Pourquoi est-il si facile de rester droit sur un vélo qui avance

Pourquoi est-il si facile de rester droit sur un vélo qui avance et si difficile sur un vélo à l'arrêt?
Quelle évidence! C'est grâce à l'effet gyroscopique bien sûr!!!
Mais qu'est-ce que l'effet gyroscopique? …Moins évident!
L'effet gyroscopique apparaît lorsque la roue est soumise à deux rotations "d'axe perpendiculaire". L'effet
gyroscopique est un "couple" qui agit autour d'un axe lui aussi perpendiculaire aux deux autres.
En mécanique, un couple est l'effort en rotation appliqué à un axe. Il est ainsi nommé en raison de la façon
caractéristique dont on obtient ce type d'action : un bras qui tire (Force F1 dans le schéma ci-dessous) et un bras qui
pousse (Force F2) pour créer une rotation autour de O.
Notez que les forces F1 et F2 ne doivent pas être nécessairement égales, opposées et dans le même plan (comme sur le
schéma ci-dessous) pour créer un couple. Si O n'est pas un axe de rotation, le couple entraînera une déformation du
dispositif plutôt qu'une rotation.
Comment "ressentir" l'effet gyroscopique ? Prenez une roue de vélo que vous tenez de chaque côté de son axe
devant vous. Demandez à quelqu'un de faire tourner la roue ; une fois celle-ci en rotation (selon l'axe B - flèche jaune),
essayez d'incliner la roue selon l'axe A (flèche rouge) de gauche à droite ou de droite à gauche. La roue va avoir
tendance à se mettre à la verticale toute seule. Sur un vélo qui avance (rotation selon B), une inclinaison (rotation
selon A) entraîne donc une force C qui tend à relever le vélo. L'effet gyroscopique existe bel et bien sur un vélo en
mouvement.
A : 2ème axe de rotation (vitesse constante)
B : 1er axe de rotation (axe de rotation de la roue, vitesse constante)
C : Axe d'application de l'effet Gyroscopique
Est-ce pour autant l'effet gyroscopique qui permet de rester droit sur un vélo en mouvement?
L'expérience de Hugh Hunt réalisée en 2006 montre que l'impact de l'effet gyroscopique est faible (Site internet de
l'expérience de Hugh Hunt) et qu'il n'est pas indispensable pour tenir sur un vélo en mouvement rectiligne.
1ère idée fausse : certaines personnes pensent que l'effet gyroscopique existe parce qu'une roue tourne. Et que 2 roues
qui tournent augmentent cet effet. Mais la direction de l'effet (ou du couple) gyroscopique dépend de la direction de la
rotation ce qui signifie que 2 roues tournant en sens opposé produisent des couples opposés qui s'annulent.
L'expérience de Hunt se base sur ce principe et consiste à montrer qu'en annulant l'effet gyroscopique, il n'y a pas de
différence dans la maniabilité du vélo.
Les photos ci-dessous montrent le dispositif utilisé par Hugh Hunt pour annuler l'effet gyroscopique de la roue avant
en ajoutant sur le même axe une autre roue qui tourne dans le sens inverse de la roue avant. Hunt constate que la
maniabilité du vélo comme son équilibre ne sont quasiment pas modifiés.
La démonstration mathématique faite par Hugh Hunt s'appuie sur ce dispositif.
En considérant un cycliste pédalant à 12 miles/heures (i.e. environ 20 km/h) sur un vélo traditionnel équipé de roues
de 600mm de diamètres et 2m de circonférence, Hugh Hunt détermine que le couple permettant de contrebalancer
l'effet gyroscopique du dispositif est de 2 N.m. Pour les plus motivés, les calculs détaillés sont disponibles sur le site
internet de l'expérience indiqué plus haut.
Le poids de vélo + cycliste est de 100 kg (plutôt rare pour un triathlète!), soit environ 1000N.
L'effet gyroscopique calculé à 2 N.m permet donc d'empêcher au maximum une oscillation de 2mm par rapport au
centre de gravité de l'ensemble (1000 N / 2 N.m = 0,002 m).
Cela ne donne pas une grande marge de sécurité à qui n'a pas appris à faire du vélo !!!
2ème idée fausse : Ceux qui ont fait l'expérience de ressentir l'effet gyroscopique en tournant une roue entre leurs
mains vont penser que cet effet est bien plus important que ce que démontre le calcul précédent, et encore plus en
situation sur un vélo à forte allure. Mais en tenant l'axe de la roue entre les doigts, même si la force paraît importante,
elle ne représente qu'un faible pourcentage du poids du corps (surtout pour Hugh Hunt!). Cette force paraît importante
aussi parce que l'on tient l'axe entre les doigts dont la force est relativement faible. Sur un vélo, l'effet gyroscopique
"ressenti" par l'extrémité de la fourche paraît bien dérisoire.
Conclusion
Si ce n'est pas l'effet gyroscopique qui nous fait tenir sur un vélo, alors qu'est-ce que c'est ?
Pour tenir sur un vélo, un des facteurs très
importants est sa géométrie, et en particulier "la
chasse" (en anglais "chasse" se dit "trail" ou
"caster"). La chasse ne doit pas être nulle, c’està-dire que le contact de la roue avant au sol doit
être en arrière du contact du prolongement de
l'axe de direction avec le sol. Elle permet de
stabiliser le vélo en travaillant à la manière des
hamsters dans leur petite roue (en anglais,
roulette se dit aussi "caster"!).
Lorsque l'on penche vers la droite, la force au niveau du contact entre la roue avant et le sol pousse la roue vers la
droite. Cela aide à diriger le vélo sans trop d'effort et à diriger le vélo sans les mains en penchant légèrement le vélo
pour le rééquilibrer.
Nous tenons donc principalement sur un vélo en mouvement par un contrôle actif de la direction à travers la conduite,
le pilotage. C'est pourquoi nous devons apprendre à faire du vélo. Quand nous apprenons à faire du vélo (en ligne
droite dans un premier temps), d'abord nous tombons de chaque côté, puis nous faisons des ajustements grossiers pour
ramener les roues sous notre centre de gravité en zigzaguant. Ces oscillations s'amenuisent petit à petit au fur et à
mesure que notre contrôle se précise. Plus nous devenons expert, plus les corrections sont fines et nous permettent de
rester continuellement en ligne droite. A vitesse faible les corrections de trajectoires sont très importantes et à l'arrêt,
elles ne peuvent pas empêcher de mettre pied à terre sauf pour qui maîtrise le "sur-place" mais cette technique fait
aussi appel à d'autres notions.