Partie 4A: résistance au roulement (l'histoire et les travaux précédents)

La partie 4A de cette série couvre l'histoire de la résistance au roulement des vélos et du comment et pourquoi les pneus pneumatiques sont si géniaux.  Si vous voulez juste voir les données, vous pouvez sauter à Partie B ici

En 2007-2008, lors du développement de Paris-Roubaix Wheel, j'ai eu un moment intéressant dans la forêt d'Arenberg.  Je travaillais avec l'un des vainqueurs les plus célèbres de Roubaix des 10 dernières années, avec lesquels j'avais également travaillé pour remporter des étapes de la tournée, des contre-la-montre et même un championnat du monde.  Nous avions couru des pneus à des pressions toujours plus basses en essayant de trouver le point où une panne de bord / roue était inévitable et juste là, tracé à l'écran était une tendance qui a été gelée dans mon cerveau au cours de ces dernières années: chaque fois que nous avons abaissé pression, il est allé plus vite.

Il est connu depuis longtemps dans les courses CX et Mountain Bike que les pressions plus rapides sont plus rapides, mais dans les courses sur route et le triathlon, nous avons longtemps soutenu que la plupart des surfaces routières et même pavées sont suffisamment lisse de réconfort.  Même au début de mon histoire avec les tests de Paris Roubaix (~ 2005), la conviction était que nous devions trouver des pressions suffisamment élevées pour être rapides, mais suffisamment bas pour que les coureurs puissent gérer les vélos sur des sections pavées.  Et pourtant, juste là, tous les sens que nous l'avons regardé sur l'ordinateur, répété sur plusieurs cyclistes: une pression plus faible était plus rapide.

Avance rapide jusqu'à aujourd'hui et nous avons de nombreuses bonnes sources pour les tests CRR (coefficient de résistance au roulement), et nous avons un réel mouvement pour identifier et améliorer les aspects des pneus haute performance.  Nous sommes, à bien des égards, dans un âge d'or de l'avancement de la résistance au roulement des pneus, dans la façon dont les années 2000 étaient l'âge de progrès aérodynamique massif.  Cependant, aucune des études de CRR en laboratoire n'a encore vraiment expliquer ou prédire le phénomène que nous avons vu dans la forêt Arenberg. 

Une théorie en fabrication

Au cours des 10 dernières années, deux sources que je connais ont identifié des effets similaires dans leurs données, Jan Heine de Bicycle Quarterly a écrit sur l'effet qu'il appelle les «pertes de suspension» que vous pouvez lire ICI.  Certains des travaux les plus intéressants de Jan consistent à consulter la puissance nécessaire pour monter sur différentes surfaces, y compris celles très agressives telles que les bandes de grondement routières.  

La théorie derrière les «pertes de suspension» est enracinée dans l'expérience pré-pneumatique des pneus et est également un sujet de discussion entre les athlètes de patinage en ligne.  Les pneus solides rendent la rugosité de surface incroyablement évidente pour l'athlète à la fois en termes de confort et de vitesse. 

Imaginez un pneu rigide et une roue roulant sur une bosse de 5 mm sur la route.  Dans ce cas, le pneu est rigide, de sorte que la roue / pneu entier et donc le vélo seront augmentés et abaissés de 5 mm

 

 

Modèle d'un pneu rigide sur une bosse de 5 mm. Ce scénario est littéralement comment les premiers vélos «Boneshaker» ont gagné leurs noms, il n'était ni rapide ni confortable.

 

 

Le cavalier du vélo devient le système de suspension pour absorber la bosse car le pneu est incapable de le manipuler au point d'impact.  L'élan avant du vélo est converti en une force verticale qui est partiellement absorbée dans le corps du cavalier ainsi que absorbé par la friction aux points de contact entre le vélo et le cavalier.  

Une autre façon de le décrire est que la bosse soulève essentiellement l'ensemble du système de 5 mm et la laisse tomber dans une sorte de banc de pavé du vélo et du cavalier.  Pensez à 1000 bosses de 5 mm sur la route comme la route faisant 1000 mini-presses de banc d'un objet de 180 lb et il devient clair que l'énergie n'est pas utilisée sagement dans ce scénario.

Les pneus pneumatiques étaient une telle révolution car ils étaient non seulement plus confortables, mais se sont révélés beaucoup plus rapidement que les pneus solides qu'ils ont remplacés.  

En regardant la bosse similaire avec un pneu modélisé à 100psi et nous voyons que, plutôt que de soulever le système de 5 mm, le système n'est soulevé que de 1 mm du sol, avec les 4 mm de déplacement restants absorbés par le pneu.  Comme le pneu pneumatique est très efficace, une grande partie de l'énergie absorbée est retournée, les pertes primaires étant de petites quantités de chaleur produites dans le boîtier du pneu.

 

Modèle de pneu de 23 mm à 100 psi absorbant 5 mm de bosse.  L'ensemble du système est levé de 1 mm avec le reste absorbé par le pneu. 

Notre deuxième point de données est venu de Tom Anhalt qui a étudié la résistance au roulement et d'autres vélos de physique sur son site Web ICI

Tom a ramassé le bâton d'Al Morrison et avait mesuré et publié des données de résistance au roulement de pneus de vélo prises sur les rouleaux.  Tom a affiché une pièce très intéressante en 2009 liée aux différences entre les tests de rouleaux et les tests réels, où il a pu correspondre à peu près aux données de rouleaux à des pressions plus basses, mais a vu une divergence dans les données à des pressions plus élevées.  L'article de Tom mentionnant cela a été publié sur Slowtwitch.com et peut être trouvé ICI

Semblable aux données de Jan Heine, Tom a constaté que la résistance au roulement diminuait à mesure que la pression augmentait jusqu'à un point, puis a recommencé à augmenter comme indiqué ci-dessous:

 

 

Le test de pneus réel du monde de Tom Anhalt sur la «bonne» surface de l'asphalte, par rapport aux pneus identiques testés sur des rouleaux par Al Morrison

Tom a inventé l'expression «pression du point de rupture» pour décrire le point auquel le CRR est passé de la diminution de la pression à l'augmentation de la pression.  Tom a également été le premier à théoriser que nous pouvions estimer ce qu'il appelait les «pertes transmises» qui étaient les pertes dues à des vibrations et à la rugosité et que nous pouvions (et devons) les modéliser dans nos théories sur la pression optimale des pneus.  

Un nouveau terme: impédance roulante ou tout simplement impédance

Pour le reste de cette série, nous utiliserons le terme impédance pour définir cette résistance au mouvement vers l'avant provoqué par la rugosité de surface.  J'ai volé le terme impédance du génie électrique où il est défini comme la résistance d'un circuit à un courant alternatif.  La phrase me semble plus naturelle que toute autre utilisée et a également été approuvée par Tom Anhalt, donc nous espérons qu'il colle.

La partie 4B portera le concept d'impédance au niveau supérieur et nous aidera à commencer à comprendre comment compenser les pressions de nos pneus.  Cliquez ici pour lire la partie 4b