Sujet 1 : Jusqu’où la physique permet-elle d’optimiser la performance du cycliste ?

Gagner une seconde au Tour de France peut faire la différence entre l’anonymat et la gloire. Mais, et si cette seconde se trouvait en fait dans l’aérodynamisme ou dans la masse du vélo ?
La performance d’un cycliste peut-elle être significativement améliorée grâce aux lois de la physique ?

I. La physique permet d’optimiser la posture et le matériel du cycliste

L’étude de la résistance de l’air montre que plus la vitesse augmente, plus cette force s’oppose au mouvement. À haute vitesse, elle devient le principal frein.
Ainsi, adopter une position couchée, réduire la surface frontale du cycliste, ou utiliser des casques profilés permet de réduire la traînée aérodynamique.
Le choix des matériaux influe aussi : le carbone, léger et rigide, améliore le rendement sans ajouter de masse inutile.

II. L’analyse énergétique aide à mieux exploiter les capacités musculaires

Le travail du cycliste peut être modélisé par le travail des forces et la puissance développée.
En étudiant les rendements énergétiques, on comprend qu’un pédalage fluide et une bonne cadence réduisent les pertes.
L’utilisation de capteurs de puissance permet de mieux gérer l’effort dans le temps, en particulier en montagne ou contre-la-montre.

Notions étudiées

  • Forces (poids, frottements, résistance de l’air)

  • Travail, puissance, rendement

  • Énergie cinétique et mécanique

 

Sujet 2 : Pourquoi un cycliste tient-il en équilibre quand il roule ?

Tout enfant qui apprend à faire du vélo l’expérimente : à l’arrêt, il chute sans aide. Mais dès qu’il prend de la vitesse, il tient en équilibre, comme par magie. Ce phénomène étonnant repose pourtant sur des lois physiques bien précises.
Comment la physique explique-t-elle la stabilité d’un vélo en mouvement alors qu’il tombe à l’arrêt ?

I. Un vélo à l’arrêt : un équilibre instable

À l’arrêt, le vélo repose sur deux points d’appui étroits. Si le centre de gravité du cycliste dépasse cette ligne d’appui, il tombe. Le vélo seul, sans intervention extérieure (béquille ou mur), ne peut pas tenir debout. C’est un système mécaniquement instable. L’être humain peut compenser par des mouvements rapides, mais cela demande beaucoup d’énergie et de réflexes.

II. Le rôle du mouvement et des effets gyroscopiques

Lorsque le vélo roule, les roues tournent rapidement et se comportent comme des gyroscopes. La rotation génère un moment cinétique, et la physique du gyroscope montre qu’un objet en rotation résiste aux changements de direction de son axe : c’est la stabilité gyroscopique. De plus, quand le cycliste penche, il tourne légèrement le guidon, ce qui permet de créer une trajectoire courbe. La force centrifuge agit alors vers l’extérieur, compensant le basculement et recentrant le centre de gravité au-dessus de la base d’appui.

III. Influence de la vitesse et de la géométrie du vélo

Plus la vitesse augmente, plus le moment cinétique est grand, et donc plus la stabilité est importante. Le vélo est aussi conçu pour s’auto-redresser : l’angle de chasse (inclinaison de la fourche) et le déport de la roue avant font que lorsqu’on incline le vélo, il tend à redresser sa direction automatiquement. Ce mécanisme stabilisateur est exploité dans la conception des vélos modernes.

Notions étudiées :

  • Moment cinétique / gyroscopique

  • Stabilité mécanique / équilibre instable

  • Force centrifuge

  • Centre de gravité

  • Géométrie du vélo (angle de chasse, base de support)

  • Mouvement circulaire

 

Sujet 3 : Quel est l’effet de la pression des pneus sur la performance en cyclisme ?

Les cyclistes professionnels vérifient plusieurs fois par jour la pression de leurs pneus. Quelques bars de plus ou de moins peuvent changer leur course.
Comment la pression des pneus influence-t-elle les performances d’un cycliste en termes d’énergie et de confort ?

I. Une pression élevée diminue la surface de contact et les pertes d’énergie

À haute pression, le pneu se déforme moins, ce qui réduit les pertes d’énergie dues aux frottements internes (appelés hystérésis).
Moins de surface de contact signifie aussi moins de frottements de roulement, donc une meilleure efficacité sur route lisse.

II. Une pression trop élevée peut réduire l’adhérence et le confort

Sur une route irrégulière, un pneu trop gonflé transmet les vibrations au cycliste, ce qui fatigue plus rapidement.
Une pression trop faible augmente le frottement, mais améliore le confort et l’adhérence, utile sur terrain accidenté ou humide.

Notions étudiées

  • Pression, force de contact

  • Frottements et rendement

  • Déformation, énergie dissipée

 

Sujet 4 : Comment les lois de Newton expliquent-elles le mouvement d’un cycliste ?

Quand on arrête de pédaler, on s’arrête. Quand on appuie, on avance. C’est évident… mais pourquoi cela fonctionne-t-il ainsi ?
En quoi les trois lois de Newton permettent-elles de comprendre le mouvement d’un cycliste sur route ?

I. La première loi : le cycliste soumis à des forces résiste au mouvement

En l’absence de pédalage, les frottements (air, sol, transmission) ralentissent le vélo jusqu’à l’arrêt.
Cela illustre le principe d’inertie : sans force motrice, un objet ralentit s’il subit des forces de résistance.

II. La seconde loi relie force, masse et accélération : F = ma

Lorsque le cycliste appuie sur les pédales, il exerce une force via la chaîne sur la roue arrière. Cette force génère une accélération.
Plus le cycliste est léger, plus l’accélération est importante à force égale.

III. La troisième loi s’illustre dans la propulsion

Le cycliste pousse sur la pédale vers le bas ; la roue pousse sur le sol en arrière, et par réaction, le sol pousse le vélo vers l’avant.

Notions étudiées

  • Lois de Newton

  • Forces, frottements

  • Masse, accélération

 

Sujet 5 : Pourquoi le peloton va-t-il plus vite que les cyclistes isolés ?

En tête de peloton, on se bat contre le vent. À l’arrière, on “aspire”. Mais pourquoi ce phénomène est-il si efficace ? 
Comment l’effet d’aspiration dans un peloton réduit-il les efforts physiques des cyclistes ?

I. Le peloton réduit fortement la résistance de l’air grâce à l’abri aérodynamique

Un cycliste en tête fend l’air et crée une zone de basse pression derrière lui. Les cyclistes qui le suivent profitent d’une traînée réduite.
Ce phénomène, appelé aspiration, permet aux suiveurs de dépenser jusqu’à 30 % d’énergie en moins à vitesse égale.

II. Cet effet collectif permet des stratégies tactiques et énergétiques

Les équipes protègent leur leader du vent jusqu’au moment-clé de la course. Cela permet d’économiser de l’énergie pour les sprints ou les montées.
Cela montre aussi que la performance n’est pas seulement individuelle : la physique explique aussi l’intérêt du travail d’équipe.

Notions étudiées

  • Traînée aérodynamique

  • Force de frottement de l’air

  • Énergie, rendement