Le Madone a été dédié à la vitesse dès sa création. Alors que les vélos et les courses sont à chaque fois plus rapides, il faut améliorer sans cesse la technologie afin de rester en tête du peloton.

Depuis l’introduction du Madone en 2003, la vitesse moyenne des coureurs professionnels sur les Classiques du printemps a augmenté d’environ 1,5 km/h. Cela veut dire qu’un coureur d’il y a 20 ans devrait augmenter sa puissance de plus de 35 watts pour rouler aux vitesses d’aujourd’hui, et ce dans le cas de figure où son matériel n’a pas progressé pour l’aider à rouler plus vite. À ces vitesses, la traînée aérodynamique représente près de 90 % de la résistance. Par conséquent, l’amélioration de l’aérodynamique est la priorité de ceux qui veulent gagner.

Le tout nouveau Madone marque une nouvelle étape dans l’évolution du vélo de course. Poursuivez la lecture de cet article pour en savoir plus sur l’aérodynamique du vélo de course le plus rapide jamais produit par nos ingénieurs.

IsoFlow, pression totale et traînée du cadre

Le changement le plus notable sur le nouveau Madone est la toute nouvelle technologie IsoFlow qui améliore l’aérodynamique, réduit le poids et augmente le confort du cycliste. Mais comment parvient-elle à réduire la traînée ?

Pour développer IsoFlow, nous avons commencé par identifier les zones du Madone de 6e génération qui généraient une traînée supérieure et nous avons analysé l’écoulement de l’air en ces différents points. Au début de la phase de design, nous réalisons cette opération à l’aide d’un logiciel de simulation d’écoulement de l’air. C’est ce qu’on appelle la mécanique des fluides numériques (MFN).

Souvent, à ce stade du processus, nous ne nous préoccupons pas vraiment de la modélisation de composants plus petits comme les porte-bidons et les rayons. Nous préférons nous concentrer sur l’augmentation du rythme des simulations afin de pouvoir tester plus de designs. Cela nous donne une simulation qui offre un modèle relativement précis de l’écoulement de l’air global et que nous pouvons obtenir en l’espace de quelques heures, au lieu de plusieurs jours, à l’aide de nos super-ordinateurs. L’élément que nous n’oublions jamais, c’est le cycliste (bien que nous le masquons parfois dans la visualisation). Nous l’intégrons dans la MFN soit avec un pédalage dynamique ou en modélisant une sélection de positions des jambes au fil du cycle de pédalage. Nous simulons des milliers de conditions et de prototypes dans la MNF afin de pouvoir étudier davantage de designs qu’il ne serait possible de le faire en soufflerie ou dans le cadre d’essais sur le terrain.

L’illustration ci-dessous représente une simulation MFN du début du développement de la génération antérieure du Madone comparée à un modèle concept doté d’IsoFlow. Ici, les zones générant une forte traînée sont représentés par des « nuages » où le rouge représente la plus forte traînée. Dans cet exemple, nous avons masqué le cycliste afin de pouvoir mieux visualiser l’écoulement de l’air sur le cadre. Cette représentation montre clairement comment l’introduction de la nouvelle technologie IsoFlow a éliminé les traînées les plus intenses.

S’il est vrai que nous utilisons les nuages rouges en tant que représentation de la traînée, ils représentent en réalité la « pression totale ». Sans trop entrer dans les détails des concepts d’aérodynamique, imaginez que la pression totale est une mesure de l’énergie présente dans l’écoulement. Nous cherchons à éviter les zones où la pression totale est basse (énergie faible), car ce sont celles qui génèrent la traînée. Si vous avez eu un professeur de physique intéressant, vous vous souviendrez peut-être de la conservation d’énergie. Ce principe s’applique ici : quand de l’énergie est retirée de l’écoulement d’air, elle doit provenir d’ailleurs. Dans le cas qui nous occupe, ce serait de vos jambes.

Dans le nouveau design du Madone SLR, IsoFlow est capable d’augmenter l’énergie de l’écoulement autour et au travers de l’ensemble de tige de selle en créant un passage dégagé pour l’écoulement d’air. Il s’agit d’une amélioration par rapport au design antérieur où l’air était comprimé autour du tube de selle et des haubans, ce qui l’amenait à interagir avec les jambes en mouvement du cycliste et se traduisait par une augmentation de la traînée.

IsoFlow et la traînée du cycliste

IsoFlow est loin de se contenter de réduire la traînée au niveau du cadre. La vitesse élevée de l’air qui traverse IsoFlow permet d’ajouter de l’énergie à la zone qui produit la plus grande traînée, à savoir derrière et en-dessous du cycliste. Lorsque vous pédalez, des tourbillons contre-rotatifs se forment quand l’air essaie de négocier toutes les manœuvres requises pour contourner les jambes et le dos. Cet effet a été documenté dans des études réalisées par des universités de renom et nous le constatons dans nos modèles MFN également. Dans l’animation ci-dessous, les tourbillons contre-rotatifs sont mis en couleur en fonction de l’ampleur et du sens de rotation pour différencier les deux.

La majorité de la traînée de l’ensemble vélo-cycliste provient du cycliste et provient de cet effet. IsoFlow permet de diriger l’air vers cette zone de basse pression et de réduire la traînée générée par le cycliste. L’effet est modeste, mais la moindre modification au niveau de l’importante traînée que crée un cycliste peut souvent avoir un impact supérieur à celui des réductions au niveau de la traînée du cadre. L’animation ci-dessous montre une fois de plus les tourbillons générés par le cycliste, mais cette fois, ils sont mis en couleur en fonction de la pression totale et mettent en évidence les lignes de courant au travers d’IsoFlow qui remontent pour ajouter de l’énergie au sillage du cycliste.

Il est possible d’étudier davantage les effets du pédalage et de « l’air sale » en soufflerie. C’est là que nous amenons les prototypes après l’identification des concepts les plus prometteurs dans les modèles de mécanique des fluides numérique. Les souffleries que nous utilisons ont la confiance des plus grandes entreprises aérospatiales pour tester les designs et réaliser des recherches. Elles sont capables de mesurer de petits changements dans la force de traînée et se vantent d’un écoulement d’air de qualité supérieure.

À l’instar de la MFN, nous plaçons toujours un cycliste sur le vélo lors des essais en soufflerie. Après tout, un vélo ne roule pas tout seul. Et le cycliste a un énorme impact sur les qualités aérodynamiques d’un cadre. L’ajout d’un cycliste n’est pas sans problèmes. Nous modifions souvent les surfaces de quelques millimètres d’un design à l’autre. Nous devons être en mesure de reproduire les résultats en soufflerie afin de pouvoir détecter les différences de traînée de chaque modèle. Même les cyclistes professionnels les plus expérimentés ne sont pas en mesure de reproduire leurs gestes le plus fidèlement possible pour nous permettre d’isoler un effet subtil né d’une petite modification dans le design. Alors, que faire ?

C’est ici que Manny, le mannequin qui pédale, entre en scène.

Manny combine les avantages des essais avec un cycliste (y compris une aérodynamique réaliste et la capacité d’étudier les effets des turbulences générées par le corps et le pédalage) en évitant les inconvénients d’un être humain qui ne parvient pas à maintenir une position parfaite (et qui pourrait se plaindre après une longue journée passée en soufflerie). Grâce à Manny, nous pouvons étudier les modifications de design avec une répétabilité d’environ ±1 Watt à 45 km/h. Nous réalisons toujours des essais en soufflerie avec de vrais cyclistes pour confirmer les résultats et étudier l’impact de l’équipement sur certains membres de l’équipe Trek-Segafredo, mais c’est avec Manny que tout commence.

Ces données indiquent que les améliorations au niveau de la traînée estimées dans le modèle MFN ont été validées en soufflerie. Avec un simple changement au niveau du vélo entre la 6e et la nouvelle génération du Madone, la traînée se réduit sensiblement lorsque le cycliste se retrouve même dans des conditions de faible vent de travers. Dans ce scénario, le cycliste se trouve exactement dans la même position que sur la génération antérieure du vélo.

Toutefois, si le cycliste utilise le nouvel ensemble cintre/potence du Madone et maintient la même longueur de cintre que sur les générations antérieures, les manettes de changement de vitesse sont déplacées de 3 cm vers l’intérieur. La position aérodynamique ainsi obtenue permet d’obtenir une réduction supplémentaire de la traînée à presque tous les angles de lacet, surtout dans les conditions de vent de travers faible.

Si le cycliste ne souhaite pas adopter cette position plus étroite des bras, il peut soit passer à une taille supérieure du nouvel ensemble cintre/potence du Madone ou utiliser un autre cintre. Ils remarqueront les améliorations liées au vélo, mais non pas celles liées au changement de position.

Quels sont les avantages pour les cyclistes ?

Afin de pouvoir comparer plus facilement les vélos, nous pouvons obtenir la traînée moyenne pour l’ensemble des angles de lacet afin d’obtenir un chiffre de traînée pour chaque vélo. Cela étant, une moyenne à elle seule n’est pas représentative des conditions du monde réel, car un cycliste n’est jamais confronté à chaque angle de lacet durant un intervalle égal. Nous devons donc appliquer une moyenne pondérée qui tient compte de la fréquence d’apparition de chaque angle ou de vent de travers.

Pour ce faire, nous avons calculé le pourcentage théorique de temps qu’un cycliste passera à chaque angle de lacet lors de plusieurs sorties et dans des conditions de vent différentes en utilisant la distribution des vents de Rayleigh qui offre une approximation des conditions de vent normales sur Terre. Nous avons ensuite validé ces calculs à l’aide de données récoltées lors de sortie dans le monde réel sur des vélos munis d’un capteur de vent. La condition la plus fréquente est celle d’un vent de travers faible (ou angle de lacet faible) (0° est la condition la plus fréquente). Aucune sortie ne correspondra jamais à cette distribution du lacet, mais plus vous roulez longtemps, plus vous vous en approchez au fil du temps.

Et pour que les données soient encore plus riches de sens, la traînée pondérée par le lacet est convertie en gain de watts et en gain de temps pour le nouveau vélo. Par exemple, le vélo et le changement de position s’associe pour donner un gain de 60 secondes sur une heure au cours de laquelle le cycliste fournit le même effort par rapport à la génération antérieure du Madone.

Le Madone a été mis au point en pensant à notre équipe professionnelle, mais le cycliste lambda peut profiter de ces gains aérodynamiques. Les gains de temps qu’un cycliste enregistrera ne dépendent pas autant de la vitesse de conduite que vous le pensez, car aux vitesses inférieures, vous disposez de plus de temps pour profiter de l’avantage aérodynamique.

Et pour les coureurs professionnels qui doivent gérer des vitesses en course toujours plus grandes, le nouveau Madone constitue un ajout essentiel à l’arsenal de développements aérodynamiques mis à leur disposition. Les résultats obtenus en soufflerie, lors de tests réalisés à la moyenne de la vitesse des Classiques de printemps d’aujourd’hui, indiquent que le nouveau Madone SLR et la position aérodynamique du cintre pourraient aider le cycliste à augmenter sa vitesse de 0,7 km/h par rapport à l’ancien Madone. Cela représente presque la moitié de l’augmentation totale de la vitesse en course depuis l’introduction du premier Madone en 2003 et marque une véritable évolution en aérodynamique.

À propos de l’auteur

John Davis est le responsable « Aérodynamique » chez Trek. Il est diplômé en ingénierie mécanique et aérospatiale de l’Université de Princeton et possède une un master en ingénierie aérospatiale de Georgia Tech.