Problèmes de physique

Avant de vous présenter les différents problèmes de physique rencontré lors de la conception d'un vélo, nous vous présentons ci-dessous un schéma de vélo reprenant toutes les parties importantes du vélo.

Schéma d'un VTT

Parmi les problèmes de physique, nous allons tenter de vous présenter les plus importants :

1. L'équilibre
2. L'aérodynamisme
3. Les suspensions
4. Le braquet
5. Le(s) développement(s)
6. Les matériaux

L' équilibre :

• L'équilibre à vélo est primordial. S'il n'est pas possible de maintenir un certain équilibre lorsque on pédale la pratique du vélo devient impossible. Pour qu'il y ait un bon équilibre la géométrie du vélo est primordiale.
• Voici les différents facteurs :
  • la chasse : il s'agit de la distance entre le point où la roue touche le sol et le point du prolongement du tube de direction. Si la roue touche le sol "plus en arrière" que le prolongement du tube de direction alors le chasse est dite positive. Plus la chasse est positive, plus le vélo sera équilibré. Par contre si la chasse est négative, il sera très compliqué de garder l'équilibre de son vélo. En revanche, plus la chasse est grande moins le vélo est maniable, c'est pour cela que les V.T.T. ont une chasse réduite. C'est un peu compliqué à comprendre, voilà pourquoi nous vous proposons ci-dessous un schéma.

Schéma symbolisant une roue ainsi que son tube de direction pour ainsi se représenter "la chasse"

• l'angle du tube de direction et du tube de selle : les angles des prolongements de ces tubes par rapport au sol sont toujours situés entre 70 et 74 degrés. Plus l'angle est grand, plus le poids se déporte vers l'avant, c'est à dire de la roue arrière vers la roue avant. Elle devient donc bien moins maniable, réduisant ainsi l'équilibre.
• l'empattement : il s'agit de la distance entre le moyeu avant et arrière. Plus cette distance est grande, plus l'équilibre est important.

L' aérodynamisme :

Lors des compétitions cyclistes, on voit souvent que rouler en peloton (grand groupe de cyclistes) est plus efficace que rouler seul ou en petit groupe. Cela est dû à l'aérodynamisme. Lorsque les cyclistes pédalent, il y a un frottement de l'air, ce frottement ralenti le cycliste, le fatigue... Lorsque les cyclistes roulent en groupe le frottement est réduit sauf pour le premier du groupe. Ce qu'il faut prendre en compte est que plus la vitesse est grande, plus les frottements le sont également. Il s'agit de la sensation "d'air" que l'on a par exemple dans un manège.

Peloton cycliste prenant une forme aérodynamique avec un coureur qui prend le vent pour le reste du groupe

Les suspensions :

Il existe deux types de suspension : les suspensions arrière et les suspensions avant. Les plus courantes sont les suspensions avant. Parmi ces suspensions, il en existe de différentes, il y a par exemple des amortisseurs hydrauliques, pneumatiques... Nous vous les décrirons plus tard, dans la troisième partie. Le problème des suspensions est qu'elles usent de l'énergie. Lorsque le cycliste est sur la route et qu'il se met par exemple en "danseuse" (position debout afin d'avoir un gain de puissance), il y a un effet de pompage, c'est à dire que la puissance transmise par le cycliste va être absorbée en partie par les suspension, et va donc demander un plus grand effort au cycliste.

Le braquet :

Le braquet est le rapport entre le nombre de dents des plateaux et des pignons. On peut varier le nombre de pignons et de plateaux sur un vélo mais il ne dépasse jamais 3 plateaux et 10-11 pignons. Le tout est de trouver le bon braquet pour la sortie que l'on compte faire. Si le braquet est trop faible, il y aura un manque d’efficacité, si le braquet est trop dur ce sera fatiguant et cela demandera de gros efforts au cycliste. Moins il y a de dents au niveau des pignons, plus l'effort sera dur. Au contraire, plus il y a de dents au niveau des plateaux plus l'effort est dur. Voici une vidéo dans laquelle nous montons plusieurs fois une côte en modifiant à chaque fois les braquets. Vous pourrez ainsi voir la différence d'allure entre les braquets.

La vidéo se décompose en 5 parties. Nous avons changé à 5 reprises le braquet de telle manière à ce que vous puissiez voir la différence de vitesse pour faire un tour de pédale en fonction des braquets.

• Plateau 50 dents, pignon 15 dents : il s'agit du plateau ayant le plus de dents du vélo, c'est donc le plus dur. Pour le pignon, ce n'est pas le plus petit mais il en est assez proche. La cadence de pédalage est assez lente.
• Plateau 30 dents, pignon 15 dents : il s'agit maintenant du plus petit plateau du vélo, donc le plus facile. Nous n'avons pas changé le pignon. Il en résulte que la cadence pédalage est beaucoup plus rapide, il reste tout de même assez efficace.
• Plateau 50 dents, pignon 13 dents : il s'agit maintenant du plus gros braquet que nous pouvons avoir sur ce vélo. La cadence de pédalage est lente, le vélo n'avance quasiment pas et le cycliste a du mal.
• Plateau 30 dents, pignon 23 dents : il s'agit du plus petit braquet. La cadence de pédalage est très rapide mais l'effort n'est plus efficace, le cycliste mouline.
• Plateau 39 dents, pignon 15 dents : c'est un braquet plutôt neutre, l'effort est assez efficace sans être trop dur.

Le développement :

Il s'agit du produit entre le braquet et la circonférence de la roue motrice. Il faut en fait diviser le nombre de dents du plateau par le nombre de dents du pignons et multiplier le tout par la circonférence de la roue (diamètre x pi). Voici un exemple :

• Pour une roue de 700 mm (diamètre), pour laquelle il y a 52 dents au niveau du plateau et 13 dents au niveau du pignon :

52/13 = 4 4x(0,7x3,14)= 8,792 m

Il s'agit d'un gros braquet. Cela signifie concrètement qu'à chaque tour de pédale, le vélo avancera de presque 9 mètres. On pourrait alors choisir de mettre une très grande roue pour avancer plus par tour de pédale, mais il apparaît un nouveau facteur, l'inertie. Plus la roue est grande, plus elle sera lente, difficile à mettre en marche.

Les matériaux :

Il existe différents matériaux tel que l'aluminium, la fibre de carbone ou le titane. Pour les vélos de course la fibre de carbone est un bon matériau. Il permet au vélo d'être à la fois rigide et souple. Mais il coûte cher et il est polluant lors de sa fabrication. L'aluminium est un matériau très léger, mais il s’abîme facilement et demande beaucoup d'entretien. Enfin, le titane est le matériau le plus cher mais il ne demande quasiment aucun entretien, est léger et est assez esthétique.