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Reportages

Révolutionner le vélo par la science

Par Maxime Bilodeau - 29/06/2017
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Les travaux d’un petit groupe de chercheurs sur la capacité du vélo à tenir à la verticale par lui-même ravivent l’intérêt scientifique à son sujet.

Elle a beau célébrer cette année ses 200 ans, la vénérable bicyclette est encore coincée au XIXe siècle, soutiennent trois scientifiques trouble-fêtes. « En fait, je dirais qu’elle a évolué pendant 50 ans et qu’elle a ensuite fait du surplace pendant 150 ans », corrige un de ces empêcheurs de pédaler en rond, Andy Ruina, professeur de génie mécanique à l’université Cornell, dans l’État de New York.

Depuis 10 ans, lui, ses collègues Jim Papadopoulos et Arend Schwab, ainsi que leurs collaborateurs, prennent un malin plaisir à défier certains principes physiques longtemps acceptés à propos du moyen de transport le plus populaire du monde. Leur approche, à la fois teintée d’audace et de rigueur scientifique, les a amenés à concevoir des vélos expérimentaux aux géométries aussi inédites que contre-intuitives. « C’est un peu notre signature », souligne Andy Ruina.

Leur principal fait d’armes concerne ce que Max Glaskin, l’auteur du livre Cyclisme et science (Vigot, 2015), nomme « le grand mystère du cyclisme, celui que personne n’a jamais élucidé » : la capacité d’un vélo à se tenir à la verticale lorsqu’il roule seul, sans pilote.

Cette dynamique d’« autostabilité » se vérifie lorsqu’on lance un deux-roues du haut d’une pente. Contrairement à ce qu’on pourrait penser, la machine ne tombera pas lamentablement sur le côté, tel un pantin désarticulé. Bien au contraire, elle empruntera sur plusieurs mètres une ligne relativement droite, corrigeant d’elle-même ses déséquilibres latéraux. Comme si une main invisible la ramenait sans cesse dans le droit chemin, jusqu’à ce qu’elle ralentisse en deçà d’environ 14 km/h ou heurte un obstacle. C’est d’ailleurs en partie grâce à cette autostabilité qu’un cycliste arrive à tenir en équilibre.

Historiquement, deux théories ont cherché à expliquer ce phénomène prodigieux. La première concerne l’effet gyroscopique, ou la tendance d’une roue en mouvement à résister aux changements de son orientation. Elle a été décrite pour la première fois en 1910 par les mathématiciens Felix Klein et Fritz Noether, ainsi que par le physicien théoricien Arnold Sommerfeld; tous trois des superstars du monde scientifique de l’époque.

À partir de la première modélisation mathématique du vélo faite par le mathématicien anglais Francis Whipple en 1899, le trio a expliqué comment l’effet gyroscopique contribue à l’« auto-rétablissement » du vélo. Lorsqu’il commence à pencher légèrement, la gravité fait pivoter la roue du même côté. La force centripète (« qui tend vers le centre ») redresse aussitôt cette dernière et ramène ainsi la direction et l’ensemble de la bicyclette en situation d’équilibre.

Cette idée a prévalu jusqu’en avril 1970. Ce mois-là, dans un article de la revue de vulgarisation Physics Today, David Jones, chimiste de formation et grand amateur de vélo, raconte des expériences qu’il a menées avec des bicyclettes théoriquement impossibles à conduire : les URB (unridable bikes).

Photo: Donald Robitaille

Lire la suite dans le numéro de juillet-août 2017.
 

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