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 L’atelier RARTRIKE : naissance et développement du concept d’accélération radiale

rartrike-pje

Marcotrike dans son atelier

Vous avez dit  accélération radiale ?

Le concept à l’origine de la création de tricycles à accélération radiale est né  de la comparaison entre les véhicules deux roues ( au sens classique du terme… deux roues en ligne) et les véhicules trois ou quatre roues.

Le tricycle oscillant, qui combine la stabilité ( 3 points d’appuis au sol ) et les avantages de l’oscillation est le modèle mécanique le plus léger qui autorise à la fois l’étude du mécanisme pendulaire sur un tricycle et la construction d’un nouveau type de véhicules ultra-léger et confortable.

Le transport ultra léger est un enjeu environnemental majeur. Le véhicule oscillant combine trois aspects essentiels : la stabilité, la légèreté et le confort de conduite. Sous certaines conditions, le véhicule oscillant peut même proposer à son hôte, conducteur ou passager, un équilibre stable, instantané et indépendant.

L’oscillation rend le véhicule apte à utiliser des routes en dévers, ce qui est un concept très innovant en soi, ce que chez RARTRIKE  on désigne par  la fin des « routes plates »

RARTRIKE : 

Le nom de notre société veut dire « Radial Acceleration Recumbent Trike » : Tricycle couché à accélération radiale.

L’accélération radiale s’entend au sens de l’accélération subie par un véhicule, accélération dont le sens est orienté vers le centre d’un cercle. deux accélérations sont concernées : la gravité terrestre et l’accélération centrifuge observée dans les virages. Les vélos et tricycles à accélération radiale compensent ces deux accélérations : ils sont « debout dans les devers, penchés dans les virages ».

Voyage et Détente :

L’utilisation du tricycle associe les bienfaits du voyage et ceux de l’exercice physique. Parmi les choses agréables de la vie, il y a le voyage. Se déplacer, bouger, sortir…L’efficacité mécanique des cycles permet de voir défiler le paysage, de changer de paysage rapidement, et donc de se changer les idées. Ce sont les bienfaits du voyage. L’exercice physique est indispensable à notre mode de vie actuel. Sans faire de la psychologie bon marché, dans notre vie,  toutes les situations de tension, de pression, et même de de conflit ont besoin d’une composante active compensatrice pour que l’organisme les accepte. La population qui a la chance de pouvoir se déplacer grace aux cycles (donc vite) en faisant de l’exercice physique se limite souvent aux sportifs. Un tricycle confortable ouvre cette possibilité à une population bien plus large.

Confort et temporisation, « les atouts tricycle »:

La position assise :  S’asseoir pour débuter le voyage… sans forcément partir tout de suite. Temporiser.  Le contrôle du « top départ » par le conducteur. Prendre son temps est essentiel. Lorsqu’on est sur un tricycle, cela est possible. L’arrêt bénéficie du même avantage : on s’arrête, mais on n’est pas obligé de se lever de suite de sa machine.
La hauteur d’assise :
Un siège Haut rend le tricycle accessible, tout simplement. Accessible à tout le monde, y compris aux non sportifs.
Le sentiment d’être en sécurité car en hauteur et visible, sentiment du conducteur du cycle, est partagé par les autres utilisateurs de la route, en particuliers des utilisateurs de véhicules motorisés. C’est une problématique fondamentale posée par le tricycle couché. La très grande majorité des personnes qui rencontrent un vélo ou un tricycle couché font cette remarque « j’ai failli t’écraser avec ma voiture ». La hauteur du siège permet au conducteur de voir mieux,  Voir et être vu donc…
Ergonomie et physiologie :
En dehors de l’accessibilité déjà évoquée, la position « couchée ou demi assise » est indolore pour le rachis dorsal et lombaire, le siège et les poignets. Le retour veineux est bien meilleur en position couchée, ce qui favorise la récupération musculaire.  Mais pour être honnête, l’essentiel des efforts produits sur un tricycle couché se fait en flexion du rachis, et prédomine aux membres inférieurs. Une activité complémentaire des membres supérieurs (couper du bois), et une activité en extension (natation, marche) sont favorables à l’équilibre global de la musculature. Cette remarque concerne aussi les pratiquants du vélo « droit-classique ». Pour les sièges très inclinés (réservés aux sportifs), le rachis cervical doit être soutenu confortablement pour ne pas souffrir. Dernière chose, sur un cycle couché, en hiver, les pieds sont exposés au froid.

Rapidité :

C’est un effet positif de la position « couchée », directement liée à la faible résistance au vent de face. La vitesse et le rendement mécanique du pédalage sont essentiels au vécu de l’expérience « tricycle couché ». Toute choses relatives bien sûr, car nous ne sommes pas dans une compétition entre vélos ou tricycles couchés. Bien sûr, au sein de la discipline « couchée », un tricycle haut est moins aérodynamique que les modèles sportifs « low racer » mais son profil est très favorable quand même.

Usage du cycle dans la vie quotidienne :

L’intégration des véhicules ultralégers aux déplacements quotidiens est un axe de développement primordial dans les années à venir. On doit à ce titre se poser les bonnes questions, et aller à la rencontre de l’utilisateur !

Quels sont nos besoins quotidiens ?

  • aller chercher les enfants à l’école
  • faire les courses
  • aller travailler
  • Faire de l’exercice et voyager
  • préserver des moments de tranquillité ou de partage privilégié
  • faire des économies, diminuer la charge sonore quotidienne,
  • respirer, et diminuer donc la pression d’exposition aux polluants atmosphériques
  • améliorer sa qualité de vie, le gain de temps n’étant qu’un des aspects réducteurs mais omniprésent.

Quelles sont nos réticences à l’utilisation du cycle ?

  • une gestion du problème de l’instabilité,
  • l’accès difficile (bas pour les vélos couchés),
  • le problème du « voir et être vu »,
  • l’absence de protection vis-à-vis des intempéries (froid, vent, pluie, neige),
  • le risque d’accident, dominé par l’exposition aux voitures hélas,
  • l’absence de piste cyclable,
  • le dénivelé

La fin des routes plates : la route en dévers est une nouvelle voie

A de rares exceptions près (vélos), nos véhicules n’acceptent pas de nous transporter sur des routes en dévers. c’est pour cette raison que nous construisons des routes « plates ». Si nous relevons le bord externe d’un virage, c’est pour compenser la force centripète subie par le véhicule lorsqu’il tourne. La conception de véhicules de plus de deux roues acceptant le dévers peut changer notre façon de concevoir et de construire les routes sur lesquelles nous circulons. Une route en dévers est plus facile et moins coûteuse à réaliser ou à entretenir, plus respectueuse de l’environnement aussi. La route en dévers ouvre de nouvelles voies, dont celles de la montagne et de la compensation du handicap en terrain accidenté.

Comment les véhicules oscillants tiennent-t-ils en équilibre ? 

Pour un vélo :

Le vélo fait partie des véhicules de type « pendule inverse ». En mouvement, le système d’équilibration humain pilote l’interaction entre direction et inclinaison du vélo  pour gérer l’équilibre instable du pendule inverse. Les deux roues se comportent comme des gyroscopes, ce qui renforce la stabilité du vélo.

Pour appréhender la manipulation d’un pendule inversé, se reporter à l’article et au jeu d’adresse qui lui est consacré (pour cela, taper « pendule inversé » dans l’explorateur de la page d’accueil)  Au delà de la période d’apprentissage, le maintien de l’équilibre du vélo par le conducteur fait appel à une motricité réflexe en commandée par le système d’équilibration humain. Aucune action réfléchie n’est nécessaire (motricité réflexe), et les mouvements concernés sont très peu coûteux en énergie (direction). L’ensemble de ce système ( conducteur + Vélo ) fonctionne à une condition : le déplacement, et des limites : l’inaptitude du conducteur à maintenir l’équilibre et/ou à gérer l’arrêt et le départ du véhicule.

A l’arrêt, la direction est inopérante sur l’équilibre, et l’effet gyroscopique nul,  le vélo bascule latéralement.  L’homme pose le pied à terre gère son propre équilibre à partir de son polygone de sustentation.  Il maintient le vélo debout, puis le « triangule » (béquille) Ensuite. si la béquille est suffisamment solide, le véhicule devient un siège.

Pour un tricycle oscillant :

En mouvement, tout se passe comme sur un vélo, le vestibule (organe d’équilibration) humain gère l’interaction direction-inclinaison du tricycle, et les trois roues « gyroscopent ».  A l’arrêt, si le conducteur ne descend pas du tricycle, plusieurs options sont possibles, mais la plus répandue est actuellement la triangulation par blocage du système d’oscillation.

Pour un tricycle pendulaire vrai  :

Le tricycle est stable en l’absence d’action humaine  en mouvement et à l’arrêt. L’équilibre obtenu est immédiat et passif.  En mouvement, le braquage influe sur la position d’équilibration du système par l’action de l’accélération radiale du virage, mais ce nouvel état d’équilibre est lui aussi passif et immédiat.

Cette vidéo un peu surréaliste cache une idée très innovante, dont RARTRIKE vous présente le concept  sur ce site.  

 On peut constater Quatre situations très favorables pour un véhicule oscillant :

1/  L’équilibre régulé par la direction (comme un vélo) : cet équilibre, « instable » mais confortable,  permet une assise haute, une structure très légère du cadre du véhicule et des roues, et une voie étroite (linéaire pour les vélos).

Deux choses indispensables pour obtenir cet équilibre : le déplacement et la participation active du conducteur.

2/ L’équilibre pendulaire à l’arrêt (comme un hamac) indépendant du conducteur, cet équilibre  a deux conditions : trois points d’appui (fixes) au sol, et le pilotage de l’équilibre par un siège-pendule.

3/ L’équilibre pendulaire en mouvement, sophistication de l’équilibre précédent,  passif et indépendant du conducteur, comporte les mêmes conditions : un pendule de pilotage pour l’équilibre et trois points d’appui (mobiles) au sol.

4/ L’utilisation d’un gyroscope volant à l’arrêt, que nous évoquerons dans d’autres articles du site.

L’effet gyroscopique des roues

Noter que l’ensemble des équilibres décrits ci-dessus sont renforcés par l’action gyroscopique des roues.  La taille des roues, leur structure, leur poids et leur vitesse de rotation entrent en jeu dans cette action. Le facteur principal (deux fois plus important que le poids) est sans doute la vitesse de rotation de la roue. Mais cet effet a un rôle limité, car la roue d’un cycle est légère, ne tourne pas très vite, et s’arrête de tourner avec le cycle.

 

Quelles sont les voies d’amélioration de ces systèmes?

Pour un véhicule comportant au moins trois points d’appui au sol (tricycle, quadri-cycle), chez RARTRIKE, il nous semble intéressant :

  • Soit, comme l’a réalisé Mr Rambaud avec le Swincar, d’associer les situations  2 et  3, ce qui permet «  de se passer de la coopération » du conducteur, et de proposer ce véhicule aux personnes incapables de gérer l’équilibre statique  d’un vélo (personnes ayant un problème vestibulaire,  une ataxie cérebelleuse ou plus communément, les personnes paraplégiques). La persistance d’un équilibre pendulaire de ce type de véhicule en mouvement est possible, mais  rares sont les conducteurs qui en ont réellement besoin. Cette configuration convient donc aux tricycles adaptés (pour les personnes en situation de handicap) mais pas seulement, car l’équilibre est stable, indépendant de la volonté et c’est une sensation de sécurité que recherchent les usagers du tricycle en général.  Noter cependant que le mouvement naturel du pendule déporte le centre de gravité de l’ensemble « véhicule-conducteur »  vers la pente ou l’extérieur du virage, ce qui n’est pas favorable pour l’objectif de stabilité dès lors que la projection au sol de ce centre de gravité dépasse le triangle de sustentation à l’arrêt et/ou que le centre de gravité  se trouve au dessus du point de basculement du tricycle pour une vitesse donnée. .
  • Soit de passer de la situation 1 ( equilibre instable régulé) en mouvement à la situation 2 (equilibre pendulaire) à l’arrêt.

Si la situation 1 est étudiée et mise en pratique dans la majorité des cas pour les véhicules oscillants, l’obtention d’un équilibre pendulaire à l’arrêt de ces mêmes véhicules est beaucoup moins (pas ?) utilisée actuellement. Les constructeurs de scooter 3 roues ont recours à la triangulation pour que leurs appareils ne tombent pas à l’arrêt.

Or, nous pensons qu’il est possible d’obtenir sur un véhicule régulé par la direction en mouvement (se comportant comme un vélo),  un équilibre pendulaire lorsque le véhicule ralentit et s’arrête en utilisant un système pendulaire d’équilibration passif (mécanique) ou actif (pilotage par informatique embarquée).

C’est ce type de configuration que nous souhaitons développer, à l’avenir.

  • Soit d’utiliser une stabilisation par un Gyroscope volant à l’arrêt d’un véhicule de type 1.  Le gyroscope indépendant, selon sa configuration peut alors jouer le rôle d’une béquille à l’arrêt ou d’une réserve inertielle d’energie cinétique pour le démarrage ou l’assistance mécanique.

Un  mot sur l’autocentrage d’un tricycle

Pour éviter qu’un tricycle oscillant bascule à l’arrêt, il est possible de configurer la géométrie du système oscillant pour qu’il tende à revenir à une position prédéterminée sous l’action de la pesanteur.  Ce système, destiné aux tricycles à bras oscillants, dont fait partie le RARTRIKE PJE, est nommé « autocentering effect » par le responsable du site Jetrike.  Il est très bien décrit dans son article « Geometry >  how does jetrike work ? » Ce système ne fonctionne bien que lorsque le tricycle est à l’arrêt en terrain plat.

Puissance et récupération musculaire,  stockage de l’énergie cinétique : 

Le conducteur de cycle est actuellement confronté à deux situations très différentes.:

  • En terrain plat ou sur des faibles pentes,  l’acquisition progressive et la conservation d’une vitesse est une priorité. Le cycle doit donc être le plus aérodynamique possible, il doit aussi pouvoir virer sans se renverser. Les vélos couché, les tricycles vitesse et bien sûr les vélo-mobiles sont particulièrement concernés par cette remarque. Le freinage classique  transforme l’énergie cinétique en chaleur et représente un gaspillage de l’énergie musculaire du cycliste. Pour les tricycles classiques et les vélomobiles ( à l’instar des vélos ou des tricycles oscillants) la présence d’un point de basculement bas leur impose d’une part d’abaisser le centre de gravité et donc une garde au sol très basse et d’autre part un freinage dans les virages. La vidéo qui suit illustre assez bien la problématique, même si à mon avis le vélomobile est l’un des meilleurs produits du marché actuel. RARTRIKE travaille actuellement avec les spécialistes du secteur pour l’élaboration d’un VM qui remédiera à ce défaut majeur.
  • En terrain accidenté ou pour des fortes pentes, le cycle doit avoir une bonne efficience mécanique  (traction avant) et doit s’adapter aux dévers éventuels. En outre, comme nous ne sommes pas tous des athlètes, une assistance mécanique est bienvenue, notamment en zone montagneuse. La succession de dénivelés négatifs et positifs fait évoquer aussi le stockage de l’énergie mécanique.

L a récupération musculaire comporte deux aspects fondamentaux. Premièrement, l’effort d’un cycliste est discontinu, si on le compare par exemple à celui d’un coureur à pied. Les cyclistes ont adapté leur pratique sportive à cette particularité en fournissant un effort plus intense lors de la montée, alors qu’ils ont l’opportunité de récupérer en descente, du moins dans la première partie de la descente. Deuxièmement, l’utilisation au mieux de tout les groupes musculaires est parfois nécessaire pour des pentes importantes, avec pour les usagers du cycle « debout-classique » la position dite de la danseuse, qui permet une alternance musculaire et donc une récupération partielle des muscles épargnés.

En position couchée, l’alternance musculaire n’existe pas pour le cycliste, et la gestion de l’effort est donc différente. La physiologie du cycliste couché est différente, les groupes musculaires sollicités sont différents et le retour du sang veineux est bien meilleur. l’aérodynamisme des vélos et tricycles couchés permet  d’échapper au vent de face, ce qui augmente encore la capacité de récupération sur des longs parcours en terrain plat. Cet avantage aérodynamique est cependant tempéré dans les descentes par la nécessité de freiner dans les virages, y compris (plus?) pour les vélos couchés bien sûr, du fait de la limite d’adhérence des pneumatiques. Cette nécessité de freiner dans les virages en descente, encore accrue pour les cycles couchés est loin d’être un défaut, et doit être intégrée à la réflexion qui suit sur la récupération de l’énergie cinétique.

Sur les cycles actuels, il n’existe pas de moyen simple de stocker l’énergie cinétique  (et donc l’effort musculaire produit par le cycliste) de façon simple. Cette énergie est définitivement perdue et dégradée en chaleur lors du freinage dans les virages ou lors des arrêts.  En l’absence de module de récupération d’énergie, dans les périodes prolongées de descente, le cycliste ne produit pas d’énergie, se trouve parfois exposé au froid et perd  définitivement l’énergie potentielle accumulée lors de la montée.

C’est donc un axe de recherche que l’équipe de  RARTRIKE – France  propose avec  l’utilisation de systèmes de récupération d’énergie cinétique par un volant d’inertie ou une enceinte hyperbare.  Le cycliste pourrait  ainsi récupérer une partie de l’énergie potentielle des montées et  « décaler » son effort par rapport aux nécessités du dénivelé rencontré.

D’autres innovations :

Innovation sociale, convivialité du tricycle cote à cote, cycle ethique : 

Sur trois roues, une possibilité nouvelle s’ouvre pour le cycle : la position côte à côte. Cet événement rare qu’est le colloque singulier avec une personne, nous le connaissons lors des trajets en voiture. Il est rarement possible sur un vélo, assez difficile en tandem, bien que l’association des positions assis-couché rapproche les utilisateurs.

Au delà des préoccupations personnelles, le déplacement est une nécessité au même titre que l’éducation et le logement. A ce titre, la construction des appareils RARTRIKE doivent rester accessibles,et suivent maintenant le chemin éthique des ateliers collaboratifs plus que la voie des brevets d’invention et du cycle de luxe. Il ne s’agit pas de faire des compromis sur la qualité des cycles RARTRIKE, mais bien de faire profiter un public très large des avantages qu’ils offrent.

La transmission hydraulique :  

Apparemment dissociée de la problématique du tricycle oscillant, ce mode de transmission de puissance permettra de doter certains de nos appareils (le tricycle oscillant mixte en particulier)   d’une transmission de puissance à l’avant. La transmission hydraulique préfigure la gestion d’une assistance-conservation de l’énergie mécanique pneumatique…

L’assistance mécanique : 

RARTRIKE-France étudie l’utilisation d’une réserve de puissance mécanique non électrique, non thermique. Pour un cycle, l’objectif pondéral reste un  impératif, et le stockage de l’énergie par RARTRIKE suit trois axes principaux :

  • L’air comprimé, sous une forme très hyperbare, et un conditionnement comprenant  un « liner » étanche  en aluminium entouré d’une carapace composite epoxy-carbone selon la technique d’enroulement filamentaire. Une partie de l’énergie que l’on veut emmagasiner sous forme de pression est malheureusement gaspillée sous forme de chaleur lors du cycle compression-décompression. Plusieurs systèmes sont possibles pour optimiser le rendement du stockage hyperbare de l’energie. Stockage de l’energie par air comprimé
  • Le volant d’inertie à haute vitesse, composé de deux disques composites en rotation inverse ou synchrone, selon la nécessité d’obtenir un effet gyroscopique. Cependant, un disque de 450 grammes tournant à 10 000 tours minutes ne socke qu’une énergie de 45 watts x 1 minute. Notons la performance du métro de Nantes qui récupère l’energie du freinage pour l’emmagasiner dans un volant d’inertie.
  • Mais le plus réaliste reste quand même le stockage « métabolique ». L’alternance musculaire (exemple : la position de la « danseuse ») est un élément favorable à la production d’une énergie cinétique d’appoint. Nous sommes des usines métaboliques très efficaces et nous pouvons grandement optimiser l’utilisation de nos groupes musculaires pour faire de la pratique cycliste un sport complet. Le grand absent dans ce concept est le membre supérieur, très (ou mal) utilisé par les cyclistes. Nos futurs appareils doivent utiliser la motricité des membres supérieurs pour assurer cette alternance musculaire.

Mais d’autres systèmes ne sont pas exclus de notre raisonnement : l’assistance électrique, ou l’utilisation d’hydrogène, que AIR LIQUIDE développe pour des moteurs écologiques.