A quelle vitesse un humain peut-il faire du vélo ?

Le cycliste britannique Neil Campbell a récemment établi un nouveau record du "vélo le plus rapide dans un sillage" pour les hommes, avec une vitesse époustouflante de 280 km par heure.

La performance record de Neil CampbellCe record consiste à faire prendre de la vitesse à un cycliste dans le sillage d'un véhicule tracteur, puis à relâcher le vélo et à chronométrer le cycliste sur une distance de 200 m. Le record global s'élève à 296 km par heure, établi en septembre 2018 par Denise Mueller-Korenek, qui a été remorquée par un dragster sur les Bonneville Salt Flats de l'Utah. Mais dans quelle mesure ces vitesses cyclistes élevées peuvent-elles être attribuées à la performance humaine ? Faut-il être un athlète suprême pour maintenir cette vitesse après le lâcher, ou est-ce le véhicule qui fait tout le travail ? Et si c'est le cas, cela signifie-t-il que des records encore plus rapides sont possibles ? En considérant l'offre et la demande d'énergie impliquées dans le nouveau record masculin de Campbell, nous pouvons commencer à apprécier les contributions relatives de l'homme et de la machine. Pour ce record, l'énergie provient à la fois de la combustion du carburant de la voiture et de la force humaine. La puissance nécessaire pour maintenir une vitesse donnée dépend de la force de résistance agissant contre le mouvement vers l'avant du coureur. Sur un parcours plat à vitesse constante, il y a deux composantes essentielles :

• la résistance aérodynamique, également appelée traînée aérodynamique
• la résistance au roulement, qui couvre largement le frottement entre les roues et la route, le frottement dans les roulements de roue et l'efficacité de la transmission de la puissance des pédales aux roues en passant par la chaîne.

Il est important de noter que la résistance aérodynamique augmente avec le carré de la vitesse de l'air, ce qui signifie qu'elle augmente très rapidement lorsque la vitesse augmente. La résistance au roulement, quant à elle, augmente linéairement avec la vitesse, ce qui signifie qu'elle augmente beaucoup moins rapidement lorsque la vitesse augmente. Benjamin Thiele, ingénieur système en chef de la Monash Human Power Team de l'université de Monash, l'explique ainsi :

En gros, si vous voulez faire du vélo rapidement et que vous avez la possibilité d'exclure l'une des forces résistives de la physique, il serait sage de supprimer la composante aérodynamique.

Pour replacer les choses dans leur contexte, dans le cyclisme sur piste de haut niveau (où il n'y a évidemment pas de voitures derrière lesquelles se cacher !), la traînée aérodynamique représente généralement environ 95 % de la force résistive totale. Ainsi, le véhicule tracteur utilisé par Campbell dans sa tentative de record l'a aidé de deux manières cruciales. Premièrement, il lui a permis de prendre de la vitesse, réduisant ainsi sa dépense d'énergie lors de l'accélération. Deuxièmement, le dispositif d'aspiration de la voiture (un croisement entre un aileron et une tente, derrière lequel Campbell s'est placé pendant le trajet) a éliminé une grande partie de la résistance aérodynamique qui serait autrement devenue insurmontable à des vitesses aussi vertigineuses. En se déplaçant dans le sillage du véhicule, le conducteur subit à la fois une faible vitesse de vent relative et une faible résistance aérodynamique. En fait, si le pilote est positionné correctement, le flux d'air dans le sillage de la voiture peut générer une force aérodynamique propulsive - en fait, le véhicule "entraîne" de l'air derrière lui, et le pilote peut ainsi être aspiré avec lui. Qu'en est-il des exigences physiques liées au maintien de cette vitesse après le largage de la remorque ? Cela dépend principalement de la taille de l'engin utilisé et de la résistance au roulement qu'il faut surmonter. D'après mes calculs, et en supposant que la traînée aérodynamique derrière la voiture de remorquage est négligeable, atteindre 300 km par heure (la prochaine étape importante pour les records de vitesse de glisse des hommes et des femmes) exigerait du coureur qu'il maintienne une puissance de 600 à 700 watts pendant les 2,4 secondes nécessaires pour franchir le piège de 200 mètres. Cela semble assez réalisable, étant donné que les coureurs du Tour de France peuvent fournir plus de 1 000 watts pendant une minute complète ou plus. C'est donc le véhicule de remorquage qui est le facteur déterminant, plutôt que les performances physiques du coureur. En effet, si le coureur sortait du sillage après avoir été tracté jusqu'à 300 km/h, la demande d'énergie pour maintenir cette vitesse serait de l'ordre de 100 kilowatts, soit à peu près la performance d'une moto puissante !

Qu'en est-il des records de cyclisme sans assistance ?

Étant donné l'importance cruciale de surmonter la traînée aérodynamique, il n'est pas surprenant que les équipes cyclistes d'élite investissent autant dans la recherche et le développement en matière d'aérodynamisme. En fait, l'aérodynamisme des bicyclettes et des positions de conduite conventionnelles est loin d'être optimal. Cela est évident lorsque l'on compare les vitesses atteintes sur les vélos conventionnels à celles d'un "véhicule à propulsion humaine couché caréné". Il s'agit d'une bicyclette modifiée sur laquelle le cycliste est allongé en position couchée, les pédales à l'avant, à l'intérieur d'une enveloppe aérodynamique appelée carénage.

Le record de vitesse pour un tel véhicule sur une distance de 200 m est actuellement de 144 km par heure. C'est environ deux fois plus rapide que les vitesses maximales atteintes lors des sprints en vélodrome sur un vélo de piste classique. David Burton, directeur du centre de recherche en soufflerie de l'université Monash, estime que le cyclisme d'élite a "déjà épuisé tous les fruits à portée de main lorsqu'il s'agit d'obtenir un avantage compétitif grâce à l'aérodynamique", étant donné les règles et les contraintes de ce sport en termes de conception de l'équipement et de position du coureur. Mais il ajoute qu'il existe encore des voies de recherche de haute technologie pour améliorer les performances, notamment "des techniques de test expérimentales avancées et des simulations numériques hautement résolues des champs d'écoulement autour des cyclistes".

Comme nous l'avons vu ci-dessus, il existe probablement encore un potentiel pour des vitesses encore plus élevées en ce qui concerne le cyclisme assisté par le sillage. Je pense que les performances humaines d'élite actuelles permettent d'atteindre des vitesses proches de 400 km par heure lorsqu'on est enveloppé dans le sillage d'un véhicule. Peut-être que le défi devient alors un défi psychologique : quelqu'un oserait-il le tenter ? Timothy Crouch, aérodynamicien expérimental, Université Monash Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.