La puissance mécanique externe en cyclisme

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1 La puissance mécanique externe en cyclisme - Définition - Calculs & évaluation - Outils de mesure Pro Cycling Solutions

2 La notion de puissance mécanique Mobilisation des segments à différents niveaux de force et de vitesse Production d une puissance mécanique Déplacement de l individu ou de l ensemble homme machine

3 Puissance - Définition La Pméca d un cycliste correspond au travail (W, en Joules) qu il réalise par unité de temps (t, s). Pméca = W/t Le travail qu il réalise dépend du niveau de force (F, en Newton, N), qu il applique sur une distance donnée (d, en mètre, m) W = F.d Force W Le travail réalisé (W) correspond à l aire située sous la courbe de la relation entre la force et la distance distance Donc la Puissance mécanique peut s exprimer par le produit de la Force par la vitesse de déplacement(v) (d/t) Pméca = F.v

4 Puissance - Définition La force développée dépend de la résistance totale (Rt) qui s oppose au cycliste F = Rt Si F = Rt et que W = F.d alors W = Rt.d Et la Pméca qu un cycliste développe est également dépendante de Rt Pméca = Rt.d/t Pméca = Rt.v Intérêt de diminuer les résistances à l avancement

5 Les résistances à l avancement Rt est la somme de la résistance de l air (Ra), de la résistance de roulement (Rr) et de la force de gravité (P) Rt = Ra + Rr + P Résistance aérodynamique : traînée aérodynamique de l air (Ra) Résistance au roulement (Rr) : contact des roues au sol et de l ensemble des frictions sur le pièces de la machine Pesanteur : force de gravité (P) due au poids de l ensemble homme-machine dans les montées A 50km/H, environ 90% de la Pméca est utilisée pour vaincre Ra, Rr représentant seulement 7 à 10% Plus la pente augmente, plus le poids de l ensemble homme machine devient primordiale dans la résistance à l avancement

6 Les résistances à l avancement Résistances aérodynamiques Ra = 1/2 ρscx Va² où ρ est la densité de l air en kg/m3 qui dépend de la T et la Pb (plus T est élevée et Pb basse, moins la densité sera importante). Une augmentation de 15 C permettrait un gain de 1,5s au km et une augmentation d altitude de 2000m permettrait un gain de 7 au km (car la Pb diminue avec l altitude). Le SCx est le coefficient de pénétration dans l air S est la surface frontale en m² Cx est un coefficient de forme Va est la vitesse de l air en m.s -1 (Va=Vd+Vv) Ra évolue avec le carré de la vitesse ce qui signifie qu il faut fournir plus d énergie pour passer de 40 à 45km/h que de 20 à 25km/h et que l aérodynamisme est d autant plus important que la vitesse augmente

7 Les résistances à l avancement Résistance au roulement Rr = Cr. Fv où Cr est le coefficient de résistance au roulement et Fv la force verticale appliquée sur le pneu qui peut s exprimer par m.g.cosα (m: masse de l ensemble homme machine et g accélération de la gravité, α est l inclinaison de la route en degré), donc : Rr = Cr.m.g (cos α) Les principales variables qui influencent Rr sont, selon Grappe (2009) : - Pression de gonflage - Type de pneumatique - Épaisseur de la gomme à déformer - Nature des matériaux utilisés - Sculpture de la chape - Section transversale du pneu - Ellipse de contact du pneu sur le sol - Diamètre de la roue - Angle de dérive que fait le plan de roulage du pneu avec la trajectoire de la bicyclette - Nature du sol - Température extérieure et au sol

8 Les résistances à l avancement Résistance liée à la gravité P = m.g.sinα où m est la masse de l ensemble homme machine, g, l accélération de la gravité et α est un angle (en degré) qui correspond à l inclinaison de la route.

9 Puissance mécanique externe Pméca = ((1/2 ρscx Va² + Cr.m.g (cos α) + m.g.sinα).vd) Valeurs absolues et valeurs relatives : Par exemple pour un col de 13km à 8% de moyenne parcouru en 40, un coureur de 70kg développe une Pmoy de 368W contre 325W pour un coureur de 60kg. 44W de différence soit 12%. Toutefois, si on exprime la valeur rapportée à la masse du coureur on trouve 5,3W/kg pour le plus lourd contre 5,4W/kg. La différence ne vaut plus que 0,1W/kg et qui provient de la masse du vélo proportionnellement plus importante pour le coureur le plu léger. A vous de tester la formule pour voir l influence de chaque paramètre sur la performance : - Effet de la position ; - De la température - De la masse corporelle -

10 Effet du SCX sur la puissance et la performance Armtrong se déplace dans l air à l intérieur d un cylindre beaucoup plus faible qu Ullrich Comparaison de la surface frontale et du Cx entre Armstrong et Ullrich (Grappe, 2005)

11 Effet du SCX sur la puissance et la performance Une diminution de 11% du SCx d Ullrich soit un SCx de 0,24m², lui permettrait de passer de 48km/h à 49,8km/h pour une même puissance développée (415W) et de gagner 2,9sec/km soit 1 56sec sur 40km!! Selon Grappe et al. (1996), il existerait une relation entre le ratio Pméca / SCx et la performance sur le contre la montre (normalisée). Evolution de la puissance développée par Armostrong et Ullrich en fonction de la vitesse de déplacement( selon Grappe 2005)

12 Effet du poids sur la performance et la puissance D après Grappe Un cycliste de 70kg (vélo de 8kg) qui se déplace sur une montée de 7% en développant 300W peut en théorie rouler à 17,7km/h. S il parvient à gagner 3kg de poids de corps (donc 67kg), il est en mesure de rouler en développant la même puissance à 18,2km/h, soit un gain de 0,5km/h ce qui représente 6,1 sec par km.

13 Puissance Notion de Puissance Normalisée LA PUISSANCE BRUTE Elle correspond à la puissance mécanique moyenne développée sur la séance, en prenant en compte dans la moyenne toutes les variations de puissance. LA PUISSANCE MOYENNE ROULANTE Elle met en évidence la puissance mécanique développée en ne tenant pas compte des temps morts et des «pédalages 0». Elle permet, en comparaison avec la Puissance brute, de mettre en évidence si la sortie a été productive en termes de travail effectif. LA PUISSANCE NORMALISEE Cette puissance n est pas un relevé direct. Elle est déduite par rapport à un algorithme qui mesure toutes les 30 les variations de puissance et les intensités des efforts saccadés. Elle permet de donner une puissance plus juste par rapport à la Perception de l Effort. Par exemple, une sortie sur le plat tout seul, à une allure et une puissance donnée, mettra en évidence une Puissance Normalisée. La même sortie en groupe, avec des accélérations et des sprints aux pancartes, avec une même puissance et une même vitesse moyenne, donnera une PN supérieure. (Mettant ainsi en évidence les efforts saccadés)

14 Calcul de la puissance à partir des résistances au roulement A vous de jouer avec la formule de calcul de la puissance : Pméca = (1/2 ρscx Va² + Cr.m.g (cos α) + m.g.(sinα)).vd Coefficient de traînée aérodynamique (SCx en m²) typique pour 3 positions différentes sur le guidon et 2 configurations course. Densité c Main en haut Main en bas Position triathlète Course Peloton 100% du temps Course Peloton 75% du temps 1, ,35 0,30 0,25 0,20 0,25 Coefficient de roulement (Cr ) typique pour différents terrains roulant moyen peu roulant Route 0,003 0,005 0,008 Vtt 0,01 0,03 0,07 1, , , ,2 20 1, , ,136 35

15 La mesure de la puissance mécanique La Pméca peut s exprimer à partir de la force appliquée sur les pédales. Dans ce cas la Pméca correspond au produit de la cadence de pédalage et du Couple Moteur Pméca = ω x C Où est ω égal à la vitesse angulaire (rad.s -1 ) et C au couple de Force (N.m -1 ) (longueur manivelle et Force utile) De nombreux outils de mesure de la Pméca sont basés sur cette méthode de calcul

16 La mesure de la puissance mécanique Intérêt de la mesure de la puissance mécanique : - Analyser (voire modéliser) et comprendre les exigences de la discipline - Evaluer le sujet, définir un profil de puissance - Suivre l évolution d un sujet - Accéder à l intensité de l exercice (pour ajuster et contrôler) - Critère de sélection et d évaluation «Un des plus excitants développements des sciences en cyclisme a été l introduction de dispositifs de mesure de la puissance mécanique externe» Jeukendrup, 2002

17 Relation de la Pméca avec les autres paramètres de la performance Relation Puissance - FC Sprint Test incrémental par paliers Contre la montre Séance IT

18 Relation de la Pméca avec les autres paramètres de la performance Relation Puissance - Cadence La cadence est une variable importante puis directement liée à la mesure de Pméca (Pméca = ω x C) Exemple d évolution de la cadence au cours d un test d effort triangulaire

19 Relation de la Pméca avec les autres paramètres de la performance Relation Puissance Couple de Force Tout comme la Cad, le couple est une variable importante directement liée à la mesure de Pméca. Plus le couple de force est élevé, plus les muscles du pédalage sont sollicités = sollicitation accrue des fibres rapides, rapidement fatigable, altération de la circulation sanguine manque de force sur la fin, crampes, douleurs, mauvaise récupération Contrôler son couple de pédalage (possible avec Powertap et SRM PC8) ou à défaut : la cadence de pédalage Contrôle de la répartition de la force/vitesse = Quadrant Analytique

20 Les méthode de mesure de la puissance mécanique Les différents outils se classent sous trois formes : - Appareil en laboratoire bicyclette ergométrique (type Monark), et home-trainer - Tests de terrain (test de Matin et al. 1998, Vayer et Porteleau, 2000) - Appareils embarqués : SRM, Powertap, SRAM Quarq, Polar S710, Rotor Power2max, Stages, Garmin Vector, Ergomo, Pioneer, Look Power

21 Les appareils embarqués Le marché est aujourd hui inondé par les appareils de mesure

22 Les appareils embarqués La force est calculée à partir de la déformation d une jauge de contrainte et du calcul (mesure) de la cadence. Qualités et propriétés d un capteur de puissance : - Validité de la mesure : Étendue de la mesure Sensibilité Précision - Exactitude - Reproductibilité

23 Les appareils embarqués Le modèle SRM reste la référence. Il existe depuis 1986, développé par Schoberer. Pour bien utiliser un appareil de mesure, 3 points sont essentiels : Vérifier la validation du système (par rapport à une référence) Nécessité d étalonnage (étalonnage statique) Offset (automatique)

24 Analyse des principaux appareils embarqués Validation Compatibilité Avantage Inconvénient Coût SRM Oui ANT + Sur le pédalier Calibration possible Powertap Oui ANT + Mobile Rare calibration nécessaire Facilité de mise en place Pionner Non ANT + Sur le pédalier & manivelle (différentiel droite gauche) Stages Non ANT + Poids facilité de mise en place Quarq SRAM? ANT + Sur le pédalier - Calibration possible Pédales Vector Garmin Pédales Look Power? ANT + Mobile Différentiel droite-gauche Prix +++ Pas de changement de roue possible Mesure direction vecteur Force 12x Pic de puissance mal mesurés Valeurs fausses pour sujets disymétriques Pic de puissance mal mesurés Non Bluetooth Force utile Pas de compatibilité ANT S interroger sur l utilisation qu on veut en faire.

25 Bibliographie Training and racing with a powermeter H.Allen & A.Coggan 2 nd Ed. Velo press (2à10) Les équations du vélo F.Grappe pp18-21 Sport & Vie Hors Série N 31 Le vélo (2009) Cyclisme et optimisation de la performance F.Grappe (2005) Chapitre 15 Résistance totale qui s oppose au déplacement en cyclisme Puissance et performance en cyclisme F.Grappe (2012) Ed. De boeck Chapitre 2 Critères d évaluation de la validité de la mesure avec un capteur de puissance Chapitre 3 La puissance au centre de la performance Chapitre 8 - Détermination des résistances à l avancement avec la mesure de la puissance sur le terrain Remerciement à V.Terrier pour sa contribution à cette présentation