Ce que mesure la puissance, et en quoi elle diffère de la vitesse
La puissance cycliste est le débit auquel un cycliste effectue un travail mécanique, mesuré en watts. La vitesse, en revanche, est simplement la distance parcourue par unité de temps et dépend fortement des conditions extérieures : la même puissance produit des vitesses très différentes selon la pente, le vent et le revêtement de la route. Un cycliste montant une côte raide à 10 km/h peut produire bien plus de puissance que ce même cycliste roulant sur le plat à 30 km/h, car la majeure partie de cette puissance en montée sert à soulever le poids du corps et du vélo contre la gravité plutôt qu'à la vitesse d'avancement.
C'est pourquoi la puissance est devenue la mesure préférée de l'effort dans l'entraînement et la compétition cyclistes : contrairement à la vitesse, elle n'est pas faussée par les côtes, le vent ou l'aspiration, ce qui la rend directement représentative du rendement physiologique du cycliste, comparable d'une séance à l'autre et d'un cycliste à l'autre une fois normalisée par le poids corporel.
Le modèle physique : trois forces résistives
Un modèle physique bien établi, validé par rapport à la puissance mesurée directement dans des études telles que celle de Martin et collègues (1998), calcule la puissance nécessaire pour rouler à une vitesse donnée en additionnant trois forces résistives et en multipliant par la vitesse, puis en divisant par le rendement de la transmission pour tenir compte des pertes par frottement dans la chaîne et les roulements. La force de gravité est la masse combinée du cycliste et du vélo multipliée par l'accélération gravitationnelle multipliée par le sinus de l'angle de la route. La résistance au roulement est cette même masse combinée multipliée par l'accélération gravitationnelle multipliée par le cosinus de l'angle de la route multiplié par un coefficient de résistance au roulement. La traînée aérodynamique augmente avec le carré de la vitesse, ce qui signifie que la puissance nécessaire pour la surmonter augmente avec le cube de la vitesse.
Parce que les paramètres réels de traînée et de roulement propres à un cycliste et un vélo donnés sont rarement connus sans test dédié, des valeurs publiées typiques sont couramment utilisées comme hypothèses fixes dans les calculateurs basés sur le modèle physique : un coefficient de résistance au roulement (Crr) de 0,005, représentatif de pneus routiers sur asphalte ; une surface frontale effective (CdA) de 0,32 mètre carré, représentative d'un cycliste roulant en position sur les cocottes ; une densité de l'air de 1,225 kg par mètre cube, la valeur standard au niveau de la mer à 15 degrés Celsius ; et un rendement de transmission de 97,5 %, conforme aux mesures publiées sur les transmissions à chaîne. Un air calme est supposé, sans vent de face ni vent arrière.
- P = (F_gravité + F_roulement + F_aéro) x v / 0,975
- F_gravité = (m_cycliste + m_vélo) x 9,8067 x sin(atan(pente% / 100))
- F_roulement = (m_cycliste + m_vélo) x 9,8067 x cos(atan(pente% / 100)) x 0,005
- F_aéro = 0,5 x 1,225 x 0,32 x v^2 (v en m/s)
Pourquoi la résistance de l'air domine à vitesse élevée
Le tableau ci-dessous montre les estimations du modèle pour un cycliste de 75 kg sur un vélo de 9 kg sur route plate par air calme, en utilisant les hypothèses standard ci-dessus. Notez comment la part de puissance consacrée à surmonter la résistance de l'air augmente régulièrement avec la vitesse : la force de traînée aérodynamique croît avec le carré de la vitesse de l'air, si bien que la puissance pour la surmonter croît avec le cube, tandis que la résistance au roulement reste presque constante avec la vitesse.
| Vitesse | Puissance estimée | Part consacrée à la résistance de l'air |
|---|---|---|
| 20 km/h | ≈ 58 W | ≈ 59 % |
| 25 km/h | ≈ 97 W | ≈ 70 % |
| 30 km/h | ≈ 152 W | ≈ 77 % |
| 35 km/h | ≈ 226 W | ≈ 82 % |
| 40 km/h | ≈ 323 W | ≈ 85 % |
Les watts par kilogramme comme indicateur de comparaison
Les watts par kilogramme divisent la puissance produite par le poids corporel du cycliste, et c'est la normalisation standard utilisée en cyclisme car la vitesse en montée sur des pentes raides est régie en grande partie par la puissance relative au poids total du système. Sur route plate, en revanche, la vitesse est régie en grande partie par la puissance absolue relative à la traînée aérodynamique, puisque la gravité joue un rôle négligeable lorsque l'angle de la route est proche de zéro. Ceci est documenté dans la littérature d'entraînement basé sur la puissance, notamment dans Training and Racing with a Power Meter d'Allen, Coggan et McGregor, qui utilise les watts par kilogramme comme axe standard pour comparer la performance des cyclistes de gabarits différents.
Parce que les watts par kilogramme soutenables varient énormément selon le passé d'entraînement, la durée de l'effort, l'âge et de nombreux autres facteurs individuels, aucun chiffre unique ne définit une « bonne » valeur pour tous les cyclistes ; comparer la propre valeur de watts par kilogramme d'un individu dans le temps, à une durée d'effort constante, est généralement plus informatif que de comparer avec d'autres cyclistes.
Qu'est-ce que la FTP ?
La puissance seuil fonctionnelle (FTP) est un concept issu de la littérature d'entraînement basé sur la puissance, décrit dans Training and Racing with a Power Meter d'Allen, Coggan et McGregor, désignant la puissance la plus élevée qu'un cycliste peut soutenir dans un état physiologique quasi stable pendant environ une heure. Elle fonctionne comme un point de référence individuel : parce que les cyclistes varient énormément dans leur capacité de puissance absolue, exprimer l'intensité cible d'une séance comme un pourcentage de la propre FTP d'un cycliste permet de personnaliser les zones d'entraînement plutôt que de se baser sur une puissance fixe qui serait dénuée de sens d'un cycliste à l'autre.
La FTP n'est pas un chiffre fixe pour la vie -- elle change à mesure que la forme physique change, ce qui explique pourquoi les programmes d'entraînement basés sur la puissance la réévaluent périodiquement. Cet article ne décrit que le concept ; les protocoles spécifiques de test de terrain pour estimer la FTP ne sont pas couverts ici, car la méthodologie de test et la progression d'intensité appropriée sont mieux guidées par un entraîneur qualifié ou la littérature d'entraînement source.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre puissance et vitesse à vélo ?
La puissance est le débit de travail mécanique produit par un cycliste, mesuré en watts, tandis que la vitesse est simplement la distance parcourue par unité de temps. La vitesse est fortement faussée par la pente, le vent et l'aspiration -- la même puissance produit des vitesses très différentes en montée que sur route plate -- ce qui explique pourquoi la puissance est considérée comme une mesure plus directe et comparable de l'effort physiologique.
Comment la puissance cycliste est-elle calculée à partir de la physique ?
Un modèle physique standard additionne trois forces résistives -- gravité, résistance au roulement et traînée aérodynamique -- et multiplie le total par la vitesse de déplacement, puis divise par le rendement de la transmission. Des constantes publiées typiques (un coefficient de résistance au roulement de 0,005, une surface frontale de 0,32 mètre carré, une densité de l'air de 1,225 kg par mètre cube, et un rendement de transmission de 97,5 %) sont couramment utilisées lorsque les valeurs mesurées propres à un cycliste ne sont pas disponibles.
Qu'est-ce qu'une bonne valeur de watts par kilogramme ?
Les watts par kilogramme correspondent à la puissance divisée par le poids du cycliste, et cela importe surtout en montée, où la vitesse est régie en grande partie par la puissance relative au poids total. Les watts par kilogramme soutenables varient énormément selon le passé d'entraînement, la durée de l'effort et l'âge, donc aucun « bon » chiffre unique ne s'applique à tous les cyclistes ; suivre sa propre valeur dans le temps à une durée constante est plus informatif que de comparer avec d'autres.
Que signifie la FTP en cyclisme ?
La FTP, ou puissance seuil fonctionnelle, est la puissance la plus élevée qu'un cycliste peut soutenir dans un état physiologique quasi stable pendant environ une heure, un concept décrit dans la littérature d'entraînement basé sur la puissance (Allen, Coggan et McGregor). Elle sert de point de référence personnalisé : les intensités d'entraînement sont couramment exprimées comme un pourcentage de la propre FTP d'un cycliste plutôt que comme une puissance fixe.
Pourquoi la résistance de l'air compte-t-elle davantage à des vitesses cyclistes élevées ?
La force de traînée aérodynamique croît avec le carré de la vitesse de l'air, et la puissance requise pour la surmonter croît avec le cube de la vitesse de l'air, tandis que la résistance au roulement reste à peu près constante quelle que soit la vitesse. Dans un modèle physique standard, la résistance de l'air représente environ 59 % de la puissance totale à 20 km/h mais atteint environ 85 % à 40 km/h, ce qui explique pourquoi l'aérodynamisme domine la performance cycliste aux vitesses de course.
Références
- Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, Coggan AR. Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics 1998; 14(3): 276-291.
- Wilson DG. Bicycling Science, 3rd edition. MIT Press, 2004.
- Allen H, Coggan AR, McGregor S. Training and Racing with a Power Meter, 3rd edition. VeloPress, 2019.
- International Civil Aviation Organization (ICAO). Standard Atmosphere -- sea-level air density 1.225 kg/m^3 at 15 degrees Celsius.
- American College of Sports Medicine. ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 11th edition. Wolters Kluwer, 2021.