopte généralement une posture plus droite, les points de préhension étant la partie horizontale du guidon ou de la commande des freins. Nous verrons difficilement quelqu'un qui monte sur le côté incurvé du guidon une difficile pente.

C'est pourquoi il est évident que les innovations ci-dessus exposées ne sont pas utilisées dans les étapes de l'escalade et montagneuse de la ligne. Les roues lenticulaires, par exemple, réduisent la capacité d'accélération du vélo en raison de son poids plus élevé. De plus, lorsque le vent souffle de côté, ce type de roue amortit grandement la machine et peut même la déséquilibrer. L'utilisation de la roue lenticulaire également dans les tests contre la montre n'est pas une décision sans plus. Il faut bien se fixer sur le risque de vent et sur les caractéristiques du parcours (courbes, pentes, longueur, etc.). ). Ne disons pas à l'étape de la ligne, si l'on considère les circonstances météorologiques et les exigences de courir dans le peloton: personne ne l'utilise.

D'autre part, la conception aérodynamique du cadre et du guidon réduit la maniabilité du vélo et l'adaptabilité aux différents moments et environnements du parcours. Le vélo à profil bas n'atteint pas les courbes aussi facilement que les courbes classiques et consolide considérablement la position du cycliste tandis que le guidon conventionnel offre un confort de changement de position.

Le guidon supplémentaire de type U, "irrintzia" de dernière minute, exige beaucoup de technique et de courage dans les courbes. La direction du vélo est très sensible, et si elle ne va pas directement est assez instable, vous devez conduire avec beaucoup de précision. La preuve en est que dans les tests contre la montre est également utilisé avec un guidon large (à la fois conventionnel et corne de chèvre) en raison du risque que dans les virages, vous allez contre la barrière.

Dans les années à venir, il ne manquera pas d'amélioration ou de rénovation dans la conception du vélo, mais en tout cas, si la conception basée sur des cadres trapézoïdaux et des roues de radio a une vie temporaire et pas probablement courte.

Ne croyez pas, cependant, que les innovations sont venues seulement pour améliorer l'aérodynamisme. Déjà mentionné dans les lignes précédentes la nécessité d'un vélo léger et de réponse rapide. D'autres fois, nous devrions parler de capacité d'amortissement ou d'amortissement et de stabilité. Ces caractéristiques doivent être les plus adaptées aux exigences imposées par les différents usages. Pour les expliquer, à une prochaine occasion, nous devrons parler des matériaux et de la géométrie du tableau.