L’efficacité du vélo selon Wikipédia

Parmi les près de six millions d’entrées de l’encyclopédie collaborative Wikipédia en langue anglaise, il y en a une intitulée Bicycle performance. C’est la traduction/adaptation d’une partie de cet article que je vous propose ici en laissant de côté toutes les sources citées (à retrouver dans l’article en ligne). J’ai également laissé de côté la seconde partie de l’article qui agrémente ses explications d’équations. Pour résumer : une fois en selle, l’être humain se transforme en ce qui se fait de mieux en matière de rendement énergétique pour se déplacer. Et il n’a pas besoin de manger beaucoup plus que d’habitude pour réaliser cette prouesse¹.

Se déplacer à vélo est, d’un point de vue biologique et mécanique, extraordinairement efficient. Si l’on considère la quantité d’énergie qu’une personne doit dépenser pour parcourir une certaine distance, pédaler est le mode de déplacement musculaire présentant le meilleur rendement. Si l’on considère les charges qu’un vélo peut emporter rapporté à son propre poids, il s’agit également du moyen de transport le plus efficace.

Efficacité mécanique

D’un point de vue mécanique, jusqu’à 99 % de l’énergie fournie par le cycliste via les pédales est transmise aux roues (chaîne neuve propre et lubrifiée à 400 W), bien que l’utilisation d’un système de vitesses réduise ce chiffre de 1 à 7 % (dérailleur propre et lubrifié), de 4 à 12 % (chaîne sur moyeu à 3 vitesses), ou encore de 10 à 20 % (transmission acatène sur moyeu à 3 vitesses). L’efficacité la plus grande est à chaque fois atteinte aux développements les plus importants et par entraînement direct (moyeu à vitesses intégrées) ou par de grands engrenages (dérailleur).

Efficacité énergétique

Un être humain se déplaçant à vélo à 16–24 km/h, en mobilisant simplement la même énergie que pour marcher, incarne le moyen de déplacement musculaire le plus efficace. La résistance de l’air, qui augmente avec le carré de la vitesse, implique des efforts considérablement plus importants à mesure que la vitesse s’élève – la puissance à fournir pour vaincre cette résistance est proportionnelle au cube de la vitesse atteinte. Pour diminuer cette résistance, on peut utiliser un vélo couché sur lequel le pilote est presque allongé sur le dos. Pour augmenter encore sa pénétration dans l’air, l’engin peut être caréné pour gagner encore plus en aérodynamisme.

Sur un sol plat et ferme, un individu de 70 kg fournit un effort d’environ 60 W pour marcher à 5 km/h. Sur un vélo ordinaire, le même individu, sur le même sol et avec le même effort, se déplace à 15 km/h, si bien qu’on peut avancer que pédaler demande trois fois moins d’énergie que marcher.

Énergie restituée

Un être humain en action peut produire entre 1,5 W/kg (sans entraînement) et 6,6 W/kg (athlète masculin parfaitement entraîné). 5 W/kg représente le niveau que peut atteindre le tiers des êtres humains de sexe masculin sur de longues périodes. La puissance maximale fournie pendant une heure varie d’environ 200 W (homme en bonne santé) à 500 W (homme particulièrement sportif).

Énergie ingérée

L’énergie apportée au corps humain l’est sous forme de nourriture, généralement quantifiée en kilocalories [kcal] ou kilojoules [kJ=kWs]. On peut la relier à une certaine distance parcourue en fonction du poids, en utilisant une unité comme kJ/(km∙kg). La quantité de nourriture consommée, c’est-à-dire le montant consommé pendant un intervalle de temps donné, représente l’apport d’énergie. On peut le mesurer en kcal par jour ou en J/s = W (1000 kcal/j ~ 48.5 W).

Cet apport d’énergie peut être déterminé en mesurant l’absorption d’oxygène ou, à long terme, la consommation alimentaire, en supposant qu’il n’y ait aucun changement de poids. Cela inclut la dépense d’énergie minimum permettant à l’organisme de survivre, appelée métabolisme de base [MB].

La quantité de nourriture nécessaire peut aussi être calculée en divisant la puissance restituée par le rendement musculaire. Il est de l’ordre de 18-26 %. En reprenant l’exemple déjà mentionné, si une personne de 70 kg pédale à 15 km/h en dépensant 60 W avec un rendement musculaire de 20 %, un supplément d’environ 1 kJ(km∙kg) est requis. Pour calculer la quantité totale de nourriture nécessaire pour le déplacement, on doit d’abord ajouter le MB à l’apport d’énergie. Si la personne de 70 kg est une femme âgée et de petite taille, son MB doit être de 60 W, et dans les autres cas un peu plus élevé. Dans ces circonstances l’efficacité est divisée par 2 et, grosso modo, 2 kJ/(km∙kg) de nourriture au global est nécessaire.

Bien qu’on constate qu’un surcroît relatif de nourriture est nécessaire pour pédaler sans forcer, il passe quasiment inaperçu en pratique puisque le coût énergétique d’une heure de vélo peut être couvert par 50 g de noix ou de chocolat. Pour des sorties plus longues avec du relief, l’apport supplémentaire de nourriture nécessaire devient plus important.

Pour être tout à fait complet, le type de nourriture consommé rentre en ligne de compte. L’énergie nécessaire pour produire, distribuer et cuisiner cette nourriture doit aussi être prise en compte dans le calcul.

Vitesses pratiquées

En matière de vélo utilitaire, les vitesses pratiquées varient grandement. Une personne âgée en position droite sur un vélo hollandais atteint parfois moins de 10 km/h tandis que quelqu’un de plus jeune sur le même type d’engin peut aller deux fois plus vite. À Copenhague, la vitesse moyenne des déplacements à vélo est de 15,5 km/h.

Sur un vélo de course, une personne raisonnablement athlétique peut atteindre 40 km/h sur le plat.

Dans les compétitions de cyclisme, une grande vitesse de croisière peut être atteinte grâce aux propriétés aérodynamiques du peloton. Les prises de relais à la tête du peloton permettent de maintenir des vitesses élevées sur de longues distances, les coureurs concernés pouvant se reposer à tour de rôle. On observe le même phénomène lors des contre-la-montre par équipe.

Records de vitesse

La vitesse la plus haute atteinte par un véhicule à propulsion humaine au niveau du sol par temps calme et sans aide extérieure (lièvre motorisé, pare-vent) est de 144,17 km/h (Todd Reichert en 2016 sur un vélo couché caréné²). La vitesse la plus haute enregistrée pour un vélo droit est de 82,52 km/h sur 200 m (record établi en 1986 par Jim Glover sur un Moulton AM7 caréné lors des Human Powered Speed Championships à Vancouver³). Le record de vitesse absolue est détenu par Denise Mueller-Korenek : 296 km/h atteint en 2018 dans l’aspiration d’un dragster sur un vélo à double transmission⁴.

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Un lecteur m’a aimablement transmis un graphique qui met en perspective le vélo avec les autres moyens de déplacement modernes (unité Mj par passager-kilomètre) :

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Crédit pour le texte :

Contributeurs de Wikipédia, « Bicycle performance », Wikipédia, l’encyclopédie libre, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bicycle_performance&oldid=925289393 (page consultée le 4 décembre 2019).

Crédit pour les photos :

• Wikimedia Foundation [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
• Jose.cfr [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons
• A1AA1A [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
• Man vyi [Public domain], via Wikimedia Commons
• Agence Rol [Public domain], via Wikimedia Commons

1. Pour une rapide mise en perspective des implications sociales de ce fait, voir « How the bicycle beats evolution and why Steve Jobs was so taken with this fact » par Carlton Reid, 14 mars 2015.
2. Vidéo et photo dans « New Human-Powered Speed Record Set at 89.6 Mph in Egg-Shaped Bike », Popular Mechanics, 20 septembre 2016.
3. Petite photo à retrouver sur cette page.
4. Vidéo et photos dans « This Woman Just Biked at 184 MPH to Smash the Bicycle Speed Record », bicycling.com, 17 septembre 2018.
5. Graphique à retrouver mis en perspective dans Cameron Gordon, « Which transport is the fairest of them all? « , Eco-Business, 24 avril 2014.