La physique à vélo - Faculté des sciences et de génie

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Module 3 : Des phénomènes mécaniques

© Chaire CRSNG/Alcan pour les femmes en sciences et génie au Québec
Vous avez le droit de reproduire et de distribuer ce document à des fins strictement éducatives.
Il ne doit cependant pas être intégré à un recueil de textes ou d’exercices ou utilisé à des fins lucratives.

Consignes pour l’élève 1
L
La a p ph hy ys si iq qu ue e à à v vé él lo o
C
Co on ns si ig gn ne es s p po ou ur r l l’ ’é él lè èv ve e
Description de l'activité
Cette activité vous propose de découvrir quelques-uns des aspects de la science de la bicyclette.
Beaucoup de principes physiques se cachent derrière cette monture à caractère unique. Selon les
consignes de votre enseignant, vous devrez résoudre un ou plusieurs des problèmes qui suivent.
Le matériel
Vous pouvez utiliser de vrais vélos pour effectuer des manipulations ou, selon les consignes, utiliser
celui que nous vous présentons pour résoudre les problèmes énoncés dans l'activité.
Le vélo que nous vous proposons est un hybride. Il permet
un grand confort autant dans les randonnées sur pistes
cyclables que dans les chemins forestiers de terre battue. Il
est monté sur des roues de 70 cm et ses pneus sont plus
larges que ceux du vélo de course, mais moins que ceux du
vélo de montagne.
Le vélo comporte 21 vitesses, par un agencement de dix
roues dentées :
• nombre de dents des trois roues du plateau de
pédalier : 28, 38 et 48;
• nombre de dents des sept roues du pignon de la roue arrière : 14, 16, 18, 20, 22, 24 et 34.
Plateau du pédalier Pignon de la roue arrière

La physique à vélo
Consignes pour l’élève 2
Démarche de résolution de problèmes
La résolution de problèmes s'effectue habituellement en quatre grandes étapes :
♦ définition du problème;
♦ formulation d'anticipations ou d'hypothèses;
♦ cueillette de données;
♦ conclusion.
Ces étapes ne sont pas nécessairement effectuées dans cet ordre, mais peuvent vous aider à mieux
structurer votre travail.
Par ailleurs, les concepts abordés vous aideront à diriger vos recherches.
Problèmes à résoudre
Problème 1 : La roue
Quels sont les avantages de l’utilisation des roues sur un vélo? Pourquoi les roues d’un vélo ont-elles un
grand diamètre? Imaginez que vous êtes Archimède et que vous cherchez la valeur de pi (π). Trouvez un
moyen de mesurer la circonférence d’une roue et estimez la valeur de pi (π). Comparez vos résultats
avec la valeur affichée par votre calculatrice.
Concepts abordés
4.6 Facteurs qui influencent la force de frottement
4.7 Coefficient de frottement; frottement statique
5.1 Usage de machines simples (roues); force résistante
Problème 2 : La transmission
Comment fonctionne la transmission de votre vélo? Évaluez le lien entre le rapport de transmission d'un
vélo (nombre de tours du pédalier divisé par le nombre de tours de la roue arrière) et le nombre de
dents de chaque roue dentée. Qu’est-ce qui peut influencer le rendement d’une transmission?
Concepts abordés
5.1 Usage de machines simples (levier, poulie, roue); constituants de machines simples (manivelle);
force motrice; point d'appui; force résistante
5.3 Rendement

La physique à vélo
Consignes pour l’élève 3
Problème 3 : L'équilibre
Pourquoi est-il difficile de garder le vélo en équilibre à l'arrêt? Lorsque nous roulons, avons-nous assez
d'équilibre pour rouler sur une ligne droite? Quelle est l'allure de notre trajectoire? Comment la vitesse
influence-t-elle cette allure?
Concepts abordés
1.1 Distinction entre mouvement rectiligne et autres mouvements; trajectoire; vitesse
2.1 Présence de systèmes de forces agissant au repos ou en mouvement
2.2 Effets de forces
Problème 4 : Le frottement statique
Un cycliste est arrêté en haut d’une pente raide inclinée à 30°. Quelle est la force qui retient ses roues
au sol, sachant que la masse de l’ensemble cycliste-vélo est de 70 kg? (Donner la nature, la grandeur et
l'orientation de la force, ainsi que le coefficient de frottement statique.)
Concepts abordés
2.1 Représentation vectorielle d'une force; unité de force
2.3 Force équilibrante; techniques d'addition vectorielle
4.6 Facteurs qui influencent la grandeur d'une force de frottement
4.7 Force normale; coefficient de frottement (µ = Ff/Fn); frottement statique (enrichissement)
Problème 5 : Conservation de l’énergie
Un cycliste est arrêté en haut d’une pente raide inclinée à 30°. Lorsqu’il décide de lâcher les freins, il
descend sans pédaler. Si l’on néglige la résistance de l’air, quelle sera sa vitesse au bout de 26 mètres
de descente si la longueur totale de la côte est de 30 mètres?
Concepts abordés
6.1 Paramètres de l'énergie potentielle gravitationnelle
6.2 Paramètres de l'énergie cinétique
6.4 Loi de la conservation de l'énergie
6.7 Applications numériques des transformations d'énergie mécanique