Equilibre en vélo

par **Alpha** » 20 Mar 2007, 19:28

Bonjour,

Ce midi, en allant manger avec des camarades de ma MP*, nous avons eu une discussion que je veux vous soumettre.

La question que l'un d'entre nous a soulevée est celle-ci :

"Pourquoi, en vélo, ne tient-on pas en équilibre à l'arrêt, mais tient-on mieux en équilibre au fur et à mesure que la vitesse augmente?"

Diverses réponses ont été envisagées par mes camarades, je vous les soumets sous forme de sondage.

J'attends vos avis! (argumentés si possible)

:happy3:

par **Dominique Lefebvre** » 20 Mar 2007, 19:49

Alpha a écrit:Bonjour,

Ce midi, en allant manger avec des camarades de ma MP*, nous avons eu une discussion que je veux vous soumettre.

La question que l'un d'entre nous a soulevée est celle-ci :

"Pourquoi, en vélo, ne tient-on pas en équilibre à l'arrêt, mais tient-on mieux en équilibre au fur et à mesure que la vitesse augmente?"

Diverses réponses ont été envisagées par mes camarades, je vous les soumets sous forme de sondage.

J'attends vos avis! (argumentés si possible)

:happy3:

Où est ton sondage?

En attendant, un début de piste: le polygône de sustentation! A l'arrêt comme en mouvement, tu ne tomberas pas sile centre de gravité de l'ensemble cycliste+vélo est dans le plan perpendiculaire au poygône de sustentation, qui est de fait une droite reliant les deux roues.

En roulant, ton équilbre sera d'autant plus stable (en rectiligne uniforme) que ta vitesse est grande parce que dans ce cas, ta trajectoire se rapproche d'une droite!

PS : Sorry, j'ai trouvé le sondage...

par **Alpha** » 20 Mar 2007, 20:07

Ce que tu dis n'a-t-il pas de rapport avec le mouvement de balancier qu'on effectue lorsqu'on pédale?

par **Dominique Lefebvre** » 20 Mar 2007, 21:24

Alpha a écrit:Ce que tu dis n'a-t-il pas de rapport avec le mouvement de balancier qu'on effectue lorsqu'on pédale?

Hum... observons ce problème d'équilibre. Il est propre à tous les deux-roues. On remarque cependant que l'équilibre à l'arrêt est plus stable avec une moto routière qu'avec un vélo de course. Mais, que ce soit avec un vélo ou une moto, on constate également que l'équilibre s'améliore avec la vitesse. Et pourtant en moto, on ne pédale pas...

Autre constat expérimental : apprendre à faire du vélo c'est apprendre à compenser avec son guidon (donc en modifiant la trajectoire) le déséquilibre. Il y a donc une relation entre la trajectoire, sa régularité et l'équilibre.

Autre expérience; lorsque tu roules avec des roues mouillées sur une route sèche (cet après-midi, tiens!) as -tu remarqué une chose curieuse: à faible vitesse , ta roue avant et ta roue arrière produisent des traces sinusoïdales (à peu près) autour de la trajectoire rectiligne. Alors que lorsque ta vitesse augmente les traces sont quasi superposables à la trajectoire. Si tu arrêtes de pédaler, tu conserves une vitesse à peu près constante un moment (qq dizaines de secondes à disons 20 km.h-1). Tu conserves ton équilibre, ta trajectoire est rectiligne et pourtant tu ne pédales pas, donc pas de balancier...

Dernière remarque expérimentale: on ne conseille pas aux débutants de pédaler plus vite pour acquérir l'équilibre: on pose des roulettes. Elles augmentent la surface du polygône de sustentation... As-tu remarqué que l'équilibre était meilleur sur un VTT aux pneus larges que sur un vélo de course aux boyaux très fins...

Bref, voilà qq sujets de réflexion...

par **entropik** » 20 Mar 2007, 21:33

Dominique Lefebvre a écrit:Où est ton sondage?
En roulant, ton équilbre sera d'autant plus stable (en rectiligne uniforme) que ta vitesse est grande parce que dans ce cas, ta trajectoire se rapproche d'une droite!

En fait moins le plan médian de l'ensemble cyclyste+vélo varie autour du plan perpendiculaire au plan du polygone de sustentation, plus l'ensemble est stable. Mais la vitesse fait quand même appel aux forces aérodynamiques pour diminuer cette variation non? Et en pratique on a jamais un MRU ni même un MRUA, on pédale pas de manière ordonnée donc peut-on exprimer le phénomène de la même façon qu'avec un MRU?

par **Dominique Lefebvre** » 20 Mar 2007, 22:00

entropik a écrit:En fait moins le plan médian de l'ensemble cyclyste+vélo varie autour du plan perpendiculaire au plan du polygone de sustentation, plus l'ensemble est stable. Mais la vitesse fait quand même appel aux forces aérodynamiques pour diminuer cette variation non? Et en pratique on a jamais un MRU ni même un MRUA, on pédale pas de manière ordonnée donc peut-on exprimer le phénomène de la même façon qu'avec un MRU?

Il est certain que le fait de pédaler provoque un déséquilibre périodique. Mais le cycliste le compense automatiquement. Cela fait même parti des automatismes acquis en apprenant à faire du vélo. Et tu as raison de dire que la stabilité de l'équlibre passe par un contrôle stricte de la localisation du centre de gravité de l'ensemble vélo+cycliste.

Quand tu écris "la vitesse fait quand même appel aux forces aérodynamiques pour diminuer cette variation ", tu penses à quelles forces aérodynamiques? Celles qu'on peut identifier sont le frottement et la traînée. Aucune de ces deux forces ne contribuent à la stabilisation de l'équilibre. Elles diminuent la vitesse, c'est tout!

Enfin, il est vrai qu'on a jamais un vrai MRU! On fait de la physique expérimentale ici... Mais on peut l'approcher dans les premières secondes après avoir arrêté de pédaler, ou encore si tu pédales à un rythme constant (juste pour compenser les frottements de roulement et aérodynamiques).

par **fahr451** » 20 Mar 2007, 23:08

bonsoir

j adore cette rubrique que je lis régulièrement ;

plus les questions sont de niveau élémentaire plus j'aime

mais hélas moins je comprends les explications fournies qui elles n'ont rien d élémentaire;

par **flaja** » 21 Mar 2007, 00:08

bonsoir.
Le vélo est toujours en équilibre instable :
pour rétablir la verticalité, il faut tourner du côté où l'on tombe,
d'où le mouvement de chute alternatif.
Quand les roues tournent, ou les éléments du moteur de la moto,
Ils produisent un moment cinétique.
Le moment cinétique dû à la pesanteur fait tomber moins vite
et l'on peut rattraper plus facilement la chute.

par **Dominique Lefebvre** » 21 Mar 2007, 16:36

flaja a écrit:bonsoir.
Le vélo est toujours en équilibre instable :
pour rétablir la verticalité, il faut tourner du côté où l'on tombe,
d'où le mouvement de chute alternatif.

Bonjour,

C'est exact, c'est le cycliste qui par correction continue de la trajectoire contribue principalement à l'équilibre du vélo.
Petite expérience pour s'en convaincre : bloquer le guidon de son vélo, dans l'axe du cadre par exemple (c'est mieux pour aller droit!) et tenter de rouler! Prévoir pansement et antiseptique....

Quand les roues tournent, ou les éléments du moteur de la moto,
Ils produisent un moment cinétique.
Le moment cinétique dû à la pesanteur fait tomber moins vite
et l'on peut rattraper plus facilement la chute.

On parle souvent de l'effet gyroscopique stabilisateur du mouvement... Il existe effectivement mais est relativement négligeable devant la stabilisation dynamique du cycliste.

Pour donner un ordre de grandeur : j'assimile une roue à un anneau rigide de rayon r= 0,3 m et de masse m= 0,5 kg. Cet anneau tourne autour d'un axe perpendiculaire à son plan et passant par son centre. Son moment d'inertie de rotation est de I=mr^2 soit 0,045 kg.m^2!

A 20 km.h-1, soit environ 5 m.s-1, le moment cinétique est de l'ordre de 0,8 kg.m^2.s-1, et la direction de ce vecteur est colinéaire à l'axe de rotation de la roue.
Ce qui fait que la stabilisation gyroscopique est relativement inefficace. Par exemple, essaye de te pencher à droite ou à gauche en roulant (en ligne droite bien sur!).

par **Alpha** » 24 Mar 2007, 16:52

Merci pour ces réponses :happy3:

Les pages 12 et 13 de ce document confirment ce qui a été dit.

par **Alpha** » 26 Mar 2007, 20:03

J'ai quand même une question :

Qu'est-ce qui fait qu'on se maintient mieux au dessus du polygône de sustentation quand on va vite, par rapport à l'arrêt? Est-ce que quelqu'un peut détailler ce point?

Merci

par **Dominique Lefebvre** » 26 Mar 2007, 20:40

Alpha a écrit:J'ai quand même une question :

Qu'est-ce qui fait qu'on se maintient mieux au dessus du polygône de sustentation quand on va vite, par rapport à l'arrêt? Est-ce que quelqu'un peut détailler ce point?

Merci

Salut Alpha,

Essaye de te rappeler ton apprentissage du vélo! Te souviens-tu pourquoi tu tombais? Moi, il semble me souvenir que pour tenir en équilibr, il fallait bouger le guidon pour garder sa trajectoire ("regarde devant toi, pas tes pédales...") et pour ça, il fallait rouler....

par **Alpha** » 27 Mar 2007, 17:00

En fait, le problème de l'arrêt, c'est qu'on ne peut pas bouger le guidon? Mais peut-on alors expliquer dans le détail ce qui fait qu'on ne peut pas aussi bien bouger le vélo à l'arrêt qu'en roulant? Parce que la roue accroche trop à l'arrêt? Je sais que la question peut paraître stupide, mais je me la pose quand même...

par **Dominique Lefebvre** » 27 Mar 2007, 17:17

Alpha a écrit:En fait, le problème de l'arrêt, c'est qu'on ne peut pas bouger le guidon? Mais peut-on alors expliquer dans le détail ce qui fait qu'on ne peut pas aussi bien bouger le vélo à l'arrêt qu'en roulant? Parce que la roue accroche trop à l'arrêt? Je sais que la question peut paraître stupide, mais je me la pose quand même...

Tu sais sans doute qu'il existe plusieurs types de frottements: les frottements statiques et les frottements dynamiques, auxquels on associe des coefficients de frottement différents. Et bien, il se trouve que le coeff. de frottement statique (à v=0) d'une rouz de vélo est très supérieur au coeff. de frottement dynamique (je n'ai plus les chiffres en tête, mais c'est au moins un ordre de grandeur).

par **entropik** » 27 Mar 2007, 18:34

Et ce coéfficient de frottement dynamique dépend comme le coéff. statique de la nature du sol et de celle des pneus je suppose? Sauf que lorsqu'on est en mouvement il faut aussi tenir compte des frottements de l'air. Alors le coéff. de frottement dynamique varie-t-il en fonction de la vitesse? Ca me paraît logique. Ainsi plus on va vite, plus nos mouvements sont freinés, y compris les mouvements latéraux, voilà qui explique que l'équilibre est accru.
Donc l'augmentation de la stabilité avec la vitesse a quand même un rapport avec l'aérodynamisme

par **Dominique Lefebvre** » 27 Mar 2007, 21:20

entropik a écrit:Et ce coéfficient de frottement dynamique dépend comme le coéff. statique de la nature du sol et de celle des pneus je suppose? Sauf que lorsqu'on est en mouvement il faut aussi tenir compte des frottements de l'air. Alors le coéff. de frottement dynamique varie-t-il en fonction de la vitesse? Ca me paraît logique. Ainsi plus on va vite, plus nos mouvements sont freinés, y compris les mouvements latéraux, voilà qui explique que l'équilibre est accru.
Donc l'augmentation de la stabilité avec la vitesse a quand même un rapport avec l'aérodynamisme

Le coeff de frottement dynamique (dans la littérature anglophone ou traduite, on parle de frottement cinétique) dépend effectivement des états de surface de la roue et du sol et de l'état de l'interface (rugosité, activation moléculaire, etc..).
Il dépend aussi de la vitesse. Par exemple, pour un pneu sur un enrobé standard, il vaut 0,8 à 10 km.h-1 et 0,5 à 130 km.h-1. C'est donc un paramètre physique de l'interface de la liaison.
Il est tout à fait différent du frottement aérodynamique qui lui traduit la capacité du mobile à évoluer dans un fluide avec plus ou moins de résistance, due à sa géométrie, à sa vitesse et à la viscosité du fluide.

Ainsi, pour calculer la résistance à l'avancement d'une voiture, il faut tenir compte de sa liaison sol (frottement cinétique) et de son aérodynamisme (frottement aérodynamique).

Pour en revenir au vélo, sa stabilité n'a rien à voir avec l'aérodynamisme du cycliste, sauf par violent vent de travers. Heureusement pour les millions de gens enveloppés qui font du vélo!

par **Alpha** » 28 Mar 2007, 16:50

Merci bien Dominique! Tout s'éclaircit!

Et la lumière fut... :id:

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