L’aile ou la plume

par Mathieu Fagnan - 02/05/2011


Malgré la grande efficacité du vélo comme véhicule, la puissance disponible pour le mouvoir reste marginale: 0,3 cheval-vapeur! Il est donc légitime de chercher à optimiser l’efficacité de sa monture en s’attaquant aux deux variables influant le plus sur son rendement, soit le poids et l’aérodynamisme. La question devient donc: quel est l’impact relatif de chacun et par où commencer?

Un peu de science
Pour faire avancer sa monture, un cycliste doit combattre la résistance au roulement (friction des pneus sur le sol, friction des roulements de moyeux, etc.), la résistance de l’air et la résistance à la pente. À plus de 15km/h, la résistance au roulement devient négligeable, tandis que la résistance de l’air compte pour environ 90% des forces ralentissant le cycliste.
La résistance que l’air exerce sur un cycliste est définie par la formule suivante:

½ pV² (CdA)

où p est la densité de l’air, V est la vitesse, Cd est le coefficient de traînée et A, la surface frontale du cycliste et de son vélo.
Pour diminuer sa résistance à l’air, le cycliste peut donc réduire sa surface frontale (adopter une position plus regroupée) et améliorer son coefficient de traînée. C’est ici que les roues et les cadres à sections profilés sont importants. On comprend aussi que la résistance de l’air est proportionnelle au carré de la vitesse (si on double sa vitesse, on quadruple la résistance de l’air). À 36km/h, la résistance de l’air compte pour environ 200watts, ce qui représente un effort louable mais réaliste pour un cycliste récréatif. Le coefficient de traînée (Cd) d’un cycliste et de son vélo est d’environ 0,8. En passant à un cadre profilé, on gagne environ 0,005; en y ajoutant des roues profilées (de 45 à 60mm), on peut espérer un gain de 0,5. Ce gain en Cd de 0,5 est négligeable à 20km/h, mais il représente environ 20watts à 30km/h et 50watts à 40km/h. Assez pour faire la vie dure à vos partenaires de route.
La résistance à la pente, quant à elle, est fonction de la masse du cycliste et de son vélo ainsi que de l’inclinaison de la pente. Elle est définie par cette formule: mg sin s, où m est la masse du cycliste et de son vélo, g est la force gravitationnelle (une constante) et s la pente en degrés.
La puissance requise pour grimper est directement proportionnelle à la vitesse. Donc, un cycliste de 80kg sur un vélo de 7,5kg dans une pente de 5% (2,86°) doit déployer environ 236 watts pour rouler à 20 km/h (5,5m/s). En réduisant le poids du vélo de 500g, 2 watts de moins seraient nécessaires.

Sur la route
Dans la réalité, le choix entre optimiser l’aérodynamisme ou réduire le poids dépend donc grandement de la vitesse à laquelle vous roulez et de vos capacités physiques (c’est-à-dire la puissance exercée). Pour des raisons de dynamique, on portera davantage attention aux roues (leur changement a plus d'importance que d'autres éléments dans la recherche de l'aérodynamique). Un cycliste qui passe la majorité de ses heures en selle sous les 30km/h aura avantage à y aller pour le vélo le plus léger possible. Celui qui roule la pédale au plancher aura tout à gagner en optant pour l’aérodynamisme.
On peut aussi utiliser comme référence l’exemple d’un cycliste de 80kg dans une pente de 8%, comme celle du mont Royal. Si sa vitesse est inférieure à 20km/h, il aura avantage à jouer la carte du poids; si sa vitesse est supérieure, alors l’aérodynamisme devient le facteur important. Finalement, la technologie nous propose maintenant des compromis fort raisonnables (techniquement, peut-être pas financièrement) avec l’avènement de cadres et de roues de carbone légers et profilés