La mystérieuse biomécanique de la conduite – et de l’équilibre – d’une bicyclette

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Les humains utilisent des machines semblables à des bicyclettes depuis près de 200 ans, à commencer par la Draisine ou “vélocipède” en 1817.

Bien que la conduite et l’équilibrage d’une bicyclette puissent sembler simples et sans effort, le processus de contrôle réel utilisé par un cycliste humain reste un peu un mystère. À l’aide d’équations mathématiques, les chercheurs ont expliqué comment une bicyclette sans cavalier peut s’équilibrer et ont identifié les caractéristiques de conception de la bicyclette qui sont essentielles pour que cela se produise.

Cependant, la stabilité – c’est-à-dire la capacité à rester en équilibre – d’une bicyclette avec un cycliste est plus difficile à quantifier et à décrire mathématiquement, d’autant plus que les capacités du cycliste peuvent varier considérablement. Mes collègues et moi-même avons fait venir des cyclistes experts et novices dans le laboratoire pour voir s’ils utilisent des techniques d’équilibrage différentes.

La physique du maintien en position verticale sur une bicyclette
Une grande partie de l’équilibrage d’une bicyclette consiste à contrôler le centre de masse du système cycliste. Le centre de masse est le point où toute la masse (personne plus bicyclette) peut être considérée comme concentrée. En ligne droite, le cycliste doit toujours garder ce centre de masse au-dessus des roues, ou ce que l’on appelle la base d’appui – un polygone imaginaire qui relie les deux contacts des pneus avec le sol.

Les cyclistes peuvent utiliser deux grandes stratégies d’équilibre : la direction et le mouvement du corps par rapport au vélo. La direction est essentielle au maintien de l’équilibre et permet au vélo de se déplacer pour ramener la base d’appui sous le centre de gravité. Imaginez que vous tenez un balai en équilibre d’une main – la direction d’un vélo équivaut aux mouvements de la main nécessaires pour maintenir le balai en équilibre. La direction peut être assurée par le cycliste directement par le guidon (couple de direction) ou par l’autostabilité de la bicyclette, qui résulte de l’accouplement de la direction et du roulis de la bicyclette ; une bicyclette penchée sur le côté (roulis) entraînera une modification de son angle de direction.

Les mouvements du corps par rapport à la bicyclette – comme l’inclinaison à gauche et à droite – ont un effet moindre que la direction, mais permettent au cycliste d’effectuer des corrections d’équilibre en déplaçant le centre de gravité latéralement par rapport à la bicyclette et à la base d’appui.

La direction est absolument nécessaire pour équilibrer une bicyclette, alors que les mouvements du corps ne le sont pas ; il n’y a pas de combinaison spécifique des deux pour assurer l’équilibre. La stratégie de base pour équilibrer une bicyclette, comme l’a noté Karl von Drais (inventeur de la Draisine), est de diriger dans la chute indésirable.

Les débutants contre les pros
Si les cavaliers ont été décrits à l’aide d’équations mathématiques, ces dernières ne sont pas encore utiles pour comprendre les différences entre les cavaliers de différents niveaux d’aptitude ou pour prédire la stabilité d’un cavalier donné sur un vélo donné.

Par conséquent, le but du travail de mes collègues et de mes travaux récents était d’explorer les types de contrôle utilisés par les cavaliers novices et experts et d’identifier les différences entre les deux groupes. Dans notre étude, les coureurs experts se sont identifiés comme des cyclistes compétents, ont effectué des entraînements réguliers, ont appartenu à un club ou une équipe de cyclistes, ont participé à des compétitions plusieurs fois par an et ont utilisé des rouleaux pour s’entraîner à l’intérieur. Les cyclistes novices savaient faire du vélo mais ne le faisaient qu’occasionnellement pour les loisirs ou le transport et ne s’identifiaient pas comme des experts.