Définition et dynamique du peloton cycliste

Le cyclisme est réputé pour son jargon fleuri. Lors du Tour de France, on entend parler de peloton. Mais qu’est-ce que c’est ? Chaque jour, l’antisèche du JDD répond à une question pas si bête que ça, pour mieux comprendre l’actualité.

Le peloton est un groupe de coureurs qui forme un « tout ». Dans le cyclisme sur route (comme au Tour de France par exemple), c’est le groupe majoritaire. Mais si les cyclistes roulent ensemble, comme une masse compacte, ce n’est pas un hasard.

Avantages de rouler en peloton

Des chercheurs basés aux Pays-Bas avaient réalisé une étude il y a quelques années. Ceux qui sont à l’intérieur du groupe ont peu de résistance face au vent. C’est plus facile de pédaler pour eux ; c’est aussi plus avantageux pour celui qui est devant : il ne reçoit que 86 % de la résistance qu’il recevrait seul ! À l’arrière du peloton, la résistance n’est plus que de 5 % !

Pour mieux vous représenter les choses : aux deux derniers rangs, pour un effort qui permettrait normalement à un cycliste seul de rouler à 12 km/h, grâce aux phénomènes d’aspiration et d’écoulement de l’air, celui-ci atteint en fait la vitesse de… 54 km/h ! Les cyclistes placés à l’arrière sont carrément poussés par ces effets.

La performance des cyclistes dans un peloton est largement influencée par la dynamique des fluides qui se développe autour d’eux. En course, les cyclistes forment des groupes compacts pour profiter de l’effet d’aspiration et réduire la résistance de l’air, ce qui peut significativement améliorer leur efficacité énergétique et leurs performances globales.

La compréhension de la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes a des implications pratiques majeures. Les formations de peloton et les positions relatives des cyclistes influencent directement la distribution de la traînée aérodynamique, impactant ainsi la dépense énergétique individuelle. Par exemple, les cyclistes situés en tête du peloton subissent généralement une plus grande résistance de l’air, tandis que ceux placés derrière bénéficient d’une réduction significative de cette traînée.

En optimisant les formations de peloton et en exploitant les stratégies de course basées sur la dynamique des fluides, les équipes de cyclistes peuvent maximiser l’efficacité collective.

Simulation CFD et dynamique des fluides

Cependant, malgré son importance, la dynamique des fluides autour des pelotons de cyclistes est complexe et difficile à étudier empiriquement en raison des nombreuses variables en jeu, telles que la vitesse, la direction du vent, la position des cyclistes, et les interactions aérodynamiques. C’est ici que les simulations CFD (Computational Fluid Dynamics) deviennent un outil précieux.

La simulation CFD est une méthode puissante pour étudier les écoulements d’air autour d’un peloton de cyclistes, offrant la capacité d’analyser précisément les forces aérodynamiques. Pour étudier la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes, nous avons utilisé la simulation CFD, une technique puissante permettant de modéliser les écoulements d’air de manière précise et détaillée. La CFD est une méthode numérique pour analyser les mouvements de fluides en résolvant des équations aux dérivées partielles. Elle offre l’avantage de pouvoir explorer facilement diverses configurations et de quantifier les forces aérodynamiques exercées sur chaque cycliste individuellement.

Pour réaliser la simulation de votre peloton de cyclistes, un modèle de simulation avancé, le Wall-Modeled Large Eddy Simulation (WMLES), a été utilisé. Ce modèle de haute fidélité permet de capturer les détails des écoulements turbulents en adaptant automatiquement la résolution près des parois, tout en tenant compte des gradients de pression responsables de la séparation des écoulements, cruciaux pour les analyses aérodynamiques. Le WMLES utilise un modèle de viscosité appelé Wall-Adapting Local Eddy (WALE), qui assure une viscosité locale cohérente et un comportement précis près des parois.

Plusieurs recherches ont déjà examiné la dynamique des fluides autour d’un peloton de cyclistes, telles que The Peloton Project par le Professeur Bert Blocken de la Eindhoven University of Technology. Cependant, ces études négligent souvent la nature non uniforme de la disposition des cyclistes au sein du peloton. En d’autres termes, les cyclistes ne sont pas arrangés de manière régulière ou cartésienne, alignés les uns avec les autres. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier une configuration plus réaliste, prenant en compte cette variabilité dans la disposition des cyclistes.

La configuration étudiée est celle d’un peloton de 100 cyclistes disposés de sorte à simuler une course réelle sur une route large.

Forces de traînée et positionnement

La mesure des forces de traînée est cruciale dans le monde du cyclisme car elle permet de quantifier la résistance de l’air que chaque cycliste doit surmonter en roulant. Cette résistance aérodynamique est l’un des principaux facteurs limitant la performance, surtout à des vitesses élevées.

La traînée aérodynamique, ou résistance de l’air, est une force déterminée par plusieurs facteurs et influence de manière significative la performance d’un cycliste. Cette force provient de l’interaction entre le cycliste (et son vélo) et l’air en mouvement autour de lui. Elle dépend de la densité de l’air ambiant, de la vitesse du cycliste, de la surface frontale exposée à l’écoulement d’air, ainsi que du coefficient de traînée (Cd ou Cx) qui reflète l’aérodynamisme global de la configuration cycliste-vélo.

D’un point de vue quantitatif, l’expression de la traînée aérodynamique montre qu’elle est proportionnelle au produit de la masse volumique de l’air par le carré de la vitesse du cycliste et par la surface frontale qu’il présente. En d’autres termes, le cycliste doit littéralement « pousser » et mettre en mouvement tout le volume d’air qu’il traverse. Par conséquent, réduire la densité de l’air ou la surface frontale peut significativement diminuer cette traînée.

Un cycliste qui veut réduire sa traînée peut diminuer son aire frontale en adoptant une position plus couchée sur le vélo, une stratégie couramment utilisée par les professionnels lors des contre-la-montre. Le coefficient de traînée dépend non seulement de la forme aérodynamique du cycliste et de son vélo, mais également des détails de l’écoulement de l’air autour d’eux.

Les recherches montrent que le mouvement du cycliste crée une surpression de l’air devant lui et une dépression derrière lui, les deux phénomènes contribuant à la traînée. De plus, le cycliste entraîne de l’air en mouvement sur plusieurs mètres dans son sillage, ce qui complexifie davantage les interactions aérodynamiques pour les coureurs en aval.

Pour les cyclistes en peloton, l’effet de la traînée est modulé par leur position relative dans le groupe. Pour un vent de face, rouler en file indienne, par exemple, réduit la traînée subie par les cyclistes suivants grâce à la réduction des surpressions et dépressions.

La simulation permet d’afficher les plans de répartition des vitesses autour des cyclistes. La vitesse apparente de l’air est de 15 m/s (soit 54 km/h) pour le cycliste se trouvant en tête du peloton, il va donc ressentir plus de traînée que les cyclistes se trouvant au sein du peloton. En effet, on peut voir qu’au sein même du peloton, les vitesses effectives sont plus faibles, réduisant donc la traînée sur les cyclistes s’y trouvant.

La figure ci-dessus montre que les cyclistes en tête du peloton rencontrent des vitesses d’air plus élevées. Au contraire, les cyclistes plus en retrait et à l’intérieur du peloton rencontrent des vitesses d’air plus faible. En effet, les cyclistes en tête jouent le rôle d’un brise-vent, protégeant les cyclistes situés à l’arrière du peloton en réduisant la résistance de l’air qu’ils rencontrent. Ceci aura une répercussion directe sur la force de trainée ressentie individuellement par chaque cycliste. En effet, cette force étant proportionnelle au carré de la vitesse, on peut intuiter que la trainée sur les coureurs en tête du peloton sera plus importante que celle ressentie par les cyclistes en fin de peloton.

On dit également que les cyclistes du cœur du peloton profitent de l’aspiration générée par les cyclistes en tête du peloton. C’est ce qu’on peut voir sur le plan de pression ci-dessous. En se calant dans le sillage des coureurs en tête, les cyclistes du peloton bénéficient de la dépression située derrière ces derniers, ce qui réduit la surpression qu’ils créent eux-mêmes. Ainsi, la traînée aérodynamique est considérablement réduite pour ces cyclistes.

Dans la pratique, la simulation CFD permet d’optimiser la position des cyclistes, de choisir des équipements plus aérodynamiques, et de développer des stratégies de course efficaces. Dans les techniques contre la montre, par exemple, les cyclistes peuvent bénéficier de ces simulations en ajustant leur position sur le vélo pour maximiser l’aérodynamisme.

La simulation CFD aide à déterminer la position optimale, souvent en adoptant une posture plus basse et plus allongée, afin de minimiser la surface frontale exposée au vent. De plus, les cyclistes peuvent utiliser des vélos spécialement conçus pour les contre-la-montre, avec des cadres profilés et des roues pleines qui réduisent davantage la traînée.

En soufflerie, les cyclistes testent différentes configurations d’équipements, comme les casques aérodynamiques et les combinaisons moulantes, pour choisir ceux qui offrent le moins de résistance à l’air.

A noter que la simulation CFD présente un avantage face aux essais en soufflerie : un gain de temps et d’argent. Grâce à ces ajustements basés sur les données de simulation, les cyclistes peuvent gagner de précieuses secondes, voire minutes, sur leurs performances globales.

Dans la suite on a évalué les forces de traînée sur chaque cycliste individuellement et donc les positions les plus favorables dans le peloton.

Concrètement, la carte présentée montre le pourcentage de traînée ressenti par chaque cycliste du peloton, calculé en fonction de la traînée maximale ressentie par le cycliste en tête. Ainsi, les cyclistes situés dans des positions plus favorables à l’intérieur du peloton bénéficieront de pourcentages de traînée plus faibles, indiquant une réduction significative de la résistance de l’air grâce à la protection offerte par les autres cyclistes.

De manière générale, tous les cyclistes du peloton ressentent une traînée moindre par rapport à celle subie par le cycliste en tête. Plus un cycliste est placé à l’arrière du peloton, moins il est exposé à des forces de traînée élevées. Cette tendance s’applique également aux cyclistes situés au centre du peloton, qui ressentent moins de traînée que ceux placés en périphérie.

La figure ci-dessus montre que la zone délimitée par le cercle rouge est la plus avantageuse pour un cycliste en début de course. Dans cette zone, les cyclistes ne ressentent que 10% à 20% de la traînée subie par le leader, tout en restant proches de la tête de course, ce qui permet une économie d’énergie considérable au début de la course.

Cependant, le choix de la place dans le peloton ne se base pas uniquement sur des considérations énergétiques. Plus un cycliste se trouve en queue de peloton, plus il est vulnérable aux effets d’accordéon provoqués par des accélérations en tête ou aux éventuelles chutes. C’est pourquoi les leaders du Tour de France préfèrent rester dans les premiers rangs, entourés de leurs équipiers.

Stratégies contre le vent latéral

Pour se protéger du vent latéral, une stratégie complexe mais efficace consiste à former des éventails. Un coureur va se positionner légèrement en retrait et sur le côté du coureur qui produit l’effort, s’abritant ainsi du vent. Plus le vent est fort et latéral, plus le coureur se déplace latéralement pour bénéficier de cette protection. Lorsqu’un coureur se retrouve isolé et exposé au vent, on dit qu’il est « dans la bordure » ou qu’il s’est « fait bordurer« . La clé de cette stratégie contre le vent est de former des éventails.

Le coureur en tête se place du côté d’où provient le vent pour protéger ceux qui le suivent. Par exemple, si le vent vient de gauche, le leader se positionne à gauche de la route. Après avoir pris son relais, il relâche son effort, laissant ses coéquipiers bénéficier de son abri pendant qu’il redescend vers l’arrière du groupe avant de reprendre sa place en retrait du dernier coureur, à l’abri du vent.

Il existe deux types d’éventails : simple et double. L’éventail simple, organisé en une seule file, est utilisé pour des petits groupes, comme une échappée de moins de huit coureurs ou un contre-la-montre par équipe. Le coureur en tête relâche son effort après son relais, reste au contact de la file montante, contourne le dernier coureur et se remet rapidement à l’abri.

L’éventail double, en revanche, est plus efficace et se compose de deux files : une descendante et une montante. La file descendante, composée des coureurs ayant pris leur relais, se positionne du côté du vent, tandis que la file montante, abritée par la file descendante, se prépare à prendre le relais. La formation en éventail double nécessite au moins une dizaine de coureurs pour être mise en place. En compétition, une équipe peut resserrer l’éventail en plaçant un coureur fort près du bord de la route, du côté opposé au vent, réduisant ainsi le nombre de coureurs protégés et augmentant la difficulté pour les adversaires.

Lorsque le vent latéral est intense, cette technique peut fragmenter le peloton, créant des bordures spectaculaires et décisives dans la course. En effet, les cyclistes qui ne parviennent pas à s’insérer correctement dans les éventails se retrouvent directement exposés au vent, subissant une augmentation drastique de la traînée aérodynamique. Cette augmentation de la traînée découle de la rupture du flux d’air lisse et continu autour des cyclistes, engendrant des turbulences et une résistance accrue.

Les coureurs abrités dans l’éventail bénéficient d’une réduction significative de la traînée grâce à l’effet de sillage et à la protection latérale offerte par leurs coéquipiers. En revanche, les coureurs isolés doivent fournir un effort beaucoup plus important pour maintenir leur vitesse, ce qui peut entraîner leur décrochage du peloton. Ce déséquilibre dans la répartition des forces aérodynamiques peut provoquer l’éclatement du peloton en plusieurs groupes distincts, rendant le phénomène de bordure non seulement tactiquement crucial mais aussi spectaculaire.

Eolios a étudié la configuration en éventail double de 8 cyclistes lorsque qu’un vent de côté apparaît lors d’une course. La figure ci-dessous montre la répartition des vitesses d’air autour des cyclistes. Les vitesses d’air au niveau des cyclistes protégés sont plus faibles. Les calculs d...

Si le vent arrive de côté ou de 3⁄4 face, un groupe de coureurs en tête de peloton se dispose en éventail (jusqu'à la bordure de la chaussée) de sorte qu'un coureur suivant l'éventail ne peut plus profiter du coureur précédent pour s'abriter du vent. Si le groupe de coureurs en éventail accélère brusquement, les coureurs suivant directement l'éventail se retrouvent en file indienne, derrière la queue de l'éventail, et ne sont donc plus protégés du vent, ce qui provoque une ou plusieurs cassures au sein du peloton.

Jargon du cyclisme

Le cyclisme est réputé pour son jargon imagé et spécifique. Voici quelques expressions courantes :

• Assurer le train : Maintenir une allure constante en tête du peloton.
• Avoir la Socquette Légère (ou en titane) : Pédaler très facilement et rapidement.
• Avoir le nez dans le cintre : Être arc-bouté sur son vélo, couché sur le cintre.
• Bordure : Technique pour faire face au vent de côté et exclure un coureur de l'équipe adverse.
• Braquet : Rapport entre le pignon et le plateau, qui détermine le développement.
• Chasse-Patate : Rouler entre deux groupes sans parvenir à rejoindre le premier.
• Cocottes : Parties supérieures des leviers de freins sur les cintres de course.
• Danseuse : Se mettre en appui sur ses pédales, les fesses relevées, pour mettre toute la puissance dans le pédalage.
• Échappée : Coureur ou groupe de coureurs qui se détachent du peloton.
• Gruppetto : Groupe de coureurs en difficulté qui unissent leurs efforts pour franchir la ligne d'arrivée dans les étapes de montagne.
• Marquer la culotte : Suivre un autre coureur de près, calquer ses efforts sur le sien.
• Mettre le nez à la fenêtre : Venir de temps en temps en tête du peloton pour jauger ses adversaires.
• Porteur d’eau : Équipier qui travaille pour le leader.
• Sucer la roue : Rester derrière les autres coureurs pour profiter de l’aspiration et s’abriter du vent sans prendre de relais.

Ces expressions et techniques enrichissent la compréhension et l’appréciation des courses cyclistes, en particulier du Tour de France.

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