Rigidité : influence sur les performances d’un vélo de route

En réalité, il faut se pencher sur la rigidité pour voir la vraie révolution qu’a apportée le carbone. Il s’agit clairement du matériau le plus léger actuellement pour faire un cadre, une fourche ou presque toutes les pièces d’un vélo. Mais surtout, et contrairement aux métaux utilisés classiquement pour la fabrication de ces pièces, l’allégement s’est fait avec un gain en rigidité ! Jusqu’alors, lorsqu’on approchait les poids plumes, la rigidité (et la durabilité par conséquent) devenait quelque peu douteuse. Mais de quoi parle-t-on au juste ?

Qu’est-ce que la rigidité d’un cadre d’un vélo ?

Contrairement au poids, la rigidité est un concept plus difficile à objectiver. Il n’y a pas un chiffre unique, compréhensible par tou·tes qui vous incitera à craquer le livret A pour acheter le dernier modèle à la mode ! Pour autant, on comprend assez bien qu’un vélo tout mou ne va faciliter la performance. Rentrons un peu dans les détails pour comprendre un peu plus de quoi il s’agit.

La rigidité caractérise la résistance à la déformation d’une pièce sous l’effet d’une force qu’on lui applique. Concrètement, voici 2 exemples qui illustrent l’intérêt de la rigidité sur le fonctionnement d’un vélo.

Rigidité globale du cadre

Le cas le plus facile à expérimenter de manque de rigidité est celui qu’on rencontre sur les vieux cadres (généralement en acier) ou certains mauvais cadres en aluminium, où l’on a la sensation que le cadre se tord, se vrille lors d’un virage ou quand on se met en danseuse. En découle une sensation désagréable de manque de précision dans la conduite du vélo.

Rigidité du cadre vis-à-vis du pédalage

Le deuxième exemple intéressant de détailler est celui de la rigidité vis à vis de l’effort de pédalage. Lorsque nous appuyons sur les pédales avec nos petits mollets, la force appliquée sur le cadre et la transmission est non seulement intermittente (la force appliquée lorsque les pédales sont aux points morts haut et bas est quasi nulle), mais elle est dissymétrique (un coup à droite, un coup à gauche). Ceci induit une double déformation du cadre :

• Une compression des bases, normalement très faible si le cadre est en bon état !
• Un déplacement de la boîte de pédalier de droite à gauche.

Si le cadre est mou, c’est-à-dire qu’il manque de rigidité ou d’élasticité¹, une partie de votre énergie va être perdue dans la déformation du cadre et ne vous fera pas du tout avancer. C’est ce que l’on observe sur certains cadres en aluminium (matériaux aux propriétés élastiques assez mauvaises) ou sur les cadres aciers bas de gamme (comme les VSF Fahrradmanufaktur).

D’où vient la rigidité d’un cadre ?

Quatre facteurs vont être à l’origine de la rigidité d’un cadre :

• La géométrie du cadre. L’origine du cadre « diamant », la géométrie classique des cadres depuis 150 ans, constituée d’un triangle avant et d’un triangle arrière est là pour assurer une bonne rigidité verticale du cadre, pour un poids contenu. C’est beaucoup plus difficile à faire avec un cadre monopoutre comme on pouvait les voir sur des VTT des années 90.
• La section des tubes. Plus un tube a un diamètre important, plus il est rigide. L’effet est très important, ce qui permet aux tubes en aluminium, matériau pourtant mou et peu dense, de devenir rigides grâce à leur diamètre important².
• La forme des tubes. Les tubes ronds seront beaucoup plus souples que leurs homologues carrés, hexagonaux ou en goutte d’eau, toute chose égale par ailleurs. Cette technique est utilisée depuis longtemps avec les tubes en acier qui peuvent prendre une large variété de formes, comme l’illustre le catalogue de Columbus montré ci-dessous. Mais c’est d’autant plus vrai avec le carbone, qui peut être mis en forme encore plus librement avec des formes extrêmement variées.
• Le matériau lui-même. Les propriétés physiques intrinsèques du matériau sont-elles aussi importantes ? Pour les métaux, le plus rigide est l’acier, juste devant le titane et très loin devant l’aluminium. Mais l’effet géométrique dû à la section peut complètement effacer l’avantage de l’acier par rapport à l’alu, par exemple.

La rigidité n’a-t-elle que des avantages ?

La question qu’il faut se poser maintenant est celle de la pertinence de la rigidité dans un vélo. Car une trop grande rigidité va poser un problème de taille, celui du confort ! En effet, le plaisir de rouler peut être gâché par les vibrations de la route si celles-ci sont intégralement transmises au cycliste.

Il faut donc que le cadre soit suffisamment rigide pour qu’un maximum de l’effort fourni par le pédalage soit converti en mouvement et non en déformations perdues du cadre, mais il faut aussi qu’il assure une filtration des vibrations pour que le vélo ne soit pas un « bout de bois ». Cela va dépendre beaucoup du gabarit de la personne utilisant le vélo ainsi que de la puissance délivrée par celle-ci. Il n’y a pas de réponse standard à cette question.

Rigidité vs Élasticité

Mais il n’y a pas que la filtration des vibrations qui va être affecté par une trop grande rigidité. Si un·e cycliste standard prend un vélo de course haut de gamme actuel, développé pour être soumis aux puissances extraordinaires des professionnel·les, il y a peu de chance que la boite de pédalier (souvent surdimensionnée) ne bouge d’un millimètre.

Hors ce déplacement, tant qu’il reste dans les limites élastiques du matériau, permet un effet de lissage du pédalage, qui je le rappelle n’est pas continu. C’est d’autant plus vrai que la cadence de pédalage baisse et que l’on force debout sur les pédales. On a alors la sensation désagréable que le vélo ne vous aide plus du tout à avancer…

L’élasticité est donc un paramètre important pour obtenir un bon rendement et elle doit être adaptée à la puissance développée, qui est radicalement différente entre un·e sprinteur·se, un·e coureur·se de longue distance ou un·e cyclotouriste ! Il est intéressant de noter que beaucoup de vélos dédiés à la course d’endurance sont en titane ou en acier, matériaux particulièrement élastiques (ils font de bons ressorts !)

Cet article, comme nos vélos, a été écrit par un humain pour des humains. Il continent donc d’authentiques fautes d’orthographe et d’errances syntaxiques. Profitez-en cela va devenir rare.

1. L’élasticité est la capacité du matériau à revenir dans sa position initiale après une déformation, sans perte d’énergie. ↩︎
2. Dans la théorie des poutres qui permet de déterminer la déformation d’une poutre soumise à une flexion, la déformation varie comme l’inverse du moment quadratique qui lui-même dépend de la puissance 4 du diamètre (cf Wikipedia). ↩︎