Grand test de roues 2008 – Partie 2 – Inertie

Tests d’inertie

Crédit photo : www.photos-dauphine.com

Cette seconde partie traite de l’inertie des roues, caractéristique ô combien importante, qui entre dans les mœurs des cyclistes. L’évaluation des performances d’une paire de roues
passe forcément par son évaluation, même si son importance est somme toute relative sur l’ensemble coureur plus vélo. Le passage d’une paire basique à une paire légère haut de gamme, aura le double effet de réduire l’énergie cinétique de rotation des roues et celle de translation des roues, ce qui se traduira par des facilités à accélérer et à manier la direction. Nous
verrons plus bas dans quelles proportions nous pouvons espérer un gain réel en performance.

Le protocole

La roue est fixée à l’horizontale, par son axe, sur le banc de test. Agissant comme ressort de torsion, la tige de moment quadratique connu, est reliée au bâti du banc et à la roue. Elle permet à la roue un mouvement pendule dont  la période « T » est enregistrée.

C’est cette période qui, après calcul, donne le moment d’inertie complet de la roue, en g.m².

Afin de faciliter la compréhension et de traduire éventuellement par la suite en Watts, nous calculons l’énergie nécessaire pour passer de 0 à 30km/h :

Avec w², la vitesse de rotation de la roue en rad/s. A 30km/h, elle est de 24,54 rad/s.
Avec v², la vitesse de déplacement de la roue en m/s. A 30km/h, elle est de 8,33m/s.
Avec m, les masses des éléments correspondants, en kg.
Avec J, les moments d’inertie correspondants, en kg/m²

Généralement, le total de l’énergie requise pour que les roues seules passent de 0km/h à 30km/h provient de 40% de l’énergie de rotation, et de 60% de l’énergie de translation.
Cependant, le pneumatique a une grande influence car il représente plus de la moitié de l’énergie de rotation. En effet, il est très loin de l’axe de rotation: le moment d’inertie d’un
élément varie avec le carré de la distance de l’axe de rotation (mR²).

Les jantes à boyaux sont évidemment plus légères que leurs homologues à pneus puisque les flancs qui supportent les tringles sont inexistants. Les pneus réclament aussi un fond de jante qui ajoute entre 10 à 20g, loin de l’axe de rotation de la roue. De surcroît, le poids du pneumatique est un facteur très important: si l’inertie est un paramètre important pour une course particulière, le choix du pneumatique doit être au moins aussi important que celui des roues.

Un ensemble de 235g (boyau ou pneu + chambre + fond de jante) est utilisé pour les tests.

Les résultats / Interprétations

www.lemontventoux.net

Les roues testées sont classées par ordre alphabétique dans la tableau ci-contre, et par ordre croissant d’énergie sur le graphique ci-dessous.

Cliquez pour agrandir


De toute évidence, les dernières roues hyper légères: Lew Racing, Lightweight, Tune KOM ou Olympic Gold et Speedcomposites Sinus offrent des inerties très basses qui
permettent véritablement des niveaux d’énergie au ras des paquerettes. De 77J à 88J, elles prennent le haut du pavé sur ce comparatif, et créent même un fossé avec leurs
poursuivantes: notamment la Mavic CCU, en tête du peloton suivant. Leurs jantes hyper légères, souvent même profilées faciliteront les accélérations et amélioreront la maniabilité par rapport à des roues plus lourdes, plus traditionelles. En revanche, attention à la prise au vent car des jantes hautes et légères à la fois feront office de voile avec le vent… Chez Lew on a travaillé la jante: un petit épaulement au niveau de l’attache des rayon permet, d’après eux, d’empêcher le flux d’air de décrocher, ce
qui normalement devrait résoudre ce phénomène de voile. Sur une Lightweight Ventoux, une jante Reynolds KOM ou des roues Speedcomposites, la jante basse diminuera sévèrement la prise au vent et ne posera certainement aucun problème de direction lors de vents de travers. En revanche, question aérodynamisme en conditions normales, elles
s’avèreront moins rapides… la roue parfaite n’existera jamais!

En ce qui concerne les roues plus traditionelles (disons moins exclusives), parlons-en justement. Globalement, nous les appelerons ainsi de 95 à 115J, soit le premier peloton. La majorité d’entre elles disposent de jantes carbone: Mavic CCU, Shimano carbone, Campagnolo carbone, Ritchey, Fulcrum, Easton, Corima, Zipp, Sonic, Vuelta, Citec carbone, Ambrosio. Seule une paire de roues à jantes aluminium accède à ce peloton: grâce à son système TraComp qui permet des tensions de rayon très faibles, les Mavic R-SYS sont équipées de jantes légères.

Dans ce paquet, nous parlerons de roues peformantes, légères et relativement haut de gamme dans la plupart des cas.

Au dessus de 115J, le second peloton est composé majoritairement de roues aluminium, malgré quelques carbones récalcitrantes (jantes très hautes, ou très lourdes). Les roues de ce groupe peuvent être considérées comme basiques, assurément des roues très stables, idéales pour les sorties tranquilles bien que les tarifs de certaines pourront faire penser l’inverse… Les Mavic Ksyrium, les Eurus, les Specialized Roval font difficilement mieux que des American Classic 420 ou des Shimano vendues à moins de 300 euros, souvent même moins de 200 euros! Certes, nous n’évoquons ici que l’aspect inertie mais nous pourrions espérer mieux de roues dîtes « haut de gamme » par les constructeurs, d’autant plus que les roues à 200 euros évoquées ci-dessus sont globalement rigides et assez aérodynamiques…

A propos du grupetto, soit au dessus de 130J où un palier est visible, les roues seront très lourdes, réalisées pour les vélos à petit prix, et seront en général très solides et fiables:
Campagnolo Scirocco, Fulcrum Racing 5, etc.

Un gain en performance?

Si l’on se réfère aux formules de Newton en haut de page, il est possible de calculer le gain en puissance apporté par une paire de roues à faible inertie, par rapport à une paire lourde.
Il faut pour celà prendre en compte le poids du cycliste plus son vélo dans la partie « Energie de translation ».

Prenons l’exemple du coureur de 70kg et de son vélo de 5kg équipé de roues Lew Racing Pro VT-1 version Tune 2008, chaussé de pneumatiques de 235g. Au total, ils pèsent donc 75kg.

Il change ensuite de roues pour des Mavic Aksium Race. Ils pèsent alors 76,74kg.

En faisant abstraction des frottements de l’air, des roulements, de la chaîne, du pneumatique, il faudra dans le premier cas environ 2649 Joules pour accélérer de 0 à 30km/h.  Soit 265 Watts de moyenne s’il atteint les 30km/h en 10 secondes.

Dans le cas où le coureur est équipé de « lourdes »; il lui faudra 2720 Joules, soit 272 Watts.

Ceci représente un gain probable de presque 7 Watts en moyenne sur une simple accélération à basse vitesse.

Nous avons volontairement pris deux cas très éloignés afin de constater des différences franches. Il est évident qu’entre une paire de Campagnolo Hyperon et Eurus, la différence sera plus contenue (environ 3W).

Vous pouvez jeter un coup d’oeil au tableau ci-dessous pour avoir des comparaisons parlantes sur la puissance demandée lors d’une attaque, par exemple:

Modèle Energie (J) *1 Poids (g) Puissance supplémentaire (W) *2
Lew Racing Pro VT-1 2008 version Tune 74 820 0,00
Lew Racing Pro VT-1 2007 version Tune 77 899 0,30
Lew Racing Pro VT-1 2006 version WI 78 924 0,40
Tune Skyline KOM 2006 79 885 0,50
Lightweight Ventoux Obermayer 2006 81 933 0,70
Lightweight Obermayer G1 2005 20/20 84 1065 1,00
Lightweight Obermayer G3 2008 16/20 84 990 1,00
Reynolds KOM 2008 85 1037 1,10
Lightweight Standard G3 2008 16/20 86 1090 1,20
Roval Alpiniste SL Carbon 2008 86 1039 1,20
Lightweight Ventoux DT 2008 86 1039 1,20
Lightweight Standard G3 2008 20/20 87 1103 1,30
Speedcomposites Sinus 2007 24/28 87 1073 1,30
Tune Olympic Gold 2005 88 1075 1,40
Zipp 202 2008 89 1075 1,50
Reynolds DV UL 46 2008 93 1164 1,90
Topolino VX 4.0 2008 93 1169 1,90
Mavic Cosmic Carbone Ultimate 2007 94 1205 2,00
Shimano WH-7850 C24 TU 2008 96 1245 2,20
Campagnolo Hyperon 2006/2008 97 1255 2,30
Ritchey WCS Carbon 2005 97 1295 2,30
Corima – Tune – Aerolite 2007 98 1245 2,40
Shimano WH-7801 Carbon 2006 98 1305 2,40
Easton EC90 SLX 2008 98 1256 2,40
Zipp 404 2008 99 1274 2,50
Sat Lite 5.8 2008 100 1328 2,60
Bontrager Race XXX Lite 2008 100 1296 2,60
Corima Aero 2007 101 1455 2,70
Easton Tempest II Carbon 2005/EC90 Aero 2008 101 1380 2,70
Fulcrum Racing Speed 2006/2008 102 1350 2,80
FSA K-Force RD480 2008 102 1354 2,80
Campagnolo Bora G3 2005/2008 103 1400 2,90
Xentis Mark 1 2005 103 1455 2,90
Bontrager Race X Lite Carbon Aero 2005 105 1420 3,10
FRM FL-R 23 SD Aerolight 2006 105 1335 3,10
Mavic R-SYS 2007 105 1374 3,10
Zipp 808 2007 107 1455 3,30
Fulcrum Racing Light 2008 107 1401 3,30
Vuelta Carbon Pro WR 2006 108 1510 3,40
Shimano WH-7850 C50 TU 2008 109 1489 3,50
Shimano WH-7801 Carbon 50 2006 110 1540 3,60
Sonic Hyper 50mm 2008 110 1436 3,60
Corima Turbospoke 2006 111 1645 3,70
Xentis Mark 1 TT 2007 111 1594 3,70
Citec 6000 Cx Carbon 2007 112 1504 3,80
Pro RC50 2008 112 1596 3,80
Ambrosio X-Carbo 2005 114 1655 4,00
CKT Splendor 2005 115 1565 4,10
Bontrager Aeolus 5.0 2008 118 1545 4,40
American Classic 420 2007 119 1553 4,50
Mavic Ksyrium ES 2006 120 1545 4,60
Xtreme Light Wheels 2007 120 1609 4,60
A-Class ALX 440 SL 2007 121 1616 4,70
Campagnolo Eurus 2006 123 1590 4,90
FSA RD-600 2006 124 1650 5,00
Spinergy Stealth Full Carbon C 2008 125 1698 5,10
Citec 3000S Aero 16 rayons 2006 127 1625 5,30
Citec 3000S Aero 2005 129 1695 5,50
HED 3 2006 129 1940 5,50
Shimano WH-R561 2007 129 1804 5,50
Shimano WH-R550 2007 130 1824 5,60
Easton Vista SL 2007 131 1775 5,70
Specialized Roval Rapid Star Carbon 2007 131 1847 5,70
Shimano WH-R560 2006 132 1840 5,80
Mavic Cosmic Carbone SL Premium 2008 132 1849 5,80
Mavic Ksyrium Equipe 2007 133 1856 5,90
Fulcrum Racing 7 2007 134 1873 6,00
Ritchey Pro 2007 135 1876 6,10
Campagnolo Scirocco 2007 136 1869 6,20
Fulcrum Racing 5 Evolution 2007 137 1888 6,30
Campagnolo Vento 2007 139 1883 6,50
Mavic Aksium race 2007 141 1973 6,70
Mavic Aksium race 2006 143 1965 6,90
Mavic Cosmic Carbone SL 2005 143 1985 6,90
Ambrosio XXL 2008 145 2108 7,10
Gipiemme Carbon 5-5 2005 148 2040 7,40
Rose Aerospoke 2006 165 2450 9,10

*1Energie nécessaire pour accélérer de 0 à 30km/h (J). Elle inclue l’énergie de rotation et de translation.

*2Puissance (W) supplémentaire à fournir par rapport au meilleures roues pour accélérer de 0 à 30km/h en 10s. Elle comprend le coureur de 70kg et son vélo de 4,1kg (sans les
roues, soit 5kg avec les roues les plus légères).

NB: avec un pneumatique de 210g au lieu de 235g, un gain de 4J est à prévoir, ce qui représente une économie de puissance de 0,4W en moyenne entre chaque accélération de 0 à 30km/h.

Conclusion

La moralité de ce test d’inertie tient en deux choses. Idéalement il est intéressant de disposer de deux paires de roues.

La première est en aluminium et très abordable. Sachant que les offres des grands constructeurs dans le domaine de la roue aluminium haut de gamme sont peu intéressantes par rapport aux roues aluminium « petit prix » (aéro et inertie). Pour dire les choses clairement, la différence sera infime, en tout cas d’un point de vue inertie, entre une Campagnolo Eurus ou une Mavic Ksyrium ES (dans les 900 euros) et une Shimano WH-R561 (moins de 300euros!). D’un point de vue aéro, nous avons même vu récemment que les roues aluminium haut de gamme des grands constructeurs sont moins efficaces que la paire à petit prix en question…!

- La seconde est en carbone. L’idéal est de mettre le prix dans cette dernière, sachant que vous aurez économisé sur la paire aluminium. Vous disposerez donc d’une paire très légère qui vous fera économiser de la puissance grâce à la jante haute (bon aérodynamisme), et grâce à la faible inertie.

Choisissez-la dans le premier peloton (de 95 à 115J), ou dans le groupe de tête si vous en avez les moyens, en étudiant les prix. La solution « roues artisanales » est bien entendu une des solutions efficaces sans casser la tirelire.

Pour finir, ne négligez pas le pneumatique. Il influe en grande partie sur la performance globale: son inertie est généralement équivalente à la moitié d’une roue complète légère et sa résistance au roulement sera aussi importante que vos (nos?!) kilos superflus!

Lexique

Energie cinétique : Exprimée en joules, il s’agit de l’énergie nécessaire pour passer un système d’une vitesse A à une vitesse B.  Elle varie avec la vitesse au carré et la
masse.

Inertie : L’inertie représente le niveau de résistance d’un système à voir changer son état (accélérer ou décélérer). L’inertie est en quelque sorte équivalente à l’énergie
cinétique à une vitesse précise.


Moment d’inertie :
Identique à l’inertie simple, mais pour un système en rotation.

Moment quadratique: Il permet de calculer la résistance et la déformation des poutres (comme des rayons) sollicitées en torsion et en flexion.

Partie 0 – Introduction
Partie 1 – Aéro
Partie 3 – Rigidité latérale
Partie 4 – Résistance au roulement
Partie 5 – Bilan


 
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7 réponses à Grand test de roues 2008 – Partie 2 – Inertie

  1. James Beaumont dit :

    Très interessant et utile, merci pour l’analyse.

    Cependant, tant que l’analyse est utile pour comparer etrc, il est bien rare qu’on part de 0 à 30km/h en compétition. Quel sera l’effet de passer de 35km/h à 45km/h, ou de 14km/h à 18km/h sur une pente de 10% ?

  2. Sylvain dit :

    Bonjour,

    Article très interessant, merci Adrien.
    As tu une idée de la puissance gagné en watt en roulant à la même vitesse par exemple 25 Km/h sur une pente à 5%.

  3. Sébastien dit :

    Adrien, merci pour condenser différentes études en une seule, et pour le travail de traduction.
    Une faible inertie est surtout utile en montée, Time Megève, Ariégeoise, Bosses du 13… ; ) , donc la question peut se poser ainsi:

    Sur une montée de 10km, constante à 5%, quel gain de vitesse peut espérer l’ensemble coureur+vélo+Aksium = 76,74Kg, qui roule à 20km/h en changeant ses roues (pour des Sinus par exemple)?

  4. Patrick dit :

    Test très intéressant encore une fois!
    Il faudrait noter par contre que l’inertie n’est pas les seul facteur contribuant à l’accélération; la rigidité en torsion (entre autre) y joue pour beaucoup.
    Est-ce que ce facteur sera comparé dans un test à venir?

  5. Yannick Bédard dit :

    Bonjour,

    Superbe étude ! C’est très intéressant. Cependant, la définition de l’inertie n’est pas seulement le travail pour mettre en mouvement. Selon Newton, l’inertie est la capacité d’un objet au repos à rester au repos et un objet en mouvement à garder son mouvement. Assez semblable, mais il serait intérressant de comparer l’inertie des roues lorsqu’elles sont déjà en mouvement, c’est à dire leur capacité de garder leur vitesse. Car je crois que des roues qui sont un peu plus difficile à accélérer ont plus de facilité à garder leur vitesse. Je pense donc que les roues qui ont la meilleure inertie sont ceux qui ont les 2 qualités.

    Yannick

  6. Adrien Gontier dit :

    Merci à tous pour vos commentaires très pertinents.

    Voici donc mes réponses.

    - James – Sylvain et Sébastien:
    En course il est en effet rare de passer de 0 à 30km/h. En passant de 35 à 45km/h, il faudra une puissance de 237W avec les roues les plus efficaces (Lew Racing), en considérant un coureur + vélo de 76kg, avec boyaux de 235g. Avec des Shimano C50TU, il faudra 240W, soit un gain de 3W . La puissance à développer pour passer d’une vitesse X à une vitesse Y varie avec le carré de la vitesse. C’est pourquoi on doit dépenser presque autant d’énergie en passant de 0 à 30km/h qu’en passant de 35 à 45.

    Cependant, attention: j’ai volontairement pris en compte des vitesses basses dans ce test afin que les frottements aérodynamiques et ceux des roulements soient négligeables. A vitesses élevées, ces frottements sont loin d’être négligeable et les valeurs finales d’inertie ne sont plusaussi importantes.

    Pour connaître la puissance à développer lors d’une montée, il faut connaître la distance à parcourir. En effet, l’énergie à développer d’un point A à un point B dépend de « l’altitude gagnée » et suit la formule E=mgz
    Imaginons un coureur de 75,5kg (vélo+roue Tune Skyline KOM + coureur) qui parcourt 10km et gagne 1000m de dénivelé (pente à 5,74° ou 6,37%) devra dépenser 745332 Joules au total. Imaginons qu’il parcourt la distance en 30min, soit 20km/h de moyenne, il devra développer 411W de moyenne.
    S’il équipe son vélo des roues Cosmic Carbone SL, il lui faudra alors fournir 417W en moyenne.
    N’oubliez pas que l’inertie n’a aucune influence ici car la vitesse est estimée constante. La seule variation d’énergie est due à la différence de poids.
    Vous pouvez jouer avec les formules pour estimer le gain apporté par des roues légères en ajoutant diverses accélérations dans cette ascension. Grossomodo, à chaque accélération, en passant de 20 à 30km/h en 3s, vous passez d’une énergie supplémentaire à fournir (en plus de l’énergie pour vaincre la pente) de 532W pour les Cosmic Carbone SL à 509W pour les Skyline KOM. Soit un gain de 23W sur une accélération très rapide, typique d’une attaque en bosse.
    - Patrick:
    La rigidité en torsion est certainement un point à appronfondir. A mon avis, elle n’influera pas sur l’énergie nécessaire pour accélérer. Elle jouera sur la réactivité des roues, à savoir: une roue très forte en torsion ne se déformera pas et répondra immédiatement. Une autre moins bonne semblera « molle » à l’accélération. Cependant, j’avouerai ne pas être certain et je t’invite à chercher pour en savoir plus.

    - Yannick:
    Tu as tout à fait raison, mais il y a aucun intêret à disposer d’une roue à forte inertie. En effet, elle a beau restituer de l’énergie, il ne faut pas oublier que ce sont tes cuisses qui auront fourni cet énergie! En course, la différence se fait à l’accélération et non pas lorsque l’on arrête de pédaler.

    Voilà, bon week-end.
    Adrien.

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