Physique de la bicyclette : la science des vélos qui tiennent debout tout seuls

La question a beau paraître incongrue, elle représente un véritable défi à la science : les bicyclettes peuvent-elles tenir debout toutes seules? Il est vrai que lorsque l'on enfourche notre vélo, on ne se pose pas de questions sur le fonctionnement du moyen de transport le plus utilisé au monde. Une littérature abondante a été developpée au sujet de l'équilibre du vélo. Depuis le XIXe siècle, chercheurs et amateurs tentent de percer le mystère de l'auto-stabilité des deux-roues, émettant différentes hypothèses.

Selon une récente étude, les explications passées seraient tout simplement fausses. Ou plutôt très largement incomplètes. Jusqu'à aujourd'hui, la science proposait en effet deux réponses. Au-delà de la gravité et de la force centrifuge, deux facettes entraient en jeu : l'effet gyroscopique et l'effet de traînée. Pour parler clairement, le premier constitue la résistance au mouvement, et le second stipule qu'une fois lancé, une roue tournant sur un axe tend à résister aux changements de son orientation.

Andy Ruina, professeur de mécanique à Cornell, aux Etats-Unis, et Aren Schwab, de l'université de Delft aux Pays-Bas, se sont penchés sur la question. Leur postulat de départ : peut-on vraiment prouver que l'effet gyroscopique et de trainée sont les seuls responsables?

Pour ce faire, ils ont construit un vélo expérimental. Ce dernier était équipé d'un disque tournant éliminant l'effet gyroscopique, et d'un axe de direction annihilant l'effet de traînée. Ils ont ainsi pu démontrer que, si l'effet gyroscopique et l'effet de trainée pouvaient en effet aider à la stabilité, ils n'étaient pas indispensables.

Comme on peut le voir dans cette vidéo datant de 2011, les scientifiques, après avoir donné une bonne poussée au vélo expérimental, observent ce dernier avancer tout seul pendant quelque secondes. "La réponse est dans la distribution de la masse", explique les chercheurs, qui ont noté qu'en modifiant certains variables on peut jouer sur la stabilité des vélos.

"Nous avons découvert que presque tous les vélos stables pouvaient être rendus instables en ajustant l'effet de trainée, l'effet gyroscopique et la masse. A l'inverse, des vélos instables peuvent être rendus stables en ajustant ces mêmes variables.Les bicyclettes pourraient donc tout à fait se déplacer seules si elles vont suffisamment vite."

Cette question ne serait pas qu'un défi académique pour scientifiques en mal de challenge, mais pourrait bien avoir des effets concrets. Leurs travaux pourraient potentiellement intéresser et influencer le futur design des vélos. "Le processus d'évolution qui a conduit au design moderne des vélos pourraient bien encore évoluer", notent les chercheurs. "Plusieurs perspectives n'ont pas encore été étudiées".

Si les deux chercheurs ont admis que leur vélo n'était pas adapté pour la commercialisation, mais qu'ils avaient plusieurs concepts en ligne de mire.

Il est à noter que le docteur Ruina n'est pas un néophyte dans la science du vélo. Le chercheur avait mis au point il y a quelques années un "brycicle", nom barbare qui désignait simplement un appareil à mi-chemin entre le vélo et le tricycle, permettant une excellente stabilité et de se pencher sans tomber.

Et qui sait? Ces travaux pourraient aussi aider notamment pour les systèmes de vélos en libre-service du type Velib (qui serait le plus important système de vélo hors Chine) et le fameux "rebalancing problem".  

En effet, quoi de plus désagréable que de marcher jusqu'à votre station et de s'apercevoir que plus aucun vélo n'est disponible ? Ou à l'inverse d'arriver essoufflé et transpirant et de constater qu'il n' y a plus aucune place de disponible pour rendre votre deux-roues ? Le problème est modélisé par des algorithmes si complexe que des dizaines de scientifiques travaillent sur la question. Alors que vous avez juste besoin de vélos qui roulent tout seul. Simple comme bonjour.