Comment rouler face au vent : l’aérodynamisme

Rouler face au vent : très peu de cyclistes y prennent du plaisir. D’ailleurs, le vocabulaire utilisé rend compte de la manière de considérer l’aérodynamisme. On peut rouler contre le vent ou face au vent. Le vent est soit un adversaire soit un partenaire de sortie. Car, on n’a pas le choix, l’air est le premier obstacle pour le cycliste, une difficulté qui se renforce lorsque le vent devient plus fort qui plus est, lorsqu’il est de face.

Le vent est là, comme une évidence qui s’impose au cycliste. Même lorsque sa vitesse est nulle, la résistance de l’air s’oppose au déplacement du cycliste. On va comprendre que les cyclistes les moins averties sont les plus en difficultés pour rouler face au vent. Et ce n’est pas par hasard que ce sont les cyclistes “aux grosses cuisses” qui s’en sortent le mieux et ceux qui savent gérer leur aérodynamisme.

Rouler face au vent : Quelques repères pour comprendre l’ aérodynamisme

Premier repère : la résistance de l’air

Tout d’abord il faut rappeler que la résistance de l’air est la première force opposée à laquelle doit faire face le cycliste lorsqu’il  se déplace. En physique, on appelle ce phénomène “frottement cinétique” : une force qui tend à freiner un corps glissant sur une surface.
Lorsqu’un cycliste traverse une masse d’air, ce qu’il fait en permanence, il perturbe le cheminement des molécules qui composent l’air et modifie la vitesse de certaines d’entre elles. Puis la masse d’air se reforme derrière lui. Ces différences de vitesse entre les couches d’air créent une zone de surpression à l’avant du cycliste, qui tend à le repousser. À l’inverse, elles créent une zone de dépression à l’arrière du cycliste, qui tend à le retenir.

aérodynamisme

Le vent, un phénomène naturel

Rien n’y fait, l’air est bien présent. Et si le cycliste veut s’en débarrasser en accélérant, il constate, à ses dépend que la résistance de l’air augmente avec la vitesse de glissement de l’air sur le cycliste et son vélo. En somme, plus il va vite, plus la résistance de l’air augmente. Ainsi, sans vent, avec un air immobile, le frottement  de l’air est un obstacle.

Le phénomène s’amplifie en présence de vent. Lorsqu’on roule face au vent, les vitesses respectives du vent et du cycliste s’additionnent pour donner la force de résistance de l’air. 
L’action de l’air sur le déplacement du cycliste est un phénomène sur lequel il n’est pas possible d’agir. Au contraire, une vitesse de déplacement plus rapide accentue la résistance. Et cela va s’en dire, le vent de face, plus il est intense, ralentit le cycliste.

Réduire les effets du vent aérodynamisme

Dès lors, toute la question revient à se demander de quelle manière il est possible de réduire les effets de cette résistance -somme toute naturelle- sur le corps. C’est justement l’objet de l’aérodynamique que d’étudier les écoulements d’air  et leurs effets sur les solides. 

Le corps du cycliste ralentit la circulation de l’air

On observe que dans l’écoulement, de l’air sur le cycliste et son vélo se crée, au voisinage immédiat de la surface, un ralentissement de l’air se traduisant par une perte d’énergie devant être compensée par une augmentation de puissance pour maintenir sa vitesse. En effet, se crée à la surface de l’objet, une épaisseur, sous l’effet d’interactions électromagnétiques, qui, plus elle est dense, ralentit le cycliste. Cette épaisseur où l’air est ralenti s’appelle la couche limite

L’état de la surface

Il faut noter, comme un élément significatif, que l’état de la surface de l’objet a aussi son importance. Une surface rugueuse retient davantage les molécules circulant à proximité. Plus un objet présente d’aspéritées, plus il ralentit le déplacement de l’air à sa surface. La surface d’un vélo est complexe par son relief et ses irrégularités.

Premier conseil : porter une tenue appropriée.

La tenue à son importance. Le cycliste doit porter des vêtements, le plus possible, fabriqués dans une matière ne provoquant qu’un minimum de réactions électromagnétiques avec les molécules de l’air. Une tenue uniforme est plus efficace, sous la forme d’une combinaison par exemple. Ou, plus simplement, on veille à ce qu’il n’y ait pas de pans flottants ou des tissus trop lâches.
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Deuxième conseil : supprimer le plus possible d’aspérité sur le vélo. 

On évite de porter des sacoches, des valises ou autres sacs sur le cadre. 
Et si on voulait aller très loin dans la recherche d’efficacité, il faut aussi veiller aux pièces mécaniques qui peuvent retenir des molécules d’air. Toutes les transmissions doivent être parfaitement fluides en utilisant des huiles de qualité (viscosité basse).

La surface frontale et les turbulences

La résistance de l’air freine le déplacement  du cycliste. L’air ne contourne pas jusqu’au bout le cycliste. Il se forme des tourbillons derrière lui qui constituent ce qu’on appelle la traînée. Ces turbulences consomment l’énergie prise au cycliste en raison des frottements. Une dépression qui tend à le retenir. 
L’impact de la traînée sur le déplacement varie selon un coefficient qui varie selon la forme et la taille de l’objet.  

On observe dans cette image que le coefficient de traînée diminue selon l’importance de la surface qui fait face à l’air

Troisième conseil : diminuer la surface frontale : adopter une position aérodynamique

La Traînée

Le cycliste doit adopter une position qui minore la surface d’exposition de son corps à l’air. La largeur des épaules reste la même quelle que soit la position ; le cycliste ne peut agir que sur le diamètre vertical du haut de son corps.

  • Il incline donc le buste en avant, jusqu’à l’horizontal si besoin, en posant les mains sur la partie basse du guidon et/ou en fléchissant les avant-bras sur les bras.
  • Il est possible de régler le vélo avec un cintre plus bas que la selle pour baisser la position du cycliste. 
  • Enfin, on peut adopter la position du triathlète en utilisant un guidon spécifique. Une position qu’on peut atteindre également en mettant les mains aux cocottes des freins

Quatrième conseil : agir sur l’aérodynamisme du vélo et des composants

Les turbulences ne sont pas dues qu’à la surface frontale. Elles dépendent aussi de la forme du cycliste et de son vélo, de leurs contours qui sont particulièrement complexes. Ainsi le triathlète est mieux profilé pour rentrer dans l’air que le cyclotouriste parce qu’il a les mains très proches en avant. Un ensemble de mesures sont possibles pour améliorer l’aérodynamisme général : choisir un cadre aux tubes permettant d’éliminer le maximum de traînées, utiliser des roues aérodynamiques, diminuer le nombre de rayons, utiliser des rayons plats, rendre aérodynamique le poste de pilotage (cintre plat, potence, gaines et câbles intégrés), installer le compteur dans le prolongement du cintre…

Et maintenant, rouler face au vent…

Si, effectivement, la résistance de l’air impacte le déplacement du cycliste, une augmentation de la vitesse de déplacement de l’air constitue un obstacle majeur pour le cycliste. Des études montrent qu’une augmentation de la vitesse de l’air accentue sévèrement les frottements et principalement en augmentant exponentiellement l’effet des turbulences. Ainsi, rouler face au vent représente un des efforts les plus important qu’un cycliste doive fournir.

  • Lorsque le vent est de face, les vitesses du vent et du déplacement du cycliste s’additionnent (si le cycliste route à 30 km/h face à un vent se déplaçant à 30 km/h, la résistance de l’air est de 60 km/h).
  • Avec un vent de 3⁄4 face, la vitesse du vent est égale à 0,7 fois sa vitesse réelle.
  • Avec un vent à 60 °, elle est diminuée de moitié et
  • Avec un vent perpendiculaire à sa trajectoire, le cycliste n’est pas freiné. Mais il devra maintenir son équilibre.

Cinquième conseil : adopter la position la plus aérodynamique possible

Ce sont les turbulences qui constituent les plus fortes résistances lorsqu’il faut rouler face au vent. Avant tout autre chose, il s’agit de diminuer la surface d’exposition du corps en adoptant une position aérodynamique et la maintenir.
Pour faire le lien avec l’importance de la forme de l’objet sur son coefficient de pénétration dans l’air, on sait que

  • une position relevée, les mains sur le haut du cintre a un coefficient de pénétration (Cx) de 0,43,
  • Une position semi-relevée, bras fléchis, les mains sur les cocottes équivaut à un Cx de 0,35.
  • Une position penchée vers l’avant, les mains sur le bas du cintre a un coefficient de valeur 0,30.
  • Une position de contre-la-montre, les mains sur les prolongateurs a un Cx de 0,28.

A découvrir, le calculateur de puissance exercée par le vent

Ce qui représente, pour un cycliste se déplaçant à 30 km/h face à un vent de 30 km/h, une augmentation de puissance nécessaire pour faire avancer

  • de 92 watts avec une position de contre-la-montre (Cx = 0,25)
  • de 110 watts, penchée vers l’avant, les mains sur le bas du cintre (Cx = 0,30)
  • de 130 watts, semi-relevée, bras fléchis, les mains sur les cocottes (Cx = 0,35)
  • de 160 watts, relevée, les mains sur le haut du cintre (Cx = 0,43)

Cinquième conseil : adapter son effort à la force de résistance de l’air

Les frottements provoqués par le glissement du corps sur l’air génèrent une déperdition d’énergie thermique que le cycliste va devoir compenser par une augmentation de la puissance nécessaire pour avancer.

Avec un vent de 30 km/h, un cycliste adoptant une position penchée vers l’avant, les mains sur le bas du cintre (Cx de 0,30), s’il veut rouler à 30 km/h, doit produire 110 watts supplémentaires pour faire face à la force générée par la résistance de l’air.
Ce cycliste, dans des conditions identiques, s’il roule à 15 km/h doit générer 55 watts supplémentaires.

Très clairement, la vitesse de déplacement du cycliste pour rouler face au vent dépend de son potentiel physique.

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