Tpe Cyclisme

matériaux et sujet à la corrosion s’il est mal protégé. Lors du premier Tour de France qui eut lieu en 1903, tous les vélos utilisés par les participants étaient constitués en acier. Et ce fut le cas, jusqu’au début des années 1990. Le vainqueur du premier Tour de France, Monsieur Garin roulait sur un vélo qui avait pour masse 20 kilogrammes. De nos jours, les vélos des coureurs professionnels lors du Tour de France ont une masse qui est entre 6kg500 à 7kg. On constate également que la vitesse moyenne sur ce tour atteint par Maurice Garin sur son vélo en Acier était de 25.68km/h.

En 2010, le Tour de France a été parcouru à une vitesse moyenne de 39.594km/h. La différence entre ces deux moyennes est assez conséquentes ce qui nous montre que les avancées technologiques des cadres de vélos augmente les vitesses moyenne des courses cyclistes. On peut dire que les vélos fait en acier ont pour principaux avantages d’être peu couteux par rapport aux autres matériaux utilisés, mais ne sont plus suffisamment performants pour être utilisés lors de compétitions.

Pour conclure sur l’Acier, on note que ce matériau a pour masse volumique 7800kg/m3, elle a pour module d’élasticité 205 MPa sachant que le module d’élasticité (module de Young) est la valeur symbolisant la rigidité d’un matériau. L’élasticité du module de Young est la constante élastique qui, pour un matériau lie la contrainte à la déformation. On exprime cette valeur en MPa.

4) Le cadre de vélo en Aluminium :

Les alliages d'aluminium sont moins denses et endurants que les alliages d'acier (ratio d'environ 2/3). Contrairement aux alliages d'acier ou de titane, qui possèdent une limite d'élasticité élevée, ce qui leur donne une bonne tenue en fatigue, l'aluminium a une limite élastique plus faible. Ainsi, même les plus faibles contraintes issues d'une utilisation normale du cadre finiront par l'endommager si elles sont trop souvent répétées. Ce phénomène de fatigue du cadre est limité par une construction et une géométrie bien étudiée, associées à un travail des tubes adapté. L'aluminium a le gros avantage de permettre la construction de cadres plus légers.

La construction des cadres en alliage d'aluminium les plus populaires à l'heure actuelle font appel à des soudures TIG. Les cadres d'aluminium soudés ne sont apparus sur le marché que dans les années 1970, lorsque ces technologies de soudure sont devenues économiques pour des productions à grande échelle.

À diamètre égal, les tubes en aluminium sont moins rigides que les tubes en acier, mais également moins lourds. Pour compenser ce manque de rigidité, les tubes en aluminium ont un diamètre volontairement très supérieur à celui de leurs homologues en acier, ce qui donne des tubes dits Oversized. Cette augmentation de diamètre aboutit généralement à un cadre significativement plus rigide que ceux en acier. Cette rigidité n'est pas toujours un atout, puisque la légère flexibilité des cadres en acier offre un meilleur confort que ceux en aluminium. D'un autre côté, rigidité est synonyme de nervosité et de précision.

Les cadres en aluminium sont généralement facilement reconnaissables à leur légèreté face aux cadres en acier, même si ce n'est pas systématique. Un cadre bas de gamme en aluminium peut être plus lourd qu'un bon cadre en acier. Les tubes Butted contribuent à obtenir des cadres plus légers. L'utilisation de profils spécifiques pour les tubes (ovales, carrés) et de formes travaillées (haubans cintrés) permettent d'avoir des cadres en alliage d'aluminium plus rigides et légers.

Selon le modèle d’élasticité de Young, l’aluminium a une élasticité de 69 GPa. Ce qui montre une assez bonne rigidité. Nous allons voir maintenant le cadre de vélo en fibre de carbone.

5) Le cadre de vélo en carbone :

Cela fait environ 15 ans que le vélo avec un cadre en carbone a fait son apparition sur les routes des compétitions cyclistes. Ce changement technologique s’est accompagné d’une forte amélioration des performances, qui s’est ressentie sur la vitesse, puisque la vitesse moyenne du vainqueur du Tour de France qui était donc de 25,68 km/h en 1903, est passée à 41.657 km/h en 2005. Ce changement s’est aussi accompagné de la diminution de la masse des vélos, qui est aujourd’hui de 6kg800. Cette masse est la masse minimale autorisée par l’Union Cycliste International (ou UCI) lors des compétitions pour des raisons de sécurité. Techniquement, le carbone a donc pour avantage d’allier confort et rigidité tout en étant plus léger que l’acier.

On constate que la masse volumique du carbone est bien inférieure à celle de l’acier, puisqu’elle est de 1800 kg/m3, ce qui explique cette baisse de la masse des vélos. Le module d’élasticité du carbone n’est pas le même si on a un carbone HR (Haute résistance) ou un carbone HM (Haut module). En effet, le carbone HR a pour module d’élasticité 230 GPa, alors que le carbone HM a pour module 390 GPa. Dans les deux cas, ces valeurs restent supérieures à celle du vélo en Acier, le vélo en carbone est donc plus rigide que celui en acier. On constate toutesfois qu’un nouveau matériau fait son apparition dans le monde du cyclisme, il s’agit du titane…

6) Le cadre de vélo en titane :

Le vélo fait en titane représente probablement l’avenir de la compétition cycliste. En effet, les vélos dont le cadre est fait de titane ont une durée de vie bien supérieure à celle de tous autres matériaux utilisés pour les cadres. Mais ce qui fait la principale force de ce type de vélo, c’est que les cadres en titane ont un comportement dynamique exceptionnel tout en étant confortable et léger. Le seul mauvais point pour ce type de cadre, c’est que le titane est un métal difficile à souder ce qui rend ce type de vélo très cher. Nous n’avons pas encore de chiffre concernant la vitesse qui pourrait être atteinte sur ce type de vélo, car aucun concurrent n’a encore gagner le Tour de France sur un vélo en Titane. La masse du vélo sera de toute façon supérieur à 6kg8 car il faut respecter la norme de l’Union Cycliste Internationale. Cependant, nous savons que le titane a une masse volumique de 4507 kg/m3.

Cette valeur est supérieure à celle des cadres en carbone mais devrait tout de même permettre aux vélos d’atteindre cette masse symbolique de 6.8kg. Le module d’élasticité du titane vaut 105MPa, ce qui est une valeur très faible. Ce chiffre laisse entendre que les vélos faits en titane seront très souple, ce qui jouera favorablement sur le confort et sur le comportement dynamique de ces vélos. Pour toutes ces raisons, nous pensons que les vélos en cadre de titane représentent l’avenir de la compétition cycliste tant il a d’atout.

7) Et après :

Il semblerait que les vélos n’ont pas fini d’évoluer, mais cette évolution dans le futur devrait moins se retrouver au niveau des matériaux, mais au niveau de la forme des vélos qui a très peu évolué jusqu’ici.

En conclusion, on peut affirmer que le cadre en carbone est le plus léger avec une rigidité faible, que le cadre en acier est plus lourd mais plus rigide que le cadre carbone, et que le cadre en Titane garde les avantages d'un poids léger et d'une rigidité efficace tout en admettant une durée de vie largement supérieure à celle des cadres carbone et acier.

Le sujet de mon TPE était au début un peu vague. Je voulais travailler sur le cyclisme donc j’ai longuement discuté avec mes professeurs qui m’ont accompagné dans cette véritable aventure humaine