Parlons du poids en rotation. C'est un point crucial pour les monteurs de roues. Pourquoi ? Parce que nos choix déterminent le poids total et la répartition de ce poids. Il est donc essentiel que les monteurs maîtrisent ce sujet.
Le poids en rotation influe directement sur l'inertie ; le sujet est donc bien l'inertie. L'inertie est la résistance d'une masse à l'accélération. Le moment d'inertie (MOI) caractérise cette résistance et dépend de la présence ou non de masses en rotation. Les constructeurs doivent mesurer le MOI des roues.
Je vais vous montrer comment mesurer le moment d'inertie (MOI) et je partagerai un tableur pour simplifier les calculs liés à cette mesure et à son influence sur la performance à vélo. Il vous suffira d'y entrer des valeurs pour obtenir des estimations de puissance exploitables.
Forces
La résistance aérodynamique, le frottement mécanique et l'énergie inertielle sont les forces auxquelles nous sommes confrontés en cyclisme.
La traînée aérodynamique est la plus importante.
Historiquement, le frottement mécanique constituait un obstacle majeur. De nombreuses inventions furent nécessaires pour lancer l'ère du cyclisme.
Le moment d'inertie est moins souvent évoqué, voire négligé. Pourtant, tous les cyclistes sont conscients de l'influence du poids, notamment celui des roues.
La roue MOI comporte deux parties :
1/ Énergie de rotation - nécessaire pour faire tourner une roue. La rotation nécessite de l'énergie.
2/ Énergie de translation – nécessaire pour accélérer une masse. Une masse a besoin d'énergie pour se mettre en mouvement.
Avantages d'une réduction du MOI
1/ Sprint
Un poids en rotation plus faible signifie une accélération plus rapide, et c'est ce que les sprinteurs apprécient le plus.
2/ Escalade
Une ascension plus rapide est possible avec un poids moindre. La gravité privilégie le poids, ce qui amplifie sa sensation.
La vitesse varie davantage en montée et les variations sont plus importantes en pourcentage. L'élan est moindre. Un relâchement de l'effort sur les pédales entraîne une variation de vitesse plus marquée. Par conséquent, les experts conseillent de maintenir un rythme régulier, ce qui constitue un atout majeur.
Les grimpeurs préfèrent tous les vélos et les roues plus légers.
3/ Accélération de la pédale
Le pédalage est une succession d'impulsions. À l'échelle microscopique, la vitesse d'un vélo se réduit à une sinusoïde générée par un moteur à deux pistons présentant des à-coups. Même un pédalage fluide délivre davantage de puissance lors de la phase descendante. Les variations de vitesse qui en résultent comprennent de nombreuses phases d'accélération. Si les roues sont plus légères, ces phases de récupération sont moins coûteuses en énergie.
Bien que des vélos et des roues plus légers augmentent la fréquence et l'amplitude des variations de vitesse, le concurrent perçoit un avantage. Si un autre grimpeur accélère le rythme, il est urgent de suivre, ce qui constitue un véritable défi de sprint. Les changements fréquents de rythme en compétition incitent les cyclistes à privilégier un équipement plus léger.
Lors du lancement de son disque Fluid Dynamic ultraléger en 1987, Campagnolo affirmait qu'une roue plus légère était plus rapide car les coups de pédale impliquent de petites accélérations influencées par le poids de la roue. Téléchargez leur analyse .
4/ Manipulation
Un faible moment d'inertie signifie qu'il faut moins d'effort pour changer d'angle ou de direction. Les vélos plus légers paraissent plus agiles. En cyclotourisme, une maniabilité trop rapide peut être une source de distraction, mais même les balades tranquilles comportent des moments de pédalage plus dynamique. En compétition, un faible moment d'inertie est un atout.
Au final, tout est subjectif. Certains vénèrent la légèreté, d'autres la négligent. On la dédaigne souvent car elle est associée à la fragilité, au manque de fiabilité et à un entretien plus coûteux. Pourtant, aucun motard ne conteste que la légèreté est généralement un atout. Si un poids plus élevé présente certains avantages (la stabilité, par exemple), ceux-ci sont généralement compensés par la sensation de vitesse, d'efficacité et de liberté.
On trouve une excellente présentation, accessible à tous, de l'inertie des roues sur le site français Roues Artisanales . Consultez la section consacrée à l'inertie dans le « Grand Test » d'Adrien, où il propose le moment d'inertie (MOI) de près de 80 paires de roues.
Mesure du MOI
Qui mesure le moment d'inertie ? Pour les roues, les valeurs pertinentes incluent tous les composants, y compris le pneu. Les monteurs de roues sont souvent les seuls à pouvoir mesurer et répertorier le moment d'inertie. Trop peu de monteurs vérifient le moment d'inertie et utilisent ces données pour orienter leurs choix et conseiller les cyclistes.
Par conséquent, certains accordent une importance excessive aux avantages d'un poids réduit. D'autres négligent cet aspect au profit de l'aérodynamisme ou des roulements. Le moment d'inertie doit être pris en compte dans son ensemble.
Quelle que soit son importance relative, les ingénieurs en roues surveillent de près le MOI. Comme l'a rapporté Lennard Zinn en 2006 .
« Certains d’entre vous se souviennent peut-être du test que j’avais réalisé il y a sept ans dans VeloNews (dans le numéro du 28/06/99) sur l’inertie des roues, en construisant un pendule rotatif dans mon garage. La semaine dernière, j’assistais à un séminaire technique Mavic à Annecy, en France, et j’y ai vu une machine de test quasiment identique dans le laboratoire d’essais de Mavic. »
Heureusement, il s'agit de physique simple et n'importe qui peut construire une machine à moment d'inertie précise. Voici un pendule trifilaire, le type de machine que vous devriez fabriquer et utiliser.
Extrait de cet article de 1945.
Ma plateforme est constituée de trois tourillons de 1,25 cm x 91 cm, assemblés en triangle. Chaque sommet est relié par un fil de pêche monofilament de 13,6 kg. Les dimensions exactes importent peu, mais elles doivent être relevées avec précision et intégrées aux formules de calcul du moment d'inertie.
Inertie = T^2( (W/r)*a*b)/(4*π^2*h)*1000
Inertie = gm^2
T = Période d'oscillation
W = poids en g
r = gf/N
a = diamètre de l'ancre supérieure
b = diamètre du fond
h = hauteur
Pour calculer le travail (accélération de zéro à 30 km/h) en joules d'énergie :
Énergie totale = Énergie rotationnelle + Énergie translationnelle
Énergie totale = 1/2(Iw^2) + 1/2(mv^2)
Énergie totale = 1/2(Inertie du pneu + Inertie de la roue)w^2 + 1/2(masse de la roue + masse du pneu)v^2
Énergie totale de la roue = 40 % + 60 %
w^2 = vitesse de rotation en rad/s (30 km/h = 24,54 rad/s)
v^2 = vitesse de la roue en m/s (30 km/h = 8,33 m/s)
m = poids en kg
I = inertie en kg/m²
Pour vous éviter les calculs, voici un tableur qui calcule automatiquement le moment d'inertie. Les cellules jaunes nécessitent vos données. Indiquez les dimensions de votre gabarit, la période du mouvement du pendule et le poids, et vous obtiendrez un moment d'inertie précis pour votre roue, jante, pneu ou tout autre élément. Les valeurs pré-remplies proviennent de ma machine et de deux roues testées récemment. Les autres cellules effectuent les calculs à partir de vos données. Téléchargez le fichier Excel pour une utilisation ultérieure.
Regardez cette vidéo pour constater la simplicité du comptage des oscillations d'un pendule. Voici mon propre appareil, dont les dimensions sont indiquées dans le tableur intégré. N'oubliez pas de les remplacer par les vôtres une fois votre appareil construit.
Les résultats sont incontestables. Les avantages et les inconvénients du moment d'inertie peuvent être prédits, mais les variables en pratique sont nombreuses. Il est donc essentiel de comprendre le moment d'inertie et de le déterminer pour différentes roues. La conception des roues nécessite de prendre en compte toutes les informations utiles et, toutes choses égales par ailleurs, un moment d'inertie plus faible est presque toujours préférable.
Nous cherchons à comprendre l'influence du moment d'inertie sur les sensations et les performances des roues. Face à une structure dynamique et un contexte complexe (cycliste, vélo, terrain), les données sont notre meilleur atout. De plus, si deux roues présentent un poids, une résistance, un coût et une durée de vie similaires, mais que l'une possède un moment d'inertie nettement supérieur, sa conception est meilleure. Cette différence doit être perçue, quantifiée et reconnue. Dans notre quête de performances toujours plus élevées, toutes les dynamiques mesurables doivent être prises en compte !
Prenez plaisir à construire votre machine MOI, vous ne le regretterez pas. Faites des tests, prenez des notes, partagez-les avec vos clients et d'autres personnes comme moi. L'apprentissage des fondamentaux peut parfois sembler très lent, mais chacun peut y contribuer.
Pour approfondir le sujet, téléchargez l'article fondateur de Jim Martin, publié en 1998, sur la puissance à vélo. Merci également à Adrien Gontier de Roues Artisanales et à l'éminent théoricien Josh Deetz.
Les commentaires sont approuvés avant leur publication.
Doug
novembre 02, 2021
Dropbox links have died, here’s some that are working as of 2020-01-24:
http://velobase.com/CatalogScans/Campagnolo/Campy1987_FluidDynamics.pdf
http://www.recumbents.com/wisil/MartinDocs/Validation%20of%20a%20mathematical%20model%20for%20road%20cycling.pdf