Comment les bicyclettes restent-elles stables en mouvement?
Depuis plus d'un siècle, les scientifiques ont toujours été intrigués par la physique de la bicyclette, et de nouveaux résultats obtenus par une équipe internationale de recherche ont permis de mieux comprendre ce mystère. L'équipe, composée de chercheurs de l'université de technologie de Delft (TU Delft) aux Pays-Bas et de la Cornell University aux États-Unis, a cherché à comprendre comment une bicyclette restait stable à partir d'une certaine vitesse. Lorsqu'un cycliste prend de la vitesse, son vélo reste stable, et même si on le pousse sur le côté, il ne tombe pas. On pensait auparavant que cette stabilité dépendait de deux facteurs. D'une part, les roues en rotation du vélo étaient supposées apporter une stabilité par un effet gyroscopique, et d'autre part, la «chasse» devait jouer un rôle important (la distance par laquelle le point de contact de la roue avant tracte l'axe du pivot de direction). Les nouveaux résultats, publiés dans la revue Science, ont rejeté cette ancienne théorie. «Nous savons depuis des années que l'explication généralement acceptée pour la stabilité d'une bicyclette était trop simple», explique le Dr Arend Schwab, chercheur à la faculté 3mE au TU Delft. «L'effet gyroscopique et la chasse y sont certes pour quelque chose, mais ne sont pas essentiels à cette stabilité.» Le Dr Schwab et son équipe ont utilisé un modèle mathématique comprenant environ 25 paramètres développés dans une étude antérieure. Ce modèle permet de prévoir avec précision le moment et la vitesse auxquels une structure particulière d'une bicyclette se stabilise. Se basant sur ces travaux, l'équipe a conçu et construit une bicyclette pour démontrer de manière expérimentale que l'effet gyroscopique et la chasse ne sont pas nécessaires pour garantir la stabilité d'un vélo au-delà d'une certaine vitesse. «Dans notre publication dans la revue Science, nous avons démontré en théorie mais également en pratique que nos suggestions sont correctes», commente le Dr Schwab. Le modèle «Two Mass Skate» développé possède de petites roues contrarotatives, ce qui signifie qu'il n'y a aucun effet gyroscopique, ainsi qu'une petite chasse négative. Le point de contact de la roue avant est légèrement décalé par rapport à l'axe du pivot de direction, mais la bicyclette est toujours stable. «Ça n'a pas été facile», explique Jodi Kooijman, étudiant en post-doctorat et responsable de la partie pratique de l'expérience. «Le premier prototype n'a pas fonctionné et nous avions abandonné tout espoir après plusieurs tentatives, mais nous sommes finalement parvenus à stabiliser la bicyclette. Il faut tenir compte de la surface du sol, par exemple, qui doit avoir la rigidité et la texture adéquate.» Ayant prouvé leur théorie par une série d'expériences, le Dr Schwab explique les implications théoriques de l'étude. «Nous avons démontré que la distribution de masse est également importante pour la stabilité, notamment au niveau du centre de la masse du mécanisme de direction de la bicyclette.» En d'autres termes, pour qu'une bicyclette reste stable, le mécanisme de direction doit être instable; si la bicyclette tombe, la direction devrait tomber encore plus rapidement. Ces résultats ont d'importantes implications pour les fabricants de vélos et bicyclettes. Bien que la conception des bicyclettes ait évoluée depuis la fin du XIXe siècle, ces nouvelles découvertes pourraient permettre de développer de nouvelles modifications pour différents types de vélos pliables et destinés au transport de marchandises.Pour de plus amples informations, consulter: TU Delft: http://home.tudelft.nl/en/(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre)
Pays
Pays-Bas, États-Unis