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La puissance du moteur humain : le cas du vélo

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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Barnabé Sam 9 Aoû 2014 - 12:17

Hello,

pour ceux qui s'intéressent à la performance sportive et/ou aux moyens de déplacements alternatifs, il faut s'intéresser au corps humain en tant que moteur.

La puissance, c'est une quantité d'énergie divisée par un temps. 

En simplifiant beaucoup, faire une tache physique donnée nécessite une certaine quantité d'énergie. Par exemple, prendre à la main des sacs situés sur une palette au sol, et les charger sur un camion qui se situe vers 1,50 m de haut. Les sacs font 25 kg et il y a une palette de 1 tonne à déplacer ainsi. Si une personne normale met 10 minutes, et qu'un costaud met 5 minutes, il a développé 2 fois plus de puissance. Celui qui met 20 minutes s'est économisé, il a mis en oeuvre 4 fois moins de puissance que le costaud et ses 5 minutes. Par contre, les 3 personnes ont dépensé à peu près la même quantité d'énergie.

Le moteur humain peut fonctionner à différents niveaux de puissance. Quand on fait un exercice physique assez posément, le coeur accélère un peu, les muscles consomment de l'oxygène et du sucre, mais tout se passe bien. Plus c'est intense, plus le coeur s'accélère pour amener assez d'énergie et d'oxygène aux muscles. 
Quand on augmente encore l'effort, arrive le moment où le coeur et les poumons sont à fond : on développe alors la Puissance maximale aérobie (PMA) correspond à la puissance atteinte à la consommation maximale d'oxygène (VO2max). Le coeur bat vers 180 à 220 pulsations par minute (suivant l'âge et la forme physique).
quand on augmente encore l'effort, on passe en anaérobie. C'est à dire que les muscles n'ont plus assez d'oxygène ; ils peuvent fonctionner encore plus fort que cette limite aérobie, mais ils produisent alors de l'acide lactique. En gros, le corps fait une partie de l'effort "en direct" (c'est la partie aérobie", et l'autre "en différé" : il faudra le traiter plus tard ). Cet effort aérobie ne peut pas se prolonger très longtemps : il y a bien un moment où il faut traiter cet acide lactique, évacuer les déchets produits etc.

Les cas qui permettent de bien voir cette "puissance" humaine sont ceux où l'effort consiste surtout à soulever un poids. C'est à dire des exercices où l'on lutte contre la pesanteur. Il peut s'agir de soulever son propre poids : par exemple, monter un escalier. Il peut s'agit de soulever un poids extérieur : par exemple, soulever de façon répétitive des haltères.

Dans le cas du vélo sur le plat, le cycliste développe une puissance qui lui sert à lutter contre des "freins" :
- le frein constitué des pertes mécaniques de la transmission (la friction de la chaîne, la torsion du cadre...)
- le frein des frottements des pneus contre le sol
- le frein aérodynamique : lutter contre la résistance de l'air à l'avancement.

On a vu pour les éoliennes que la puissance contenue dans le vent augmente avec le cube de la vitesse du vent. Un vent de 6m/s contient huit fois plus d'énergie qu'un vent de 3 m/s. Il n'est pas deux fois plus fort, mais 8 fois (2 au cube c'est à dire 2x2x2). Eh bien là, c'est pareil : quand on va plus vite à vélo, la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse. C'est pourquoi rouler à 40 km/h sur le plat n'est pas deux fois plus dur que rouler à 20 km/h.

Quand on monte une pente à vélo, il faut de plus monter le poids du cycliste et du vélo : on lutte alors contre la gravité.
Ce qui est intéressant dans une très forte pente, c'est qu'on va lentement : les pertes du frottement contre le sol et le frein aérodynamique sont presque négligeables.
Par exemple, prenez une pente très raide, montez 100 mètres de dénivelé de cette pente (mesurés avec un altimètre ou en regardant les courbes d'altitude sur une carte très précise) à un rythme raisonnable pour ne pas faire une crise cardiaque, chronométrez combien de temps vous avez mis. Vous avez la puissance développée avec une formule simple :
masse du cycliste et du vélo : mettons 80 kg.
la force de l'apesanteur est le poids, c'est à dire la masse x 9,81 (accélération de la pesanteur) qu'on arrondit à 10 : 
80 x 10 = 800 newtons.
Energie développée : la force multipliée par la distance verticale parcourue : 
800 x 100 = 80 000 joules.
Si vous mis 10 minutes (= 600 secondes), votre puissance était :
P = E/t = 80 000/600 = 133 Watts.
Amusant, non ?

L'"inconvénient" avec les champions du Tour de France, c'est qu'ils arrivent à monter vite (vers les 15 à 25 km/h), même dans les montés très raides. Du coup, on ne peut plus négliger la résistance de l'air. Ainsi, le calcul donne, pour la montée de Mende de Chris Horner au Tour de France 2010 :
Puissance de la résistance de l'air : 6 %
P du frein au roulement (interface route/pneus) : 3,4 %
P lutte contre la gravité : 88 %
et environ 2,5 % de pertes de transmission (chaîne etc.)

A partir de là, il est possible et intéressant de regarder la puissance développée par ces champions sur des "montées radar" : des montées bien raides, mais bien longues aussi pour que ça ne soit pas un effort anaérobie ponctuel.

Voici quelques articles et sites intéressants pour approfondir :
http://www.lemonde.fr/tour-de-france/article/2014/07/25/nibali-dernier-surhumain-avec-ses-417-watts_4462718_1616918.html
http://www.chronoswatts.com/
http://www.chronoswatts.com/img/mag/P_138-141_Science.pdf

dans un prochain post, j'essaierais de voir ce qu'on peut en déduire pour un cycliste normal, et en particulier pour le cycliste "utilitaire" (trajet vélotaf, transport de marchandises légères etc.).


Dernière édition par Barnabé le Dim 10 Aoû 2014 - 9:19, édité 1 fois
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Message par Ash Sam 9 Aoû 2014 - 13:42

Lors de mes cours de physique, j'avions appris que la force de travail d'un cheval normalisé est de 736 watts et que celle, plus approximative, d'un cycliste entrainé, en effort anaérobique, était de 400 watts.

Merci de noter ceci Barnabé, ce genre de calcul peut avoir pas mal d'utilité si on veut faire des calculs de rendements, de force, d'énergie mais aussi de balistique... dont c'est la base.

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Message par Barnabé Dim 10 Aoû 2014 - 9:56

Ash a écrit:Lors de mes cours de physique, j'avions appris que la force de travail d'un cheval normalisé est de 736 watts

Un cheval-vapeur fait bien 736 W. Mais est-ce que c'est bien la puissance d'un cheval ? voilà une question qui mérite un fil à elle toute seule : https://www.le-projet-olduvai.com/t8479-la-puissance-du-moteur-animal-application-a-la-traction-et-au-travail

celle, plus approximative, d'un cycliste entrainé, en effort anaérobique, était de 400 watts.

Non, pour un cycliste du niveau du Tour de France, la puissance aérobie est de l'ordre de 400 watts. La puissance anaérobie (celle qu'on développe quelques secondes voire dizaines de secondes lors d'un sprint) est de l'ordre du double voire un peu plus : 800 à 1000 W sur les sprints.


Dernière édition par Barnabé le Dim 10 Aoû 2014 - 11:37, édité 1 fois
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Message par Ash Dim 10 Aoû 2014 - 11:28

est-ce que c'est bien la puissance d'un cheval ?

Évidemment que non, c'est la capacité de soulever un poids de 75 sur un mètre en une seconde, l'utilité était surtout minière et les chevaux de travail étaient assez petits, puissance 'normalisée' DIN en somme.

Au temps pour moi pour les 400 watts, merci de la rectification !

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Message par fokeltok Dim 10 Aoû 2014 - 15:33

As-tu des éléments pour les vélos couchés (recumbent bikes pour les anglophones), exclus des compétitions de vélos "classiques" ? La puissance provient du même bonhomme, mais l'effort musculaire est réparti très différemment, les vitesses atteintes aussi. Je ne suis pas spécialiste du sujet, mais je commence à bricoler un prototype, pour le plaisir et par curiosité, et j'ai lu quelques articles sur la "supériorité" du rendement d'une telle position (quand le dos repose sur un siège et que les appuis peuvent répartir l'effort sur le dos du cycliste, contrairement à la station verticale). Je n'ai pas tout compris à la théorie, mais les retours d'expérience sur le confort et les maux de dos m'ont convaincu d'aller dans ce sens.

Dans le monde du vélo couché, on croise aussi pas mal de prototypes de vélos "carrénés", munis de coques de différents matériaux pour diminuer la résistance aux frottements de l'air, bref, des pros de l'aérodynamique, et je ne sais pas ce que cela vaut, mais ils ont du faire ce genre de calculs également. Les anglophones appellent ça "velomobile", beaucoup de protos sur le web à ce sujet, mais cela dépasse mes souvenirs de cours de physique...


Cordialement
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Message par tarsonis Dim 10 Aoû 2014 - 21:22

Salut !
Barnabé a écrit:
On a vu pour les éoliennes que la puissance contenue dans le vent augmente avec le cube de la vitesse du vent. Un vent de 6m/s contient huit fois plus d'énergie qu'un vent de 3 m/s. Il n'est pas deux fois plus fort, mais 8 fois (2 au cube c'est à dire 2x2x2). Eh bien là, c'est pareil : quand on va plus vite à vélo, la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse. C'est pourquoi rouler à 40 km/h sur le plat n'est pas deux fois plus dur que rouler à 20 km/h.

Une coquille, mais au final cela a peu d'importance. On ne peut pas transposer le cas de l'énergie véhiculée par le vent aux forces de frottements. Pour les objets usuels, on considère que les forces suivent une fonction linéaire à vitesse "faible" (k.V), puis quadratique aux vitesses "élevées" (k.V²). Le seuil de transition dépend bien entendu de la structure de l'objet, sa rugosité, etc...

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Message par Barnabé Lun 11 Aoû 2014 - 8:16

tarsonis a écrit:
Une coquille, mais au final cela a peu d'importance. On ne peut pas transposer le cas de l'énergie véhiculée par le vent aux forces de frottements. Pour les objets usuels, on considère que les forces suivent une fonction linéaire à vitesse "faible" (k.V), puis quadratique aux vitesses "élevées" (k.V²). Le seuil de transition dépend bien entendu de la structure de l'objet, sa rugosité, etc...
Précisément : la force de résistance de l'air est proportionnelle au carré de la vitesse. Comme la puissance est F.V (la force x la vitesse), ça fait bien une puissance à fournir pour équilibrer la résistance de l'air qui est proportionnelle au cube de la vitesse.

Concernant l'application au vélo couché et/ou caréné, ça viendra. Commencer par les performances des champions me semble une bonne introduction pour venir ensuite aux performances des gens "normaux", et aussi pour traiter des alternatives au vélo de course classique.
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Message par tarsonis Lun 11 Aoû 2014 - 11:31

Re !
Barnabé a écrit:Précisément : la force de résistance de l'air est proportionnelle au carré de la vitesse.
Mon point était en rapport avec ta phrase précédente :
Barnabé a écrit:la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse.

Après, il faut prouver qu'en faisant du vélo tu entres dans les forces de frottement quadratiques. La modélisation "vitesse élevée" commence à valoir pour les voitures au dessus de plusieurs dizaines de km/h; dans le cas de avions, et de la chute libre....

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Message par Barnabé Lun 11 Aoû 2014 - 11:54

tarsonis a écrit:Re !
Barnabé a écrit:Précisément : la force de résistance de l'air est proportionnelle au carré de la vitesse.
Mon point était en rapport avec ta phrase précédente :
Barnabé a écrit:la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse.
Mais comme cette phrase faisait suite à "la puissance contenue dans le vent augmente avec le cube de la vitesse du vent. Un vent de 6m/s contient huit fois plus d'énergie qu'un vent de 3 m/s. Il n'est pas deux fois plus fort, mais 8 fois (2 au cube c'est à dire 2x2x2). Eh bien là, c'est pareil (...)"
il fallait comprendre ma phrase suivante comme "la puissance dissipée par la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse". Comme je ne peux plus éditer mon premier message, j'espère que les messages suivants ont désormais clarifié la question et qu'il ne subsistera aucun doute dans l'esprit des lecteurs.

Après, il faut prouver qu'en faisant du vélo tu entres dans les forces de frottement quadratiques.  La modélisation "vitesse élevée" commence à valoir pour les voitures au dessus de plusieurs dizaines de km/h; dans le cas de avions, et de la chute libre....
Les quelques études et sites consacrés à ce sujet et que j'ai pu lire reprennent l'équation suivante pour la résistance de l'air : F=1/2 rho SCx V²
rho étant la densité de l'air, S la surface frontale, Cx le coefficient de pénétration dans l'air, V la vitesse de déplacement.

Moi, je suppose qu'ils ont raison. Par exemple, l'article en pdf que j'ai mis en lien dit qu'il y a une bonne corrélation entre les calculs théoriques et la réalité sur le terrain. Moi, ça me suffit.
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Message par Barnabé Lun 11 Aoû 2014 - 13:26

Les pentes, et pourquoi y a-t-il des vitesses sur un vélo ?

Désolé si ça vous paraît un peu basique, mais il me semble nécessaire d'en passer par là avant de voir des choses peut-être plus intéressantes.

Quand vous montez une pente, vous devez faire monter la masse du cycliste et du vélo, en luttant contre la gravité.

Explication simple :
Pour monter 100 mètres de dénivelé, vous devrez toujours fournir à peu près la même énergie, celle que j'ai calculé plus haut :
F.h
F étant la force exercée par l'apesanteur, c'est à dire le poids de l'ensemble cycliste + vélo, en newtons (donc la masse multipliée par l'accélération de la pesanteur). Dans mon exemple précédent, c'était donc 80 kg x 10 = 800 newtons.
h la hauteur du dénivelé.
Plus la pente est douce, plus cet effort est reparti sur une grande distance.
Plus la pente est forte, plus cet effort est "concentré" sur une distance plus courte.

Explication un peu plus scientifique : le travail exercé par une force qui se déplace est :
F.d.cos(alpha)
alpha étant l'angle entre la direction de la force et celle du déplacement, et d étant la distance entre le point A et le point B.
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Travail_r

La direction de la force de la gravité est toujours verticale et dirigée vers le bas (dirigée vers le centre de la terre).
Quand on se déplace à l'horizontale, le sens du déplacement et le sens de la force de la gravité sont perpendiculaires. alpha = 90°, donc cos (alpha) = 0 : la pesanteur ne travaille pas.
Quand on déplace une masse à la verticale (des haltères par exemple), le déplacement est dirigé exactement pareil que la pesanteur, donc alpha = 0 et cos(alpha) = 1. Donc le travail nécessaire pour la déplacer est maximum.
Plus une pente est raide, plus cos(alpha) augmente, plus le travail nécessaire pour parcourir un mètre augmente.

Qu'on l'explique d'une façon ou d'une autre, il est clair que plus une pente est raide, plus le travail (l'énergie) nécessaire pour parcourir un mètre augmente.

Et maintenant, comment ça se traduit en termes de puissance :
P =E/t (la puissance égale l'énergie (ou le travail) divisée par le temps). La réaction naturelle, c'est que, puisque le travail à fournir augmente, on augmente t, c'est à dire qu'on prend plus de temps pour parcourir un mètre : on ralentit. Ça, tout le monde l'a constaté. Pour éviter d'avoir à fournir une puissance démesurée, on baisse la vitesse.

Avec un vélo à une seule vitesse, rien n'empêche de ralentir de plus en plus. Et pourtant, tout le monde l'a constaté aussi : quand ça monte trop, les cuisses nous brûlent, et on est obligé de s'arrêter pour mettre pied à terre. Qu'est-ce qui empêche de ralentir jusqu'à 6 ou 8 km/h et de continuer à monter ?
Ça vient du fait que le moteur humain a un "régime optimum". Quand on tourne les jambes trop lentement, l'effort musculaire devient trop grand et ça nous "crame" sur place.
Il y a aussi le fait que plus ça tourne lentement, plus l'effort à fournir à chaque tour de pédale est élevé. Arrive un moment où votre effort sur la pédale a tendance à vous lever de la selle. Se mettre "en danseuse" résoud partiellement le problème : on se retient au guidon pour pouvoir pousser davantage sur les pédales. Mais si on reste à basse vitesse de pédalage, c'est quand même épuisant et on va se retrouver vite "cramé".
La solution ? Avoir des vitesses pour démultiplier l'effort, afin de tourner les jambes plus vite et de se retrouver au régime optimum. Ca aussi, vous l'avez sans doute constaté : avec un vélo qui a suffisamment de vitesses, on passe une vitesse plus courte, on "mouline" davantage, et on arrive à monter la cote (à 6 ou 8 ou 10 km/h), là où avec un vélo monovitesse, on aurait été contraint de mettre le pied à terre.

En descente, c'est l'inverse, la force de la gravité travaille pour vous, donc vous allez vite, et si vous voulez continuer à pédaler avec un vélo monovitesse, vous allez vous retrouver à pédaler "comme un dératé", avec le risque qu'un pied échappe des pédales ce qui peut provoquer une chute (ça ne vous est jamais arrivé étant petit ? Moi, si  Twisted Evil  ). Même si vous avez des cale-pieds ou des pédales automatiques, si ça tourne trop vite, il devient difficile de coordonner l'effort musculaire (pousser au bon moment). Les vitesses servent donc aussi à pouvoir pédaler quand le vélo va vite, sans pédaler trop vite.

C'est quoi, le régime optimum pour un cycliste ? Les spécialistes peuvent en parler pendant longtemps. Pour faire simple, ce site http://www.cyclesud.fr/chroniques/cadence.html recommande de pédaler entre 85 et 105 tours par minute. Mais ça, c'est pour des cyclistes sportifs avec des pédales automatiques. On peut retenir que tant que ça reste au-dessus de 60 tours/minute, c'est déjà pas mal. Outre les considérations biomécaniques (fibres rapides/fibres lentes dans les muscles), il semble que pédaler lentement expose à davantage de douleurs et blessures (on force plus).
Or, souvent, les cyclistes "ordinaires" ont tendance à pédaler trop lentement.
Le test est facile à faire :
1) si vous n'avez pas de compteur sur votre vélo : choisissez l'un de vos deux genoux, comptez à chaque fois où il passe en position haute. Si vous comptez plus vite que quand vous comptez les secondes, vous êtes au-dessus de 60 tours/minute, c'est bon. Si c'est moins, ça veut dire que vous ne "moulinez" pas assez.
2) si vous avez un compteur : mettez-le sur la position où il affiche le temps, et comptez le nombre de tours de l'un de vos genoux pendant 15 secondes. Multipliez par 4, vous avez votre fréquence de pédalage en tours/minute.

Faites ça quelques fois en roulant, et vous saurez si vous pédalez déjà au-dessus de 60 tours/minute, ou bien si vous pédalez trop lentement. Et si vous pédalez trop lentement, essayez de vous exercer à pédaler plus vite (sans aller plus vite, mais en étant une vitesse plus bas), et vous devriez constater que c'est plutôt mieux, même si ça déroute un peu au début.
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Message par Barnabé Lun 11 Aoû 2014 - 14:46

Sujet suivant : la puissance du cycliste "réel".

Jean Thévenet est un amateur d'aviron et de vélo qui a fait beaucoup de travaux de vulgarisation sur le sujet. http://fitnesscar.free.fr/rendement_energetique_de_velos.htm

Voici sa table de puissance (en effort aérobie, donc pouvant être soutenu pendant plusieurs dizaines de minutes) pour un cycliste de 75 kg :
100 W : pépère
125 W : ordinaire
150 W : en forme
175 W : qui s'y met
200 W : qui s'y est mis
250 W : pas mauvais
300 W : commence à briller (il dit plus loin : 275 W: sportif amateur très motivé)
350 W : niveau national
400 W : niveau international
425 W : douteux (on se demande à quoi ça carbure).

On retrouve ici la limite des 410 W citée dans le premier article que j'ai mis en lien : au-delà, même pour les meilleurs sportifs mondiaux, ça commence à être suspect !

Ce qu'il faut en retenir, c'est que si vous êtes en méforme, vous avez une puissance maximale aérobie très limitée, de l'ordre de 100 à 150 W. Même un sportif du dimanche risque d'être limité vers 200 ou 250 W.

Si vous avez l'occasion de faire un test d'effort (chez le cardiologue par exemple), profitez-en pour lui demander votre puissance maximale aérobie.

Pour autant, il ne faut pas s'entraîner à la puissance maximale aéorobie : ce n'est pas bon, et c'est même dangereux, particulièrement si vous êtes en méforme ! C'est là qu'on fait un malaise voire carrément une crise cardiaque.

Pour une personne donnée, les signes extérieurs d'une augmentation de la puissance sont l'accélération de la respiration (jusqu'à l'essouflement), la sudation...
Quand on se rapproche de la puissance maximale, on peut même avoir des débuts de malaises : dans ce cas, s'arrêter immédiatement (d'une part, pour se donner le temps de récupérer ; d'autre part, parce qu'il vaut mieux avoir un malaise à l'arrêt qu'en roulant) !

Avec un cardio (cardiofréquencemètre), on peut même avoir la fréquence exacte. On peut aussi se prendre le pouls (en arrêtant le vélo) sur 15 secondes (et multiplier par 4). Mais en surveillant ses réactions physiologiques, on a déjà une petite idée du "régime" auquel on fonctionne.

En première approche, pour quelqu'un qui reprend le sport sans être en forme, il faut éviter de dépasser 70 % de la puissance maximale aérobie.

Bref, pour quelqu'un qui n'est pas un grand sportif, si vous roulez à 100 ou 150 W, c'est déjà pas mal. Mais c'est une puissance très limitée ; à comparer un vélomoteur de 50 cm3 (bridé) a une puissance d'environ 2000 W, soit environ 15 fois plus ! Même le champion cycliste de classe internationale a 5 fois moins de puissance que cette mobylette !

Donc, puisqu'on a un moteur très limité, il est intéressant de chercher à limiter les pertes (pour le moment, je reste sur un vélo classique) :
1) pertes dûes à l'interface pneus/route. Si vous avez déjà roulé avec un VTT à gros pneus avec crampons, vous avez entendu "vouh vouh" et constaté que ça n'avance pas beaucoup. Autant un vélo de compétition pour la route n'a que quelques pourcents de perte à ce niveau-là, autant un vélo ordinaire, ou pire, un VTT à gros pneus, a beaucoup de pertes.
Si vous comptez utiliser votre vélo sur la route (trajets vélotaf par exemple) :
- mettez des pneus pas trop gros et presque lisses.
- gonflez bien vos pneus : 4 bars sur un VTT, jusqu'à 6 bars sur des pneus route. Eh oui, c'est plus tape-cul mais ça avance mieux ! A vous de trouver le bon compromis performance/confort.

2) les pertes de transmission. Déjà, avoir un vélo en bon état, les roulements ont été graissés, et la chaîne est huilée régulièrement (quitte à essuyer le surplus). Il faut aussi éviter de croiser la chaîne (explication si vous ne savez pas ce que ça veut dire : http://www.team-paris-triathlon.com/velo-ne-pas-croiser-la-chaine/ ).
Le cadre absorbe un peu d'énergie lorsqu'il se déforme. Avec un vélo normal et un cycliste ordinaire, ça reste très très limité. Mais comme on vit dans un monde moderne formidable, il y a de plus en plus de vélos avec suspensions. Une suspension comprend un amortisseur. Or, le principe même d'un amortisseur, c'est de freiner le mouvement, c'est de dissiper du mouvement sous forme de chaleur. Et là, ça devient vraiment non-négligeable ! Donc, si vous avez des suspensions :
- vérifiez qu'elles sont bien réglées et qu'elles sont toujours en bon état. Elles ne doivent pas être trop molles. Faites-vous aider par une personne compétente si nécessaire. Si elles sont basées sur un ressort à air, il peut être nécessaire de regonfler la suspension avec une pompe haute pression.
- pédalez "rond". C'est à dire qu'il faut pédaler à une fréquence assez élevée et sans à-coups. Sur une ligne droite dégagée où vous pouvez regarder quelques instants la suspension sans vous mettre en danger, faites-le : en pédalage normal, la suspension ne doit pas bouger. Si elle fait des aller-retours réguliers avec votre rythme de pédalage, c'est un effet de pompage. Vous gaspillez une bonne partie de votre énergie qui est dissipée par la suspension.

3) les pertes aérodynamiques. En cyclisme sportif, les pistes d’amélioration sont sans fin, ils optimisent la position, le casque, les vêtements, etc.
En cyclisme de loisir ou trajets vélotaf, il faut commencer par éviter les erreurs les plus flagrantes : essayez d'avoir des vêtements près du corps, évitez de rouler avec une veste ouverte... Les autres améliorations sont plus difficiles à faire : faut-il changer de vélo, s'habiller en cycliste, mettre un guidon course et se positionner sur la position du bas (sachant que c'est très dangereux en ville car on regarde moins devant et que souvent on n'a plus les freins sous les doigts) ?

Mais la meilleure manière de diminuer les pertes aérodynamiques, c'est de rouler moins vite. Rappelez-vous que la puissance nécessaire pour compenser les pertes aérodynamiques augmente avec le cube de la vitesse (j'ai fait bien attention au vocabulaire utilisé pour ne pas me faire reprendre par tarsonis clind'oeil  ). Donc, 2 ou 3 km/h en moins, c'est déjà nettement moins de puissance à fournir.
Sur un trajet de type vélotaf, essayez de garder un rythme qui vous évite de vous essouffler et de suer. Avoir un compteur est très utile pour cela. Dès que vous sentez que vous vous essoufflez, ralentissez un peu. Vous verrez que vous ne perdrez pas beaucoup de temps sur le trajet, que l'expérience sera plus agréable, et que vous collègues apprécieront de ne pas vous voir arriver tout suant et soufflant. Evidemment, il faut partir en avance pour ne pas essayer de rattraper votre retard sur la route ! Et ralentissez tout particulièrement sur la fin du trajet pour le retour au calme.
Il ne faut surtout pas croire que, parce que vous ne vous mettez pas hors d'haleine et que vous ne suez pas comme un phoque, "ça ne compte pas", ça n'est "pas vraiment du sport". Au contraire, pratiquer régulièrement un exercice moyennement intense est une très bonne façon de se remettre en forme, de faire progresser sa capacité cardiaque et respiratoire, et de faire progresser ses performances.

Oh, j'oubliais : pour optimiser le rendement, il faut aller droit ! Ne pas aller droit est fréquent chez les cyclistes amateurs. Demandez à quelqu'un qui vous suit de regarder votre trajectoire. Si elle est rectiligne, c'est bon. Si, à chaque coup de pédale vous déviez un peu, vous tracez une longue sinusoïde sur la route, ce qui veut dire que vous augmentez la distance parcourue ainsi que les pertes au niveau des pneus. Il faut s'appliquer à rouler bien droit.
Il faut aussi un vélo à sa taille, et le régler à sa taille (hauteur de selle, etc). On trouve facilement les infos là-dessus, donc je passe sur ce point.

Vous aurez noté que ce qu'on apprend en s'intéressant un peu à la "physique du vélo" va à l'encontre d'une bonne partie du discours commercial des marchands de vélo :
- non, le poids n'est pas si important. Le poids du vélo n'est un vrai handicap que dans les montées ; sur le plat à vitesse constante, le poids du vélo n'intervient pas. Quand on voit le prix à payer pour chaque kilo en moins sur le vélo... alors que beaucoup d'entre nous ont quelques kilos à perdre...
Par exemple, pour un trajet vélotaf, il vaut mieux un vélo un peu plus lourd mais plus fonctionnel. Des garde-boues et un porte-bagage rendent de grands services pour des trajets urbains.
- les pneus à gros crampons qu'on trouve dès qu'on achète un VTT sont inadaptés à la route. Pourtant, combien d'acheteurs de VTT feront vraiment du tout-terrain ?
- des suspensions ne sont peut-être pas une si bonne idée... Ca rajoute de l'entretien donc des frais, ça rajoute du poids, et ça risque de pomper une partie de votre précieuse énergie. Ca n'est un vrai avantage que pour le tout-terrain, les chemins empierrés. Sur la route, un bon vélo sans suspensions vaut mieux qu'un vélo médiocre avec suspension. Donc, à budget donné, il vaut sans doute mieux prendre un bon vélo sans suspension qu'un vélo avec suspension qui vous fera forcément descendre en gamme.


Dernière édition par Barnabé le Lun 11 Aoû 2014 - 19:27, édité 1 fois
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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty Re: La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Barnabé Lun 11 Aoû 2014 - 18:36

Comment les réglementations des courses cyclistes  et de l'UCI ont tué l'innovation du vélo

Sans refaire toute l'histoire du vélo dans le détail (voir http://www.cycloclub-varangeville.fr/histoire-des-velos ), il faut expliquer comment des innovations majeures ont été tuées par la réglementation des courses cyclistes et de l'Union Cycliste Internationale.

Historiquement, il y eut l'invention de la draisienne (deux roues sans pédales, on "court" avec les pieds) en 1817.

Vers 1860, invention des pédales. Comme elles sont en prise directe sur la roue avant, pour aller plus vite on augmente le diamètre de la roue avant, c'est le Grand Bi.

A partir de 1879, arrivée de la transmission par chaîne. Le fait d'avoir un grand plateau et un petit pignon permet d'avoir de la démultiplication, et les roues redeviennent de taille normale.

Dès 1879, on cherche à avoir plusieurs vitesses, avec divers dispositifs : plusieurs chaînes, roue arrière qu'on retourne, vitesses au moyeu. Le dérailleur est inventé en plusieurs étapes. En 1912, le dérailleur est utilisé sur le tour de France et montre sa supériorité... et il est aussitôt interdit, n'étant admis à nouveau qu'en 1937 ! Premier gros exemple de bridage de l'innovation. Heureusement, il a ensuite été autorisé à nouveau !

Je passe sur l'invention du pneu et de la roue libre.

Dès 1910 (voire avant ?), on se met à utiliser des carénages. En effet, lorsqu'on évolue à haute vitesse sur le plat, environ 90 % du frein à l'avancement est constitué par la résistance de l'air. De plus, vous vous rappelez que la puissance nécessaire pour vaincre la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse, donc elle augmente très vite. On aura beau avoir le meilleur vélo et être super entraîné, chaque km/h supplémentaire devient de plus en plus difficile à grappiller. La solution radicale consiste à améliorer l'aérodynamisme du vélo avec un carénage.
La puissance du moteur humain : le cas du vélo %C3%89tienne_Bunau-Varilla,_Marcel_Berthet,_v%C3%A9lo_torpille,_1913
Voir aussi :
http://historizo.cafeduweb.com/lire/12552-1910-velo-torpille.html
Dès 1914, l'union cycliste international invalide les records de vitesse de ces vélos et interdit les carénages.

Une autre invention majeure est le vélo couché. Dès les années 1890, des modèles de vélo couchés se développent.
Dans les années 30, le français Charles Mochet est constructeur de voitures à pédales carénées, à 4 roues, appelées "vélocar". Il fait l'essai d'un demi-vélocar (sans carénage) et trouve que ça va plus vite qu'un vélo normal. En 1932, il écrit à l'Union Cycliste Internationale pour savoir si un record de vitesse sur un tel vélo serait homologué. La réponse est oui... puisqu'il est dépourvu de carénage.
Le 7 juillet 1933, le français Francis Faure établit un nouveau record de l'heure à 45,055 km avec le vélo couché de Mochet.
A gauche sur l'image, la "vélocar", à droite, le vélo couché dérivé de la vélocar qui a permis à Faure d'établir son record :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Velc3

"Quand un certain Maurice Richaud(Fr) en septembre et le hollandais Jan van Hout en aout 1933 ont eux aussi dépassé ce record de Egg, mais tous 2 moins rapides que Faure, l'UCi s'est réuni pour définir quel record valider."
L'UCI a finalement décidé au congrès du 3 Février 1934 d'invalider le record de Faure et d'interdire les vélos couchés. Voilà donc la seconde invention majeure (après le carénage) qui a été interdite par l'UCI. Avec la mort de Charles Mochet la même année, les vélos couchés subissent un coup d'arrêt et ne seront vraiment relancés qu'à partir des années 1970.
Source : http://www.lepetitbraquet.fr/chron19_mochet.html
Ce qu'il faut bien voir, c'est qu'il est logique qu'une fédération sportive délimite ce qui est autorisé ou non dans son sport. Par exemple, personne ne s'étonne que les palmes soient interdites dans les compétitions de natation ! Et pourtant, il est évident que les palmes permettent d'être plus efficace pour nager. Il existe d'ailleurs des compétitions de nage avec palmes, mais il s'agit d'une discipline mineure, peu répandue, pas reconnue discipline olympique, etc. : http://fr.wikipedia.org/wiki/Nage_avec_palmes
On se rappelle aussi que, récemment, il y a eu l'histoire des combinaisons. A partir de 2008, des combinaisons en polyuréthane permettaient de réduire les frottements dans l'eau et de gagner de nombreux records. Là aussi, la réaction a été l'interdiction, en 2010 : http://www.ladepeche.fr/article/2009/07/24/644218-natation-interdiction-des-combinaisons-en-polyurethane-en-2010.html

De la même façon, l'UCI a décidé d'interdire les carénages et les vélos couchés. C'est légitime pour une fédération sportive qui délimite son sport pour mettre tous les sportifs sur un pied d'égalité. Là où c'est regrettable, c'est que ça a complètement bridé le progrès technique des vélos, vu que les constructeurs ne travaillaient plus que sur les vélos "autorisés". Il faut bien se rendre compte que les vélos modernes de course cycliste ne sont pas fondamentalement différents du vélo avec dérailleur qui a brillé dans le Tour de France en 1912 :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo 13
Le système a été amélioré, bien sûr, mais il n'y a plus eu aucune rupture technologique depuis un siècle.

Par contrecoup, cette interdiction en compétition a empêché la diffusion de ces inventions dans les vélos vendus au grand public. C'est quand même ahurissant qu'aucun grand constructeur n'ait vendu de vélo couché ni de vélo avec un bout de carénage. Apparemment, il fallait faire les mêmes vélos que pour les "champions". Je ne sais pas si cette attitude de "mouton" est le fait du public, ou si les constructeurs de sont auto-censurés.

En résumant de façon un peu féroce, un champion cycliste actuel est quelqu'un qui se bat contre la résistance de l'air (alors qu'elle pourrait facilement être réduite), et qui est dans une position inconfortable, anti-anatomique. Plus il se baisse pour gagner en résistance de l'air, plus il comprime son thorax, alors qu'il aurait besoin de se redresser pour respirer librement ; il baisse la tête et doit se tordre le cou pour regarder devant... C'est quand même triste à dire !

Les records de vitesse obtenus sur une machine propulsée par l'homme permettent de bien souligner les performances supplémentaires permises par la position couchée et carénée :
distance parcourue en une heure sur le plat :
Record de l'heure UCI 49,700 km datant de 2005
On voit à quel point le matériel contraint la performance, quand on se rappelle que Oscar Egg a établi un record de l'heure à 44,247 km en 1919. Presque un siècle plus tard, on fait seulement 5,45 km de plus dans l'heure...
Engin utilisé (on voit que ça reste un vélo très classique, si ce n'est la selle inhabituellement haute) :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Sosenka3
L'UCI homologue un autre type de record "meilleure performance dans l'heure" ou "best human effort" : tout en restant sur un vélo debout, diverses amélioration sont autorisées : roues à disques, casques profilés...
Ce record est à 56,375 km et date de 1996.
Le record de vélo couché non caréné est de 56,597 km ; c'est comparable avec la "meilleure performance dans l'heure" de l'UCI.
Le record de vélo couché caréné est à 91,595 km et date de 2011. Là, on fait vraiment la différence par rapport à Oscar Egg, on n'ajoute pas 5 km mais 47 km !
L'engin utilisé :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Eiviestrettorecord

Vitesse absolue
Le record de vitesse "UCI" sur piste est le sprint 200 m lancé, à 77,030 km/h et date de 2013.
Le record absolu de vitesse avec un vélo couché caréné date aussi de 2013 et il est de 133,78 km/h.
L'engin utilisé :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Bdm-20130910-0289

Evidemment, on voit que ces engins de course ne peuvent pas être utilisés au quotidien. Néanmoins, ça permet de visualiser ce qu'est vraiment l'innovation sur le vélo : carénage, position couchée, utilisation des techniques et matériaux modernes... avec, à la clé, des performances sans aucune mesure avec les vélos de forme classique.
D'ailleurs, il faut quand même dire, sans diminuer leur mérite, que les pilotes de ces engins ne sont probablement pas au niveau des gagnants du Tour de France, et que les constructeurs de ces engins n'ont pas les mêmes moyens que les grands constructeurs de vélo. Si le vélo couché caréné avait eu le même soutien et le même engouement que le vélo classique, on serait sûrement à plus de 100 km pour le record de l'heure, et à plus de 150 km/h en sprint. Maintenant que le mouvement semble amorcé, ça devrait se faire d'ici une dizaine d'années...

J'ajoute le graphique suivant (pris sur Wikipedia) qui montre l'évolution du record de l'heure au fil du temps :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo 800px-Cyclingdevelopmenthourrecord.svg
Légende : IHPVA : International Human Powered Vehicle Association
UCI "best human effort" : sur vélo debout mais avec disques sur les jantes, casques aérodynamiques, etc.
UCI hour record : le record de l'heure sur vélo "classique".

Ce qu'on voit, c'est que :
- le record en vélo classique ne progresse que très très lentement depuis 1914 (record d'Oscar Egg à Paris le 18 septembre 1914 : 44,247 km). Malgré tous les progrès techniques, malgré les éonrmes progrès dans l'entraînement physique des sportifs, l'amélioration est très faible. Or retrouve là le fait que la puissance à développer pour vaincre la résistance de l'air augmente avec le cube de la vitesse. On se heurte à une pente qui est de plus en plus pentue : chaque progression coûte très cher.
- l'UCI "best human effort" a été définie a posteriori. En fait, en 1996, l'UCI a considéré que les records postérieurs à celui de Merckx en 1972 n'étaient pas dans la même catégorie car ils avaient bénéficié de "trop" d'optimisation aérodynamique. Les records ultérieurs à 1972 ont donc été reclassé en "best human effort". C'est un magistral exemple de conservatisme ! Les constructeurs et les coureurs ont "trop progressé" ? On les dégrade dans une autre catégorie, quitte à réecrire plus de 20 ans d'histoire du record de l'heure !
- quant au vélo "libre", on voit que les deux grosses progressions ont lieu en 1933 par Francis Faure à 45,055 km en vélo couché non-caréné, puis Marcel Berthet à 49,99 km en vélo debout caréné. Ensuite, il y a eu 46 ans de traversée du désert pour ce type de vélo. A partir de 1979, les records recommencent à monter de façon très importante, au début avec un vélo debout caréné puis avec des vélos couchés carénés.
Entre 1979 et 2011, le record est battu 26 fois en 32 ans et permet de passer de 51.31 km en 1970 à 91.556 en 2011 (une augmentation de 78 % !), ce qui montre bien qu'il y avait un énorme potentiel de gain de vitesse avec les vélos couchés carénés, mais que ce gain de vitesse avait été totalement étouffé par l'interdiction du vélo couché par l'UCI en 1934. Heureusement, la progression a repris à partir de 1979, et cela constitue une source indéniable de progrès technique pour le vélo couché (caréné ou non).


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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty Re: La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Barnabé Mar 12 Aoû 2014 - 9:34

Toujours du point de vue de la physique appliquée au vélo, on voit se dessiner trois pistes évidentes d'amélioration :
1) le carénage
2) la position couchée
3) ajouter un moteur.

ce n'est malheureusement pas si simple. Quelques discussions générales avant de présenter peut-être quelques modèles :
1) le carénage présente des inconvénients :
- il est relativement coûteux
- il est fragile
- s'il est complet, il remet en cause une caractéristique essentielle du vélo : pouvoir mettre le pied à terre pour le stabiliser lors d'un arrêt ! Il présente aussi une sensibilité au vent latéral. Mais un carénage complet présente quand même l'avantage de protéger de la pluie.
- il diminue voire supprime le vent sur le cycliste, donc aussi le refroidissement par le vent. Vous avez sans doute remarqué qu'à vélo, le moment où on a le plus chaud et on se met à suer de manière importante, c'est quand on s'arrête. Parce qu'il n'y a plus le refroidissement apporté par le déplacement. Dans un carénage, on est tout le temps protégé du vent.

2) le vélo couché présentait, il y a encore peu de temps, quelques problèmes à résoudre :
- la longueur importante de la chaîne
- si le pédalier tourne avec la roue avant, on ne pédale plus dans l'axe. Ca fait que les articulations, les genoux notamment, travaillent de travers. Apparemment, ça générait des problèmes d'articulation.
- assez lourd et on ne peut pas se mettre en danseuse : difficultés dans les côtes.
Aujourd'hui, ces divers problèmes sont résolus. Les vélos disponibles commercialement sont fiables, le pédalier tourne dans un plan fixe (ce sont les mains qui dirigent), et il y a suffisamment de vitesses pour prendre les cotes (même si l'équilibre peut être délicat à basse vitesse). Il reste aussi que ça nécessite une certaine adaptation : le temps de s'habituer à la position, à l'équilibre... Enfin, ces vélos sur plutôt adaptés à des routes (ballade, cyclotourisme). Dans nos villes pleines de trottoirs, ces vélos ne sont pas adaptés pour monter ou descendre les trottoirs comme des sauvages.
Ce qui reste aussi comme inconvénient, c'est que c'est assez cher : ça commence à 1000 € mais les bons modèles sont à 2000 € et plus.

3) ça fait quelques dizaines d'années que des gens travaillent à l'ajout d'une motorisation électrique sur un vélo. Parmi les problèmes physiques :
- poids de la batterie et du moteur
- bonne intégration de la batterie et du moteur.
Problème réglementaire : à partir de quand ça cesse d'être un vélo pour devenir autre chose ?
En France, le VAE (vélo à assistance électrique) doit respecter les limites suivantes :
- moteur 250 W maxi
- l'assistance ne s'enclenche que lorsqu'on tourne les pédales et doit cesser dès qu'on arrête de pédaler ou qu'on agit sur les freins.
- l'assistance doit se couper à 25 km/h.
Sinon c'est un vélomoteur, ce qui nécessite une assurance spécifique.

Maintenant, si on mixe tout ça ensemble :
- Carénage sur vélo classique : je ne connais pas d'exemple commercial actuel. L'idée est à peu près abandonnée, je crois. En fait, l'idée semble être que, tant qu'à sortir des règles de l'UCI, on en profite aussi pour adopter le vélo couché. Donc on passe directement à couché-caréné. Pourtant, un petit carénage avant sur un vélo de course classique devrait déjà permettre de gagner de la vitesse sans remettre en cause la praticité de l'ensemble.

- assistance électrique sur vélo classique : c'est disponible commercialement et on commence à en voir. Les problèmes sont :
- ajouté à un vélo urbain classique, c'est lourd et ça reste assez peu performant. Ca ne résoud notamment pas le problème de l'aérodynamique. Par rapport à un vélo urbain classique, ça permet de monter plus facilement les côtes et de tenir une meilleure moyenne. Mais pour le cycliste expérimenté disposant d'un bon vélo, il atteint déjà assez facilement 25 km/h donc l'avantage est moindre.
- c'est cher. Couramment 1000 à 2000 €, et pour ce prix on n'a pas vraiment des machines de course. A moins de 1000 €, la partie cycle est assez médiocre.

-vélo couché caréné : ça existe. Mais c'est cher, fragile... Pour résoudre le problème de l'équilibre, les carénages prévoient des trous pour passer les pieds vers le bas ; l'autre solution est de passer au tricycle.

- vélo couché électrique : ça existe aussi, mais ça se heurte à la réglementation française. Un vélo couché permet d'atteindre facilement 25 km/h sur le plat, surtout que les clients de ce genre de machine sont souvent déjà des cyclistes. Donc l'intérêt d'une motorisation qui se coupe à 25 km/h est très limité. Accessoirement, quand on rajoute au prix d'un vélo couché le prix d'une assistance électrique de bonne qualité, ça douille.

- Si on mixe les 3 idées, ça fait un vélo couché caréné à assistance électrique. Ca existe aussi.
Du point de vue de la physique, c'est le top : on diminue fortement le frein aérodynamique, on place le cycliste en position ergonomique, et on le supplémente avec un petit moteur qui reste léger.
Là aussi, pour résoudre la question de l'équilibre à l'arrêt, il faut passer au tricycle : la plupart des "vélomobiles" conçues actuellement sont en tricycle.
Par contre, il y a des problèmes pratico-pratiques :
- le prix élevé. Un bon vélo couché + un carénage + une assistance électrique... Chaque élément est cher et l'addition des trois est salée. J'avais regardé cela il y a environ 6 ans : un fabricant hollandais en proposait un pour 8000 €. Ouch.
- l'assistance électrique qui se coupe à 25 km/h est inutile sur un appareil aussi performant. Pour qu'elle soit intéressante, il faut pouvoir l'utiliser aussi au-delà de 25 km/h. Faut-il essayer d'en faire homologuer en tricycle à moteur ? Dans ce cas, il faut le permis B1, une assurance...
- dernier problème, qu'on retrouve aussi, mais à une moindre mesure, avec les autres vélos : l'insertion dans le traffic. Une "presque voiture", mais petite et peu visible, qui va presque aussi vite qu'une voiture en ville, mais qui ne peut pas rivaliser avec les accélérations lorsque le feu passe au vert, qui ne peut pas rivaliser non plus sur les voies plus rapides (routes limitées 70 ou 90 km/h...)... Là on rentre dans des considérations philosophiques : est-il normal que les gens qui ont besoin d'1 tonne de métal et de beaucoup de carburant pour se déplacer empêchent les autres d'utiliser la route sereinement ? Dans un monde idéal, la vitesse serait limitée à 60 km/h sur la route, et les "vélomobiles" auraient alors toute leur place et s'imposeraient même comme une évidence.

En tout cas, le test commercial montre que le vélo couché est déjà un succès : bien répandu en Allemagne, Suisse, Pays-Bas. En France, il y aurait environ 4000 vélos couchés et 130 magasins.
Les vélos couchés à assistance électrique et les vélomobiles sont plus confidentiels mais il y a une offre commerciale et c'est sans doute une solution d'avenir.

Je précise que si j'ai une bonne expérience des divers vélos "classiques" à position debout, je n'ai jamais essayé un vélo couché ! J'en ai vu, j'ai discuté avec des utilisateurs, j'ai lu diverses choses sur internet... mais mon expérience s'arrête là.


Dernière édition par Barnabé le Mar 12 Aoû 2014 - 12:15, édité 1 fois
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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty Re: La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Barnabé Mar 12 Aoû 2014 - 10:20

Petite revue des types de vélo "optimisés du point de vue de la physique" :

- pour le cyclisme sur route "classique", les vélos de course disponibles sont déjà optimisés et bien connus.


- pour le cyclisme en tout-terrain, les VTT mono-suspendus ou tout-suspendus sont aussi bien optimisés désormais. Par contre, ce ne sont pas des vélos pour la route (gros pneus, moindre rendement...). Bien connus aussi, donc je passe.


- pour le vélo urbain, le vélotaf, la ballade, un bon choix est ce type de modèle :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo 3028581_38287_raw

Vélo performant, plein de vitesses, sans suspension, avec garde-boue et porte-bagage, des pneus fins ou de taille moyenne lisses ou presque, et un guidon droit pour avoir toutes les commandes sous les doigts. On peut monter ou descendre des trottoirs mais avec précaution et à vitesse réduite. Sur les routes (et pistes cyclables) dégradées, on sent quand même les secousses. Perso, j'ai ce type de modèle et après en avoir essayé de nombreux autres dans ma vie de cycliste, je trouve que c'est vraiment un optimum pour la ville et la ballade. Il vaut mieux prendre d'emblée un modèle avec garde-boues et porte-bagages, car ce n'est pas facile de trouver ensuite les modèles qui sont parfaitement adaptés à ce modèle de vélo.
Evidemment, pas très aérodynamique, surtout qu'on a une position assez redressée. Pas grave, on n'est pas là pour battre des records mais pour se déplacer agréablement. Ca reste nettement plus rapide et agréable que le vélo urbain "classique" qui est bien lourdingue.
A noter aussi qu'on peut partir d'un vélo de course ou polyvalent un peu ancien, y ajouter des garde-boues et un porte-bagage s'ils n'y sont pas déjà, et on a quasiment la même chose pour beaucoup moins cher. Les vitesses indexées et un guidon droit sont quand même très appréciables en ville. Un VTT ou un VTC sans suspension peut faire une bonne base aussi à condition de mettre des pneus minces, mais les garde-boues étroits et le porte-bagage sont difficiles à trouver en roues de 26".


- le vélo pliant : ce n'est pas du tout un optimum du point de vue de la physique... sauf si on intègre le besoin de faire du déplacement intermodal : pour le vélotaf, c'est typiquement train + vélo. Pour le loisir, ces vélos sont utilisés pour transporter à bord d'une voiture, d'un camping-car, d'un bateau... mais aussi pour le cyclotourisme au long cours, avec l'avantage de pouvoir prendre facilement le bus, le train, le bateau et même l'avion.
Les Brompton constituent un optimum : très bien conçus, très compacts et pratiques une fois pliés, facile à plier et déplier, assez performants sur la route :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo VP-Brompton-3

Voir par exemple ce test comparatif de vélos pliants : http://www.cyclable.com/blog/produits/velo-pliant/comparatif-pliage-encombrement
Dans les grandes villes anglaises, c'est devenu un classique, et ça se répand de plus en plus. Neuf, ça vaut entre 1000 et 1500 € selon le modèle choisi et les équipements. J'en ai un, le modèle M3L, payé 650 € d'occase.


- le VAE... je n'en connais pas qui soient vraiment optimisés. Ca reste des vélos assez lourds et peu aérodynamiques. J'ai testé un VAE "basique", type vélo de femme pour la ville, l'assistance est agréable (mais pas monstrueusement puissante, ça ralentit pas mal dans les côtes) ; mais ça reste assez lourd et pas super agréable. Pour ceux qui veulent approfondir, voici un site quasiment dédié au sujet : http://cyclurba.fr/index.php


- le vélo couché. Il existe de nombreux modèles pour différents usages. Voici par exemple un vélo polyvalent qui peut faire de la randonnée (notez la présence de suspensions). Streetmachine, à partir de 2300 € environ :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Streetmachine

Voici un petit bilan sur le vélo couché pour le voyage au long cours, dressé par un couple qui a fait 15 000 km avec des vélos couchés : http://recits.cycloreveurs.fr/projet/preparation/materiel/bilan-velos-couches/

A l'extrême inverse, un vélo couché de course, c'est ça (M5 low racer, dans les 2500 €). La position très allongée permet de gagner en aérodynamique, même sans carénage :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo M5lowracer


- En version tricycle, ça donne des choses comme ça (2500 € aussi) :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Kw_allround


- Enfin, une vélomobile perfomante (c'est à dire un tricycle avec carénage), c'est ça. Milan SL, 6700 €, détient le record des 24 h en solitaire à plus de 50 km/h de moyenne :
La puissance du moteur humain : le cas du vélo Aa-119-1

Quand on ajoute une assistance électrique sur une vélomobile, on arrive à des modèles encore 1000 ou 2000 € plus chers...

Pour ceux qui veulent appronfondir, il y a un site en français consacré aux vélomobiles. Voici leur page présentant les différents modèles commerciaux : http://www.velomobile-france.com/pages/velomobiles/page-test.html
J'ajoute un article qui fait bien le tour du sujet "vélomobile" : http://www.lowtechmagazine.com/les-v%C3%A9lomobiles-electriques-aussi-rapides-et-confortables-que-les-automobiles-mais-80-fois-plus-efficaces.html
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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty Re: La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Barnabé Mar 12 Aoû 2014 - 18:42

Pour fokeltok : concernant ton projet de prototype, tu trouveras le plus d'infos sur le forum spécifique aux vélos couchés :
http://velorizontal.bbfr.net/forum
où ils semble il y avoir quelques auto-constructeurs bien velus... ...ou bien en contact IRL auprès d'autres constructeurs.

Sinon, il y avait ce week-end les Championnats du Monde de VPH à Saône, à côté de Besançon. Au programme, il y avait :
- une course de cote,
- un sprint sur 200 m départ lancé,
- un sprint sur 1000 m départ arrêté,
- une épreuve de route sur 100 km.

Chaque épreuve rapportait des points et contribuait donc au classement général. Bon, il n'y avait pas que de la compète, il y avait des présentations de matériels, des essais et plein de choses sympathiques, et c'était même suivi d'une semaine de cyclotourisme pour ceux qui le voulaient, mais bon, je n'y étais pas donc je n'ai pas pu profiter de la convivialité !

Même si ces 4 épreuves ne sont pas vraiment représentatives d'un usage quotidien, elles donnent quand même une vue globale de la performance de chaque engin et de son utilisation possible au quotidien ; par exemple, la course de côte était dans un village et avec des parties à 20 %, donc il faut un vélo maniable et stable même à basse vitesse ; ça exclut les vélos conçus exclusivement pour les records mais qui ne tiennent même pas debout à l'arrêt sans assistance extérieure. Donc, pour avoir une idée de ce qui marche le mieux sur un championnat varié comme celui-là, on peut regarder les 10 premiers au classement général.

(précisions : sauf mention contraire, tous ces vélos sont des vélos couchés. Ces engins étaient tous mûs par la seule force humaine, pas d'assistance éléctrique. Tous les résultats : http://hpv-worldchampionship-france2014.com/results.html )

Il apparaît notamment que :
- les deux gagnants étaient en vélomobile (tricycles carénés).
- les suivants sont en 2-roues semi-caréné, puis non-caréné, puis semi à nouveau...

Au final, sur les 10 premiers, la répartition est la suivante :
- 3 vélomobiles
- 2 deux-roues semi-carénés
- 4 deux-roues non carénés
- 1 deux-roues entièrement caréné

Le premier trike (tricycle non caréné) arrive à la 54e place... c'est sévère ! Soit cet appareil est peu performant... soit les compétiteurs pointus utilisent d'autres appareils !

Autre stats intéressantes, la répartition des types de machines en compétition. Ca donne une petite idée de qui roule  avec quoi "dans ce milieu" :
- deux-roues entièrement carénés : 3
deux-roules semi-carénés : 13
- deux-roues sans carénage : 59
- tricycles non carénés : 11
- vélo debout (classiques) : 2
- vélomobiles (tricycles carénés) : 15

Le nombre important de deux-roues non-carénés s'explique facilement par le prix moindre et par un usage plus facile au quotidien.

Enfin, la compétition "route" donne aussi une bonne idée de ce qui marche le mieux en utilisation réelle. Je m'attendais à voir des vélos carénés dans les tout premiers gagnants, mais non :
1) deux-roues semi-caréné (vitesse moyenne : 38 km/h).
2 à 4 : deux-roues non carénées
5 et 6 : vélomobile

Donc, c'est quand même rassurant : sur ces 100 km route, le premier carénage intégral arrive 5e, et les deux-roues non carénés se révèlent tout à fait performants en utilisation réelle, puisqu'ils prennent les places 2 à 4. Les deux-roues non carénés, c'est à dire les vélos couchés "classiques", sont donc des machines qui sont à la fois abordables (en prix, en complication technique) et qui sont manifestement performantes sur la route. Au classement général, le premier deux-roues non-caréné arrive 4e ce qui montre là aussi une bonne performance réelle.

Ca répond partiellement à ta question, folketok : il semblerait que, dans la vraie vie, un vélo couché de type sportif soit déjà très performant, sans aller chercher un carénage qui est forcément lourd, cher, complexe et fragile. La vélomobile du gagnant coûte plus du double d'un vélo couché sportif de compète (genre M5 low rider carbon), qui vaut lui-même plus du double d'un vélo couché d'entrée de gamme.

Le gagnant au classement général est Richard Dähne, il est allemand, et grâce à un petit coup de google, j'ai trouvé une vidéo de l'intégralité de sa course de côte qu'il a postée sur Youtube :



Ca permet de savoir au passage qu'il roule en vélomobile Go-One Evo K. (C'est ça : http://www.velomobile-france.com/pages/infos-vehicules/velomobile-go-one.html ; ça vaut quand même entre 8000 et 11 000 €. On peut rouler avec ou sans le capot au-dessus de la tête ; pour une course de côté, on comprend qu'il n'ait pas pris le capot, pour l'aération).
Il est arrivé 10e de la course de côte. Sachant que le carénage ne donne quasiment aucun avantage en montée car la vitesse trop lente pour que le gain aérodynamique soit important, mais qu'on contraire on pâtit du poids, ce mec doit son classement dans cette épreuve surtout à ses performances physiques, pas tellement à sa vélomobile !
Le suivi, en haut à droite de l'image, est épatant : ça donne en permanence la position sur le circuit, le dénivelé parcouru, la pente, et la puissance instantanée du cycliste ! Le truc en vert gradué jusqu'à 130 doit être la fréquence de pédalage. Je n'ai même pas idée du genre d'appareil qui permet de faire ça. Si c'est un ordinateur de bord qui fait ça, et qui l'incruste de plus dans la vidéo, je suis épaté !

Une autre vidéo de vélomobile postée par un certain RRadler1 : 76 km/h sur le plat, à la seule force des muscles. C'est impressionnant. Quand il double un cycliste sportif, celui-ci semble arrêté... clind'oeil



Encore une vidéo de vélomobile, un mec qui double une floppée de vélos de course "classiques". Certains s'accrochent, mais pas très longtemps ! Ca illustre bien ce que je disais sur le frein aérodynamique et sur le cube de la vitesse...  Twisted Evil 

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La puissance du moteur humain : le cas du vélo Empty Re: La puissance du moteur humain : le cas du vélo

Message par Catharing Mar 12 Aoû 2014 - 21:33

@ Fokeltok

http://velorizontale.free.fr/ est devenu http://www.afvelocouche.fr/ mais il est toujours visitable.

Bents d'occase http://www.bentokaz.com/consulter.php?type_annonce=Vente

DIY = http://dutchbikes.nl/

Association des VPH (Véhicules à Propulsion Humaine) http://www.france-hpv.org/

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http://amicaledesnidsapoussiere.over-blog.com/

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Message par Barnabé Mer 13 Aoû 2014 - 7:39

Petit point sur l'assistance électrique et la loi :

Comme dit plus haut, en France, en application d'une directive européenne, le VAE (vélo à assistance électrique) doit respecter les limites suivantes :
- moteur 250 W maxi (en puissance nominale continue)
- l'assistance ne s'enclenche que lorsqu'on tourne les pédales et doit cesser dès qu'on arrête de pédaler ou qu'on agit sur les freins.
- l'assistance doit se couper à 25 km/h.
Dans ces conditions, ça reste un vélo, donc c'est : non immatriculé, se conduit sans autorisation et n'a pas besoin d'assurance spécifique (c'est l'assurance responsabilité civile qui joue).

Si l'une de ces conditions n'est pas respectée, mais que ça respecte néanmoins les limites suivantes : un véhicule à deux ou trois roues dont la puissance électrique est inférieure à 4 kW et la vitesse inférieure à 45 km/h (l'assistance doit donc se couper à cette vitesse), alors ça s'appelle un vélomoteur. Contrairement au vélo, il faut : une immatriculation, le BSR (pour ceux nés après 1987), l'assurance, et porter un casque de moto ! L'engin doit aussi avoir été homologué par le fabricant ou l'importateur.
Rentrent dans cette catégorie les "VAE rapides", les scooters électriques, et aussi les "vélos couchés rapides" et les "vélomobiles rapides", c'est à dire ceux qui, comme les VAE rapides, auraient une assistance supérieure à celle autorisée pour un VAE, mais qui respecte néanmoins les critères pour un vélomoteur (moins de 4 kW et se coupe à 45 km/h).

Et si on dépasse les 4 kW ou que l'assistance continue à accélérer au-delà de 45 km/h ?
Au-delà de l'une de ces valeurs :
- si l'engin a 2 roues, ou bien 3 roues lorsque l'entraxe des deux roues situées sur le même axe ne dépasse pas 460 mm, c'est une moto : comme les scooters 3 roues à entraxe étroit, qui sont assimilés à des motos. Donc : non seulement assurance, homologation, casque, mais aussi permis A (moto) obligatoire.
- si 3 roues mais avec l'entraxe des deux roues situées sur le même axe qui dépasse 460 mm (c'est le cas de toutes les vélomobiles : comme elles ne penchent pas, il faut 60 cm ou plus entre les roues pour qu'elles soient stables), ça devient un tricycle à moteur de catégorie L5e (comme le fameux scooter Piaggio MP3 LT). Avant, ça se conduisait avec un permis B même au-delà de 125 cm3, d'où le succès de ce fameux Piaggo. Mais l'accès des automobilistes (permis B) à ces scooters de catégorie L5e a été durci : désormais, c'est soit (permis B+ 21 ans mini + 2 ans de permis + formation) soit (permis B + prouver qu'on a déjà conduit un tel engin ou une 125 depuis au moins 5 ans). Plus bien sûr, immatriculation, assurance, homologation, et casque.

Malheureusement, parmi les vélos couchés, à 2 ou 3 roues, avec ou sans carénage, dont les propriétaires ont ajouté une assistance électrique eux-mêmes, beaucoup dépassent les conditions du VAE. Ils ont donc un vélomoteur, voire même une moto ou un tricycle à moteur de catégorie L5e, sans le savoir, ou sans vouloir le savoir. Non seulement c'est hors la loi, mais surtout, en cas d'accident, ils risquent de ne pas être couverts par leur assurance (ou par l'assurance de la partie adverse, qui va chercher à montrer que le véhicule était illégal pour ne pas avoir à indemniser).

Quel dommage que l'optimisation d'un vélo selon les lois de la physique soit si peu compatible avec les lois des hommes...  nan

C'est d'ailleurs "amusant" de voir que, lorsqu'il n'y a que la force musculaire, du point de vue de la loi et des assurances, c'est un vélo ; même une vélomobile capable d'atteindre 70 à 80 km/h sur le plat. Alors qu'un VAE dont l'assistance permet de dépasser 25 km/h est, du point de vue de la loi et des assurances, c'est un vélomoteur...

Conclusion : tant que c'est de la pure force musculaire, on peut aller aussi vite qu'on veut ; alors qu'une assistance électrique trop puissance ou qui ne se coupe pas à 25 km/h a vite fait de vous mettre dans l'illégalité. C'est donc un contexte qui est favorable aux engins à seule force musculaire ; mais c'est défavorable aux engins à assistance électrique qui auraient pourtant toute leur place dans l'optique d'avoir des déplacements plus "verts".
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Message par fokeltok Mer 13 Aoû 2014 - 15:13

Waouh !
Merci ! Je ne pensais pas susciter autant de réaction en citant le vélo couché...

Je me situe dans la catégorie "promeneur du dimanche" qui veut un vélo plus efficace, moins fatiguant. J'ai pu tester en vélo droit mon VTT suspendu bas de gamme, mon vieux VTT non suspendu mais de marque, un vélo de la poste bricolé pour porter des sacs et emmener les poubelles (avec remorque !) ainsi que quelques vieux coucous bricolés pour les copains, un peu de monocycle et autres bricolages de cirque, donc je suis assez d'accord avec les questions d'effort abordés par barnabé, même si je n'ai jamais été aussi loin dans l'analyse, "ça me parle".

Je pense en effet commencer par un vélo-couché simple, pour tester, pour le plaisir, puis enchaîner par un trike pour le défi technique, pour les  corrections d'Ackerman et tout ce genre de littératue Smile

merci encore pour tous les liens, et particulièrement les liens francophones, j'en étais resté depuis longtemps aux anglophones assez nombreux mais pas toujours évident à comprendre (vocabulaire technique).
J'essaie de retrouver mes liens et je les rajoute dès que possible
Cordialement
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Message par Barnabé Lun 18 Aoû 2014 - 8:56

Un petit détail de physique amusante : sur un vélo debout, vos efforts de pédalage sont dirigés du haut vers le bas. Or, les suspensions servent aussi à amortir des chocs produits par la route sur les roues, dans le sens vertical. Donc, le risque, c'est que votre effort de pédalage produise des aller-retours des suspensions qui vont donc dissiper une partie de votre effort, et donc faire chuter le rendement du vélo : c'est le problème de pompage de suspensions que j'ai évoqué plus haut.

Avec un vélo couché, votre effort de pédalage est essentiellement de l'arrière vers l'avant, donc dans un sens horizontal. Les suspensions, elles, travaillent comme sur un vélo droit à amortir des secousses verticales en provenance de la route. Votre effort de pédalage est donc perpendiculaire au sens de travail des suspensions. Donc, sur le papier en tout cas, votre effort de pédalage ne devrait pas activer de pompage de suspensions. Il est donc, en principe, possible d'allier confort et efficacité sur un vélo couché.

Par contre, en vélo droit comme en vélo couché, les suspensions ajoutent du coût à l'achat, du poids, de l'entretien, un truc supplémentaire à régler, et des réparations potentiellement coûteuses. Il n'y a quand même pas de miracle !
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