# Aérodynamique et physique du cyclisme · Triathlon, Niveau 8 : Expert

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Aérodynamique et physique du cyclisme: 100 faits, 10 tests.

La physique de la vitesse à vélo : l'équation de la puissance, densité de l'air, CdA en chiffres, couches limites et surfaces, mesure de la traînée, aspiration-abri, montées et pentes, vent, énergie cinétique et calculs vitesse-puissance.

## Test 1: L'équation de la puissance en cyclisme

- Le modèle validé de Martin additionne les pertes aérodynamiques, de roulement, de roulements à billes et de transmission, le terme de gravité dans les pentes et les variations d'énergie cinétique. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Force de traînée = 0,5 × masse volumique de l'air × CdA × v au carré, donc doubler la vitesse de l'air multiplie la force par quatre. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La puissance est la force multipliée par la vitesse ; la puissance aérodynamique varie donc avec v au cube. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Comme la puissance aérodynamique varie avec le cube de la vitesse, 2 × 2 × 2 = 8 fois la puissance. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- À des vitesses de course sur le plat, la traînée aérodynamique domine ; la résistance au roulement et les pertes de transmission font le reste. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La force de résistance au roulement est à peu près constante ; la puissance qu'elle absorbe augmente donc à peu près linéairement avec la vitesse. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le modèle expliquait environ 97 % de la variation de la puissance mesurée, avec des erreurs de quelques watts. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La masse volumique de l'air (rho) dépend de l'altitude, de la température, de la pression et de l'humidité, et non du coureur. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le CdA combine un coefficient de traînée sans dimension et une surface ; il s'exprime donc en mètres carrés. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1,1 au cube vaut environ 1,33 ; la part aérodynamique de la puissance requise augmente donc d'environ un tiers. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 2: Densité de l'air et conditions

- L'atmosphère standard donne environ 1,225 kg/m³ au niveau de la mer et à 15 °C. (Source: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La masse volumique de l'air diminue d'environ un dixième par kilomètre d'altitude près du niveau de la mer. (Source: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La plus faible masse volumique de l'air à l'altitude de Mexico a réduit la traînée suffisamment pour compenser la moindre disponibilité en oxygène. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La traînée diminue avec la masse volumique, mais la puissance aérobie maximale diminue aussi ; l'effet net dépend de l'altitude et de la durée de l'épreuve. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La masse volumique est inversement proportionnelle à la température absolue ; l'air chaud offre donc légèrement moins de traînée. (Source: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- Passer de 278 K à 308 K abaisse la masse volumique d'environ 10 %, ce qui réduit la puissance aérodynamique à une vitesse donnée dans la même proportion. (Source: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- La vapeur d'eau est plus légère que l'azote et l'oxygène qu'elle remplace ; l'air humide est donc légèrement moins dense. (Source: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- À puissance et CdA identiques, une masse volumique de l'air plus faible par temps chaud permet une vitesse plus élevée ; les temps de passage ne sont donc pas directement comparables. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La force de traînée mesurée reflète à la fois le CdA et la masse volumique de l'air ; les séparer exige la température, la pression et l'humidité. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Avec une puissance proportionnelle à la masse volumique × v au cube, la vitesse augmente d'environ la racine cubique de 1/0,9, soit à peu près 3,5 %. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 3: Le CdA en chiffres

- Les données de soufflerie et de piste situent les meilleurs spécialistes du contre-la-montre à environ 0,20–0,23 m². (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Une position de route redressée double à peu près la surface de traînée par rapport aux meilleures positions de contre-la-montre. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0,5 × 1,225 × 0,01 × (11,1 m/s) au cube vaut environ 8 W. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le Cd reflète la forme et le comportement de l'écoulement ; multiplié par la surface frontale, il donne le CdA. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Les surfaces frontales projetées mesurées de coureurs en position aérodynamique se situent généralement autour de 0,3–0,4 m². (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La fluidité avec laquelle l'air s'écoule autour du corps, la part Cd, varie selon la posture, la tenue et la morphologie. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Quelques watts économisés à vitesse de course s'additionnent ; sur 180 km, un petit gain de CdA peut valoir plusieurs minutes. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Par kilomètre, le temps gagné en secondes est plus grand quand on reste plus longtemps en course, même si l'économie de watts est plus petite. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Les souffleries indiquent souvent la force de traînée à une vitesse de référence, qui se convertit en CdA avec la masse volumique et la vitesse. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Chaque 0,01 m² représente environ 8 W à 40 km/h ; 0,02 m² valent donc à peu près 16 W. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 4: Couches limites et surfaces

- L'air immédiatement au contact d'une surface est ralenti par le frottement et forme une fine couche limite dont le comportement détermine la traînée. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Une couche turbulente résiste au décollement, le retarde et produit un sillage de basse pression plus petit. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Comme les alvéoles d'une balle de golf, une texture peut déclencher plus tôt la transition vers la turbulence sur des cylindres tels que les bras. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- À un nombre de Reynolds critique, la couche limite devient turbulente et la traînée chute brutalement : c'est la crise de traînée. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Il dépend de la vitesse, de la taille et de la viscosité du fluide, et prédit si l'écoulement est laminaire ou turbulent. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Sur des formes non profilées aux vitesses du cyclisme, une surface lisse peut conserver une couche laminaire qui décolle tôt, ce qui augmente la traînée. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Leurs essais de 2014 ont constaté que des jambes rasées réduisaient la traînée de quelques pour cent, soit environ 50–80 secondes estimées sur 40 km. (Source: Specialized Win Tunnel, 2014)
- Les conceptions Kammtail coupent l'arrière là où l'écoulement n'apporte plus guère d'avantage, ce qui économise du poids et de la force latérale. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Chaque texture déclenche la transition à un nombre de Reynolds particulier ; les combinaisons sont donc réglées sur les vitesses de course attendues. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Un tissu qui flotte crée un écoulement décollé instable, ce qui augmente la traînée bien au-delà de sa petite surface. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Test 5: Mesurer la traînée aérodynamique

- Les souffleries contrôlent la vitesse de l'air et l'angle de lacet, ce qui rend de petites différences mesurables et reproductibles. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Rouler à vitesse constante sur une piste couverte avec une mesure de puissance permet d'estimer le CdA avec très peu de vent. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Si le CdA et le Crr sont corrects, le profil d'élévation modélisé correspond à la route réelle ; les valeurs sont ajustées jusqu'à ce que ce soit le cas. (Source: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- La CFD résout numériquement les équations d'écoulement, ce qui permet d'examiner de nombreuses formes avant les essais physiques. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Mesurer la vitesse de l'air et sa masse volumique sur le vélo supprime une partie des approximations sur le vent lors des essais sur le terrain. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Les rafales, la circulation et les petits changements de position rendent les résultats de terrain moins précis, sauf si les essais sont répétés avec soin. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- La rapidité avec laquelle la vitesse baisse en roue libre sur une surface plane reflète la résistance aérodynamique et la résistance au roulement combinées. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Le classement du matériel peut changer avec l'angle de lacet ; les résultats sont donc présentés sur une plage d'angles de vent. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Revenir à une référence permet de contrôler la dérive des conditions et de la position du coureur au cours de la séance. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- Le CdA absolu varie selon la méthode ; les comparaisons de réglages au sein d'une même méthode sont plus fiables que les totaux entre méthodes. (Source: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## Test 6: La physique de l'aspiration-abri

- Rouler dans la roue à faible écart réduit la traînée du coureur qui suit d'environ un tiers ou plus. (Source: Kyle, Ergonomics 1979)
- Le coureur qui suit augmente la pression derrière le leader, ce qui réduit la traînée de ce dernier de quelques pour cent. (Source: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Les coureurs au milieu et à l'arrière d'un grand peloton n'ont subi qu'une petite fraction de la traînée en solitaire. (Source: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- Le sillage à faible vitesse derrière un coureur se dissipe avec la distance, de sorte que l'abri s'affaiblit. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Aux grands écarts exigés, le sillage s'est en grande partie reconstitué ; le bénéfice restant est donc faible, mais pas nul. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Blocken a montré qu'un véhicule derrière un coureur augmente la pression derrière lui et réduit sa traînée, ce qui peut compter dans les contre-la-montre. (Source: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- Dans un vent de travers, le sillage est déplacé sur le côté, ce qui explique que les bordures se forment en diagonale sur la route. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Dans les montées raides, la vitesse est faible et la gravité domine ; l'abri aérodynamique économise donc peu de puissance. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La traînée du leader est proche de celle d'un coureur seul, tandis que les suiveurs roulent dans son sillage. (Source: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- Une traînée plus faible signifie qu'il faut moins de puissance mécanique pour tenir la même vitesse. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 7: Montées, poids et pentes

- Puissance gravitationnelle = masse × g × vitesse × sinus de l'angle de la pente. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg × 9,81 × 4,17 m/s × 0,08 vaut environ 3,3 W. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La Velocita Ascensionale Media est la vitesse d'ascension verticale en mètres par heure, un indicateur de la puissance de grimpe par kilo. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- À basse vitesse de montée, presque toute la puissance sert à soulever la masse ; ce sont donc les W/kg qui déterminent la vitesse. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Sauf si les montées sont longues et raides, le temps passé à vitesse élevée fait de l'aérodynamisme le facteur le plus important. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La vitesse augmente jusqu'à ce que les forces de traînée et de roulement égalent la composante de la gravité qui tire vers le bas de la pente. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La force de descente croît avec la masse, mais la traînée dépend du CdA et de la vitesse ; le coureur le plus lourd atteint donc une vitesse d'équilibre plus élevée. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La puissance aérodynamique varie avec le cube de la vitesse de l'air ; aux vitesses de montée, elle ne représente donc qu'une petite part de la puissance totale. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- À grande vitesse en descente, la position aérodynamique fait gagner le plus de temps ; à faible vitesse en montée, la puissance et la respiration comptent davantage. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- La masse compte le plus là où la gravité domine ; sur le plat et en descente, elle a peu d'effet, voire un effet légèrement négatif. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 8: Le vent à vélo

- La traînée dépend de la vitesse de l'air par rapport au coureur, qui inclut tout vent éventuel. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Comme la traînée augmente fortement avec la vitesse de l'air et que l'on passe plus de temps sur le tronçon lent face au vent, les pertes l'emportent sur les gains. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le temps gagné par watt est plus grand à basse vitesse ; un peu de puissance supplémentaire sur les sections lentes améliore donc le temps total. (Source: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- Avec un angle de lacet modéré, la jante peut agir comme une voile, produisant une portance avec une composante vers l'avant qui réduit la traînée nette. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Des surfaces latérales plus grandes produisent davantage de force latérale et de couple de direction lorsque les rafales frappent. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Si l'air se déplace à la même vitesse que le coureur, la vitesse relative de l'air, et donc la traînée, tendent vers zéro. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Quand la vitesse du coureur est plus faible, la composante du vent de travers représente une plus grande part du vent relatif, ce qui augmente l'angle de lacet. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Les différences de traînée varient avec le carré de la vitesse de l'air ; un avantage aérodynamique grandit donc face au vent. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le vent apparent est la somme vectorielle du vent réel et de l'écoulement d'air créé par la vitesse propre du coureur. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Lever légèrement le pied sur le tronçon rapide avec vent dans le dos coûte peu de temps et permet de produire plus de puissance là où elle fait gagner plus de temps. (Source: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## Test 9: Énergie cinétique et changements de vitesse

- Énergie cinétique = 0,5 × masse × v au carré. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Chaque coup de frein dissipe de l'énergie cinétique, que le coureur doit rembourser en puissance lorsqu'il accélère. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Prendre les virages en souplesse préserve la vitesse et réduit le coût répété de la remise à l'allure de course. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0,5 × 80 × (11,1 au carré − 5,6 au carré) vaut environ 3,7 kJ, avant les pertes dues à la traînée. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- L'élan porte le coureur dans les courtes bosses, c'est pourquoi conserver sa vitesse à l'entrée d'une bosse est efficace. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Une roue qui tourne ajoute de l'énergie de rotation, mais le supplément est modeste et ne compte que lorsque la vitesse change souvent. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Ralentir et accélérer de façon répétée rend les pics de puissance et la maniabilité plus importants par rapport à l'aérodynamisme pur. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- De brèves accélérations coûtent à la fois de l'énergie cinétique et de la puissance aérodynamique cubique ; le gain est souvent faible. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Les coureurs à l'arrière freinent davantage et doivent accélérer plus fort, de sorte que l'effet d'accordéon étire le groupe. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Comme la puissance de traînée augmente avec le cube de la vitesse, rouler de façon irrégulière à la même vitesse moyenne exige plus d'énergie. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## Test 10: Calculs de vitesse et de puissance

- Comme la puissance croît à peu près avec le cube de la vitesse sur le plat, la vitesse varie d'environ un tiers de toute variation de puissance. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cinq heures avec 1 % de vitesse en plus font gagner environ 1 % de 300 minutes, soit à peu près 3 minutes. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40) au cube vaut environ 0,73, et 0,73 × 250 vaut environ 182 W. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Le temps gagné par watt est plus grand à basse vitesse et s'accumule sur une sortie plus longue. (Source: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Travail = puissance × temps : 200 J/s × 3600 s = 720 000 J. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Brûler 4,18 kJ d'énergie alimentaire pour produire environ 1 kJ de travail avec un rendement d'environ 24 % rend les chiffres presque égaux. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Seul environ un cinquième à un quart de l'énergie métabolique devient de la puissance aux pédales ; le reste est de la chaleur. (Source: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- Avec un rendement d'environ 20–25 %, l'essentiel de l'énergie part sous forme de chaleur, que le corps doit dissiper. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Une économie équivalente à 4 % de puissance donne environ un tiers de cela en vitesse, soit à peu près 1,3 %. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- La vitesse varie avec la racine cubique de la puissance/CdA ; une baisse de 10 % du CdA donne donc environ 3,5 % de vitesse en plus. (Source: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

Sources: Littérature évaluée par les pairs en ingénierie du sport et en physiologie, avec des données d'essais et des normes publiées pour les faits établis

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