Brevet FR2580395A1 — publié le 19861017

L'appareil faisant l'objet de la présente invention est destinée à la mesure de la puissance dissipée par un individu se déplaçant sur un circuit routier tenu en bon état, à l'aide d'un cycle bien entretenu. Le présent appareil a pour but de mesurer la puissance de réaction du milieu environnant le cycliste sur son engin. On connait un dispositif permettant de mesurer l'effort fourni par un sujet lorsqu'il pédale. Ce dispositif est un engin fixe que l'on installe en salle et qui est constitué le plus généralement d'une selle et d'un pédalier. Ce dernier entraine à titre d'exemple par l'intermédiaire d'une transmission appropriée une dynamo, un couplemétre, ou tout autre dispositif permettant de mesurer l'effort effectué par le patient. La suite logique de ces entrainements en salle, qu'il s'agisse d'un sujet sain s'entrainant ou non pour la compétition, ou d'un sujet convalescent, tel qu'un cardiaque, dont on a entrepris le traitement progressif et rigoureux, où tout dépassement des limites autorisées pourrait nuire à une bonne rééducation, est la pratique de la bicyclette en campagne. Jusqu'à ce jour aucun cycle n'a été équipé d'un dispositif de mesure de puissance précis développée par un cycliste se déplacant dans la nature, ce qui constituait un inconvénient dans l'utilisation de ces cycles. La présente invention ne peut s'appliquer qu'à un cycle trés bien entretenu, quoique les résistances passives sont peu de choses par rapport à la résistance du vent relatif, ou à la résistance à l'escalade des côtes. La résistance au roulement sera minimisée, par l'emploi de pneus fins voire de hoyaux gonflés à la limite autorisée, genre compétition. De même les routes empruntées seront en dur. C'est le cas de presque toutes nos routes en France. Hormis cette contrainte, la puissance principale fournie par le cycliste se dissipe dans un pourcentage élevé dans l'escalade des pentes, et contre la résistance du vent relatif. La formule qui donne la résistance de l'air sur un mobile est celle-ci: RN = C.#.S.VZ RN est exprimée en newtons. C est le coefficient de traînée e = densité de ltair t l,29 Kg/m3 aux basses altitudes S est la surface du maitre-couple homme + vélo V2 est le carré de la vitesse en m/s. CW = K d'où RN = K.S.V Deux cyclistes de même poids n'ont pas le même KS, mais si ces deux individus ont la même taille et sont habil lés de la même maniêre,avec une posture ou une attitude identique, leurs KS sont identiques. Le KS est fonction du poids, de la taille, et de l'habillement de l'individu. Le KS d'un cycliste typique, de poids P kgs, de taille T mètre, habillé d'un maillot de course ordinaire, ayant l'attitude de pédalage mains au guidon, peut être défini en soufflerie. A partir de cette valeur on peut trouver le KS de n'importe quel cycliste en appliquant des coefficients de correction. Ce KS nouveau sera plus grand que le KS de réference, si le poids et la taille augmentent, si le survêtement remplace le maillot. Ce KS nouveau sera plus petit, si le poids et la taille diminuent, si le maillot collant moderne en tissus spécial remplace le maillot ordinaire. Des tables de coeffi cients peuvent être établies à cet effet. Chaque cyliste peut déterminer son KS, il suffit de connaître sa vitesse limite uniforme V, par temps calme, dans une descente,dont l'angle de rampe est connu, sans fournir d'effort (figure 1 ).Dans ce cas l'ensemble homme + vélo est soumis à deux forces antagonistes égales : La force du vent relatif RN, et la composante de descente F. Cette derniére est une fonc tion du poids de l'ensemble homme + vélo et du sinus de l'an gle de rampe : FN = P(kgs).9,81.sin# Dans ce cas RN = FN = K.S.Vt= P@@.9,81.sin&alpha; par conséquent : KS = 9.9,81.sinoc v2 P peut être mesuré V ou V est connu par compteur de vitesse sino le vélo. A partir de ces données un compteur de puissance peut être créé.Ce compteur de puissance indiquera 0 watt quand i#9,81.sino On se réfère à la fifre 2, celle-ci représente le même cycliste que celui de la figure 1, gravissant la même rampe d'anglece, par temps calme, avec la même vitesse V. Ce cycliste est soumis au deux forces FN et RN qui dans ce cas s'ajoutent. La puissance fournie par le cyliste est P(watts) = V (K.S.V2+ P(kgs).9,81.sin&alpha;) Afin de mieux comprendre ce qui a été dit jusqu'à présent, on se réfère à la figure7 .Celle-ci représente avec un KS arbitraire de 0,2 tous paramètres servant à définir la puissance dissipée par un cycliste standard de 70 kgs + son vélo de 10 kgs, habillé d'un survêtement ordinaire, dans une attitude mains en haut du guidon, sur route horizontale et par temps calme. Ce tableau comprend : les vitesses en Km/h (1), les vitesses en m/s (2); à ces vitesses la résistance de l'air (RN) exprimé en Newtons (3), la tension E = f(V) exprimée en volts (4), la puissance fournie par le cycliste (Pw) exprimée en watts (5), l'équivalent rampe en % (6), l'équivalent rampe en degrés décimaux (7), l'équivalent rampe (fun) exprimé en Newtons (8). Toutes ces valeurs ainsi que les calculs suivants sont donnés à titre d'exemple. Ils servent uniquement à faire comprendre le processus de fonctionnement, exemples : le cycliste r: > ule-à 20 Km/h avec vent arrière de 10 Km/h. Quelle puissance dissipe t-il ? (R = 0) Vitesse du vent r#elatif : 20 - 10 = 10 Km/h = 2,77 m/s Résistance du vent relatif : R = 1,54 Puissance dissipée : Pw = RN.V = 1,54. 5,55 = 8,55 watts te cycliste roule à 20 Km/h avec un vent de Dout de 10 Km/h. Quelle puisaance dissipe t-il ? (o4= 0) vitesse du vent relatif : 10 + 20 = O -m/h = 8,33 m/s -RN =13,88: Pw = 13,88 . 5,55 = 77,10 Ce cycliste roule à 20 Km/h par temps calme sur une côte.Quelle puissance dissipe t-il ? (#= 2%) R@ = 6,172 FN = 16,3- PW = V (RN + FN) = 5,55 ( 6,172 + 16,3) = 124,8 Pour mémoire la formule générale de la puissance dissipée est : Pw = V ( K.S.(#+V'+V)#(P.9,81.sincc)) ou+ V = la vitesse du vent : debout (+), arriére (-) ou (P@@.9,81.sin&alpha;) exprime l'équivalent rampe. L'invention présente permet, gràce à un ensemble de capteurs (13),(14a),(14b)} et d'appareils signalisateurs V1,V2, de mesurer certains paramètres (!)(o4)(FN)(E)(RN) précédemment cités et donc par intégration de ces paramètres (V)(K) (FN ) (E) (RN) de mesurer la puissance dissipée (Pw) par le cycliste. Un premier capteur transforme la vitesse réelle du cycliste en une tension (E) fonction linéaire de cette vitesse, par exemple de 0 à #v (4) pour des vitesses de 0 à 40 Km/h (1).Tous systèmes électriques et électroniques peuvent être utilisés, par exemple un capteur placé au voisinage des rayons de la roue du cycle, prés de la jante, procure 125 osciliationssà la vitesse de 25 Km/h soit une fréquence de 125 hz. 1 existe dans le commerce des convertisseurs digital-analogique électroniques qui transforment d'une manière précise la fréquence en tension et on ne les cite que pour mémoire. Un second capteur (13) recueille la force du vent relatif(Rw) et l'applique pour agir sur les éléments variables (R1,R2,R3,R4) insérés dans un pont de Wheatstone (figure 9). Un troisième capteur (14a)(14b) est un niveau électrique. Ce dernier transforme l'inclinaison (oc) en + ou en - de la route et l'appli- que aux éléments variables (R1),(R2),(R3),(R4), insérés dans le pont. Les capteurs (13) et (14a 14b) sont fixés sur un système basculeur (9). Un premier appareil signalisateur (V2) indique la vitesse en Km/h de 0 à 40 Km/h par exemple. Le second appareil signalisateur (Vî) indique d'une part la puissance (P) et d'autre part le % de rampe ( ), respectivement étalonné de 0 à 250 watts et de 0 à 5%. Ces deux appareils signalisateurs (V1)(V2) sont des voltmètres, ils sont accolés permettant ainsi une lecture simultanée. Les mesures analogiques pourraient être remplacées par des mesures numériques à cristaux liquides. On se référe à la figure(4). Celle-ci représente le principe du système basculeur au repos. Il comprend une équerre indéformable(9), pouvant osciller autour d'un axe(10),une butée(11), un ressort de rappel(12), une surface(13) pouvant être augmentée ou diminuée lors des réglages. Sur route horizontale et sans vent, les deus branches (9a) et (9b) sont respectivement horizontale et verticale. Un capteur de rampe ou niveau électrique (14) est fixé sur la branche (9a). De préference ce capteur de rampe est constitué de 4 fioles curvilignes, en acier, polies spéculaires à l'interieur. Electriquement conductrices entre elles deux à deux, elles sont étanches et laissent un passage isolé pour la connexion électrique. A l'interieur de chacune de ces fioles (figure 6) un mobilrde #ercure,en contact électrique avec le corps de la fiole, mouille un fil résistant en fibres de carbone (16) isolé du corps de la dite fiole. Le système électrique de chaque fiole est un potentiomètre dont le curseur est la goutte de mercure. Cette derniére n'obture pas la fiole afin de laisser le passage d'un liquide diélectrique (15), par exemple du trichlorétylène. Ce liquide diélectrique est utilisé afin d'atténuer les vibrations mécaniques. Ces potentiomètres sont insérés dans un pont. Sous l'action du vent relatif (figure 4), le porte capteur(9)est incliné sur la gauche et la branche (9a) se léve d'un angle#0. Si la route vient à monter de W , la branche (9a) prend le double d'inclinaison soit 2c(. On se référe à la figure 8, celle-ci représente les 4 fioles en acier vues de dessus, et à la figure 9 représentant le schéma électrique du pont. Ce dernier est alimenté par la tension-vitesse E = f(V) d'une part,et d'autre part à l'arrêt par l'alimentation d'une pile électrique U en relation avec la sensibilité de l'appareil de mesure 1. Au repos sur plan horizontal, par temps calme, les résistances R1, R2, R3, RL, sont identiques, l'appareil de mesure (Vî) indique 0. On peut retoucher l'ensemble des fioles (14a) de maniére que l'appareil de mesure (V1) indique une valeur &num; O. Cette valeur étant le handicap des résistances passives parasites. Ces derniéres sont des résistances au roulement. Pour connaitre la valeur de ces résistances passives parasites, il suffit de mesurer avec un peson la force qui provoque l'avancement de l'engin chargé sur sol horizontal. Cette force mesurée pour un vélo chargé de 80 Kgs et de 0,25 Newton, donc à 15 Km/h, la puissance fournie pour vaincre cette force est de 0,25.4,16 = 1 watt. L'erreur est trés faible. L'ensemble des fioles (14a) permet de régler le dispositif définitivement par un léger déséquilibre. Plus le cycle est mal entretenu et plus ce réglage devient important. Au repos sur plan incliné si on veut connaitre le % de la rampe(c & il faut une tension U entre A et C par temps calme, puisque la tension-vitesse = 0 volt. Si la rampe #) maximum mesurable est de 5% B sera en A et D en C. V1 mesurera U, l'aiguille du voltmètre V1 indiquera alors 5%. On dispose d'un interrupteur(26) qui coupe la tension-vitesse et commute U et vice versa. Simultanément, sur une rampe (montée) ou par l'effort du vent relatif, R1 et R3 diminuent pendant que R2 et R4 augmentent. A chaque instant R1 + R2 = R3 + R4. Suivant le poids et l'habillement du cycliste il faut régler la surface (13) afin d'adapter le KS au poids total. Il faut effectuer le test de la figure 1 par temps calme : choisir une pente assez longue, descendre celle-ci en roue libre, vérifier à l'aide du compteur de vitesse (V2) que la vitesse limite atteinte est uniforme, régler la surface (13) de manière que le signalisateur de puissance V1 indique 0. Pour calculer son KS, il suffit de mesurer l'angle de pente(d) à l'aide du niveau électrique grâce à la double échelle de lecture(23) de l'appareil signalisateur V1 et effectuer le calcul : KS = P.9,81.sin&alpha; v Lors de l'accélération du cycliste, l'inertie des gouttes de mercure(B,D) et de l'ensemble du support basculeur (9)(13)(14a 14b) font qu'il y a un déplacement relatif des gouttes de mercure par rapport à leur emplacement de repos (r,D), le dit déplacement relatif déséquilibrant le pont de fineatstone, et même si'la vitesse (V) dans les premiers mètres est relativement faible ainsi que Rea la puissance développée (Fw) risque d'être trés importante.Le diamètre interne des fioles, leur rayon de courbure, le volume de chaque goutte de mercure (B,D), le tarage du ressort de rappel (12), la masse totale du système basculeur (9) doivent être déterminés avec précision pour que cette puissance dissipée soit le reflet de la vérité, même si le but du présent dispositif ne correspond pas à l'étude des accélérations du cycliste. Lorsque le cycliste cesse son effort il y a décélération-imme- diate dùe à RN. Le déplacement des gouttes de mercure se produit et l'appareil indique une chute de puissance (butée). Dans ce cas l'énergie cinétique acquise continue de fournir de la puissance affichée par l'appareil de mesure (V1), mais le cycliste qui est en roue libre sait trés bien qu'il ne fournit aucune puissance La caractéristique essentielle de l'invention réside dans le fait que l'on mesure la puissance réactive du milieu environnant le cycliste, en intégrant la vitesse (V), ltan- gle de pentes , la résistance du vent relatif (FN), le KS, le poids de l'ensemble homme + vélo. L'intégration de ces paramètres est retransmise par un système et peut être lu sur un appareil de contrôle (vî) présentant une échelle graduée en watt. A titre d'exemple la figure 6 représente le principe appliqué sur la fourche avant d'un cycle, extirpé de sa boite de protection.En effet seul la surface (13) est attaquée par le vent. Le reste du- système est protégé mais peut osciller dans son carter, lequel est solidaire du cycle et comprend le reste du dispositif. il sera décrit ci-dessous un mode de réalisation, à titre d'exemple non limitatif, pour l'application de l'invention, ayant pour base principale un niveau électrique (14a 14b) monté sur un système basculeur. On se référe à la figure 10. L'appareil comporte un carter (20), monté sur l'avant du cycle, par ses fixations (17), dans lequel un système basculeur, formé de deux bran ches (9a) (9b) d'une équerre indéformable, pivote sur un axe (10).Au repos, la branche (9b) est maintenue en contact léger contre une butée (11) par l'intermédiaire d'un ressort de rappel taré (12).- Sur la branche verticale (9b) est fixée le capteur (13) recueillant la force du vent relatif RN. La branche horizontale (9a) supporte le capteur de rampe (14), constitué des deux groupes de deux fioles (14a) (14b), ces deux groupes de fioles peuvent être désolidarisés en azimut, l'un par rapport à l'autre, par une vis micromètrique non représentéé sur la figure ( réglage destiné à intégrer les résistances passives parasites au roulement)~. Le système basculeur (9) a son centre de gravité qui passe par l'axe (10) donc en équdlibre au repos,sur route horizontale, par temps calme.Le poids du système basculeur(9) est minimisé. Lors du déplacement du cycliste, le vent relatif recueillit par le collecteur(19) agit sur la surface(13) commue indiqué sur les figures (4) (5) (6) du principe, et entraine par l'intermédiaire de l'appareil de controle (V1) une lecture directe de la puissance dissipée par le cycliste. On peut régler la surface (13) en occultant le collecteur(19) avec un volet(18) par l'intermédiaire du bouton de réglage (21). Selon une variante il pourrait y avoir à la place du volet (18), un diaphragme genre utilisé dans un appareil photographique. Au repos, par temps calme, sur une rampe (montée) le porte capteur (9) bascule et entraine par l'intermédiaire de l'appareil de mesure (V1) une lecture directe de l'angle de pente (%) sur ltéchelle de rampe (23). Sur le carter (20) arrivent les informations (E) venant du capteur tension-vitesse (E- = f(V)) indiquant par l'intermédiaire de l'appareil de controle (V2), la vitesse réelle du cycliste (V). Une pile électrique d'étalonage en rapport avec la sensibilité de l'appareil de mesure ( est fixée dans un compartiment du carter (25). Cet appareil permet à chaque instant de connaitre la puissance dissipée du cycliste avec une bonne résolution. il se monte sur tous cycles de une à plusieurs vitesses. Il permet de connaitre le % de l'angle de pente (~) ainsi que la vitesse réelle du cycliste (V). il permet de déterminer le KS de chaque cycliste. Il permet au dit cycliste de changer de braquet et de constater l'effet bénéfique ou maléfique immédiatement. il permet de pratiquer l'ergométrie en campagne, en dosant l'effort permis. il permet l'entrainement du sportif qui peut ainsi suivre ses progrés mieux que par un chronomètrage ou un calcul de vitesse, puisque seule la puissance indiquée, le renseigne sur sa bonne ou mauvaise forme. Les puissances négatives qui seraient le fait des descentes et du vent arriére ne sont pas enregistrées par l'appareil du fait de sa conception. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'un mode de réalisation particuliére, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de combinaisons de ces divers éléments, sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 10) Dispositif affichant une lecture directe, sur un me- sureur de puissance (V1), de la puissance instantannée de réaction (Pw = V(FN + RN)) s'opposant à la puissance dévelor pée sur route par un cycliste sur son engin, par l'intermédiaire d'un pont de Wheatstoùe (figure 9) intégrant simultanément la vitesse réelle (V) du cycliste, la résistance du vent relatif Rn = CCSV2= KSV:: ainsi que la composante de rampe FN = 9 > 81 P sin# > caractérisé par ce qu'il comporte un mesureur de puissance (V1), un mesureur de rampe (V1), un mesureur de vitesse (V2), un système oscillant porte capteurs (9) sur lequel sont fixés d'une part un capteur d'inclinaison de la route (14a), (14b) et d'autre part un capteur (13) recueillant la force du vent relatif. 20) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les capteurs (14a) (14b), constituent les éléments variables (R1) (R2) (R3) (R4) du pont de Uheatstone, sollicités d'une part par l'inclinaison de la route (X) et d'autre part par la force du vent (F,,). Cette force (F) est recueillie par le capteur (13), ce dernier agissant sur les oscillations du système porte capteurs (9). 30) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le réglage en azimut du capteur (14a) par rapport au capteur (14b) permet d'intégrer le han#dicap des résistances passives parasites dûes au roulement, dans la valeur de la puissance (Pw) développée par le cycliste, affichée sur le mesureur de puissance (V1). 40) Dispositif selon les revendications 1,2,3 caractérisé en ce que la précision des capteurs (14a) (14b) du système porte capteurs (9), du capteur (13), du ressort de rappel (12), permet d'intégrer la réaction des effets de l'accélération et de la décélération dans la valeur de la puissance (Pw) développée par le cycliste affichée par le mesureur de puissance (V1). 50) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé en ce que le pont de Wheatstone (figure 8) est alimenté au repos par une tension (U) issue d'une pile électrique en relation avec la sensibilité de V1, permettant par l'intermédiaire des capteurs (14a) (14b) d'afficher la lecture directe du ^/' de rampe sur V1 grâce à son échelle (25 > . 6 ) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé en ce que chaque utilisateur peut intégrer son attitude corporelle, son habillement, son poids par le réplage (21) occultant le collecteur de vent (19) par volet interposé (18) agissant sur la surface témoin (13) de manière que le mesureur de puissance (V1) indique 0 dans une pente, le cycliste ayant atteint une vitesse limite uniforme (V) affichée par le compteur de vitesse (V2). 70) Dispositif selon les revendcations 1, 2,5, 4,5, t caractérisé en ce que l'utilisateur peut apprécier immédiatement par lecture directe (V1) de l'échelle des puissances, l'efficacité du braquet ou du développement qu'il a utilisé. 80) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 caractérisé en ce qutil peut se monter rapidement sur tous cycles de une à plusieurs vitesses.