La résistance de l'air est la principale résistance à l'avancement à laquelle nous sommes confrontés en tant que cyclistes de course. Le fait que nous soyons confrontés à un "mur" quasiment impénétrable à une vitesse de 40-50 km/h est dû à l'effet de la résistance de l'air, qui augmente au carré avec la vitesse. La puissance nécessaire pour vaincre cette résistance augmente même à la troisième puissance avec la vitesse. Mais même à des vitesses beaucoup plus basses, la résistance de l'air est la mesure de toute chose. Selon la position adoptée sur le vélo de course, la résistance de l'air est la résistance à l'avancement dominante à partir de 18 km/h. C'est pourquoi les cyclistes bénéficient d'une amélioration de l'aérodynamisme à toutes les vitesses de vélo de course habituelles, que cette amélioration soit due à une meilleure posture ou à un meilleur matériel. Le fait que nous puissions rouler à une moyenne de 26 ou de 28 - à puissance de pédalage égale - est principalement dû à des raisons aérodynamiques.
En terrain escarpé et lors d'accélérations fréquentes, le poids prend une importance considérable. Au-delà d'une pente de 5 %, le poids est le facteur déterminant de la résistance à l'avancement pour le cycliste amateur. Pour les professionnels, qui gravissent les montagnes beaucoup plus rapidement, l'aérodynamisme est un facteur à ne pas négliger jusqu'à une pente d'environ 7%.
Des jambes en mouvement pour des données de test réelles
TOUR a déjà utilisé un grand nombre de souffleries. Depuis 2012, nous effectuons des tests dans la soufflerie GST sur le site d'Airbus à Immenstaad. Ce canal ouvert est une ancienne soufflerie d'avion Dornier et offre les meilleures conditions pour des mesures de très haute qualité, avec une haute résolution et une bonne reproductibilité, ce qui n'est pas possible sur la route ou sur un vélodrome. En collaboration avec l'exploitant, nous avons mis au point un protocole de mesure qui constitue la référence en matière d'aérotests de vélos, tant en termes de résolution que de vitesse et de reproductibilité : pour que l'écoulement autour du vélo de course et des roues soit le plus proche possible de la réalité, nous plaçons un mannequin sur le vélo, qui pédale avec lui. Par rapport à un cycliste humain, le mannequin a l'avantage d'une endurance infinie et, une fois assis, il ne change plus de position, ce qui favorise la qualité des mesures.
Après des essais initiaux avec un mannequin rigide à corps plein, le cycliste en mouvement sans le haut du corps est la deuxième étape de l'évolution et un développement propre de TOUR. Nous avons supprimé le haut du corps parce qu'il a peu d'interaction aérodynamique avec le cadre, mais qu'il crée beaucoup de résistance, ce qui augmente l'erreur de mesure. Nous mesurons toujours le vélo et le mannequin ensemble, dans le but de recueillir des valeurs de mesure aussi pertinentes et pratiques que possible.
Nous réglons toujours la hauteur du guidon de la même manière et montons également un porte-bidon avec une bouteille de 0,75 litre. Afin d'évaluer les effets de la roue, nous mesurons le vélo avec les roues d'origine (base d'évaluation), mais aussi avec une paire de roues de référence rapide (Zipp 404 ou Swissside 625). La vitesse d'écoulement est de 45 km/h et nous faisons pivoter la roue sur une plage angulaire de -20 à +20° par rapport à l'axe longitudinal du canal. L'écoulement oblique représente les situations où le vent latéral et le vent de déplacement s'additionnent pour former un vent résultant qui ne frappe alors plus le cycliste de face, mais de biais. Nous choisissons une vitesse élevée pour pouvoir bien mesurer. Les résultats peuvent être appliqués à d'autres vitesses. Il serait faux de supposer que l'aérodynamique n'est pertinente qu'à des vitesses aussi élevées.
Lors des tests, la roue arrière est entraînée par un rouleau dans le sol de la soufflerie. Via un entraînement rigide avec roue libre bloquée, nous entraînons les manivelles qui, à leur tour, font bouger les jambes du mannequin. La roue avant est entraînée de la même manière. L'ensemble repose sur une balance à six composantes dans le sol de la soufflerie, qui enregistre la résistance dans le sens de la marche, les forces latérales et les moments. Un dispositif séparé nous permet en outre de mesurer les forces que le conducteur ressent dans la direction lorsque le vent s'applique sur des jantes planes. La mesure sur l'ensemble de la plage angulaire s'effectue en continu et en une seule fois, ce qui permet avant tout de gagner du temps de mesure. En moins d'une minute et demie, nous enregistrons ainsi pour 41 points de mesure la force exercée par le vent sur la roue. Nous choisissons les temps d'intégration de manière à ce que des tours de jambe entiers par point de mesure soient pris en compte dans la mesure.
Le vent ne vient pas toujours de face
Cette mesure nous permet de déterminer les valeurs cwA, qui ont pour unité le m^2 - le produit de la valeur cw et de la surface balayée par le flux d'air. Ces valeurs peuvent être facilement converties à d'autres conditions, telles que des vitesses ou des pressions atmosphériques différentes. Pour parvenir à un résultat tangible, nous évaluons les 41 valeurs mesurées et les condensons en un indice de résistance, exprimé en watts, pour une situation de conduite typique. Comme le haut du corps est absent de la mesure, la résistance d'un conducteur réel est encore environ 50 pour cent plus élevée (ce dont nous tenons compte dans les calculs de simulation).
La conversion de l'évolution de la résistance sur tous les angles en une valeur en watts nécessite quelques hypothèses. En effet, l'angle d'incidence le plus probable dépend de la vitesse typique du vent et de sa distribution. Nous calculons avec un vent moyen de 10 km/h et une distribution de Weibull des vitesses de vent, comme celles utilisées dans l'analyse de l'énergie éolienne. En partant d'une direction de vent aléatoire, il est possible de calculer la probabilité des angles d'attaque.
Les différents points de mesure sont donc pondérés différemment : nous obtenons une répartition en forme de cloche autour de zéro degré - ce qui signifie que les petits angles sont beaucoup plus probables et ont donc un poids plus important pour la formation de la résistance que les grands. Si l'on roule dans des régions très peu ventées, la répartition devient plus pointue. Les petits angles ont alors encore plus de poids. Pour l'évaluation individuelle, nous représentons donc aussi les courbes de résistance, afin que l'on puisse se faire une idée de la manière dont la résistance se forme.
La vitesse de conduite joue également un rôle dans les angles. Pour un même vent, les coureurs lents subissent plus de flux obliques que les coureurs rapides. Cela conduit à la situation paradoxale où les coureurs lents contre la montre peuvent tirer le plus grand profit du matériel aérodynamique, car en cas de courant oblique, l'avantage du matériel aérodynamique augmente considérablement.
Précision et pertinence des mesures
La précision de mesure au sein d'une campagne de mesure - il s'agit en général des données publiées au sein d'une histoire - est de +/- 0,25 W. La précision de répétition entre différentes campagnes est de +/- 1 W.
De nombreux lecteurs demandent : les données sont-elles pertinentes, le conducteur ne fait-il pas la principale résistance à l'air ? Il est vrai que le pilote domine l'action. C'est donc une position assise aérodynamique qui donne le plus de vitesse. Mais l'avantage matériel est toujours présent et ne doit pas être sous-estimé. Entre un très bon vélo aérodynamique et un très mauvais, il y a environ 35 watts à 45 km/h. Transposé à des vitesses plus basses, typiques des cyclistes de loisirs, le vélo de course peut à lui seul entraîner un gain d'un kilomètre par heure avec la même position assise.
On devient vraiment rapide lorsqu'on s'occupe de toutes les composantes de la résistance et qu'on optimise la posture, les vêtements et le matériel. Le mieux est de le faire dans cet ordre. Pour illustrer les avantages en termes de temps de l'optimisation aérodynamique, nous utilisons des calculs de simulation qui intègrent les données de la soufflerie, mais aussi le poids du vélo. Nous simulons ensuite différents parcours montagneux - de 500 mètres de dénivelé pour 100 kilomètres (plat), en passant par 1000 mètres de dénivelé pour 100 kilomètres (ondulé), jusqu'à 2000 mètres de dénivelé pour 100 kilomètres (montagneux). En partant d'une puissance de pédalage constante - nous choisissons ici généralement une puissance modérée de 200 watts - il est possible de lire ce que l'aérodynamisme du matériel signifie en minutes et en secondes pour chaque parcours. Pour ce faire, nous complétons les données du mannequin par le calcul en y ajoutant le haut du corps manquant, nous fixons le poids de notre cycliste modèle à 75 kilogrammes et nous laissons le cycliste s'élancer virtuellement sur les différents parcours.
Si la vitesse atteinte ne joue aucun rôle, l'aérodynamisme est obsolète, c'est pourquoi nous n'évaluons l'aérodynamisme que pour les vélos de course de compétition. Mais à proprement parler, le poids n'a pas d'importance. En effet, avec une vitesse adaptée, deux ou trois kilos ne font pas la différence en montagne.
