Vélo Physique Physiologique
Gauche Bas
0 Présentations      01 Présentation du site 012 Idées retenues pour modéliser et programmer l’avancement de cycles
Sujet : les bases pour modéliser et programmer l’avancement de cycles État de l’art sur ce sujet Lignes directrices du système de calcul Pourquoi effectuer une publication sur ce sujet ? Résolution et motivation A quoi servirons ces travaux ? Quelle confiance dans les résultats ? Choix du titre et du sens du travail présenté
Pourquoi vouloir une publication supplémentaire, alors que de nombreux articles traitent de ce sujet ? L’envie d’entreprendre une étude dans ce domaine est née d’une frustration, n’ayant pas de réponses chiffrées à des questions que je me suis posées sur l’avancement des cyclistes, leur fatigue, les puissances fournies, etc. Il est vrai que de nombreux travaux ont déjà exploré de manière professionnelle quantité d’aspects de ce thème. En général, cela a été effectué pour un objectif de compétition, et donc avec des données les plus précises possibles, en répondant à un objectif d’optimisation de performance. Nous trouvons effectivement beaucoup d’ouvrages d’intérêt, portant sur l’entrainement, la diététique, la physiologie humaine d’une part, et sur les forces et puissances physiques à produire pour déplacer un cycle d’autre part. Cependant, nous ne voyons quasiment rien sur une approche globale de la physiologie appliquée au vélo, ni sur des modélisations simples de situations de pelotons et de vent. Dans les aspects physiques, les résultats des investigations d’études en soufflerie, de mesures de puissance sur les pédales restent relativement secrètes. Je n’ai pas trouvé par exemple de modélisations claires et simples de l’influence : du vent de travers, des relais en peloton, des pavés ou des chemins chaotiques, des terrains boueux, sableux, argileux du tracé de la route : virages, largeur des intempéries (aspects physiques) des aptitudes particulières des cyclistes en descente, sur les chemins, etc Dans les aspects physiologiques, là encore je n’ai pas trouvé par exemple de modélisations claires et simples de l’influence : d’un braquet inadapté, d’une relation entre les puissances fournies et la fatigue résultante, de l’âge et de l’entrainement de la température, de l’altitude, de la nuit, des intempéries (aspects physiologiques) du sprint, de l’endurance, de l’ultra endurance Cependant l’établissement de courbes de puissance record individuelles commencent à faire le lien entre ces aspects, et c’est même la clef pour commencer une modélisation de la mécanique humaine de type «boite noire», comme expliqué ci dessus. Par exemple, pourquoi est-on aussi fatigué après une sortie de VTT de 40 km qu’une ballade en vélo de 80 km ? Dans les aspects globaux, nous trouvons de nombreux articles centrés sur un point particulier, mais pas d’un modèle global prédisant une performance sur un terrain et une situation quelconque et qui recouvre toutes les facettes du vélo.. De nombreuses questions sont ainsi sans réponse de l’influence sur le temps de parcours à fatigue équivalente : de la distance, du dénivelé, du vent de travers, de la température et la pression, d’un peloton, des braquets utilisés en vélo, des pneus, d’un tandem, etc … Force est de constater l’absence de modélisation à la fois synthétique et assez complète sur le sujet du cyclisme.
État de l’art sur la Modélisation de l’avancement de cycles Les sports d’endurance (comme l’athlétisme, la natation, le ski de fond, …) ont fait l’objet de nombreux articles et publications. Cependant, les calculs pour ces sports font intervenir des forces biomécaniques, complexes à modéliser. En revanche, les conditions d’exercice sont en général relativement stables (piste plate, piscine, météo de faible variation). Le sport cycliste a également fait ait l’objet de nombreux articles et publications. En effet, il se prête particulièrement bien à la modélisation mathématique. La modélisation des puissances mises en jeu en cyclisme est plus facile et plus précise pour ce sport (qui tourne rond), car la mise en équation des forces de résistance à l’avancement de cycles est connue  et permet de calculer avec une grande précision : la résistance due à la gravité la résistance due la pénétration dans l’air pour cycliste solo avec vent de face les résistances de frottements internes au cycle et avec la route. Cependant, les performances et les efforts en vélo surviennent dans des situations variées (type de terrain, type de cycle, météo, solo ou en peloton) et comportent de nombreux autres paramètres pour tenir compte de toutes les facettes du vélo (piste, route, cyclocross, tout terrain, tandem) ainsi que d’autres caractéristiques intervenant en cyclisme (déficit variés, habileté diverses). Ainsi, il existe bien de nombreuses publications sur le sport cycliste, Cependant, à l’évidence, tous les aspects de la modélisation cycliste ne sont pas abordés.
Résolution et motivation Malgré l’abondance de publications sur le sujet, j’ai donc décidé d’apporter une pierre originale, avec ses plus et ses moins, au savoir de l’homo-cyclistus. Depuis tout petit, j’ai eu la même passion du vélo et je me suis rapidement rendu compte que j’étais meilleurs à l’école que sur un vélo. Je suis resté admiratif devant les exploits accomplis par les coureurs élites. J’ai ainsi parcouru de nombreux kilomètres en cyclotouriste, en sillonnant les routes de notre belle France, et même d’Europe. Je suis satisfait d’avoir conservé la santé grâce au vélo et pu découvrir de si beaux paysages. Et même les galères inévitables s’embellissent avec le souvenir. Et en même temps, au cours de mes études, j’ai appris à modéliser les phénomènes physiques. Après une pleine carrière dans l’industrie, vint le temps libre de la retraite. J’avais envisagé depuis longtemps le projet de réunir ces deux disciplines dans une étude. De plus, je porte une certaine objectivité, étant un retraité indépendant de tout résultat imposé. En outre, j’aime bien les synthèses, et j’ai voulu un périmètre d’étude qui englobe toutes les formes de cyclisme (cyclotourisme, cyclisme sur route et sur piste, tandem, VTT, cyclocross, cyclisme urbain …), dans toutes les situations : pluralité des classes de cyclistes, comparaison des cycles et accessoires diversification des parcours selon les profils et les revêtements influence de la météo : vent, altitude, température et intempéries constitution de divers pelotons et situations de groupes   J’ai donc eu pour projet de réaliser un programme qui exécute un ensemble cohérent et complet de relations mathématiques. In fine, ce programme «VELOPHYS» permet bien, en exécutant de nombreux «runs»,  de répondre à de multiples questions diverses qui concernent la pratique du vélo sous toutes ses formes. Il a été implanté sur un PC ordinaire avec l’aide du progiciel en open source «Scilab»   Enfin, j’ai senti la nécessité de monter ce site avant que les VAE ne soient devenus une banalité et relègue la pratique du vélo mue par la force musculaire, à des niches comme le cyclisme de compétition, ou l’amicale des nostalgiques de la randonnée.
Conclusions J’ai exposé ci-dessus pourquoi, quoi, quand, où, comment, avec quoi modéliser et programmer l’avancement de cycles. Il reste à s’assurer que ces choix ont été les bons.
Choix du titre et du sens du travail présenté Cette étude pourrait s’intituler : « Comparaison chiffrées de trajets effectués à vélo dans des conditions variées et complexes (parcours, météo, cyclistes, cycles, pelotons) » ou bien « Modélisation et programmation de déplacements de cyclistes aux plans physiques et physiologiques ». ou encore, résumé en quelques jeux de mollets : «Pour le vélo, les sciences et la gloire» Polytechnique  «A la recherche de la fatigue et du temps perdus» Marcel Proust «Il vaut mieux mobiliser son intelligence pour les érudits que mobiliser sa connerie sur des choses intelligentes» Les Schaddocks «A Paris à vélo on dépasse les autos, à vélo par ici on dépasse les faux avis» Jo Dassin «C’était la fiche (de résultats) du facteur (commun) à bicyclette» Yves Montant
A quoi servirons ces travaux ? A qui ce travail peut servir ? Je n’en sais rien à ce jour, mais peut être : à personne, auquel cas j’aurais mené jusqu’au bout un projet que j’avais en tête depuis tout petit à des pratiquants qui peuvent y puiser quelques résultats chiffrés à quelques personnes qui récupèreraient une idée par ci par là pour améliorer leurs travaux à une équipe scientifique (on peut rêver) qui reprendrait à son compte les idées de complétude et synthèse Pourquoi publier un tel travail si atypique ? justement parce qu’il l’est parce qu’il fait ressortir des résultats intéressants ou oubliés et si jamais il peut servir à faire avancer la science En conclusion, j’espère que ce travail aura suscité un intérêt. Et je remercie d’avance les personnes : qui m’enverront un petit mot pour me le dire, qui souhaiteraient un « run » spécifique non encore proposé, qui pourraient me faire part de leurs idées d’amélioration. Car en respectant la structure générale du programme, il est possible de faire évoluer certaines parties. Je considère donc que ce programme est un prototype et j’aimerais bien lui voir succéder des applications plus professionnelles. Je laisserais à d’autres le soin de reprendre tout ou partie des idées mises en œuvre ici.
Lignes directrices du système de calcul La plupart des calculs de performance en vélo supposent que la puissance fournie par le cycliste est constante. Ceci est vrai si on fixe une période de temps d’exercice, mais est à l’évidence faux si ce temps est très différent : on ne monte pas un grand col aussi vite qu’une courte côte. Le cyclisme est un sport où les performances physiques déterminent le résultat. Cependant, nous ne pouvons pas établir des comparaisons basées sur un temps, une vitesse, une puissance ou un travail constant,  puisque les conditions de trajet ne sont jamais les mêmes : gestion de la course par le peloton, types de parcours et de terrains, types de cycles et accessoires, météo. Cependant, nous sommes capables de calculer assez précisément la puissance à fournir pour maintenir une vitesse donnée. Les professionnels du sport peuvent la mesurer en routine et en condition réelle de déplacement pour confirmer ces calculs, en utilisant des capteurs de puissance fixés sur les vélos (SRM, PowerTap). L’effort réel produit par le cycliste est ainsi mesuré : c’est l’énergie mécanique dépensée. De ce fait, la mesure en regard de l’effort réalisé est plus précise qu’avec la vitesse seule (dépendante du terrain ou du vent) ou la fréquence cardiaque (dépendante de la fatigue, température, déshydratation…). Chaque cycliste possède un potentiel qui lui est propre à un moment donné, sous des conditions données. Des études sur ce sujet ont montré qu’il existe une relation entre la puissance maximale fournie et la durée maximale de cette intensité. Le fonctionnement physiologique de l’homme est tel que : Plus on veut fournir un niveau d’intensité d’effort élevé, plus la durée de l’effort est courte, et inversement. Cette relation est dénommée « Profil de Puissance Record » pour un cycliste (PPR) : Puissance maximum de l’exercice = fonction décroissante (Durée maximum de l’exercice) Ce qui est au cœur de la modélisation proposée est cette notion de puissance record pour un cycliste, ou plus exactement l’intégration dans le temps de l’inversion d’une courbe d’un réseau, dont la courbe PPR fait partie. En inversant cette relation, nous avons : Dérivée de la fatigue = fonction inverse (Puissance de l’exercice) Généralisée à des puissances inférieures, on obtient un réseau de courbes dont chacune correspond à un niveau de fatigue. Enfin, il suffit d’intégrer cette relation sur toute la durée de l’exercice. La fatigue = Somme en fonction du temps (Dérivée de la fatigue) Ensuite, il suffit de résoudre un problème classique d’optimisation sous contrainte : Trouver la vitesse maximale qui est telle que la fatigue ne dépasse pas un seuil donné.
Quelle confiance dans les résultats ? L’origine des relations mathématiques choisies est diverse et dépend de l’existence de publications, essentiellement sur internet. Selon l’origine, on a des : Équations de physique élémentaire (exemple : force de résistance due à la pente ou au vent de face) Équations exactes, paramétrables, extraites d’articles documentés o exemples physiques : force de résistance due à la voie ou aux accélérations o exemples physiologiques : profil de puissance record et puissance fonction de l’âge Équations inspirées par des thèses, que j’ai simplifiées compte tenu de l’utilisation dans le présent contexte o exemples : puissances de résistance due au vent de travers ou appliquée à un cycliste abrité au sein du peloton Équations incorporant des correctifs, afin de refléter une réalité non encore quantifiée (exemple : adaptation du cycliste à la pluie) (Ces correctifs sont simplement des relations linéaires limitant faiblement des paramètres puissances, vitesses ou autres. Une erreur sur ceux-ci est donc de fait atténuée dans le résultat final.) Dans l’état actuel des choses, un survol rapide de ces résultats peut donner l’impression, à des pratiquants de vélo, que : soit l’eau chaude a été réinventée, car les résultats sont conformes au ressenti (cependant, c’est ici chiffré) soit c’est faux, car ils ne collent pas avec le souvenir ou l’expérience de situations vécues  dans ce cas, il faut être prudent pour cette confrontation car, dans les situations présentées, peu de paramètres varient (les autres étant rigoureusement identiques) alors que sur le terrain presque tous les paramètres sont différents. In fine, des grandeurs quantifiées sont fournies ici avec précision et permettent d’affiner les résultats intuitifs. Je vous souhaite donc une bonne lecture, en espérant que vous percevrez le vélo dans toutes ses dimensions.
· · · ·