diaporama - St Joseph
publicité
Faire du Vélo ? Un jeu d’enfant ... L'adulte qui pratique avec aisance le vélo a certainement oublié les heures d'apprentissage, les chutes, les premiers mètres considérés comme une victoire. Pourquoi est-ce si difficile pour l'enfant qui apprend et si facile pour celui qui sait faire du vélo ? Fabien Le Bouter Manuel Philippe Comment peut-on maintenir un équilibre lorsqu'il est en mouvement alors qu'à l'arrêt il tombe ? Cette dualité équilibre-mouvement, instabilitéarrêt ne peut qu'être due à un effet dynamique. L'effet gyroscopique est l'effet dynamique quasi magique qui empêche la toupie de tomber, qui permet à un cerceau ou une pièce de monnaie de se déplacer en ligne droite. Il est bien connu des motards, ils l'utilisent pour pencher leur lourde moto, lors d'un virage, en tournant le guidon dans le sens opposé au virage ! Serait-ce le couple gyroscopique qui assurerait l'équilibre du vélo en mouvement ? C'est ce que nous avons voulu vérifier en instrumentant un vélo de façon à mesurer ses mouvements lors d'un déplacement en ligne droite Appuyer sur une touche pour continuer ... Pour effectuer des mesures en dehors du laboratoire il fallait disposer d'un dispositif de mesure portable : l'interface "LabPro" permet l'utilisation des calculatrices TI pour le stockage des données et dispose de 4 voies analogiques et 4 voies numériques. Travaux d’Initiative Personnelle Encadré Deux potentiomètres "Bournus" 0-5V fourniront la mesure de rotation de la roue et celle du guidon. Deux accéléromètres ±2g permettront l'acquisition de l'inclinaison du vélo et l'accélération du CdG Les conditions d'essai La mesure a été effectuée sur une distance de 25m, départ arrêté avec une phase d'accélération sur une dizaine de m et une phase quasi constante sur quelques mètres Travaux d’Initiative Personnelle Encadré Les consignes, lors de l'essai, étaient de suivre une ligne droite et de donner par 2 fois deux "coups de guidon" (on les perçoit ci-dessous aux alentours de 11 et 18m) 1er constat : Le vélo ne peut suivre une trajectoire parfaitement rectiligne 2ème constat : Si l'on superpose l'évolution de l'inclinaison du vélo (/ plan ^ au sol) v à la vitesse angulaire du guidon g , on voit de façon assez nette l'influence de cette rotation sur l'équilibre. Est-ce le couple gyroscopique qui rétablit l'équilibre ? Travaux d’Initiative Personnelle Encadré Inclinaison du vélo v Vitesse angulaire du guidon g Couple gyroscopique Le couple gyroscopique est un effet dynamique qui apparaît lorsqu'il y a 2 rotations Travaux d’Initiative Personnelle Encadré L'expression ci-contre est une approximation satisfaisante si l'on a une rotation lente et une rapide et que les 2 rotations sont d'axes perpendiculaires. Le Moment "perturbateur" Les actions mécaniques qui perturbent l'équilibre du vélo sont : Le poids de l'ensemble La résultante dynamique (m.at) due à l'inclinaison du vélo (dont le sens dépend du mouvement) Ces actions déterminent un moment d'axe passant par les points de contact des 2 roues : Travaux d’Initiative Personnelle Encadré M 1 d .sin V . m. g d ². m.V En comparant les 2 courbes (moment perturbateur en bleu, Couple gyroscopique en rouge) on peut constater que le couple gyroscopique semble bien s'opposer au moment perturbateur, mais il est, sur le graphique, multiplié par 100 ! Le couple gyroscopique n'a donc qu'une très faible influence sur l'équilibre du vélo L'équilibre du Vélo Pour assurer l'équilibre du vélo il faut un moment compensateur directement opposé au couple perturbateur : M 1 d . sin V . m. g d ². m.V Travaux d’Initiative Personnelle Encadré La rotation du guidon amène le vélo en situation de virage autour d'un axe perpendiculaire au sol. Il y aura donc une accélération normale (= v²/R) qui engendre une seconde force d'inertie.: Cette force d'inertie donnera lieu à un moment autour d'un axe passant par les points de contact pneus/sol et opposé au couple perturbateur M 2 d . cos v . m. 2v . a tang Travaux d’Initiative Personnelle Encadré On le voit sur les courbes ci-dessus : le couple M2 généré par la force d’inertie issue de la rotation du vélo (virage) s’oppose bien au moment perturbateur M1. R La Chasse L'axe de rotation du guidon coupe le sol en avant du contact A; la distance entre ce point et A se nomme "chasse". Travaux d’Initiative Personnelle Encadré La composante tangentielle génère un couple autour de l'axe de rotation du guidon, du fait de la distance entre A et l'axe. Ce couple assure le rappel de la roue avant dans le plan du cadre. Si la chasse est nulle (axe de rotation du guidon perpendiculaire au sol), ce couple est nul, le guidon n'opposera aucune résistance et le cycliste devra acquérir un second automatisme intuitif pour ramener les 2 roues dans le même plan Si la chasse est négative, le couple sera de sens opposé et tendra donc à augmenter la rotation du guidon. Un tel vélo serait très instable ... C'est donc la rotation permanente du guidon qui permet l'équilibre du vélo, le mouvement de celui-ci n'est jamais une translation, il est toujours en situation de virage. Cette situation de rotation génère en permanence une accélération normale qui induit une force d'inertie centrifuge s'opposant au déséquilibre. Le couple gyroscopique issu des rotations du vélo et du guidon va dans le même sens, mais il est trop faible pour s'opposer au déséquilibre (la masse du cycliste est trop importante, sans celui-ci le couple gyroscopique aurait un influence significative). L'apprentissage du vélo n'est pas simple car l'équilibre du vélo va à l'encontre d'une logique intuitive : Travaux d’Initiative Personnelle Encadré le vélo penche naturellement d'un coté ou de l'autre, s'il penche à droite l'enfant aura tendance à contrebraquer (à gauche donc) pour rétablir l'équilibre, c'est un réflexe naturel. L'apprentissage du vélo nécessite d'acquérir un automatisme opposé au réflexe naturel : lorsque le vélo penche d'un coté, il faut braquer le guidon du coté de l'inclinaison pour rétablir l'équilibre. L'enfant doit apprendre par essais-erreurs et se forger son propre automatisme de façon empirique, les conseils d'un père ne servent pas à grand-chose (surtout s'il a lu ce dossier !). Malheureusement (comme on l'a vu pour la moto) cela se traduira par une inclinaison du vélo du coté … droit et précipitera donc la chute. On le voit, l'apprentissage du vélo est une opération difficile qui nécessite l'acquisition et le traitement de données relativement complexes . Une automatisation d'un vélo nécessiterait des moyens énormes. Et pourtant le corps humain assure l’asservissement en position avec efficacité, merveilleuse machine … Travaux d’Initiative Personnelle Encadré Calculateur Comparateur + — Consigne Capteur Actionneur On le voit, l'apprentissage du vélo est une opération difficile qui nécessite l'acquisition et le traitement de données relativement complexes . Une automatisation d'un vélo nécessiterait des moyens énormes. Et pourtant le corps humain assure l’asservissement en position avec efficacité, merveilleuse machine … Travaux d’Initiative Personnelle Encadré + — Consigne v v L'oreille interne joue le rôle de capteur, elle détecte l’inclinaison du vélo On le voit, l'apprentissage du vélo est une opération difficile qui nécessite l'acquisition et le traitement de données relativement complexes . Une automatisation d'un vélo nécessiterait des moyens énormes. Et pourtant le corps humain assure l’asservissement en position avec efficacité, merveilleuse machine … Travaux d’Initiative Personnelle Encadré le cerveau traite l'information + — Consigne v v L'oreille interne joue le rôle de capteur, elle détecte l’inclinaison du vélo … et commande les muscles de façon à imprimer un mouvement régulé (suffisamment vite pour rectifier la position mais pas trop pour éviter la chute et ce en fonction de l'amplitude et de la vitesse d'inclinaison !) Travaux d’Initiative Personnelle Encadré le cerveau traite l'information + — Consigne v v L'oreille interne joue le rôle de capteur, elle détecte l’inclinaison du vélo Une automatisation d'un vélo nécessiterait des moyens énormes. Et pourtant le corps humain assure l’asservissement en position avec efficacité Il n’est, pour autant, pas nécessaire pour le cycliste de conceptualiser tout ceci, le cerveau humain a la formidable capacité d’apprendre rapidement (par essais-erreurs), de se forger son propre automatisme de façon empirique et de conserver en mémoire cet apprentissage. Travaux d’Initiative Personnelle Encadré Un enfant sait faire du vélo rapidement et de façon définitive ! le cerveau traite l'information Les muscles assurent la rotation du guidon de façon à rétablir l’équilibre + — Consigne v L'oreille interne joue le rôle de capteur, elle détecte l’inclinaison du vélo
