Un peu de physique

Le cyclise plus lourd descend-il plus rapidement qu'un autre plus léger ?

Ce fut le sujet d'une amusante discussion samedi dernier après un verre ou deux avec Bernard K. et les autres présents après notre rando.

Instinctivement, beaucoup répondrons par l'affirmatif.

Cependant, on nous a appris au cours de physique en humanité, qu'en l'absence de force de frottement (dans le vide) que deux corps de masse différentes "tombe" à la même vitesse.
Je me rappelle de cette expérience faite en classe par le notre prof à l'aide d'un tube de Newton dans le quel une bille d'acier un un petit morceau de papier avaient été placé. Après avoir  procéder au vide d'air à l'aide d'une pompe, il a retourné ce long tube et on a pu voir le bout de papier et la bille tomber à la même vitesse.
Cette découverte est attribué à Galilée, qui, dit-on, aurait fait l’expérience en lâchant du haut de la tour de Pise deux objets de forme identique mais de poids différents et de constater qu'il sont arriver en même temps au sol, mais ont laissé des traces d'impacte différentes.

Vous pouvez faire une expérience similaire en prenant par exemple, une pomme et une boule de pétanque. Maintenez les à la même hauteur, et lâchez les en même temps. Elles arriveront en même temps sur vos pieds, mais l'impacte de la boule de pétanque sera plus douloureux !

Comment expliquer cela ?
Au départ les deux corps sont à l'arrêt (vitesse nul). En les maintenant, on s'oppose à l'attraction terrestre. Dés qu'on les lâche, ils vont subir une accélération liée à l'attraction terrestre qui est la même pour les deux corps à savoir 9,81 m/s². Partant de la même vitesse, et subissant la même accélération, en fin de chute il ont la même vitesse liée à la hauteur de chute et l'attraction terrestre uniquement.


Par contre, l’énergie libérée à l'impacte est quant à elle directement liée à la masse du corps et au carré de la vitesse (énergie cinétique) qui est égale à l'énergie potentiel qu'avait ces corps au point haut (m (masse) x g (9,81) x h (différence de hauteur)).


Oui mais, pour en revenir à notre problème, nous ne roulons pas dans le vide, et en tant que cycliste nous sommes soumis à différentes forces de frottement (lié à la qualité du matériel, au revêtement de la route et à l'air)

Dans le cas d'une descente, où on pourrait considérer que les forces de frottement sont négligeables, les deux cyclistes de poids différents qui démarrent à la même hauteur et avec la même vitesse de départ arriveront en bas en même temps.
Mais comme je viens de le rappeler ce n'est pas le cas et l'une des résistance principale est l'air.
Notre cycliste plus corpulent va présenter une résistance à l'air plus importante, mais aura aussi une inertie plus importante liée à l'énergie cinétique "accumulée" par la vitesse et sa masse. Dans certain cas, cette situation pourrait lui être favorable.

Imaginez une descente avec un fort vent de face, malgré une bonne position aérodynamique sur son vélo, le coureur plus léger sera facilement freiné par le vent (il faut moins d'énergie pour ralentir un véhicule léger qu'un poids lourd).
A l’inverses,  avec un vent arrière, le cycliste plus léger sera plus facilement "aidé" par le vent.

Il y a évidement tous les cas intermédiaires et la conclusion est que pour allez au plus vite en descente, outre choisir la meilleure trajectoire, il faut limiter au maximum la prise au vent par une position la plus aérodynamique et /ou en se mettant à l'abris derrière un excellent descendeur !

Et comme me disait Thierry :"lâche les freins !"

Bel exposé Charles, digne d'un prof de physique. Cela me rappel l'athénée de Huy avec Mr Desiron (physique-chimie.)

Intéressant débat en effet. Mais voici à ce propos un article publié par Science & Vie en juillet 2014 qui ne va pas tout à fait dans le même sens...
Il explique au contraire qu'effectivement, le cycliste plus lourd descendra plus vite (toutes autres choses étant égales)...


A vélo, descend-on plus vite si on est lourd ?

Si on compare un cycliste lourd et un cycliste léger lancés dans une même descente, c’est le cycliste le plus lourd qui va le plus vite ! Une masse plus élevée est en effet plus difficile à ralentir. De quoi faire tomber Galilée de haut.

Mais si le physicien toscan a montré que, dans le vide, la masse d’un objet n’a pas d’incidence sur sa vitesse de chute (le plomb tombe aussi vite que les plumes), les cyclistes, eux, ne roulent pas dans le vide… Sur la route, en plus de son propre poids qui le fait accélérer au fil de la pente, le cycliste se trouve confronté aux forces de frottement de l’air et de la route qui le ralentissent.

En pratique, seuls comptent les frottements de l’air sur le corps du cycliste et sur le vélo, plus importants que ceux produits par le contact des pneus sur le sol. On pourrait donc penser que les cyclistes les plus gros – qui présentent une surface au vent supérieure, et donc subissent un frottement plus important – vont moins vite que leurs concurrents plus légers.

Mais cet effet est beaucoup moins important qu’un autre, purement mécanique lui, qui donne aux plus massifs un avantage décisif dans la descente, que ce soit à vélo, en ski alpin ou en chute libre.

Même à égalité de frottement, le cycliste plus lourd descendra plus vite

Imaginons deux cyclistes en haut d’une pente, un lourd et un léger, mais de même taille, équipés du même matériel et se tenant de la même manière sur leur vélo. Bref : subissant les mêmes frottements. Selon Galilée, même si leur poids diffère, l’attraction terrestre les “tire” tous les deux avec la même force vers le bas.
Pourtant, Jean-Claude Grandidier, professeur de mécanique à l’Ecole nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique de Poitiers, est formel : “Même si on applique la même force de frottement de l’air pour ralentir leur descente, le premier à s’arrêter sera le plus léger.”

Pourquoi ? “Parce qu’en pleine descente et à résistance aérodynamique égale, il est plus difficile de ralentir le cycliste entraînant une masse élevée que celui dont la masse est plus faible”, répond le spécialiste. Il ne faut en effet pas confondre la “masse inertielle”, qui désigne la capacité de résistance au mouvement, avec la “masse pesante”, qui mesure la quantité de matière du cycliste et du vélo.

Une question d'inertie et pas de poids

“Ce n’est pas une question de poids, mais d’inertie au mouvement, insiste Jean-Claude Grandidier. Ce distinguo est crucial car ce sont deux phénomènes physiques distincts.” Si la différence de “masse pesante” ne joue aucun rôle dans la course, celle de “masse inertielle” est décisive : comme il est plus difficile de faire bouger un chariot plein de plomb qu’un chariot plein de paille, il est plus difficile de freiner un cycliste lourd.

Du fait de sa plus grande masse inertielle, il évacuera plus facilement l’air censé le freiner. Corollaire : un cycliste plus léger aura plus de mal à chasser l’air qui s’oppose à lui. C’est donc bien le cycliste le plus lourd, et donc le plus difficile à ralentir, qui arrivera en bas de la pente le premier.

Dans la montée, en revanche, les effets de la masse inertielle deviennent négligeables par rapport à ceux de la masse pesante. Et ce sont bien des kilogrammes en plus que le cycliste le plus lourd devra faire l’effort de monter en haut de la colline...



CQFD

pour descendre plus vite, il faut peut-être s'épiler

maintenant, je me trompe peut-être mais je crois que si on met 1 cyclo de 100 kgs à côté d'un cyclo de50c kgs au dessus d'une côte ,je voudrais voir le résultat !