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La Physique du Vélo

galaxieVaut-il mieux des manivelles plus longues ou plus courtes? Le plateau ovale, intéressant ou pas? Est-il plus efficace de pédaler sur un grand plateau ou sur un petit? Quel gain peut-on vraiment espérer en montagne en allégeant son vélo de 1 kg? Est ce qu'une roue 'lourde' est vraiment un handicap en montée? La force, la puissance, le couple, qu'est ce que c'est vraiment?
La plupart des cyclistes ont des réponses à ces questions, mais ces réponses sont trop souvent basées sur des croyances issues de la 'culture cycliste' et sans réelle explication. Je ne peux personnellement pas me satisfaire d'un résultat que je ne comprends pas, surtout quand celui qui me le donne ne peut pas l'expliquer non plus. Je vais donc  tacher d'y apporter mes réponses, basées sur un raisonnement avec une base scientifique, que je vais m'efforcer d'expliquer et de garder simple et concret.

Force et Puissance

J'entends souvent dire d'un coureur que celui ci est 'puissant' quand il roule gros braquet à coté d'un autre qui mouline. Strictement parlant, les 2 coureurs (qui roulent à la même vitesse, pèsent le même poids et ont le même aérodynamisme) développent exactement la même puissance. En effet, c'est la puissance qui fait avancer le vélo à une certaine vitesse, ce n'est pas la force avec laquelle on appuie sur les pédales. Or, la puissance, c'est la force multipliée par la cadence.
En voyant un coureur tirer un gros braquet, vous devez donc dire qu'il est fort, pas qu'il est puissant.

Rendement

Voila juste une petite définition du rendement, puisqu'on en parle plus loin. Quand on applique une quantité d'énergie à un système mécanique ou autre, il faut savoir que ce système ne pourra jamais restituer 100% de cette énergie sous une forme unique. Comme on est normalement intéressé par une seule forme d'énergie à la sortie du système, on appelle rendement la partie utile qu'on récupère.
Par exemple, lorsque l'on fournit 4 kcal d'énergie au muscle, 1 kcal sera transformée en énergie mécanique (force musculaire) et 3 kcal seront transformées en énergie calorifique (chaleur). Si on est intéressé par la force, le rendement est donc de 25%. Si on est intéressé par la chaleur, le rendement est de 75%. Eh oui, la machine musculaire est très peu efficace pour produire de la force, mais plutôt bien faite pour lutter contre le froid.

Couple

Le couple, c'est le résultat sur un axe d'une force appliquée au bout d'un levier fixé sur cet axe. Vous appliquez une force sur la pédale, vous récupérez un couple au niveau de l'axe du pédalier. On peut dire qu'un couple, c'est une force circulaire qui entraîne en rotation (alors que l'appui sur la pédale est une force rectiligne). Plus la manivelle est longue, plus le couple est important, à force identique. Beaucoup de gens pensent donc qu'ils pourront grimper plus vite avec des manivelles de 180mm.
Alors, est ce que les grandes manivelles donnent un avantage? Eh bien non, et voici pourquoi: une manivelle plus longue, ça veut dire aussi un cercle plus long pour faire un tour de pédalier. La force que vous appliquez et la vitesse à laquelle l'extension de la jambe se fait ne dépendent pas de la longueur de la manivelle, elles ne dépend que de vos muscles. Donc, si le tour de pédalier est plus long, il faudra plus de temps pour le compléter, et par voie de conséquence, la cadence de pédalage va baisser. Ce que vous gagnez sur le couple, vous le perdez sur la cadence, et au bout de la chaîne de transmission, la puissance est la même. C'est assez logique si on y réfléchit une seconde: si on ne change pas le moteur, on ne voit pas comment la puissance qu'il peut développer changerait.

Longueur des manivelles

Le choix de la longueur de manivelle doit être fait uniquement en fonction de la taille de ses fémurs/tibias pour obtenir la quantité de flexion/extension où le muscle pourra fournir le maximum de force, et donnera son meilleur rendement. La longueur ne change rien au niveau des contraintes tendineuses en résistance (c'est le couple généré sur l'axe qui change, pas la force d'appui sur la pédale). En revanche, un excès de flexion (genou qui remonte trop haut) ou d'extension (jambe trop tendue) pourront créer une tendinite.

Plateau Ovale

Ce plateau aurait la faculté lui aussi de développer plus de puissance que ce qui serait développé avec un plateau rond. Voyons d'un peu plus près comment ça fonctionne:
Si on considère un plateau rond de 52 dents, chaque quart de plateau compte 13 dents. Un plateau ovale de 52 dents aura lui 11 dents sur le 1er quart, puis 15 dents sur le second quart, puis encore 11 et 15. Le vélo avançant à vitesse constante, il est facile de comprendre que la chaîne avance à vitesse constante (nombre de maillons qui attrapent une dent chaque seconde). Si vous n'en êtes pas convaincus, visualisez la chaîne sur le pignon rond arrière. On voit donc bien que la chaîne va 'manger' les 11 dents du premier quart plus vite que les 15 dents du second quart. Pour que cela soit possible, il faut que la vitesse de rotation du plateau accélère sur le premier quart, puis diminue sur le second, et ainsi de suite. L'accélération et la décélération ne sont pas instantanées, elles sont réparties sur un quart de tour. L'effet sur la jambe est que, comparativement à un plateau rond de même taille, le muscle va rester contracté plus longtemps (phase d'appui plus longue), et que son temps de relâchement va être raccourci (passage point mort plus rapide).
Et alors, c'est bien ou pas? Eh bien je pense que ça dépend totalement de votre physiologie et du type de fibres majoritaires dont vos quadriceps sont faits. Si vous êtes plutôt rouleur (grosses cuisses), vous êtes probablement doté d'une majorité de fibres rapides type 2. Ces fibres sont capables de beaucoup de force. Mon hypothèse est que le plateau ovale peut être intéressant dans ce cas car il permet d'obtenir le meilleur rendement de ce type de muscle (appuyer fort et longtemps). Ce qui est sûr, c'est que ce plateau entraîne une modification biomécanique et physiologique du fonctionnement de vos jambes, et comme nous ne sommes pas tous faits pareils, tout le monde ne trouvera certainement pas un bénéfice à l'utiliser.
Certaines études ont démontré une augmentation de la cadence avec l'usage de plateaux ovales. Si on réfléchit une petite seconde, ce n'est pas étonnant. En effet, la cadence instantanée lors de la phase de poussée ne changera pas par rapport à un plateau rond. Celle ci est limitée par la force musculaire. En revanche, la cadence instantanée aux points morts haut et bas, elle, sera mécaniquement plus rapide puisqu'il y a moins de dents à entraîner. La cadence globale s'en trouve donc effectivement plus rapide.
On dit aussi que l'usage de ce plateau diminuerait la concentration lactique. L'acide lactique est produit de façon continue par un effort partiellement anaérobie. Plus l'oxygène manque, plus la production lactique est élevée. Il existe un système d'évacuation par la circulation sanguine (vers le foie pour recyclage en glucose), ce qui permet de conserver un niveau lactique stable tant que la capacité d'évacuation et de recyclage reste suffisante pour compenser la production. Or, le sang circule beaucoup moins bien pendant la phase de contraction musculaire (les vaisseaux intérieurs sont compressés), et on vient de voir que l'utilisation du plateau ovale augmentait la durée de la phase de contraction et diminuait le temps de relâchement, réduisant d'autant la possibilité d'évacuation. Pour que la concentration lactique résiduelle soit inférieure, il faudrait donc bien que la production soit effectivement moindre. C'est envisageable si le rendement du muscle est meilleur. Alors oui, peut être, à puissance égale, le muscle fonctionne-t-il mieux avec des contractions qui durent plus longtemps. Mais je manque de données pour pouvoir en dire plus là dessus. Sur ce point, je me garderais donc de donner un avis.

A développement (braquet) et cadence identique, 39/13 ou 54/18?

Certains trouvent que le 39 est plus souple, d'autre que le 54 enroule plus facilement. Les deux développent pourtant exactement la même chose (6m45). Il n'y aura aucune différence au niveau de la force d'appui ou de la cadence (encore une fois, on ne change pas le moteur). Pour qu'il y ait une différence sur la vitesse, il faudrait que la puissance transmise à la route soit différente, et donc que le rendement de la transmission soit différent sur ces 2 braquets. Il y a 2 facteurs qui vont influer sur le rendement: la ligne de chaîne et le nombre de maillons qui vont frotter entre 2 dents du plateau ou du pignon.
Une ligne de chaîne en travers (croisée) provoque une flexion latérale qui va consommer un peu de puissance. 39/13, c'est souvent pas mal de travers et on est là dans une des plus mauvaises configurations. Au niveau du nombre des maillons qui frottent, on en a 26 avec le 39/13 et 36 avec le 54/18. La configuration 54/18 perd donc par frottement presque 50% de puissance de plus que le 39/13, mais la ligne de chaîne est quasiment droite. Chaque solution a son défaut. Ceci dit, sans faire le calcul, je suis à peu près sûr que la perte due aux frottements ou à la déformation latérale est largement inférieure à 1 watt, et donc totalement insensible. Je pense que si on faisait un test à l'aveugle, personne ne serait capable de dire s'il est sur le 39 ou le 54.

Quel gain en montagne si j'allège mon vélo de 500 grs ?

500 grs, c'est un bidon plein d'eau, ou aussi une montée en gamme de matériel qui peut vous coûter pas mal. Prenons l'exemple d'un cycliste de 75 kgs, avec un vélo + chaussures + vêtements + ravito de 10 kgs. Il grimpe un col de 10 kms à 7%, à 15 km/h et met donc 40'. Il aura alors développé 278 watts durant tout le long de cette ascension, dont 243 watts uniquement pour vaincre la gravité (la force d'attraction terrestre qui l'attire vers le bas). Le reste, 35w, est consommé pour vaincre la résistance de l'air (négligeable à cette vitesse, autour de 17w) et la résistance au roulement (17w aussi). Si ce cycliste s'est fait plaisir pour un groupe haut de gamme 500 grs plus léger et 500€ plus cher, il va monter avec la même puissance en 39'50". Wow, 10 secondes gagnées sur 40 minutes, pour 500€!
Refaisons le calcul avec un gabarit grimpeur 60 kgs équipé d'un vélo+tout le reste à 8 kgs. Il n'aura besoin de développer que 226 watts, dont 195 watts pour la pente. En s'allégeant de 500 grs, il gagne 12" sur la montée.
Je ne nie pas le plaisir de rouler avec du matériel haut de gamme et des roues légères. Mais payer une fortune pour alléger un vélo de 1kg, ça n'a juste aucun sens.

Roues lourdes en montagne: un vrai inconvénient?

Tout le monde est d'accord pour dire qu'on grimpe plus vite avec une paire de roues à 1400 grs qu'avec une paire à 1900 grs. Est ce vrai pour autant? En dehors des 10" gagnées grâce au moindre poids comme expliqué ci dessous (gain hors de prix quand on sait que la différence de prix entre ces 2 paires de roues peut se monter à 1000€), est ce qu'il y a d'autres facteurs à considérer? Eh bien oui, il faut aussi considérer la régularité de l'allure. Car selon que vous montiez au train, à vitesse constante, ou bien que vous deviez répondre à des accélérations, le poids périphérique de la roue, et donc son inertie, ne compteront pas de la même façon. Mais je dois maintenant préciser ce qu'est exactement l'inertie car si tout le monde va admettre facilement qu'elle peut freiner la montée, peu de gens savent comment elle peut aussi jouer pour vous.
L'inertie, donc, c'est la propriété d'un corps à s'opposer à un changement de sa vitesse. On s'intéresse ici à l'inertie de la jante, et on considère sa vitesse de rotation. Ce qu'il faut comprendre, c'est que tant que la roue tourne à une vitesse constante, alors l'inertie ne joue aucun rôle. Autrement dit, à vitesse de rotation constante, peu importe le poids de la jante, celle ci n'a aucun impact sur l'énergie qu'il faut pour maintenir cette rotation, et donc jante lourde ou légère, ce sera le même chrono à l'arrivée.
Mais dans le mouvement du pédalage, la force appliquée à la pédale, et donc le couple appliqué au pédalier, et donc à la roue, varie tout le temps. Pendant que le couple augmente (de 1h à 3h sur le pédalier), la vitesse de la roue va aussi augmenter, et l'inertie de la jante va s'opposer à cette accélération en consommant et en stockant une partie de la puissance. Puis, de 3h à 5h sur le pédalier, le couple diminue et la roue décélère. L'inertie de la jante joue maintenant dans l'autre sens, en restituant l'énergie stockée et en retardant le ralentissement. Au final, et tant qu'on ne parle que de mécanique, le poids d'une jante n'est donc pas un problème car elle rend autant qu'elle prend (je néglige les frottements, en réalité, une minuscule partie de l'énergie est perdue en permanence par frottements, mais ça ne change rien à la logique). Par contre, si on parle de la résistance ressentie sur la jambe, ce n'est plus la même chose. Avec une roue légère, il y aura peu de résistance au coup de pédale, mais aussi très peu d'aide au passage du point mort avec la vitesse de la roue qui tombe très vite dès qu'on n'appuie plus. Avec une roue lourde, il y aura plus de résistance au coup de pédale, mais un passage au point mort plus facile car la roue continue de tourner toute seule (elle rend alors ce qu'elle a pris au moment où elle résistait). D'un côté, on appuie plus fort mais pas longtemps, de l'autre coté, on appuie moins fort, mais on se repose moins. Quant à savoir laquelle des 2 situations est la meilleure, je pense là aussi que ça dépend de la biomécanique et de la physiologie de la personne. Mais je serais très curieux de voir des tests sur banc d'essai, et je pense qu'en moyenne sur différents types de coureurs, on ne verrait pas de différence sur l'énergie dépensée pour un parcours donné, quel qu'il soit.
J'ai parlé de la question de la régularité de l'allure: dans une course, il peut falloir répondre à une accélération. Avec des roues lourdes, le pic d'énergie qu'il faudra produire pour suivre sera plus élevé que pour celui qui a des roues légères. Mais gardez bien en tête, qu'au final la quantité d'énergie dépensée sera la même - c'est la répartition de la dépense qui sera différente. Rappelez vous de certaines étapes du TDF par exemple, où on pouvait en voir certain qui répondaient immédiatement aux attaques, et d'autres qui laissaient partir et revenaient ensuite au train sans accélération fulgurante.
Dans un moteur à pistons, on utilise justement un volant à inertie pour emmagasiner de l'énergie pendant que le piston pousse (au prix d'une plus grande résistance sur le piston), et la restituer pour entretenir le mouvement et faire remonter le piston. La même mécanique s'applique au pédalage. Pédalez le plus rond et le plus régulier possible pour profiter au maximum de l'inertie de la jante sans en sentir la résistance accrue à l'appui.

L'aérodynamisme, ça compte pour combien ?


La résistance de l'air est ce qui consomme le plus d'énergie. Contrairement à la résistance de la dénivellation qui demande une énergie proportionnelle à sa pente, la résistance contre l'air demande une énergie qui augmente proportionnellement avec le carré de la vitesse. Quant à la puissance nécessaire pour vaincre cette résistance, elle augmente proportionnellement avec le cube de la vitesse. En plus clair, ça veut dire:
Si une pente à 5% demande 200 watts, alors une pente à 10% (le double) demande 400 watts (le double aussi).
Si vous roulez à 25 km/h, que ça demande 80 watts pour vaincre la résistance contre l'air, et que vous voulez aller 2 fois plus vite, il vous faudra 2^3 (2 puissance 3) = 8 fois plus soit 640 watts. A chaque fois que vous voulez doubler votre vitesse, vous devrez multiplier par 8 la puissance que vous développez. Ça monte très très vite. Donc, oui, l'aérodynamisme est très très important, surtout au delà de 30-35 km/h où la résistance de l'air commence à devenir vraiment significative. Quelques valeurs indicatives, pour une position aérodynamique donnée et inchangée: A 10 km/h, elle ne coûte que 5 watts, à 15 km/h -> 17 watts, 20 km/h -> 41 watts, 30 km/h -> 141 watts, 40 km/h -> 334 watts, 50 km/h -> 650 watts.

Voila pour ces quelques questions. N'hésitez pas à commenter si vous ne comprenez pas quelque chose, si vous remarquez une erreur, ou encore si vous avez un complément à apporter.

Commentaires  

#1 brigitte jeudi 19 décembre 2013 17:30
très intéressant ! on entend en effet beaucoup d'affirmations ... de toutes sortes ... là c'est clair 8)
L'influence du poids du vélo est souvent exagérée. Elle est réelle bien sûr ...on peut la voir lorsqu'on passe du vélo de route au vélo avec des sacoches (15 kg de chargement total environ)... mais même ainsi il reste possible de monter des cols, car cette influence n'est pas aussi énorme que les cyclistes "légers" l'imaginent.
Avec une petite sacoche avant et arrière de type "brevet" , je n'ai pratiquement remarqué aucune influence sur ma vitesse générale (toutefois les parcours ne comportaient pas de pentes > 10 %) ...mais bon je suis un modèle "diesel absolu" aussi je ne pourrais pas te dire si le poids du vélo a une influence sur les changements de rythmes !!!! dont je suis incapable :)
#1.1 ericl jeudi 19 décembre 2013 19:05
Et le marketing a su très bien jouer de ces croyances pour convaincre...
15 kgs de plus à élever sur un poids total de 70 kgs, ça fait quand même 21% de plus. C'est la même différence que monter à 15 ou à 18 km/h, c'est pas négligeable.
Sur le plat, c'est moins sensible une fois lancé, mais avec des sacoches, il va aussi y avoir un impact aérodynamique sensible.
De plus, le vélo à sacoches n'est peut être pas aussi performant que le 'course', et donc le rendement y est moins bon aussi, ajoutant à la difficulté.
#2 JulienG mardi 25 mars 2014 09:50
Bonjour et bravo pour cet article très intéressant.
J'aimerais avoir votre avis sur cette question:
Pensez-vous qu'un athlète plus véloce que fort a un avantage à avoir les manivelles les plus longues possibles?
Autrement dit, comme lorsqu'on gagne de la vitesse avec un meilleur aérodynamisme à puissance égale, l'effort demanderai moins "d'énergie" puisqu'on table sur le fait que la vélocité est physiologiquement "plus avantageuse".
#2.1 ericl mardi 25 mars 2014 11:08
Supposant que 'véloce' signifie 'pédalant naturellement à haute cadence':
L'augmentation de la longueur des manivelles fait diminuer la cadence (la vitesse angulaire est plus faible du fait que la circonférence du tour de pédalier est plus longue et que la vitesse linéaire de la pédale liée à l'extension de la jambe est inchangée). Pour un athlète 'véloce', je pense que c'est donc un inconvénient qui va résulter en une baisse de son rendement physiologique (il ne pourra pas pédaler à sa cadence naturelle, à développement égal).
Pour être le plus économe et utiliser le moins d'énergie possible, il faut pédaler à la cadence qui offre le meilleur rendement musculaire. Cette cadence est propre à chacun, elle dépend en grande partie du type de fibre musculaire (lente/mixte/rapide) dont est pourvu l'athlète. Si les manivelles sont trop longues, le coup de pédale sera plus long et l'athlète compensera en montant des dents pour réduire la résistance et arriver à sa cadence naturelle, annulant du même coup l'avantage de force donné par la manivelle plus longue. Mais c'est assez logique: on ne peut pas augmenter la puissance en changeant la boite de vitesse. Pour développer plus de puissance, il faut soit tourner plus vite, soit pousser plus fort, tout en gardant l'autre paramètre constant.
A mon avis, la taille des manivelles est purement une question de biomécanique et doit être dictée par la taille du fémur et du tibia. Il est illusoire de croire qu'on pourra continuer à tourner la même cadence avec des manivelles plus longues. Il est par contre garanti qu'on déclenchera des tendinites.
#2.1.1 JulienG mardi 25 mars 2014 12:35
Véloce signifiait bien dans mon esprit "pédalant plus naturellement à haute cadence".

Merci de votre réponse

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