Comment est-ce que je peux aller plus vite à vélo?
Garçon à vélo (VisualCommunications, iStockphoto)
Garçon à vélo (VisualCommunications, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Tu n’as pas besoin de pédaler plus fort pour aller plus vite. Tu n’as qu’à comprendre quelques notions de gravité, de résistance et de friction!
Est-ce que tu fais du vélo? Connais-tu quelqu’un qui en fait? Tu as probablement répondu oui. De nos jours, partout dans le monde, des gens font du vélo tous les jours pour différentes raisons. Certaines personnes utilisent la bicyclette pour le transport. D’autres s’en servent pour faire de l’exercice. Et d’autres roulent à vélo uniquement pour le plaisir!
Le savais-tu?
Le savais-tu?
De nos jours, les gens doivent suivre des cours avant de pouvoir conduire une auto. Autrefois, les gens devaient suivre des cours spéciaux pour apprendre comment se déplacer à bicyclette.
Si tu te promènes à vélo pour le plaisir, il se peut que la vitesse à laquelle tu roules n’ait pas d’importance. Mais si tu es en retard à l’école? Je parie que tu voudrais aller plus vite!
Imagine que tu essaies de rouler plus vite à bicyclette. Qu’est-ce qui te vient en tête? Beaucoup de gens pensent qu’il faut pédaler plus fort. Me croirais-tu si je te disais qu’il existe d’autres façons d’augmenter ta vitesse? Eh bien! Il en existe!
Nous allons commencer par examiner quelques-unes des forces qui tirent et qui poussent une bicyclette en mouvement. Ensuite, nous découvrirons des moyens qui te permettent de réduire l’amplitude (la grandeur) de ces forces afin que tu puisses rouler plus vite.
La gravité qui tire
Pourquoi est-ce plus difficile de monter une côte à bicyclette que de rouler sur un terrain plat? Si tu as répondu à cause de la gravité, tu as raison! La gravité est un type de force créée par un gros objet comme une planète ou une étoile. La gravité provenant d’une planète, comme la Terre, tire les autres objets vers elle. C’est ce qui nous empêche de flotter dans l’espace!
Est-ce qu’on t’a déjà demandé combien tu pèses? Ton poids n’est pas la même chose que ta masse. Le poids d’un objet est la mesure de la gravité qui agit sur lui. La masse d’un objet est une mesure du nombre d’atomes qu’il contient.
La masse se mesure en kilogrammes (kg). En fait, ton poids équivaut à ta masse multipliée par la force de la gravité. Pour faire ce calcul, on se sert de la formule suivante : 9,8 newtons par kilogramme (9,8 N/kg). Quand quelqu’un nous demande « Combien est-ce tu que pèses? », la plupart d’entre nous répondent en kilogrammes. Mais techniquement, nous devrions répondre en newtons!
Quand la masse d’un objet augmente, la force de la gravité qui agit sur cet objet augmente aussi. Plus de masse signifie plus de poids. Alors comment peux-tu diminuer la force de la gravité qui tire sur ton vélo? En diminuant sa masse! Transporte moins de choses dans ton sac à dos. Ou encore, essaie d’utiliser une bicyclette plus légère.
Le savais-tu?
La fibre de carbone est un des matériaux les plus légers servant à la fabrication des cadres de bicyclette. Un vélo en fibre de carbone peut peser moins que 6,8 kg (15 lb). C’est à peu près le même poids que celui d’un petit chien comme un épagneul miniature!
L’air qui pousse
Tu détestes ça quand il faut que tu pédales contre le vent, pas vrai? Quand tu roules à bicyclette, l’air peut fortement te ralentir! C’est parce que l’air n’est pas qu’un espace vide. Il est fait de molécules de gaz. Et tu dois les repousser au fur et à mesure que tu avances. C’est un peu comme quand un joueur de football doit pousser de son chemin les joueurs de l’autre équipe pour pouvoir se rendre à la ligne de but.
La force exercée par l’air s’appelle la résistance de l’air ou traînée. L’air fait obstacle au mouvement vers l’avant d’un objet qui se déplace.
C’est quand tu te déplaces rapidement que tu ressens le plus la résistance de l’air. Il se peut que tu ne la remarques pas quand tu marches. Mais as-tu déjà mis ton bras à l’extérieur de la fenêtre d’une voiture en mouvement? Si oui, tu as probablement senti la résistance de l’air.
Pour aller plus vite en vélo, tu peux essayer d’être plus aérodynamique. Tu peux y arriver en réduisant la résistance de l’air ou la traînée. Par exemple, place la partie supérieure de ton corps plus bas, près de ta bicyclette. Comme ça, tu auras moins de particules d’air à repousser au fur et à mesure que tu avances.
As-tu déjà vu comment les cyclistes qui participent à une course sont recroquevillés très bas au-dessus de leur guidon? Ils font ça pour réduire la traînée. C’est aussi pour cette raison que les coureurs cyclistes professionnels portent des casques qui ont une forme élancée et qui sont pointus à l’arrière.
La friction qui agrippe
As-tu déjà glissé un objet lourd, comme un pupitre, sur un tapis? Ce n’est pas facile à faire, n’est-ce pas? C’est parce qu’il y a des forces qui attirent les molécules du pupitre vers les molécules dans le plancher. Tu dois surmonter ces forces avant de pouvoir déplacer le pupitre. Ce type de résistance s’appelle friction de glissement. C’est grâce à la friction de glissement que tes chaussures de sport s’agrippent au plancher du gymnase!
Qu’est-ce qui se passerait si tu mettais des roulettes sous ce pupitre? Ce serait bien plus facile de le déplacer. C’est parce que les roulettes n’ont pas à surmonter la friction de glissement. Mais les roulettes doivent quand même vaincre une force différente, qui est moins grande. Cette force s’appelle friction de roulement ou résistance au roulement.
Tu veux voir comment la résistance au roulement te ralentit? Observe les pneus de bicyclette d’une autre personne pendant qu’elle roule. Si tu les regardes de près, tu verras peut-être que les pneus sont un peu aplatis. C’est parce que la force de la gravité qui agit sur toi et ton vélo appuie vers le bas sur les pneus. Les pneus sont pleins d’air.
Qu’est-ce qui se passe quand la gravité appuie vers le bas sur toi et ta bicyclette? Les pneus font un bourrelet vers l’extérieur. Cela fait en sorte qu’une plus grande surface du pneu touche la route. Et le pneu s’agrippe plus au sol. C’est exactement comme le pupitre sur le tapis.
Comment peux-tu réduire la résistance au roulement? Gonfle tes pneus afin qu’ils contiennent plus d’air! Quand tu mets plus d’air dans tes pneus, ils deviennent plus fermes. Comme ça, ils ne s’aplatissent pas autant, et la surface des pneus qui est en contact avec le sol est moins grande. Par exemple, les vélos de route sont faits pour aller vite; donc, leurs pneus contiennent habituellement beaucoup d’air.
Moins tes pneus sont aplatis, moins tu dois affronter de résistance au roulement et plus vite tu roules!
Pour résumer...
En apprendre davantage sur les forces, c’est comme rouler à vélo. Une fois que tu as compris comment ça marche, c’est facile! Alors la prochaine fois que tu te dépêcheras pour arriver avant que la cloche de l’école sonne, essaie ces trucs et astuces du monde de la science. Commence d’abord par enlever toutes les choses lourdes de ton sac à dos. Ensuite, gonfle tes pneus. Et finalement, pendant que tu roules, penche-toi très bas au-dessus de ton guidon.
Et pour finir, voici une dernière suggestion : amuse-toi!
Points de départ
- Qu’est-ce que tu fais à bicyclette afin de pouvoir rouler plus vite?
- À quel endroit ou dans quelles circonstances as-tu fait l’expérience de la résistance de l’air?
- Décris des activités que tu as déjà faites et qui comprenaient d’une manière ou d’une autre de la friction de glissement?
- Comment le fait de comprendre les forces qui agissent sur un vélo (science) peut-il aider les gens à concevoir de meilleures bicyclettes (technologie)?
- Quelle est la différence entre la masse et le poids?
- Quelle est la différence entre la friction de glissement et la résistance au roulement?
- Dessine une bicyclette en mouvement et repère les forces dont il est question dans cet article et qui s’exercent sur le vélo. Utilise des flèches pour indiquer dans quelle direction chaque force agit.
- Que signifie le mot aérodynamique? Quel est le lien entre l’aérodynamique et la résistance de l’air?
- Comment vérifie-t-on la sécurité des véhicules nouvellement mis au point? Pourquoi cette étape fait-elle partie du processus de résolution de problèmes technologiques (ou processus de conception et de construction)?
- As-tu déjà entendu parler des bicyclettes en fibre de carbone? Où en as-tu entendu parler? Quelles caractéristiques ou quels avantages de la fibre de carbone étaient-ils expliqués ou décrits?
- Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage des mathématiques et de la physique de la 6e à la 8e année, en ce qui a trait aux forces qui agissent sur les objets, à la gravité et à l’aérodynamique. On y trouve des concepts liés aux forces, à la magnitude, à la gravité, au poids, à la masse, aux newtons, à la résistance de l’air, à la traînée, à la résistance au roulement et à la friction de glissement.
- Après avoir lu l’article et visionné la vidéo intégrée, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de remplir, à titre de stratégie d’apprentissage, une toile de définition d’un des concepts présentés dans le texte, comme la friction ou la résistance de l’air. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi intitulées Toile de définition du concept peuvent être téléchargées en formats [Document Google] et [PDF].
- Les enseignants pourraient également demander à leurs élèves de comparer et de différencier la résistance au roulement et la friction de glissement à l’aide d’une stratégie d’apprentissage utilisant un diagramme de Venn.
- Pour faire des liens dans le domaine des compétences mathématiques, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de calculer leur poids en newtons sur la Lune, en orbite basse (comme à bord de la Station spatiale internationale) et sur différentes planètes du système solaire. Les enseignants pourraient fournir aux élèves les mesures de l’accélération causée par la gravité pour chaque élément du système solaire, ou encore, les élèves pourraient faire des recherches pour trouver ces mesures, puis calculer les différents poids. Par exemple :
L’accélération causée par la gravité :
■ à bord de la Station spatiale internationale ou en orbite basse = 9 m/s2
■ sur la surface de la Lune = 1,625 m/s2
■ sur la surface de Mars = 3,711 m/s2
Connecter et Relier
- Qu’est-ce que tu fais à bicyclette afin de pouvoir rouler plus vite?
- À quel endroit ou dans quelles circonstances as-tu fait l’expérience de la résistance de l’air?
- Décris des activités que tu as déjà faites et qui comprenaient d’une manière ou d’une autre de la friction de glissement?
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
- Comment le fait de comprendre les forces qui agissent sur un vélo (science) peut-il aider les gens à concevoir de meilleures bicyclettes (technologie)?
Explorer les Concepts
- Quelle est la différence entre la masse et le poids?
- Quelle est la différence entre la friction de glissement et la résistance au roulement?
- Dessine une bicyclette en mouvement et repère les forces dont il est question dans cet article et qui s’exercent sur le vélo. Utilise des flèches pour indiquer dans quelle direction chaque force agit.
- Que signifie le mot aérodynamique? Quel est le lien entre l’aérodynamique et la résistance de l’air?
Nature de la Science / Nature de la Technologie
- Comment vérifie-t-on la sécurité des véhicules nouvellement mis au point? Pourquoi cette étape fait-elle partie du processus de résolution de problèmes technologiques (ou processus de conception et de construction)?
Littératie Médiatique
- As-tu déjà entendu parler des bicyclettes en fibre de carbone? Où en as-tu entendu parler? Quelles caractéristiques ou quels avantages de la fibre de carbone étaient-ils expliqués ou décrits?
Suggestions d'enseignement
- Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage des mathématiques et de la physique de la 6e à la 8e année, en ce qui a trait aux forces qui agissent sur les objets, à la gravité et à l’aérodynamique. On y trouve des concepts liés aux forces, à la magnitude, à la gravité, au poids, à la masse, aux newtons, à la résistance de l’air, à la traînée, à la résistance au roulement et à la friction de glissement.
- Après avoir lu l’article et visionné la vidéo intégrée, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de remplir, à titre de stratégie d’apprentissage, une toile de définition d’un des concepts présentés dans le texte, comme la friction ou la résistance de l’air. Des fiches reproductibles prêtes à l’emploi intitulées Toile de définition du concept peuvent être téléchargées en formats [Document Google] et [PDF].
- Les enseignants pourraient également demander à leurs élèves de comparer et de différencier la résistance au roulement et la friction de glissement à l’aide d’une stratégie d’apprentissage utilisant un diagramme de Venn.
- Pour faire des liens dans le domaine des compétences mathématiques, les enseignants pourraient demander à leurs élèves de calculer leur poids en newtons sur la Lune, en orbite basse (comme à bord de la Station spatiale internationale) et sur différentes planètes du système solaire. Les enseignants pourraient fournir aux élèves les mesures de l’accélération causée par la gravité pour chaque élément du système solaire, ou encore, les élèves pourraient faire des recherches pour trouver ces mesures, puis calculer les différents poids. Par exemple :
L’accélération causée par la gravité :
■ à bord de la Station spatiale internationale ou en orbite basse = 9 m/s2
■ sur la surface de la Lune = 1,625 m/s2
■ sur la surface de Mars = 3,711 m/s2
En savoir plus
Le vélo, c'est aussi de la science (2016) CNRS Le Journal -- Diaporama d’une séance d’optimisation de performance avec l’équipe de France junior.
À la découverte de la bicyclette - Ingenium -- Les différentes parties et systèmes de la bicyclette et plus sur les concept scientifiques.
Références
Brett, M. (2018, decembre 4). 6 of the lightest road bikes — bike makers challenge the scales with exotic materials. road.cc.
Canada 2067. (2017, mai 12). Science of cycling.
Connolly, J. (2016). Understanding the magic of the bicycle. Morgan & Claypool Publishers.
Gross, A., Kyle, C., & Malewicki, D. (1983). The aerodynamics of human-powered land vehicles. Scientific American, 249(6), 142-152. DOI: 10.1038/scientificamerican1283-142
Penn, R. (2011). It's all about the bike: The pursuit of happiness on two wheels. Penguin Books Ltd.
Persson, B. (2013). Sliding friction (2nd ed.). Springer, Berlin.