Fonctionnement du vélo

La roue est une invention très ancienne (3000 ans avant J.-C.), mais l'ancêtre du vélo n'apparaît qu'en 1850. Le vélocipède ne possède ni plateau, ni chaîne, ni pédale. Le pilote se propulse avec ses pieds.

Le vélo moderne apparaît avec la bicyclette « de sécurité » en 1890, équipée du système de transmission suivant :

• Deux pédales entraînent une roue dentée (le plateau) non solidaire de la roue.  Les pédales tournent grâce au principe du levier. 
• Une roue dentée fixée sur la roue arrière, le pignon. 
• Une chaîne relie le plateau au pignon et transmet le couple exercé sur les pédales à la roue arrière.

La différence de diamètre entre le plateau et le pignon joue un rôle très important dans le fonctionnement de la bicyclette. Ce rapport des diamètres (aussi égal au rapport du nombre de dents) se nomme le braquet. La cadence des pédales et le braquet influencent directement la vitesse, l'énergie dépensée et la distance parcourue.

• Comprendre le système de transmission mécanique d'un vélo.
• Identifier les machines simples : levier (treuil), engrenage (poulie).
• Définir les termes techniques : braquet, cadence, développement, rapport de transmission et faire le lien avec les engrenages.
• Introduire la notion de couple résistant.

Un vélo possède les caractéristiques suivantes :

• Diamètre des roues : 70 cm.
• Trois plateaux : 20, 40, 52 dents.
• Deux pignons : 12, 24 dents. 

Ce vélo possède 6 vitesses, car il existe 6 combinaisons pour le plateau et le pignon.

Le braquet est le rapport entre les nombres de dents du plateau et du pignon :

braquet = nombre de dents du plateau / nombre de dents du pignon

Ce système de transmission est comparable à un engrenage où la chaîne entraîne sans glissement deux roues dentées (voir aussi l'animation engrenages).     

Dans le système mécanique « vélo », le rapport de transmission (R) correspond au gain défini par le rapport entre les grandeurs de sortie (pignon) et d'entrée (plateau) :

R = nombre de tours de roue (pignon) / nombre de tours de pédales (plateau)

Plus le rapport de transmission est grand, plus les roues tournent vite. 

Si le plateau et le pignon avaient le même diamètre, c'est-à-dire le même nombre de dents (braquet = 1), la roue arrière tournerait exactement au même rythme que le pédalier. Un tour de pédale correspondrait à un tour de roue. Mais les diamètres ne sont pas égaux :

• Soit le pignon est plus grand que le plateau (braquet < 1). La roue fait moins d'un tour quand le pédalier fait un tour complet, R < 1.
• Soit le plateau est plus grand que le pignon (braquet > 1). La roue fait plus qu'un tour quand le pédalier fait un tour complet, R > 1.

Ainsi, plus le braquet est grand, plus la distance parcourue en un tour de pédale est grande. Cette distance se nomme le développement. Pour aller vite, il est préférable de choisir un grand braquet. Mais le couple résistant est aussi plus grand et le cycliste se fatigue beaucoup plus vite, surtout en côte.

En changeant de braquet, le cycliste adapte son effort à la route et à sa condition physique.