Comprendre la physique peut-il m’aider à aller vite à vélo?
Un groupe d’adolescents à bicyclette (FatCamera, iStockphoto)
Un groupe d’adolescents à bicyclette (FatCamera, 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 dynamique, de force gravitationnelle et de friction!
Est-ce que tu fais du vélo? Connais-tu quelqu’un qui en fait? Il est très possible que tu aies répondu oui. De nos jours, partout dans le monde, des gens utilisent la bicyclette quotidiennement pour le transport, pour faire de l’exercice, et même uniquement pour le plaisir. Mais ça n’a pas toujours été le cas. La première bicyclette a été inventée en 1817. Auparavant, la plupart des gens croyaient qu’il était impossible de se maintenir en équilibre sur deux roues minces, placées l’une devant l’autre.
Le savais-tu?
Au début, les gens devaient suivre des cours spéciaux pour se déplacer à bicyclette. Cela ressemble au fait que de nos jours, tu dois suivre des cours avant de pouvoir obtenir ton permis de conduire un véhicule.
Si tu te promènes tranquillement à vélo dans la ville pour aller acheter un cornet de crème glacée, il se peut que tu ne te soucies pas de la vitesse à laquelle tu roules. Mais si un délicieux repas de fête t’attend à la maison, alors là, je parie que tu voudras aller plus vite!
Quand tu penses à rouler plus vite sur une bicyclette, tu imagines probablement que tu devras travailler plus fort. Me croirais-tu si je te disais qu’il existe des façons d’augmenter ta vitesse sans avoir à faire plus d’effort? Eh bien, il en existe!
Nous allons commencer par examiner quelques-unes des forces qui s’opposent au mouvement vers l’avant d’une bicyclette. Ensuite, nous découvrirons des moyens qui te permettent de réduire l’amplitude de ces forces afin de pouvoir rouler plus vite.
Quand tu es sur ton vélo, quel est l’effet de la gravité sur toi?
Pourquoi est-ce plus difficile de monter une côte à bicyclette que de rouler sur un terrain plat? Parce que quand tu montes une côte à vélo, la gravité te tire vers l’arrière, vers le bas de la côte. La gravité est la force qui nous empêche de flotter jusque dans l’espace. Plus tu es lourd, plus la force de la gravité agit sur toi. C’est parce que ton poids est ta masse multipliée par la force de la gravité (9,8 newtons/kgf). En d’autres mots, tu peux diminuer la force de la gravité qui tire sur toi en faisant en sorte que toi ou ta bicyclette soyez plus légers. Par exemple, tu peux utiliser un vélo dont la masse est moins élevée. Tu peux aussi transporter un sac à dos plus léger. Ou tu pourrais laisser ta collection de cailloux à la maison si tu prévois de monter une côte à bicyclette!
Le savais-tu?
La fibre de carbone est un des matériaux les plus légers servant à la fabrication de cadres de bicyclette. Un vélo en fibre de carbone peut peser moins de 6,8 kg (15 lb). C’est à peu près le même poids que celui d’un petit chien comme un épagneul miniature!
Quand tu es sur ton vélo, quel est l’effet de la résistance de l’air sur toi?
Quand tu roules à bicyclette, la résistance de l’air peut fortement te ralentir! L’air est fait de particules, que tu dois repousser au fur et à mesure que tu avances. C’est un peu comme si tu étais un joueur de football qui doit écarter les joueurs adverses sur ton passage pendant que tu traverses le terrain en courant.
C’est quand tu te déplaces rapidement que tu ressens le plus la résistance de l’air (aussi appelée traînée). Il se peut que tu ne la remarques pas quand tu marches, mais tu pourras la sentir si tu mets ton bras à l’extérieur d’une voiture en mouvement.
Pour augmenter ta vitesse sur une bicyclette, il faut que ton corps soit plus petit, ou plus aérodynamique, afin que tu aies à repousser moins de particules d’air. C’est la raison pour laquelle les cyclistes qui participent à une course sont souvent recroquevillés très bas au-dessus de leur guidon.
Quand tu es sur ton vélo, quel est l’effet de la résistance au roulement sur toi?
As-tu déjà poussé un objet lourd, comme un pupitre, sur un tapis? Ça demande beaucoup d’effort, n’est-ce pas? C’est parce qu’il y a des forces électromagnétiques qui attirent les molécules du pupitre vers les molécules dans le sol. Si tu veux déplacer le pupitre, tu dois d’abord surmonter ces forces. Nous appelons ce type de résistance friction de glissement. Qu’est-ce qui se passerait si tu mettais des roulettes sous ce pupitre? Évidemment, 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 moindre, et qui s’appelle la 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 très près, tu verras que les pneus sont partiellement aplatis. Quand cela se produit, une partie de l’énergie cinétique (c’est-à-dire le travail accompli par tes jambes quand tu pédales) est perdue. Cela signifie que tu te déplaces plus lentement.
Comment peux-tu réduire la résistance au roulement? Gonfle tes pneus afin qu’ils contiennent plus d’air! Les pneus de ta bicyclette sont remplis d’air. Quand la pression d’air est plus élevée à l’intérieur, les pneus sont plus fermes, c’est-à-dire qu’ils ne s’aplatissent pas autant, ce qui signifie que la surface des pneus en contact avec le sol est moins grande. Par exemple, les vélos de route sont faits pour aller vite, alors la pression d’air dans leurs pneus est habituellement la plus élevée. 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, que dois-tu faire la prochaine fois qu’un repas de fête t’attend et que tu fais une course contre la montre pour rentrer à la maison? D’abord, prends quelques minutes pour retirer de ton sac à dos tout ce qui est lourd. Ensuite, gonfle tes pneus. Et finalement, pendant que tu roules, penche-toi très bas au-dessus de ton guidon. Grâce à ces trucs, tu ne rateras rien de ton repas de fête!
Le savais-tu?
Les vélos couchés (ceux où la personne a l’air d’être allongée sur le dos) sont plus aérodynamiques et présentent moins de résistance à l’air que les vélos habituels. C’est la raison pour laquelle l’Union Cycliste Internationale a interdit ce type de bicyclettes lors des compétitions internationales de record de vitesse. Leur forme donne aux coureurs un avantage beaucoup trop grand!
Points de départ
- 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?
- Quels avantages économiques peut-on tirer de la réduction ou de l’augmentation de l’amplitude de certaines forces qui agissent sur une bicyclette? Tiens compte des différentes parties d’une bicyclette et des forces qui sont en jeu (p. ex., le cadre, les pneus, les freins, les engrenages, etc.).
- De quelle façon les sciences et les technologies font-elles partie intégrante du cyclisme de compétition?
- 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.
- Quelle est la relation entre la résistance de l’air et la vitesse? Dans le sport cycliste, comment la force de la résistance de l’air est-elle manipulée afin d’augmenter les chances qu’ont les participants de gagner une course? Ta réponse doit tenir compte du sprint sur de courtes distances ainsi que de la course sur de grandes distances.
- 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 du processus de conception et de construction)?
- As-tu entendu parler des bicyclettes en fibre de carbone dans les médias? Dans quel contexte a-t-il été question de la fibre de carbone? Quelles caractéristiques et quels avantages de la fibre de carbone étaient expliqués ou décrits?
- Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage de la physique de niveau avancé, en ce qui a trait à la dynamique, la force gravitationnelle et la friction. On y trouve des concepts liés aux forces, à la gravité, au poids, à la masse, à la résistance de l’air, à la résistance au roulement, à la friction de glissement, à l’énergie cinétique et à la pression de l’air.
- 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 BLM prêtes à l’emploi intitulées Toile de définition du concept peuvent être téléchargées en formats [Google doc] 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
- L’accélération causée par la gravité :
Connecter et Relier
- 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
- Quels avantages économiques peut-on tirer de la réduction ou de l’augmentation de l’amplitude de certaines forces qui agissent sur une bicyclette? Tiens compte des différentes parties d’une bicyclette et des forces qui sont en jeu (p. ex., le cadre, les pneus, les freins, les engrenages, etc.).
- De quelle façon les sciences et les technologies font-elles partie intégrante du cyclisme de compétition?
Explorer les Concepts
- 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.
- Quelle est la relation entre la résistance de l’air et la vitesse? Dans le sport cycliste, comment la force de la résistance de l’air est-elle manipulée afin d’augmenter les chances qu’ont les participants de gagner une course? Ta réponse doit tenir compte du sprint sur de courtes distances ainsi que de la course sur de grandes distances.
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 du processus de conception et de construction)?
Littératie Médiatique
- As-tu entendu parler des bicyclettes en fibre de carbone dans les médias? Dans quel contexte a-t-il été question de la fibre de carbone? Quelles caractéristiques et quels avantages de la fibre de carbone étaient expliqués ou décrits?
Suggestions d'enseignement
- Cet article peut être utilisé pour l’enseignement et l’apprentissage de la physique de niveau avancé, en ce qui a trait à la dynamique, la force gravitationnelle et la friction. On y trouve des concepts liés aux forces, à la gravité, au poids, à la masse, à la résistance de l’air, à la résistance au roulement, à la friction de glissement, à l’énergie cinétique et à la pression de l’air.
- 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 BLM prêtes à l’emploi intitulées Toile de définition du concept peuvent être téléchargées en formats [Google doc] 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
- L’accélération causée par la gravité :
En savoir plus
L’aérodynamisme sur le vélo (2013)
Le Triple Effort blog -- Fournit de nombreuses formules mathématiques pour montrer comment prévoir et mesurer la résistance du vent aux cyclistes et comment l’atténuer.
Qu’est-ce que la résistance au roulement ? (2015)
Citycycle
Le vélo, c'est aussi de la science (2016)
CNRS Le Journal -- Diaporama d’une 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 concepts 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. London: Penguin Books Ltd.
Persson, B. (2013). Sliding friction (2nd ed.). Springer, Berlin.