L’aérodynamisme sur le vélo

En vélo, tout est histoire de puissance. Et dans le cadre de la compréhension de la puissance et de l’effort qu’elle implique, après avoir évoqué l’influence de la pesanteur, intéressons nous désormais à l’influence des forces de frottement de l’air.

En avançant, le cycliste est soumis à une force résistante exercée par l’air qu’il « traverse » et le vent qu’il subit (vent qui peut être favorable comme défavorable). Cette force va s’exprimer selon la relation de di Prampero :

•  la masse volumique de l’air qu’on prendra identique à _ – qui est la densité de l’air à 0°C et à la pression atmosphérique prise au niveau de la mer – et égal à 1,27kg/m³.
• S la surface frontale du cycliste.
• C_x le coefficient de pénétration dans l’air dépendant de l’aérodynamisme du cycliste.
• V la vitesse de pénétration du cycliste dans l’air V=V_avance+V_vent.

On peut ainsi évaluer la puissance de cette force résistance (qui s’exprime en Watts) :

Dans cette expression de la force de frottement de l’air, on remarque l’influence de 2 paramètres : la surface frontale du cycliste et sa vitesse d’avance. Dans la suite, et pour simplifier les choses, nous considérerons la vitesse du vent comme nulle, ce qui nous amènera à dire que V=V_avance et que :

1/ A vitesse fixée, intéressons nous à l’influence de la surface frontale du cycliste

La puissance que va devoir développer le cycliste afin de contrer la résistance de l’air va être proportionnelle à sa surface et s’exprimer de la forme :

Comparons 2 cyclistes :

• Le premier, mal positionné sur son vélo aura une surface frontale de 0,5m².
• Le second, quant à lui, mieux positionné sur son vélo, aura une surface frontale de 0,4m².

A vitesse égale, le premier cycliste devra donc fournir 20% ((0,5-0,4)/0,5*100) de puissance supplémentaire que le second afin de maintenir celle-ci. Et si on estime à 200W la puissance que doit fournir le cycliste « aérodynamique » pour maintenir sa vitesse, le second devra fournir 250W.

50W supplémentaires, c’est presque 15% de la PMA d’un cycliste moyen (d’environ 350W) à optimiser uniquement sur le travail de la position !

2/ Intéressons nous maintenant à l’influence de la vitesse

A surface frontale égale, la puissance de la résistance de l’air va s’exprimer de la façon suivante :

Elle va donc être proportionnelle à la vitesse d’avance au cube !

C’est-à-dire que lorsque la vitesse du cycliste va par exemple passer de 30km/h (soit 8,3m/s) à 33 km/h (soit 9,2m/s), la puissance résistante va quant à elle augmenter de 25% ((9,2³-8,3³)/9,2³*100).

25% de puissance supplémentaire à fournir pour une vitesse seulement 10% supérieure !

Au coefficient B près, la puissance de la résistance de l’air en fonction de la vitesse évolue selon la forme suivante :

Autant dire que plus on va vite, plus l’effort à fournir pour contrer l’air est important…

3/ Ce qui explique pourquoi les cyclistes aiment rouler dans les roues

Rouler dans les roues, voilà l’adage du cycliste. Et à la vue de ce qu’on vient de dire plus haut, on comprend mieux pourquoi :

Considérons un cycliste de tête roulant à une vitesse de 35km/h, et un cycliste lui « suçant » la roue.

La résistance de l’air que va subir le premier sera de P_air = B x 9,72³ = B x 918.

Dans le cas où ₀ et en prenant un coefficient de pénétration SC_x= 0,2m², ce cycliste va devoir développer une puissance de 184 Watts uniquement pour contrer la résistance de l’air.

Si on considère que le second est parfaitement protégé (ce qui n’est jamais réellement le cas dans le cas de deux cyclistes qui se suivent, mais qui correspond plus au cas d’un cycliste se trouvant au milieu d’un peloton composé de dizaines de cyclistes), il ne va pas « subir » cette force résistante. Il économisera donc 184 Watts et avancera pourtant à la même vitesse.

A quelques approximations près, on comprendra mieux pourquoi il est si facile de rouler en peloton à des vitesses élevées, pourquoi un coureur seul n’a que très peu de chance face à un peloton organisé et pourquoi les meilleurs coursiers ne sont pas forcément les plus forts physiquement mais les plus malins.

On peut finalement tirer deux postulats de cette approche du calcul de la puissance résistante de l’air :

1. Passer de 35 à 36 km/h de moyenne n’est pas aussi facile que passer de 30 à 31km/h de moyenne.
2. Finir avec 40km/h de moyenne au milieu d’un peloton cycliste en ayant l’impression de distribuer le courrier est loin d’être un signe d’entraînement profitable.

Vous pouvez également vous rendre sur ce calculateur de puissance exercé par le vent sur le cycliste pour mieux comprendre ce phénomène.