La plus grande réussite de la roue de bicyclette est tout simplement d'être une roue, un dispositif permettant une mobilité terrestre à très faible friction. Considérée comme l'une des plus grandes réalisations de l'humanité, elle a profondément transformé la civilisation dès son apparition.
Ce sujet est plus vaste qu'il n'y paraît. Qu'est-ce qu'une roue, au juste ? Pourquoi est-elle apparue en Sumer et pas plus tôt ou plus tard ? Pourquoi n'en trouve-t-on aucune dans la nature ? S'agit-il d'une invention contre-intuitive et qui en est l'inventeur ? Pourquoi est-elle si populaire ? Pourquoi est-ce que je considère la roue de bicyclette comme la forme la plus significative et la plus aboutie de ce dispositif ? Qu'est-ce que le fait de remplir cette fonction, celle d'« être une roue », exige de la conception ?
Ce débat a réuni quelques-uns des plus grands esprits de notre époque : les biologistes évolutionnistes Stephen Jay Gould et Richard Dawkins, l’anthropologue et écologiste Jared Diamond, le légendaire archéologue britannique Stuart Piggott, et bien d’autres encore : philosophes, ingénieurs, auteurs de science-fiction et mécaniciens. Une discussion passionnante sur la rotation dans les systèmes vivants est disponible sur Wikipédia .
La plupart s'accordent à dire que les roues représentent une rotation autour d'un centre fixe, un phénomène inconnu dans la nature. La rotation d'une planète suppose un centre théorique, mais celui-ci ne fait pas partie de la dynamique, il s'agit simplement d'un concept. La rotation n'est pas un roulement. De nombreux êtres vivants (et roches) roulent sous l'effet de la gravité, pour se déplacer ou s'échapper. Mais ils ne possèdent pas de roues. Récemment, une observation curieuse a toutefois été faite concernant ce sujet : certaines bactéries présentent cette rotation.
Pour l'humanité, la roue est une invention dont les archéologues s'accordent à dire qu'elle est apparue assez soudainement en Sumer (l'Irak actuel) vers 3500 avant J.-C. Les Sumériens construisaient leur roue d'une manière particulière, ce qui permet de retrouver facilement la trace de ce concept à travers le monde. Le modèle de roue que l'on trouvait dans la Grande-Bretagne préhistorique s'inspirait sans aucun doute de l'invention sumérienne.
L'étude classique de Stuart Piggott, *The Earliest Wheeled Transport* (1983), documente la vitesse incroyable à laquelle ce concept s'est répandu à travers la planète préhistorique. Peut-être la diffusion d'idées la plus rapide de tous les temps. En un clin d'œil, les roues étaient présentes en Afrique du Nord, en Suisse, en Grande-Bretagne, en Bavière, en Russie, en Extrême-Orient, partout. Le commerce était florissant dès les temps anciens et il semble que chaque marchand qui voyait des roues lors de ses visites en Sumer en comprît les possibilités. Ou, du moins, l'intérêt. Dès leur retour chez eux, ils fabriquaient les leurs.
L'espèce nomade et mobile par excellence (nous-mêmes) a saisi le potentiel de cette pratique en un clin d'œil. En effet, la tendance suivante était d'être enterré avec ses véhicules. Des sépultures contenant des squelettes et des véhicules à roues ont commencé à apparaître un peu partout, permettant aux archéologues de documenter précisément cette expansion.
Plusieurs facteurs importants et connexes méritent d'être mentionnés, mais nous n'entrerons pas dans le détail par souci de concision. La disponibilité d'animaux domestiques de trait a considérablement accru l'utilité des véhicules à roues. Les bœufs permettaient de construire des chariots lourds. Plus tard, l'arrivée des chevaux, plus rapides et plus faciles à dresser, a engendré la recherche de chariots et de roues plus légers. L'attelage du roi Toutankhamon témoigne des progrès réalisés en 1290 avant J.-C.
L'Égypte a tardé à adopter la roue (à l'exception des tours de potier), mais dès son introduction, elle a connu un succès fulgurant. Les roues de Toutankhamon étaient 100 fois plus légères et plus rapides que les roues sumériennes. Les roues à rayons et les machines ultra-légères qu'elles permettaient ( voir article précédent ) étaient de véritables bolides.
Deux chevaux robustes tirant ce panier de 36 kg à 65 km/h à travers le désert, ça devait être une sacrée aventure. Pour Toutankhamon, peut-être la dernière. En 2010, une étude ADN a révélé qu'il s'était fracturé la jambe gauche quelques heures avant sa mort. Vu son emploi du temps de roi, difficile d'imaginer une autre catastrophe que cette chute à grande vitesse. La vitesse est addictive, les roues légères séduisantes, et les jeunes hommes (pharaons ou non) repoussent sans cesse les limites.
Petite précision : comme vous pouvez peut-être le voir sur l’image rudimentaire ci-dessus, chaque rayon est composé de deux lamelles côte à côte. Lors de la fabrication de la roue, ces lamelles sont dimensionnées et fixées à l’aide d’une cale insérée au centre. À chaque extrémité, elles sont liées par du cuir. Les rayons sont ajustés au maximum. Une fois en place et solidement enveloppés de cuir humide (qui sèche et se tend comme de l’acier), les cales sont retirées et les lamelles sont resserrées. En s’allongeant, les rayons subissent une compression importante, ce qui rend la roue beaucoup plus résistante.
Le développement de la roue a connu une relative stagnation jusqu'à la découverte miraculeuse des véhicules à voie unique : le vélo. Voie unique (une roue derrière l'autre) = poids réduit (moins de roues) + effort moindre requis (la prise de virage par inclinaison réduit la force latérale) = plus de plaisir. Une fois de plus, les meilleurs ingénieurs et les amateurs de sensations fortes se sont attelés à la tâche.
La première avancée majeure fut le rayon tendu. Nous devons beaucoup à Sir George Cayley, père de l'aviation et de l'aérodynamique. Il recherchait une roue plus légère pour les aéronefs plus lourds que l'air (un siècle plus tard), une innovation qui s'avérerait essentielle à la bicyclette (40 ans plus tard). En 1808, il rejeta les ingénieux rayons à compression et proposa à la place un système de cordes tendues. Le fil d'acier n'existait pas encore.
En 1816, il affirma que les ballons et les dirigeables n'étaient pas aérodynamiques et créa une forme qui l'était et générait de la portance. Cette forme a depuis été vérifiée comme correspondant parfaitement au profil aérodynamique NACA 63A016-LB N-0016. Plus tard cette année-là, il dévoila les plans d'un avion à vapeur de 132 mètres de long et pesant 74 tonnes. Il calcula la portance, la traînée, la puissance du moteur, la récupération d'eau et la consommation de carburant, et déclara qu'il pourrait transporter 50 personnes sur 1 550 kilomètres avec un seul plein. Des études ultérieures montrent que l'avion aurait pu voler. Mais il fallut 100 ans à deux mécaniciens de bicyclettes pour prendre le risque de voler et réussir.
Voilà, nous avons maintenant une merveille d'ingénierie ultra-légère et le monde du cyclisme entre dans une ère nouvelle. La première roue à rayons tendus a été produite sur l'Ariel de George Starley en 1874. Le père de l'industrie anglaise du cycle, Starley, rencontrait également des difficultés pour transmettre la puissance aux roues jumelées d'un tricycle pour adulte en 1877. Après un moment de réflexion, on l'a entendu s'exclamer « J'ai trouvé ! », puis il s'est attelé à la conception du mécanisme d'engrenage différentiel que l'on retrouve encore aujourd'hui sur presque tous les véhicules motorisés. Décidément, les mécaniciens de cycles peuvent être sacrément ingénieux !
La dernière grande innovation apportée à la roue de bicyclette lui assure une place de choix parmi les roues les plus importantes de tous les temps. Elle a vu l'apparition des premiers pneus à air commercialisés, éléments clés de l'utilisation massive des roues pour la mobilité aujourd'hui. En 1888, John Dunlop, s'appuyant sur les travaux de Charles Goodyear (1844) et de Robert Thomson (1846), a mis au point un pneu à air pour bicyclette qui s'est répandu dans le monde entier en quelques années seulement. La différence en termes de résistance au roulement est considérable.
Les roues, et notamment les roues de vélo, sont-elles vraiment si populaires aujourd'hui ? Je suis récemment tombé sur une discussion de forum qui portait sur les pas de vis (tailles). Plus précisément, quel est le pas de vis le plus répandu au monde ? M6, M8 et M10 étaient pressentis, tout comme 1/4-20 tpi et E27 (culots d'ampoules). Finalement, c'est le pas de 2 mm x 56 tpi qui a remporté la palme : celui des rayons de vélo. Avec plus d'un milliard de vélos, chacun équipé de 72 rayons au filetage quasiment identique, on peut facilement imaginer des chiffres impressionnants.
Ceci nous amène directement au deuxième atout de la roue : son rôle crucial au sein du système de pneumatique. Le premier atout mériterait davantage d'attention, mais nous sommes sur un blog, alors passons à la suite !
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Doug Williams
novembre 02, 2021
Don’t forget about ball bearings – another huge leap in wheel technology. Ball bearings were so important that the German factories which made them were regularly on the top of the list of targets for Allied bombers in WWII.
Also: “Jules Suriray, a Parisian bicycle mechanic, designed the first radial style ball bearing in 1869,2 which was then fitted to the winning bicycle ridden by James Moore in the world’s first bicycle road race, Paris-Rouen, in November 1869.3” (from wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_bearing)