Phénomène de vibration en cyclisme : la solution Ortholite

La pratique moderne du vélo revêt de multiples facettes (route, tout terrain, piste,…) avec un choix de vélo et d’équipements de plus en plus large. Si l’on prend l’exemple des roues, il n’y a qu’à regarder l’éventail de produit qui s’offre à nous, avec des choix multiples. Ainsi pour une jante, on aura le choix dans la taille, la hauteur, la largeur, les matériaux… Auquel il faut ajouter les rayons, les moyeux, les pneus, etc. Il en va de même pour le vélo et ses composants. On pourra d’ailleurs faire le même constat avec les pratiques actuelles et les nouvelles tendances : route (cyclosportif et randonnée), VTT (cross-country, enduro, fatbike), triathlon, allroad…

Cependant il demeure une constante commune à toutes ces pratiques : c’est le vélo qui fait l’interface entre le cycliste et le sol.

Fig. 1 – Les 3 points d’entrée des vibrations pour le cycliste

 

Quel que soit le type de revêtement, une pratique extérieure va imposer des surfaces de roulement imparfaites (en opposition au cyclisme sur piste ou le revêtement est très lisse). Toutes ces aspérités du sol vont induire des vibrations, qui vont se transmettre au cycliste par l’intermédiaire de son vélo, par 3 points d’entrée : les pieds, les mains, l’assise (Fig. 1).

L’intensité de ces vibrations, en fréquence et en amplitude, dépendra donc des aspérités (densité, hauteur), de la vitesse de rotation de la roue sur ces aspérités (donc du nombre de fois que la roue rencontre ces aspérités), du matériel utilisé mais aussi de la masse du système cycliste-vélo. Ces vibrations même infimes, sont inévitables pour le pratiquant.

Certaines courses cyclistes (comme la légendaire « Paris-Roubaix »), sont même réputées pour leurs revêtements très rudes, avec les fameuses traversées des routes pavées sur un total d’une soixantaine de kilomètres. Les vibrations qui en découlent sont très importantes pour le cycliste et chaque année, les coureurs font preuve de beaucoup d’imagination pour tenter de réduire ces vibrations.
Mais que sait-on vraiment de ce phénomène vibratoire ? Quels types de vibrations rencontrons-nous quand nous roulons et surtout, ont-elles un effet sur notre organisme ? C’est ce que nous allons découvrir à travers ce document.

Quelques rappels :

Fig. 2 – Exemple d’une onde sinusoïdale

 

On peut définir le phénomène oscillatoire comme le déplacement d’un objet de part et d’autre d’une position dite d’équilibre (= référence). La vibration sera donc caractérisée par sa période, sa fréquence et son amplitude.

La période T d’un phénomène périodique est la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se reproduit identique à lui-même. Elle s’exprime en secondes (s).

La fréquence f d’un phénomène périodique correspond au nombre de périodes par unités de temps, c’est-à-dire le nombre de fois où le phénomène se reproduit par seconde. Elle s’exprime en Hertz (Hz). La fréquence est l’inverse de la période.

L’amplitude A du signal (fig. 2) correspond à la différence entre la valeur nulle (= 0) et la valeur maximale.

Un peu d’histoire :

L’étude des vibrations et de leurs effets sur la santé ou sur le mouvement humain, est un champ d’investigation assez ancien. En effet, ce sont d’abord les autorités sanitaires qui se sont intéressées à ce phénomène avec notamment des études réalisées sur des bûcherons avec l’effet des vibrations produites par les tronçonneuses thermiques, sur la production de force. Ils ont observé une diminution de la force de préhension après utilisation de la tronçonneuse (Farkkila et al., 1980). On peut également citer les études menées sur les sièges d’hélicoptères où il a pu être montré des changements physiologiques et neurologiques, liés à la vibration du siège (Martin et al., 1984).

Plus globalement, on sait maintenant que les vibrations ont un effet sur la santé et peuvent amener certaines pathologies. Ci-dessous, un graphique de l’effet des vibrations sur le débit sanguin au niveau des extrémités (doigts). Lors de son étude, l’auteur (Furuta et al., 1991) met clairement en évidence l’effet de la vibration sur le débit sanguin (courbe rouge) au bout des doigts, pendant des phases de vibration (rectangle gris) pour des fréquences particulières. Or, cette chute du débit sanguin peut apporter des altérations de la thermorégulation (à court terme) dû à la vasoconstriction, voir l’apparition ou le renforcement de certaines pathologies qui peuvent s’avérer plus grave à plus long terme : la maladie / syndrome de Raynaud (Olsen N., 1988).

Fig. 3 – Chute du débit sanguin localisé (au bout des doigts) lorsque la main est exposée à certains types de vibrations (environ 30Hz)

 

En remontant un peu dans l’histoire, on pourra également noter l’exemple du pont de Tacoma (1940), qui s’écroula après être entré en résonance. La résonance est le phénomène par lequel la vibration d’une matière, sous l’intensité d’une vibration incidente, vient s’amplifier pour atteindre une très grande amplitude. Ce jour là, à cause du vent, le tablier du pont s’est mis à osciller jusqu’à plusieurs mètres d’amplitude (Fig. 4) avant de s’écrouler. Or, chaque corps (dont le corps humain et ses organes) possède une fréquence propre de résonance.

            Fig. 4 – Oscillation du pont de Tacoma

 

Les vibrations peuvent également être la cause de cinétose (mal des transports), maux de tête ou encore d’engourdissement, fourmillement…
C’est suite à ces résultats, et à bien d’autres études, qu’ont été mise en place des normes pour protéger les travailleurs. Ainsi, le Code du travail (articles R. 4441-1 à R. 4447-1 issus du décret n° 2005-746 du 4 juillet 2005) oblige les employeurs à prévenir le risque vibratoire.

 

Qu’en est-il dans le monde sportif ?

L’étude de ce phénomène vibratoire s’est ensuite développé dans le monde sportif avec notamment l’étude des vibrations transmises par la raquette dans les sports de frappe, comme le tennis ou le squash. En dehors des pathologies habituelles (ex : Epicondylites ou « tennis-elbow »), un des effets courant qui ressort souvent, est que ces vibrations pendant l’effort vont engendrer une perte significative de force du muscle sollicité.

 

Les vibrations en cyclisme

D’un point de vue « performance », l’ajout de vibrations va induire un surplus d’activation musculaire pour une même puissance de sortie (donc augmentation du coût énergétique). D’autant que les points d’entrée des vibrations sont multiples et proches des principaux muscles participant à la l’activité de pédalage : Gastrocnemius, Vastus medialis et lateralis, Rectus femoris, Biceps femoris, Gluteus maximus… (Duc S., 2005). Des études (Kavounoudias et al., 2001 ; Sonza et al., 2013) ont également montré que la vibration des pieds venait perturber le système kinesthésique qui nous renseigne notamment sur la position de nos segments ou encore la sensation de pression, très importante pour la gestion de l’équilibre.

On peut également noter que des vibrations au niveau de l’assise sollicite fortement les disques intervertébraux (qui font office d’amortisseurs pour la colonne vertébrale) ce qui engendre des risques de lombalgie, de sciatique, voire d’hernie discale selon l’INRS (document de l’Institut National de Recherche et de Sécurité : Pathologie lombaire, effet de la manutention manuelle, de la posture et l’exposition aux vibrations).

Les nouvelles tendances dans la pratique du cyclisme avec des épreuves très longues (Haute Route) ou sur des terrains plus escarpés (Allroad) nous amènent donc à prendre de plus en plus en considération ce phénomène de vibration. Et pour mieux le cerner, il faut mieux le connaître. Cela nous a donc conduit à mener des études sur le terrain pour mesurer « in situ » les types de vibrations auxquelles sont exposés les cyclistes, que ce soit sur la route ou sur les sentiers.

Pour cela nous avons enregistré et analysé les vibrations sur le vélo aux 3 points d’interface avec le corps : selle, cintre et pédale. Nous avons également fait varier un maximum de conditions afin d’avoir un panel le plus large possible en terme de matériel et pratique comme suivant :

Ainsi, nous sommes maintenant en mesure d’affirmer que la bande de fréquence principale de vibration à laquelle est exposé le cycliste pendant les tests, se situe entre 17 et 54 Hz sur route et entre 8 et 42 Hz sur chemin (allroad). Or, si l’on se penche de plus près sur les fréquences de résonance (cf. pont de Tacoma) on s’aperçoit que bon nombre de nos segments et organes ont des fréquences qui peuvent interagir avec celles que l’on retrouve lorsque l’on roule :

Fig. 5 – Représentation graphique des gammes de fréquence en route et allroad, comparées à celle du corps humain

 

Fort de ces nouvelles connaissances, nous avons donc pu mettre en place des tests spécifiques afin d’évaluer différents moyens de diminuer cette dose vibratoire. Travaillant sur des produits que l’on qualifie de « soft » comme les vêtements et accessoires (en opposition au « hard » pour le monde de la roue) nous avons pu écarter les systèmes de filtration mécanique (ex : batteur mécanique de la fourche « Aktiv » de Time). Pour des raisons de technicité et faisabilité nous avons également écarté les systèmes électroniques (exposition aux éléments, sueur, pression, etc…). Notre choix s’est donc porté sur un travail au niveau des matières en elles-mêmes. L’assise représentant en moyenne 60% des pressions sur les 3 points d’appuis (en comparaison aux mains et pieds) c’est donc assez logiquement que nous avons commencé à travailler sur la peau de chamois (= le pad).

Ainsi, à l’aide d’une plateforme vibrante (réglable en fréquence), nous avons pu tester plus d’une trentaine de matière (mousse et gel) avec des résultats très différents en comportement. En effet, grâce à ce test nous mesurions la quantité de vibration avant et après la matière. Voici ci-après le comportement de 2 matières très différentes : la mousse Ortholite (figure 6) et le gel (figure 7), soumis au même choc.

Fig. 6 – Comportement de la mousse Ortholite lors d’un choc isolé. Le choc est bien absorbé (flèche orange) et la vibration résiduelle est très faible (flèche verte)

Fig. 7 – Comportement du gel lors d’un choc isolé. Le choc n’est pas bien absorbé (flèche orange) et la vibration résiduelle est plus importante : 6 fois plus de temps pour s’atténuer (flèche verte)

 

C’est ainsi que la mousse Ortholite a été retenue. Permettant une absorption plus importante des chocs que les autres mousses. En parallèle, elle possède une résistance à la compression répétée qui est très bonne également. Enfin, sa structure en cellules ouvertes lui confère de bonnes caractéristiques pour la gestion de l’humidité.

Une fois la mousse Ortholite intégrée dans le pad, nous avons pu tester le produit dans son ensemble sur la plateforme vibrante, en le comparant à des produits existants (pads concurrents). Là encore, le résultat est probant, surtout lorsqu’il est comparé à des pads construits avec du Gel. On constate que pour la bande de fréquences qui peut être néfaste pour l’homme (entre 20 et 40 Hz), nous arrivons à diminuer de 20 % la dose vibration sur la globalité de la bande de fréquence, et de plus de 30 % sur les fréquences critiques.

Fig. 8 – Quantité de vibration aux fréquences spécifiques avec différents pads

 

Il en résulte donc une peau de chamois optimisée puisqu’elle conserve toutes ses qualités en termes de confort et gestion de l’humidité, tout en offrant au cycliste une meilleure protection face aux vibrations.

Et les autres points de contact ? De manière à rester cohérent dans notre raisonnement, nous avons donc également appliqué la technologie Ortholite à nos chaussures via les semelles de propreté (figure 9), ainsi que dans nos gants (figure 10).

De cette façon, Mavic propose une solution non pas partielle mais complète, grâce à la ligne Ksyrium Pro, pour garantir aux cyclistes une protection accrue pour des sorties longues et confortables.

Enfin, bien que les vibrations soient fortement diminuées, il subsistera toujours des vibrations qui remonteront vers le cycliste. Le corps humain étant bien fait, des stratégies sont mises en place pour venir limiter leurs effets ! Malheureusement cela un prix : une augmentation de la dépense énergétique, qui n’est pas utile au déplacement. Il existe cependant un moyen de venir limiter ce coût énergétique « inutile » mais nous verrons cela lors d’un prochain épisode d’Engineers Talk !

Références :

  • Duc S. (2005). Analyse de l’activité musculaire du pédalage en relation avec la performance en cyclisme. Thèse de doctorat, Université de Franche-Comte.
  • Farkkila M., Pyykko I., Korhonen O., Starck J. (1980). Vibration-induced decrease in the muscle force in lumberjacks. Eur.J.Appl.Physiol., 43, 1-9.
  • Furuta M., Sakakibara H., Miyao M., Kondo T., Yamada S. (1991) Effect of vibration frequency on finger blood flow. Int Arch Occup Environ Health, 63:221-224.
  • Kavounoudias A., Roll R., Roll J.P. (2001) Foot sole and ankle muscle inputs contribute jointly to human erect posture regulation. Journal of Physiology, 532.3, pp.869–878.
  • Martin B.J., Roll J.P. & Gauthier G.M. (1984). Spinal reflex alterations as a function of intensity and frequency of vibration applied to the feet of seated subjects. Aviat Space Environ Med, 55, 8-12.
  • Olsen N., Petring O.U. (1988) Vibration elicited vasoconstrictor reflex in Raynaud’s phenomena. British Journal of Industrial Medicine, 45:415-419.
  • Sonza A., Maurer C., Achaval M., Zaro M.A., Nigg B.M. (2013) Human cutaneous sensors on the sole of the foot: Altered sensitivity and recovery time after whole body vibration. Neuroscience Letters, 533, 81– 85.

7 commentaires

  • bonjour
    étude constructive pourquoi ne pas l avoir étendue au grip et au ruban de cintre ,et rail de selle

    • Bonjour Jean-Philippe,
      Merci pour votre message.
      Comme vous l’avez très bien remarqué, les vibrations se propagent sur l’intégralité du vélo et il serait très opportun d’effectuer le même exercice aux différentes jonctions (cintre / ruban de cintre, rails de selle etc…), tout ce qui fait le lien entre le cycliste et son vélo.
      Du point de vue de l’équipement du cycliste, nous avons choisi les gants pour les mains, la peau de chamois pour l’assise et la semelle de propreté pour les pieds. Ne fabriquant pas de selle ni de ruban de cintre, nous ne pouvions donc malheureusement pas agir sur ces produits. Mais il reste évident que c’est la chaîne complète (du sol jusqu’au cycliste) qu’il faudrait améliorer !
      Vous souhaitant une agréable journée,
      Mavic

    • Bonjour.
      L’ortholite dont vous parlez ici, est-ce la même matière que celle utilisée par Salomon dans ses chaussures de trail? (en gros est-ce une matière qui existe déjà que vous avez adapté ou est-ce une matière développée par vous et qui, hasard, porte le même nom?)

      Sur ces chaussures l’amorti est assez surprenant compte tenu de la faible épaisseur de la semelle, effectivement s’il s’agit de la même matière l’effet va se sentir.

  • Bonjour,

    Merci pour ces éléments, très intéressants.
    J’ai entendu parler d’un matériau type « caoutchouc / elastomère » utilisé sur des roues (au niveau du lien « moyeu / rayons » ou « rayons / jante », je ne sais plus).
    Avez-vous travaillé en ce sens ? Il y a certainement là une idée à suivre car en atténuant les vibrations à cet endroit, on gagnerait sans doute beaucoup.

    Bien cordialement,

    • Bonjour Guy,

      Merci pour votre commentaire !

      Il existe effectivement certaines pièces intermédiaires en élastomère entre le moyeu et les rayons qui permettent de filtrer les vibrations, mais elles sont principalement destinées à réduire le bruit, et peu utilisées, ou en tout cas, de manière un peu « artisanale ».

      Il faut savoir que le premier « amortisseur » de vibrations sur une roue est le pneumatique. C’est un formidable amortisseur puisqu’on peut « facilement » jouer sur le coefficient d’amortissement avec le volume d’air (qui dépend de la pression de gonflage, mais aussi de la largeur du pneu, et de celle de la jante).
      Ensuite, les nappes de rayons jouent également un rôle d’amortissement car les rayons vont se déformer à chaque tour de roue, et absorber là-aussi les vibrations. Néanmoins, les rayons ont également le rôle (non négligeable !) de transmettre le couple (moteur ou freineur). En assouplissant la liaison entre les rayons et le moyeu, cette transmission de couple serait nettement dégradée, ce qui n’est pas souhaitable.

      Cordialement

      Mavic

  • Bonjour,
    je me permet de faire remarquer que l’utilisation de la référence au pont de Takoma pour parler du phénomène de résonance semble abusive. En effet, il semblerait que ce soit plutôt dû à un phénomène d’instabilité aéroélastique

    http://archive.wikiwix.com/cache/?url=http%3A%2F%2Fwww.pourlascience.fr%2Fewb_pages%2Ff%2Ffiche-article-pont-de-tacoma-la-contre-enquete-18305.php

    Une résonance n’est donc pas nécessairement catastrophique, d’autant plus que les taux d’amortissement dans le corps humain sont importants, limitant par là même l’amplitude des vibrations à la résonance.

    Enfin, à moins de rouler sur des pavés, les sollicitations sont la plupart du temps transitoires, et les réponses vibratoires aussi, limitant ainsi l’établissement des phénomènes de résonance vibratoire.

    • Bonjour Denis,

      Tout d’abord merci pour vos précisions. Les Engineers Talk étant des articles de vulgarisation, certains raccourcis sont faits afin d’expliquer plus simplement certains processus. Le phénomène de résonance n’est effectivement qu’en partie responsable de l’effondrement du pont de Tacoma. Il est clair que dans notre cas, le phénomène de résonance est rare mais possible et ses effets sont néfastes et prouvés.

      Le but de cet article est plutôt d’attirer l’attention sur la potentielle dangerosité des vibrations auxquelles sont exposés les cyclistes. Les nombreuses mesures que nous avons effectué à l’interface homme/vélo nous montrent malheureusement que les sollicitations, continues, ne sont pas à négliger.

      Mais comme vous l’avez très bien souligné, le corps humain est très bien fait et peut gérer à lui seul ce phénomène vibratoire (tissus mous, disques inter vertébraux…). Nous avons pris le parti d’atténuer les vibrations avant qu’elles ne viennent interagir avec le corps.

      Sportivement,

      Mavic