Mesure de l’incidence du vent en conditions réelles sur le parcours du triathlon Ironman de Kona (Hawaï)

En Octobre 2013, nous avons décidé de mesurer en conditions réelles l’angle d’incidence du vent sur l’intégralité du parcours vélo du triathlon d’Hawaï, soit 180 km. Quel est l’objectif de cette étude ? Déterminer d’où vient le vent sur différents segments du triathlon le plus mythique au monde, et l’un des plus exposé au vent. En connaissant précisément la répartition de l’incidence du vent sur ce parcours (c’est-à-dire, combien de temps le vent vient de face, combien de temps il vient de 5°…), on peut déterminer plus finement les écarts entre tel ou tel équipement et ainsi préconiser un choix de roues propres à la course en se basant sur les mesures réalisées en soufflerie. Les résultats dépendent bien évidemment des conditions météorologiques du jour même mais donnent des enregistrements typiques des conditions sur ce parcours.

Nous vous conseillons de lire (ou de relire) l’article précédent de notre rubrique (Pourquoi pondérer la traînée d’une roue pour mesurer sa performance aérodynamique ?) afin d’être familiarisé avec les termes utilisés.

Fig. 1 Désert de lave le long de la Queen K Highway

1. L’instrument de mesure

L’instrument utilisé pour cette campagne n’est autre qu’une girouette numérique développée en interne pour nos besoins de recherche et développement. Une pale en fibre de carbone, parfaitement équilibrée, est montée sur un axe en rotation  avec un minimum de frottements afin de s’orienter parfaitement dans la direction du vent. Cette pale est solidaire d’un disque codé dont la position angulaire est interprétée par une carte électronique. Ce système est de plus relié à un capteur de roue permettant d’avoir un enregistrement de l’angle d’incidence du vent à chaque tour de roue, à 2° près. Ainsi, le système complet de mesures effectuées à Kona sur les 180 km du parcours représente un fichier de plus de 80 000 lignes !

Fig. 2 Instrument monté sur le vélo de Lars Finanger

 

De plus, il faut noter que cette girouette est placée suffisamment en amont du coureur pour limiter les perturbations aérodynamiques liées au cycliste. Elle est placée au plus près de la roue avant, qui est la roue la plus influente sur l’aérodynamique du système {vélo + coureur}. En effet, la roue avant, tout comme les bras et la tête sont les éléments que le vent « rencontre » en premier et vont « conditionner » le reste de l’écoulement autour du cycliste.

Fig. 3 Contrôle visuel de la girouette en cours d’essai

2. La campagne de mesure

Cet essai a été réalisé le 9 Octobre 2013, soit 3 jours avant le Championnat du monde Ironman d’Hawaï 2013. Les conditions de vent ce jour là étaient assez similaires aux « normales de saison » et aux conditions que l’on rencontre habituellement sur cette course. On notera tout de même que les conditions de vent étaient exceptionnellement calmes le jour de la course cette année (le 12 Octobre), ce qui a surpris beaucoup de triathlètes !

L’essayeur qui a effectué le parcours vélo de l’Ironman est Lars Finanger, un triathlète amateur habitué de l’épreuve, assurant également sur une partie de son temps une fonction de community manager pour Mavic. Il a effectué les 180 km du parcours à 37,9 km/h de moyenne. Il était équipé de roues CXR 80 pour cet essai ce qui, notons le, n’a pas d’influence sur les mesures d’angle d’incidence du vent, mais uniquement sur la vitesse du coureur.

Le test a été effectué dans des conditions quasi réelles de course. Lars a effectué le parcours officiel de la course, en partant à la même heure que celle des pros le jour J, suivi en voiture par notre équipe et d’une équipe de journalistes du magazine américain Triathlete (Aaron Hersh). Lars s’est simplement arrêté brièvement à 3 reprises afin de télécharger les données et vérifier le bon fonctionnement du dispositif.

Fig. 4 Courte explication après avoir téléchargé les données au demi-tour d’Hawai

 

A l’issue de ce test éprouvant (on rappelle que les vents atteignent facilement les 20 km/h et que la chaleur avoisine les 40°C dans les immenses champs de lave), les données brutes obtenues sont difficilement lisibles. Voici l’évolution de l’angle d’incidence (donc du vent apparent par rapport à la direction d’avancement de Lars) en fonction de la distance :

Fig. 5 Données brutes de l’angle d’incidence en fonction de la distance. Les lettres représentent les segments importants du parcours.

Fig. 6 Parcours vélo de l’Ironman d’Hawaï

 

On décide également de scinder le parcours en 6 segments distincts, bien connus des triathlètes, pros ou amateurs ayant déjà couru à Hawaï (cf. Fig. 5 et Fig. 6) :

– Segment A : c’est la petite boucle dès la sortie de l’eau de 12km autour de Kona-Kailua

– Segment B : c’est la portion entre Kona-Kailua et l’aéroport – direction NW

– Segment C : changement de cap sur la fameuse Queen K pendant 40km jusqu’au croisement avec Kawaihae Road – direction NE

– Segment D : changement de cap de nouveau et une belle bosse pour arriver au « turnaround » de Hawi – direction NW puis N et enfin NE

– Segment E : demi-tour d’Hawi jusqu’au croisement de Kawaihae Road – direction SW, S et SE

– Segment F : retour jusqu’à Kona – direction SW puis SE après l’aéroport.

Comme on peut le voir ici, les données brutes donnent une idée de la direction du vent et éventuellement de sa vitesse. Un angle d’incidence vient généralement d’une amplitude de vent importante (en considérant que la vitesse du coureur est à peu près constante).

On peut d’abord noter plusieurs changements de signe (lorsque la valeur est positive, le coureur ressent le vent de la gauche et lorsqu’elle est négative, de la droite), ce qui signifie qu’en plus des changements de direction du parcours, le vent ne provient pas toujours de la même direction. Un triathlète originaire de Big Island (la plus grande île d’Hawaï sur laquelle se déroule l’épreuve), qui connaît le parcours par cœur m’a expliqué qu’il y a dans la zone d’Hapuna, une recirculation d’air importante qui expliquerait pourquoi le vent vient tantôt de l’océan, et tantôt de la terre… Nous n’avions pas tenu compte de ces éléments lors de la première simulation sur l’incidence du vent à Hawaï (cf. article Pourquoi pondérer la traînée d’une roue pour mesurer sa performance aérodynamique ?), nous avions pris comme hypothèse une direction de vent constante.

3. Analyse des données

3.1   Parcours global

Pour une lecture plus claire de ces résultats, on propose de calculer la fréquence d’apparition de chaque angle d’incidence en pourcentage de la distance parcourue.

Fig. 7 Fréquence d’apparition de l’angle d’incidence mesuré par pas de 2°

 

On note que cette loi n’est pas symétrique d’une part et qu’elle semble décalée par rapport au 0° correspondant à un pur vent de face. Une autre lecture, probablement plus simple, consiste à trier les angles d’incidences par classes :

Fig. 8 Distribution par classes

 

Pour 30% de la distance totale, l’angle d’incidence n’est pas très élevé (entre -4 ° et 4 °), mais la loi de distribution est très étendue comparée à une loi de vent faible (cf. Fig.9).
Pour 25% de la distance globale, l’angle d’incidence est compris entre 10 ° et 20 ° (valeur absolue). Et nous savons que dans cette gamme d’angle d’incidence, les écarts entre les performances des différents équipements (en particulier les roues) sont les plus importants.

Fig. 9  Distribution par classe sur un parcours typique à Annecy (peu venté)

 

Dans le cas des mesures effectuées à Annecy, l’incidence  du vent ne dépasse jamais les 10° et la loi est très symétrique. Sur piste (vélodrome couvert), nous aurions une loi à 100% entre -4° et 4° car le vent apparent n’est dû qu’à l’avancement du cycliste.

3.2   Applications sur le calcul de la performance

Comme on l’a expliqué dans l’article précédent, ces mesures permettent d’établir des lois qui permettent elles-mêmes d’affiner nos calculs de la performance des systèmes roues-pneus.

Par convention, en soufflerie, nous effectuons nos mesures de +20° à -20° avec une séquence spécifique (pour des raisons de coût, d’organisation et également car des angles supérieurs à 20° sont relativement rares, exceptés à Hawaï justement !). Il faut donc adapter mathématiquement cette loi empirique avec la séquence de soufflerie :

Fig. 10 Loi mesurée à Hawaï adaptée à la séquence angulaire utilisée en soufflerie

 

Nous obtenons cette loi, qui nous servira de loi de pondération (cf. article Pourquoi pondérer la traînée d’une roue pour mesurer sa performance aérodynamique ?) pour les données dont nous disposons d’après nos nombreuses campagnes effectuées à la soufflerie HEPIA de Genève, Suisse.

Fig. 11 Montage et alignement d’un système à étudier dans la soufflerie HEPIA de Genève

 

Voici alors comment seraient les écarts de traînée aérodynamique entre les Mavic CXR et leurs concurrentes les plus performantes dans ces conditions de courses[1] :

Fig. 12  Extrapolation des données de soufflerie à partir de la loi établie à Hawaï

 

[1] Les écarts sont basés sur des mesures en soufflerie des roues avant dans des conditions stables et répétables de laboratoire (soufflerie). Les roues Mavic sont testées avec leur pneu correspondant ; les roues concurrentes sont soient testées avec leur pneu correspondant, soit avec un pneu/boyau Vittoria Corsa Evo CX.

 

Les écarts de puissances sont eux calculés à 40 km/h avec un ensemble {coureur ; vélo} de 87 kg, une puissance de 280 W, un SCx de 0,3 m² et un coefficient de roulement de 0,003. Il est important de noter que pour un coureur qui irait moins vite, les écarts de traînée aérodynamique seraient moins élevés, mais le temps passé sur le vélo est plus important et ainsi les temps économisés avec la roue la plus performante sont plus importants !

 

3.3    Applications sur les préconisations de roues

Fig. 13  Mesure en temps réel de l’angle d’incidence du vent apparent

 

Ces données mesurées sur le terrain nous permettent également, après analyse, de préconiser un certain modèle de roues en fonction de l’utilisateur.Au vu des variations extrêmes d’incidence de vent et des angles de près de 30° au début du segment E, il n’est pas donné à tout coureur de rouler avec une roue de 80mm de haut comme la CXR80.

Nos triathlètes professionnels (Fred Van Lierde, Tim O’Donnell, Andrew Starykovicz, Leanda Cave…) sont quant à eux habitués à cette course et à courir en CXR80 donc ce n’est pas tellement un problème d’utiliser cette roue, d’autant plus qu’elle est extrêmement stable dans ces conditions. En revanche, pour des triathlètes amateurs, il n’y aurait pas beaucoup à perdre (on le voit en Fig. 12) à utiliser les CXR60, voire une CXR60 à l’avant et une CXR80 à l’arrière pour contribuer à l’effet de voile. C’est un effet que l’on observe sur la CXR80 : pour de grands angles d’incidence (18°), lorsque l’on étudie la roue seule, ponctuellement, la traînée peut être négative. Dans la pratique, cela signifie non pas que le cycliste va avancer tout seul, mais que dans ces conditions, la roue ne présente plus de résistance au vent.

3.4   Segmentation

La segmentation du parcours (cf. Fig. 5 et Fig. 6) permet également d’obtenir des informations réellement fascinantes.

– Segment A (km 0 à 12)

Comme on peut le voir sur ce segment, il y a très peu de vent, notamment à 7h15 du matin (heure approximative du 1er sorti de l’eau).

– Segment B (km 12 à 23)

On voit que la loi est légèrement plus étalée, signe que ce segment est plus exposé au vent, mais c’est encore calme.

Segment C (km 23 à 63)

La distribution est de plus en plus étalée. On voit également qu’à l’approche du croisement avec Kawaihae Road, l’amplitude augmente, signe d’un vent de plus en plus fort.

– Segment D (km 63 à 96)

Sur ce dernier segment avant le demi-tour d’Hawai, l’angle d’incidence augmente encore, notamment dans les portions montantes (car la vitesse est plus faible et l’angle d’incidence augmente lorsque le vent est latéral).

– Segment E (km 96 à125)

Cette portion est littéralement chaotique, notamment dans la descente vers Queen K où à plus de 50 km/h, l’incidence du vent est de près de 30°, signe d’un vent vraiment fort. La distribution est quant à elle complètement étalée.

Après le kilomètre 105, nous avons même constaté que la pâle arrivait physiquement en butée (saturation à 32°), ce qui signifie que très ponctuellement, l’angle d’incidence devait se situer aux alentours de 35°.

– Segment F (km 125 à 180)

Le retour sur la Queen K est difficile avec un vent majoritairement de face. Aux alentours de midi, la chaleur est également un véritable ennemi.

Fig. 14 Retour à Kailua-Kona par la Queen K aux alentours de midi

4. Conclusion – suite à donner

Ces mesures, effectuées 72 heures avant le Championnat du monde Ironman de Triathlon à Hawaï nous ont permis de confirmer et de prouver ce que l’on avait simulé d’après les bases de données météorologiques. Bien entendu, pour être tout à fait puriste, il faudrait réaliser ce même exercice durant au moins 3 ou 4 jours différents, mais ces données restent tout de même conformes aux attendus. Elles montrent que sur une épreuve comme le triathlon d’Hawaï, une grande partie du temps passé à vélo se fait à des grands angles d’incidences, dans des conditions « chaotiques » ; ce sont justement dans ces conditions que les écarts entre les différents équipements sont les plus importants (des écarts de 20W par exemple rien que sur les roues à des angles de 15°). Autrement dit, cela confirme plus que jamais l’importance d’un matériel de pointe sur une telle épreuve. Et cela se confirme avec les superbes performances d’Andrew Starykowicz, Tim O’Donnell et bien sûr du tout récent Champion du Monde en titre Ironman 2013 Fred Van Lierde.

Avec plus de 80 000 lignes de données enregistrées, nous avons encore une multitude d’analyses à effectuer pour aller encore plus loin dans cette étude. L’outil également pourrait connaître plusieurs améliorations et optimisations… Derrière tout cela, l’objectif est toujours le même : faire progresser notre connaissance des phénomènes aérodynamiques que chaque cycliste, chaque triathlète, qu’il soit pro ou amateur, rencontre quotidiennement, dans le but bien sûr de concevoir du matériel toujours plus performant.

 

Brieuc Crétoux
Ingénieur Recherche & Développement Mavic

3 commentaires

  • Je vous felicite pour cette trés interressante étude
    Bonne continuation.
    EF

  • Bonjour,
    nous sommes à la recheche de roues aérodynamique pour une tentative de record à vélo fusée (actuel record 285km/h établit par François GISSY le 7 octobre 2013) qui sera d’après nos calculs au dessus de 340 km/h.
    Pensez-vous que vos roues Cosmic CXR60T puissent convenirs?

    • Bonjour, nos roues sont bien entendues développées pour des vitesses bien inférieures (autour de 50 km/h) et à des vitesses de 300 km/h, le comportement aérodynamique est nettement différent. Si vous êtes un peu familier avec les notions d’aérodynamique, vous devez savoir que le nombre de Reynolds va être singulièrement différent et le régime d’écoulement totalement turbulent à ces vitesses là. En outre, j’imagine quand même que la CXR devrait bien se comporter par rapport à une roue moins aérodynamique (comme celle de François Gissy). En revanche, la CXR80T serait probablement plus performante que la CXR60T. Les écarts entre les deux roues sont assez faibles, mais à des vitesses élevées comme les vôtres, ça peut faire une différence conséquente. Mais encore une fois, nous n’avons pas beaucoup de recul par rapport à ces vitesses là…
      Pour votre information et pour vos calculs, le SCx de la CXR80T avant est d’environ 0.010 m² (à 50 km/h, soit une pression dynamique de 114 Pa) et celui de la CXR60T de 0.009 m².
      Bonne chance à vous pour cette tentative.