Physique du vélo

Réponse du département Sciences et Techniques

Bonjour,

« Les vitesses du vélo sont un système de poulies, où la chaîne transmet aux pignons le mouvement rotatif des plateaux du pédalier. Si le plateau et le pignon étaient de même diamètre, ils tourneraient à la même vitesse et accompliraient le même nombre de révolutions. Mais, sauf exception, le pignon sélectionné est toujours plus petit que le plateau ; son périmètre possède donc moins de dents et effectue davantage de tours. Le pignon et la roue arrière tournent plus vite que le pédalier.

Pour changer l’allure du vélo sans bouleverser la cadence de pédalage, le dérailleur arrière déplace la chaîne vers un autre pignon. A cadence constante, un pignon plus petit augmentera la vitesse de la roue. Mais cet avantage à un prix : il faut pédaler plus dur, puisqu’en raccourcissant le rayon de l’engrenage, on réduit d’autant l’effet de levier. Comme pour ouvrir une porte : c’est plus difficile en poussant près des gonds que près de la poignée. Si au contraire le cycliste veut réduire son effort tout en maintenant son allure, il peut soit engrener la chaîne sur un pignon plus grand, soit sélectionner (s’il lui en reste) un plateau plus petit. Dans un cas comme dans l’autre, il devra pédaler plus vite. »
Nous avons trouvé cette explication dans le livre suivant :
Cyclisme & science : comment fonctionne le couple homme-machine ?
/ Max Glaskin. Vigot, 2015

Un autre ouvrage sur le sujet est consultable en ligne : Cyclisme et optimisation de la performance: Science et méthodologie de l’entraînement / Fred Grappe. De Boeck, 2009

Pour votre question sur le rendement du cycliste, il faudra vous intéresser au braquet.
Le braquet est le rapport entre le nombre de dents du plateau du pédalier et le nombre de dents du pignon de la roue arrière. Par exemple 52x12, soit 52 dents au plateau et 12 pignons sur la cassette
Le développement est la distance en mètres parcourue à chaque tour de pédale en fonction du braquet engagé. La formule de calcul permettant de déterminer le développement pour un braquet donné est la suivante :
(Nombre de dents du plateau / Nombre de dents du pignon) X circonférence de la roue.

Voici plusieurs sites vous permettant de calculer les meilleurs rapports à adopter :
- Tableau des développements pour le vélo de route - Braquets
- Braquets, développements, et cadences comprendre ce qu'on fait quand on pédale
- Calcul des braquets sur transmission de velo
- CALCULATEUR DE BRAQUETS ET DE DÉVELOPPEMENTS CYCLISTES
- Calculer le développement d'un vélo

Pour mieux comprendre ce mécanisme, voici plusieurs schémas et animations :
- Animation pour mettre en évidence le changement de vitesse en fonction de la cadence de pédalage et de la combinaison pignon/plateau.
- animation présentant le principe des vitesses.
- Comment fonctionnent les vitesses d’un vélo ?

Mais personne ne peut surpasser Jamy et ses maquettes pour expliquer les plateaux, les pignons et le Tour de France
Les fous du vélo - C'est pas sorcier