Stabilité d'un deux-roues [effet gyroscopique, hauteur, etc]

Bonjour à tous...

Voilà quelque temps que je m'interroge sur certaines affirmations au sujet de la stabilité de nos engins. Au sceptique demandant comment tenir sur un VC et si ce n'était "pas trop casse-gueule", qui, parmi nous, n'a jamais répondu : "Facile : le centre de gravité est beaucoup plus bas ; c'est donc naturellement plus stable..." ?

Et nous colportons tous ce postulat sans trop y réfléchir...

Or,
— de manière très générale, la conduite sans les mains d'un VC (tractions directes exceptées) est un exercice que peu d'entre nous peuvent exécuter ;
— il m'est arrivé de lire que les fameux "grands bis" et leurs pilotes haut perchés sont très stables, ce que je crois volontiers si l'on compare la machine à un manche de brosse dressé en équilibre dans la paume de la main, assurément plus stable qu'un crayon dans la même situation.

Une question, par conséquent... La faible hauteur n'est-elle pas un facteur d'instabilité (ou de maniabilité, si vous préférez) ?

Qu'en pensez-vous ?



P.S. : J'avais d'abord souhaité intituler ce fil "Stabilité d'un deux-roues et centre de gravité", car c'est ce qui m'intéresse d'abord ici. Il va de soi pourtant que la stabilité des vélos dépend aussi d'autres facteurs, tels que l'empattement et (l'angle de) la chasse ; et la discussion devra évidemment en tenir compte. Ces autres facteurs alimentent d'ailleurs peut-être mon moulin, dans la mesure où les angles de chasse me paraissent plutôt similaires entre VC et VD, alors que l'empattement est souvent supérieur pour les premiers, qui devraient donc gagner en stabilité (et permettre une conduite sans les mains plus aisée).

le probleme de stabilité vient de :
- la hauteur du centre de gravité par rapport à l'axe entre les moyeux
- la taille des roues (plus elles sont grandes, mieux ça vaut)
- la longueur de l'entre-moyeux (empattement) : plus il est long, mieux ça vaut.

ensuite, je connais pas, mais il y a surement d'autre choses

JNZ a écrit:

Le problème de stabilité vient de :
- la hauteur du centre de gravité par rapport à l'axe entre les moyeux ;

C'est ce dont je souhaite discuter. Alors oui, mais justement, dans quel sens, d'après vous ? Vaut-il mieux un centre de gravité haut ou bas pour augmenter la stabilité ?

JNZ a écrit:

- la taille des roues (plus elles sont grandes, mieux ça vaut) ;

Ne serait-ce pas justement parce qu'elles élèvent de facto le centre de gravité (et augmentent la chasse) ?

JNZ a écrit:

- la longueur de l'entre-moyeux (empattement) : plus il est long, mieux ça vaut.

Nous sommes d'accord... si du moins le "mieux" est pour vous la stabilité.

JNZ a écrit:

Ensuite, je connais pas, mais il y a sûrement d'autre choses.

Ben oui : la chasse, par exemple. Plus elle est grande, plus le vélo est stable.

il me semble aussi que le fait d'avoir tout le torse collé au vélo (via le siège) nuit à la gestion de l'équilibre: difficile de se servir du buste pour l'ajuster (pas d'effet de balancier)

un petit guide sur la physique à vélo...
http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/pdf/velo.pdf

Citation :

Autres facteurs influençant l’équilibre
Plus le centre de gravité d’un vélo est bas, plus il est stable. Un vélo de type hybride possède un centre de gravité très bas et la conduite est donc plus sûre. C’est pourquoi il est de plus en plus apprécié par les gens qui désirent se balader, changer d’air et voir du pays.
La largeur des pneus contribue elle aussi à l’équilibre. En effet, plus les pneus sont larges, plus la base de sustentation est large, ce qui rend plus facile son alignement avec le centre de gravité.

D'ailleurs, pour un tricycle, on est bien plus à l'aise sur un tricycle bas (Kett) que sur un modèle haut. Sur un 2 roues, le problème vient de l'alignement dans le plan vertical du centre de gravité et des roues, car le moindre déplacement à gauche ou à droite entraîne une chute... à moins d'avoir des pneus larges (cf vtt "trial")

En mouvement, je pense qu'il y a bien sûr un facteur d'inertie, et les grandes roues (plutôt utilisées sur les vélos "hauts", voireles grands Bi) vont renforcer la stabilité une fois le vélo en mouvement.

Mathieu

My opinion is :
Stabilité d'une roue vient du fait qu'elle tourne (effet gyroscopique).
VD ou VH, si la roue tourne, il y une certaine stabilité de l'ensemble.
Il faut ensuite gérer les écarts "accidentels" par rapport à cet situation d'équilibre : c'est la gestion de l'instabilité qui n'est en fait que la gestion de l'équilibre qui, comme le dit Windwa, se fait avec le haut du corps en guise de balancier.
On ne fait pas de "sur place" avec un VH.

Mais perso ça ne me dérange pas le moins du monde

:velo1:
A+

Jéjon a écrit:

Au sceptique demandant comment tenir sur un VC et si ce n'était "pas trop casse-gueule", qui, parmi nous, n'a jamais répondu : "Facile : le centre de gravité est beaucoup plus bas ; c'est donc naturellement plus stable..." ?

Heu moi je réponds "oui c'est un peut casse-gueule au debut, mais c'est un coup a prendre"
Je trouve pas que le VC est plus stable, sauf peut etre a grande vitesse.
Dans mon imaginaire a moi c'est parceque on a moins de temps pour rattraper le coup quand ca part en desequilibre.
Et aussi le fait que la majeure partie du corps ne peut pas bouger lateralement.

The Poon a écrit:

[...] Il y une certaine stabilité de l'ensemble. Il faut ensuite gérer les écarts "accidentels" par rapport à cette situation d'équilibre.

Oui... sauf qu'en fait, ces écarts ne sont nullement "accidentels" : un vélo, comme tout objet reposant sur deux appuis (presque) ponctuels, n'est qu'en équilibre métastable — un déséquilibre sans cesse corrigé.

Dès que l'engin part d'un côté et se trouve donc en porte-à-faux, le cycliste doit s'arranger pour réaligner sur un plan vertical le centre de gravité et le point de contact avec la route ; pour cela, il lui suffit de tourner dans la même direction. Plus la vitesse du vélo est grande, plus cette déportation du point de contact sera rapide : voilà pourquoi la pratique du sur-place ne peut s'accomoder de cette manoeuvre et utilise également le déplacement du buste.

C'est ce mécanisme qui rend pertinente la comparaison avec le manche de brosse en équilibre : en déplaçant la paume de la main dans la direction où le manche va tomber, on repositionne son appui à la verticale de son centre de gravité. Et je vous assure que plus le manche de brosse est long, plus il est stable ! Je suis l'heureux propriétaire d'un filet à insectes au manche télescopique : 4 mètres de long. Il tient facilement en équilibre sur mon menton. Essayez donc avec un crayon !

Partage d'expérience personnelle, en passant d'un M5 SP451 à un M5 SP559 : comme leur nom l'indique, la différence essentielle est la taille des roues, qui donne une assise 10 cm plus élevée pour le 559.

A basse vitesse, le 451 était plus stable. A haute vitesse le 559 est plus stable. Ca va dans le sens de ce que dis "M". Centre de gravité bas permet de mieux contrôler l'équilibre à basse vitesse. Grandes roues donnent un effet gyroscopique plus important qui stabilise à hautes vitesses.

L'empattement et la chasse sont effectivement deux autres facteurs très importants. Les motards connaissent la stabilité légendaire des anciennes Ducati, dont les valeurs pour ces deux termes étaient exceptionnellement élevées. Avant d'arrêter la moto, je possédais une Buell qui au contraire présente des valeurs exceptionnellement faibles des deux termes. Sa vivacité en montagne était incroyable, en revanche dans des grandes courbes il fallait être ... Euh, vigilant !

Jéjon a écrit:

The Poon a écrit:

[...] Il y une certaine stabilité de l'ensemble. Il faut ensuite gérer les écarts "accidentels" par rapport à cette situation d'équilibre.

Oui... sauf qu'en fait, ces écarts ne sont nullement "accidentels" : un vélo, comme tout objet reposant sur deux appuis (presque) ponctuels, n'est qu'en équilibre métastable — un déséquilibre sans cesse corrigé...

True, true...
Le terme "accidentel" ne s'exprimait que par rapport à la "stabilité" gyroscopique.
My dear.

:velo1:
At plus

Citation :

Grandes roues donnent un effet gyroscopique plus important qui stabilise à hautes vitesses

tu crois?
un roue de 20" tourne plus vite qu'une roue de 26" donc effet giroscopique de la 20">26"
par contre inertie de la 26">20"
qu'est ce qui "l'emporte" sur l'autre????
sur le hurricane, ce qui m'a frappé, c'est la stabilité déconcertante dans les descentes à 70/80km/h par rapport à un vélo droit.....
idem, le bikefriday (VD roues de 20") me semble plus "en ligne" que VD en 26", et je pense intimement que c'est dû à l'effet giroscopique supérieur des roues de 20"
les giroscopes dans les avions, les missiles etc... c'est un petit truc de 40mm de diamètre qui tourne hyper hyper méga vite.... ce n'est pas un truc un peu plus grand tournant un peu moins vite....
m'enfin je me trompe peut-être... il y a ici des ingé et des técos qui vont nous abreuver de chiffres.....;o)

Bonjour,

1) Pour ceux qui ont du courage, il y a un article intéressant publié dans les années 70 par David Jones The stability of the bicycle ou en plus court par ici (en Anglais)
Il s'est intéressé au sujet et a construit (avis aux amateurs) un vélo avec une masse tournant en sens inverse pour annuler l'effet gyroscopique. Le vélo est stable... En revanche l'effet gyroscopique joue un rôle sur l'effort à fournir pour tourner le guidon.

2) de plus pour amplifier l'effet et la stabilité, il faudrait en théorie des roues aussi lourdes que possible, ce qui n'est pas vraiement le cas des roues techniques qui sont plutôt légères.. et cela ne semble pas handicaper les champions même à très hautes vitesses ( ?)

M(athieu)

Citation :

un roue de 20" tourne plus vite qu'une roue de 26" donc effet giroscopique de la 20">26"
par contre inertie de la 26">20"

Je crois que l'effet gyroscopique est liée au moment d'inertie de la roue. Or le moment d'inertie est proportionnel au carré du rayon alors que la vitesse en proportionnelle au rayon. C'est donc la taille qui prime sur l'effet gyroscopique (à vitesse linéaire égale).

ah bah voila....
ça veut donc dire qu'une roue petite tournant plus vite qu'une grande roue aura un effet giroscopique moindre?
alors a quo est dû le fait qu'avec des petites roues, on peut prendre de l'angle de manière plus marquée qu'avec des grandes roues... enfin moi, c'est l'impression que j'ai.....
A+

olivier a écrit:

alors a quo est dû le fait qu'avec des petites roues, on peut prendre de l'angle de manière plus marquée qu'avec des grandes roues... enfin moi, c'est l'impression que j'ai.....
A+

l'epaisseur des pneus ?
et le poids du vélo
j'ai remarqué que quand je roule chargé (genre 15kg de légumes + affaires du boulot) je me penche beaucoup plus et je prend les virages plus rapidement… presque allongé sur le coté (en particulier au barrage de Voreppe ou je me signal avec le grelot. C'est qu'un Orca chargé à 35km/h, on l'arrette pas comme ça

Sauf erreur, l'effet gyroscopique est fonction de la force centrifuge qui
celon mes souvenir doit être égale à omega²*R ou v²/R, dans notre cas,
v étant constant (indépendant de la taille de la roue) plus R es petit plus
grande est la force centrifuge et donc l'effet gyroscopique.

Inclinaison dans les virages, inclinaison égale à la somme de 2 forces :
- verticale P=m*G
- horizontale FC=v²/R (dans ce R est égal au rayon de bracage.
donc à v et R constant, plus m est élevé plus la composante verticale
est importante et donc moindre est l'inclinaison.
A l'occasion, on peut remarquer que l'inclaison ne dépend pas de la hauteur du
centre de gravité, LR ou HR même inclinaison.

Pourquoi un gd bi semble plus stable qu'un LR?
Supposons que l'on utilise sa tête (déplacement rapide horizontal)pour compenser
ses pertes d'équillibres et ramener son vélo à la verticale, l'efficacité du mvt va être
fonction du moment égal à FxR si on considére F horizontal R va être égal à la hauteur
par rapport au sol donc plus on est haut plus il est facil de compenser les pertes
d'équillibre.
On comprend mieux pourquoi il est beaucoup facile de faire du sur place en VD
qu'en VH, ou garder l'équilibre à basse vitesse, ou encore faire un évitement
rapide. A remarquer qu'en plus en VD on peut utiliser son torse comme
balancier.

Conclusion en VH il va faloir apprendre à contre-braquer pour tourner rapidement
comme en moto.

Heureusement que malgré les vitesses ateintes par certains, l'aproximation de
la mécanique classique reste valable.
A votre avis à quelle date le premier franchissement du mur du son par un VPH?

A+,
Jean-Lou

Pour compléter la démonstration de Jean Lou, j'ajouterai que sur un VD, le torse peut pivoter selon un axe horizontal au niveau du bassin (le vélo penche à doite, le torse à gauche) ce qui complexifie le système mécanique et doit aider à maintenir l'équilibre. Avec un VC le système vélo+pilote est plus rigide.

J'ai l'impression que l'écartement des mains sur le guidon joue également.
Sur les low racers à guidon étroit, où les mains sont à 10 cm l'une de l'autre, le moindre mouvement fait tourner la roue.
J'ai essayé un bent avec guidon en U, et je pouvais le diriger plus facilement. La conduite s'apparente plus à ce qu'on peut connaitre en vélo droit, où les mains sont bien écartées, et la conduite moins saccadée.

Je n'ai en fait jamais roulé plus de 200-300m en low racer jusqu'à présent, donc il s'agit aussi peut-être d'une question d'habitude

donc, si je comprends bien, il vaut mieux des petites roues qui ont un effet giroscopique plus important que des grandes roues pour lesquelles il ya aura une inertie plus importante.
en gros, en considérant uniquement les pb d'inertie et d'effet giroscopique, avantage aux petites roues?
pour répondre à JNZ
pour les pneus : 1.5" sur les 2 vélos
pour le poids : a 1kg près, même poids...... ceci n'explique donc pas cela!
mais d'après jean-lou, cela confirme la stabilité supérieure des peites roues tournants plus vites....
A+

Quelques corrections, je m'est gouré :
J'ai mélangé accéleration et force.

Inclinaison :
La FC= m*v²/R et poids FP=m*G donc l'inclinaison ne dépend pas
du poids.

Pour l'effet gyroscopique, il me semble que l'on peux résonner
directement sur l'accélération, qu'en pensez-vous ?

A+

salut atous

le diametre des roues est un des facteur des effets gyroscopique des roues . les masses en mouvement et leurs distances par rapport a l axe de rotation joue egalement . Des roues de meme diametre et de poids identique peuvent presenter de grosses différences d inertie de par leur construction et le type de pneus utilisés . mais le facteur le plus important
dans la stabilité est lié a la geometrie du train avant et du cadre . tout est affaire de compromis tenu de cap a vitesse elevée = maniabilité faible

exemple: moto de trial et moto d enduro

bien entendu la repartitions des masses et la position deu centre de gravité influent sur la stabilité des 2 roues

En fait, pour l'inertie et l'effet gyroscopique, il faut faire une intégrale en considérant chaque masse et sa position par rapport à l'axe de rotation. En clair: un gramme à 10cm de l'axe a bien moins d'importance qu'un gramme à 20cm de l'axe. La somme de toutes les multiplications (masse x position) définit le moment d'inertie, l'effet gyro étant lié à ce moment d'inertie et à la vitesse de rotation. On peut donc considérer que seuls le pneu et la jante entrent en considération en 1ère approximation. Pas d'idée sur ce qui l'emporte entre une petite et une grande roue, il faudrait faire un application numérique.

olivier a écrit:

m'enfin je me trompe peut-être... il y a ici des ingé et des técos qui vont nous abreuver de chiffres.....;o)

Tentative de réponse à cet épineux problème d'un vélo qui décrirait un cercle à vitesse constante.

Ya deux choses, qui si elles sont liées par le même paramètre (la fréquence de rotation) sont en fait indépendantes.

- l'effet gyroscopique: grosso modo, c'est un moment qui s'oppose à un changement de direction de l'axe de rotation.
EXemple1: Pour une toupie, ce moment s'oppose au moment du poids par rapport au point de contact, c'est pour cela qu'elle reste "en équilibre" tout le temps qu'elle tourne. Bon exemple, que tout le monde connaît, mais qui ne sert pas à grand chose dans notre cas.
Exemple2: le cerceau , tant qu'il roule, a une certaine stabilité car le moment gyroscopique s'oppose au moment de son poids par rapport au point de contact. Plus le cerceau roule vite (et par conséquent tourne vite), mieux ça se passe pour lui. Expérimentalement, quand on court derrière un cerceau, à vitesse égale, le cerceau est d'autant plus stable que son diamètre est grand (bon point pour les grandes roues)


- l'accélération centripète (pas polie, l'accélération en question), qui fait qu'il faut s'incliner dans le virage pour pas tomber (ça, on a déjà tous testé). Effectivement, l'inclinaison est complètement indépendante de la hauteur du centre de gravité, elle dépend du carré de la vitesse au compteur et de la courbure du virage, et aussi de la gravité (mais là, on n'y peut guère)

En conclusion: l'effet gyroscopique donne de la stabilité au vélo, même en ligne droite. Un vélo avec des grandes roues se comporte à priori mieux su'un vélo à ptites roues. Le fait que le vélo soit high ou low ne change rien à l'inclinaison en virage.
N'en profitez pas pour faire les fous !:velo3:

Citation :

...un vélo avec une masse tournant en sens inverse pour annuler l'effet gyroscopique...

D'ailleurs...
Sans vouloir

Il me semble que dire que l'on a contré l'effet gyroscopique ça me semble aussi "juste" que de dire qu'en accrochant par un ressort une pomme à la branche d'un pommier, on a réussi à vaincre la pesanteur.
Eventuellement, certaines forces pourraient avoir été "contrées" mais la nature physique du gyroscope et ses effets sont toujours là.

:velo1:
A+