Pourquoi pondérer la traînée d’une roue pour mesurer sa performance aérodynamique ?

On parle beaucoup d’aérodynamisme aujourd’hui dans le domaine du cycle… Et on voit de plus en plus des écarts en watts annoncés entre tel ou tel dispositif. Mais comment sont calculés ces écarts et sont-ils réalistes ?

Avant tout, il faut dire quelques mots sur la « traînée ». Un objet en mouvement dans un fluide (à tout hasard, disons une roue en mouvement dans l’air !) est soumis à des forces de pression et à des forces de frottement (car l’air est un fluide visqueux). La composée de ces deux types d’efforts s’appelle la traînée aérodynamique. Cette traînée correspond à la résistance aérodynamique qui va s’opposer à l’avancement de l’objet dans le fluide. Cette traînée est proportionnelle à la vitesse au carré, autrement dit, si je décide de doubler ma vitesse (passer de 20 km/h à 40 km/h par exemple), la traînée aérodynamique va être 4 fois plus élevée ! A des vitesses élevées (au-delà de 30 km/h généralement) et sur du plat, la traînée aérodynamique est donc la première source de résistance du cycliste (loin devant la résistance du pneumatique sur le sol).

Pour évaluer la performance aérodynamique d’une roue, on mesure sa traînée aérodynamique sur une balance de mesures en soufflerie. Néanmoins, dans la réalité, une roue ne rencontre pas toujours l’air de face, mais avec un certain angle appelé angle d’incidence. Pour évaluer une roue de manière plus réaliste, il est donc nécessaire de la mesurer à plusieurs angles d’incidence. Enfin, pour ne retenir qu’une seule valeur de traînée pour une roue, on effectue une moyenne « pondérée » des résultats qui donnera une vision plus réaliste.

1.      Le vent apparent

Si je roule à 40 km/h, mon déplacement génère un vent ressenti de face de 40 km/h. Mais dans la réalité, il y a toujours un peu ou beaucoup de vent « météo » qui peut venir de n’importe où, et avec n’importe quelle vitesse.

Dans l’exemple illustré ci-dessus, le vent météo est de 13 km/h et vient de la droite par rapport à ma direction. Ainsi, ce que je ressens sur le vélo, c’est la composée de ces deux « vents » (flèche verte) que l’on appelle vent apparent. Dans ce cas de figure, le vent apparent est de 42 km/h et je le ressens avec un angle de 18° (qu’on appelle angle d’incidence) par rapport à ma direction d’avancement. C’est un simple calcul trigonométrique.

2.      Mesurer le vent apparent

Au cours d’une sortie, le vent apparent n’est jamais constant, ni en direction, ni en vitesse. En effet, d’une part ma vitesse d’avancement varie, et d’autre part le vent météo n’est pas constant et en fonction de mon parcours, il ne vient pas de la même direction.

Nous avons développé un outil de mesure de cet angle d’incidence, qui est une sorte de girouette instrumentée. Durant la sortie, elle va s’orienter suivant la direction du vent apparent, et à chaque tour de roue, va enregistrer la valeur de l’angle d’incidence.

Après de multiples essais, et dans des lieux différents, nous avons pu établir une loi « générale » de la fréquence d’apparition de chaque angle d’incidence qui a l’allure suivante :

Cette loi nous dit que nous passons en moyenne plus de temps avec un vent apparent qui vient de face ou d’un angle d’incidence assez faible plutôt qu’avec un angle d’incidence fort. Bien entendu, c’est une loi générale et en fonction de la météo du jour, du lieu, elle peut être modifiée. Mais elle sert de base pour pondérer les résultats de soufflerie, comme nous allons le voir.

3.      L’essai en soufflerie

En soufflerie, on mesure la traînée de la roue pour des angles d’incidence allant de -20° à +20°, ceux que l’on rencontre les plus fréquemment sur le terrain. On obtient alors les données suivantes, lorsque l’on compare 2 roues (ici la CXR80 face à la meilleure roue concurrente en 80mm de haut) :

Ces données montrent que la CXR80 possède une traînée plus faible à 0° (lorsque le vent vient de face) et on peut également noter un écart très conséquent entre les deux roues à partir de 10°. Cela signifie que dans tous les cas, la traînée de la CXR80 est plus faible que sa rivale et donc que le cycliste luttera moins pour conserver sa vitesse. L’écart entre les 2 roues sera d’autant plus important que l’angle d’incidence augmentera (dans des conditions très ventées en pratique).

 

4.      Interprétation

Pour interpréter les écarts entre ces deux roues en termes de performance, il y a plusieurs solutions :

  • Traînée frontale

Soit je considère uniquement la traînée à 0°. Dans ce cas les valeurs sont les suivantes :

Mais il est faux de ne considérer que la traînée frontale s’il y a un vent météo.

  • Traînée moyenne

Soit je fais la moyenne de toutes les valeurs, quelle que soit l’incidence du vent. C’est à dire que je donne autant d’importance à une incidence de 0° qu’à une incidence de 20° :

  • Traînée moyenne pondérée

Dernière solution, j’effectue une moyenne des valeurs d’après la loi déterminée avec la girouette qui donne plus d’importance aux angles qui apparaissent fréquemment dans la réalité et un peu moins aux angles plus extrêmes (mais qui apparaissent quand même ponctuellement) :

Comme on le voit ici, des courbes d’aérodynamiques sont vraiment soumises à interprétation et peuvent donner des écarts plus ou moins grands : nous aurions pu choisir de faire une simple moyenne et annoncer un écart de 16,8 W entre la CXR80 et sa rivale. Mais nous préférons calculer une moyenne la plus juste et réaliste possible, qui tient compte de nos essais terrains. C’est ce que nous appelons la moyenne pondérée.

 

5.      Application pour nos coureurs pro

On peut également aller plus loin et adapter cette loi de pondération à un parcours spécifique. Nous fournissons alors ces données techniques à nos équipes professionnelles ou nos triathlètes pour les guider dans le choix du matériel par exemple.

Nous avons effectué la simulation suivante sur le dernier Triathlon Ironman d’Hawaii en 2012 :

Le parcours vélo de l’épreuve est connu.

A partir de bases de données météorologiques (National Climate Data Center par exemple), on peut estimer pour la date de l’épreuve la vitesse moyenne du vent et surtout sa direction. Mieux, quelques jours avant la course, on peut affiner le modèle à partir des prévisions.

Partant de ces données météorologiques, on divise le parcours en plusieurs segments sur lesquels on recalcule la vitesse et la direction du vent apparent. Connaissant les écarts entre les deux roues présentées plus haut, on est alors capable de calculer un écart théorique très précis.

Dans le cas très concret d’Hawaï, cette simulation a montré que l’écart global entre la CXR80 et sa rivale était d’environ 2min30 sur les 180 km du parcours vélo de l’Ironman. Sachant que les écarts au classement général sont du même ordre de grandeur, le choix du matériel est donc primordial pour une telle épreuve.

Fred Van Lierde, 3e à l’Ironman D’Hawaï en 2012

5 commentaires

  • Merci pour cet éclairage bien fait et concis. Dommage que le test comparatif ne soit pas fait sur un benchmark plus large et les produits cités, non révélés. Hâte de découvrir la suite du blog.

    • @ ThiBS00, merci pour ton commentaire. Nous nous sommes limités ici à une simple comparaison en guise d’exemple, afin de montrer les conséquences de cette méthode au niveau des mesures. En effet, le but de ce blog est avant tout de faire le point sur des sujets techniques.
      Pour un comparatif produit plus complet, une page dédiée a été créée sur le site Mavic : http://www.mavic.com/fr/cosmic-carbone-CXR (partie données aérodynamiques, onglet Cosmic CXR 80 et 60T).

  • Merci pour ces explications très claires. Comment expliques tu ta traînée négative à 17.5°? par des phénomènes de portance liées au profil et à la rotation de ta jante? Cela veut quand même dire que tu es « aspiré » vers l’avant…du coup ta vitesse augmente et ton incidence diminue et tu reviens en trainée positive…
    Mais si on fait abstraction du reste du coureur et du vélo (grosse abstraction), cela voudrait dire qu’à 17°5 vent majoritairement de face malgrès tout, tu peux avancer tout seul (à partir du moment on ta jante est en rotation car j’imagine que ça participe à la portance)?

    • @flo, merci pour ton commentaire.
      Le phénomène observé aux alentours de 18° est ce qu’on appelle « l’effet de voile ». De la même manière qu’un voilier est capable de remonter le vent, dans certaines conditions, la traînée peut devenir négative et par là générer une poussée.
      Concrètement, l’écoulement d’air très laminaire le long du profil de jante vient générer un effort aérodynamique qui a une certaine orientation et une certaine intensité et dont la composante de traînée (dans le repère de la roue) est orientée vers l’avant.
      Cependant, il ne faut pas oublier que dans ce cas, on observe uniquement une roue avant, c’est donc bien la traînée de la roue seule qui devient négative ponctuellement. Et comme tu le soulignes, dans la réalité, en prenant en compte la trainée du système complet (roues, cadre, cycliste), celle-ci reste positive même si elle va atteindre un minimum aux alentours de 18°. A titre d’exemple, la traînée d’un vélo complet avec cycliste est de l’ordre de 30N, alors que celle d’une roue avant est plutôt de l’ordre de 2N. Donc non, le coureur ne va pas avancer tout seul sans pédaler. Il va juste sentir sa traînée réduite dans ces conditions (en roulant à 40 km/h, avec un vent de travers de seulement 13km/h, cela représente un angle d’incidence de 18°).

  • c’est très intéressant