Pour plusieurs cyclistes qui parcourent des centaines de kilomètres par année, le confort d’un vélo de route est une qualité aussi recherchée – sinon plus – que la performance. Un sondage du groupe VélUS a montré que 90 % des cyclistes considèrent le confort comme un élément important. De plus, parmi les sources d’inconfort qu’ils perçoivent, les vibrations de la route transmises aux mains arrivent en tête de liste. Est-ce que seules les composantes mécaniques du vélo sont en cause? Non, répond Sébastien Perrier, de la Faculté de génie, qui vient d’obtenir son doctorat. «Si l’on considère que le cycliste est lui-même 10 fois plus lourd que sa monture, il constitue l’élément qui a le plus d’influence sur l’assemblage vélo-cycliste et sur la transmission des vibrations. Il faut donc prendre en compte le comportement biodynamique des membres qui interagissent avec les composantes du vélo», dit-il.

Dans la thèse de doctorat qu’il vient de défendre, le chercheur membre du groupe VélUS ouvre un nouveau champ de recherche qui inclut d’une part l’étude des réponses biodynamiques du système main-bras, et d’autre part les aspects mécaniques du vélo pris isolément. «Ça ne s’était jamais fait de caractériser deux structures séparées, dont l’une est l’humain et l’autre une structure mécanique, puis de combiner les résultats pour prédire un comportement», dit-il.

En plus de recueillir des données distinctes des deux systèmes, l’approche vise à les combiner avec des modèles mathématiques, afin de prévoir certaines interactions humain-vélo généralement associées à l’inconfort.

Le confort, cet inconnu dans la mire du groupe VélUS

Dirigé par les professeurs Yvan Champoux et Jean-Marc Drouet, du Département de génie mécanique, le groupe VélUS regroupe des chercheurs du Québec et de France qui visent plusieurs objectifs de recherche en lien avec la compréhension du vélo. Ces derniers s’activent à développer de nouvelles connaissances et un savoir-faire de haut niveau en vue de favoriser le transfert technologique aux manufacturiers et marchands. Si le confort est un critère important pour le cycliste assidu, rien n’est encore bien connu à son sujet. Le confort peut être subdivisé en deux catégories : le confort associé au positionnement et le confort lié au comportement dynamique du vélo et de ses composantes. Le professeur Yvan Champoux a lancé un projet, une première dans le domaine, visant à explorer le confort dynamique au niveau de sa représentation, des perceptions, de la métrologie et du lien avec le comportement dynamique du vélo. La recherche de Sébastien Perrier fait partie de ce vaste projet.

Sources : Groupe VélUS et page du professeur Yvan Champoux

Dépasser les perceptions

L’approche proposée par Sébastien Perrier vient fournir un nouveau cadre d’analyse à des phénomènes qui jusqu’ici étaient surtout observés en fonction des perceptions humaines, et non de données scientifiques mesurables. Dans des recherches préalables du groupe VélUS, un sondage statistique a été mené pour connaître la perception de l’inconfort des cyclistes. Une autre étude a cherché à comparer différentes composantes de vélos à travers ce que ressentaient des personnes qui les essayaient. Le travail de Sébastien Perrier repose plutôt sur des mesures de force, d’accélération et de vibration, ainsi que des calculs pour les interpréter.

«Les conclusions de mon étude nous amènent une étape plus loin que les études statistiques de perception, dit-il. On se rapproche de quelque chose qu’on peut mesurer mécaniquement et qui éventuellement, pourrait être associé à la notion de confort.»

Biodynamique du système main-bras

La connaissance des interactions au sein des assemblages de structures est une préoccupation majeure en génie mécanique. Malgré cela, les interactions entre une structure vibrante et le système main-bras n’avaient jamais été étudiées par le passé à l’aide de la méthode proposée par Sébastien Perrier, explique celui-ci. Le doctorant a privilégié une approche dite par sous-structuration, en dégageant des données liées au contact des mains avec des poignées.

«Avec les mesures que l’on obtient – par exemple des mesures de puissance sur les mains – on peut poser l’hypothèse que les pics de puissance sont liés à l’inconfort, dit-il. Cette hypothèse n’est pas validée à 100 %, mais en considérant un contact avec une structure qui vibre, et en identifiant des zones correspondant aux minimums de puissance transmise aux mains, on peut optimiser les structures mécaniques en vue d’améliorer le confort.»

Le chercheur a ensuite mesuré la réponse biodynamique du système main-bras de plusieurs sujets en position cycliste pour tenter de trouver des éléments communs chez l’ensemble des personnes. Il n’était absolument pas certain d’y arriver, puisque la littérature scientifique a montré que les individus ont une réponse biodynamique très variable.

«Dans la majorité des études sur des postures générales du système main-bras, la réponse biodynamique est unique à chaque individu, un peu comme une empreinte digitale, dit Sébastien Perrier. Par contre, il semble que la posture cycliste est très spécifique et que ses contraintes comme l’inclinaison et la position du tronc et des bras amène une réponse biodynamique ayant des caractéristiques communes. Cela permet d’envisager des solutions qui répondraient à l’ensemble des cyclistes.»

Un vélo sans cycliste

Le second volet de la thèse de Sébastien Perrier visait à caractériser le comportement mécanique d’un vélo, sans qu’un humain ne l’enfourche. Cette approche a permis d’effectuer une série de mesures et de calculs, en évitant de paramétrer la présence d’un cycliste lors des tests, sachant que l’humain représente la structure majoritaire dans la transmission des vibrations. Du coup, cela évitait d’induire certains phénomènes aléatoires que la présence humaine pouvait avoir sur les tests mécaniques.

«Étudier l’incidence des vibrations d’un vélo avec un humain, c’est comme chercher une aiguille dans une botte de foin, puisque c’est difficile de distinguer les phénomènes causés par le vélo et ceux associés au cycliste. En retirant la contribution de l’humain, c’est comme comparer des aiguilles avec d’autres aiguilles, pour déceler les petites différences du comportement des structures», illustre-t-il.

Un modèle transférable

Les résultats de l’étude combinée humain-structure mécanique offrent une nouvelle voie afin d’améliorer le confort des vélos de route et pourraient susciter une évolution des critères de conception en fonction des découvertes récentes sur les réponses biodynamiques.

Selon Sébastien Perrier, la méthode proposée n’est pas limitée au monde du vélo. «Un doctorat doit proposer une contribution originale qui fait avancer la connaissance scientifique. Cette même approche pourrait s’appliquer à plusieurs domaines – comme l’automobile – ou dans tout autre système où un humain est placé sur une structure mécanique qui vibre. Les caractéristiques biodynamiques d’autres parties du corps pourraient être prises en compte», dit-il.

Comme quoi une randonnée à vélo peut conduire la science à franchir de nouvelles frontières!