La moto ne doit pas nécessairement être en mouvement. Une moto ou un autre deux-roues à l'arrêt peut aussi parfaitement tenir debout sans le moindre appui supplémentaire. Du moins si le centre de gravité se situe exactement au-dessus du point d'appui, ou de la ligne d'appui dans le cas d'un deux-roues. Mais cet équilibre est extrêmement précaire ; un rien peut le rompre.
Théorie et pratique
C'est bien beau tout ça, mais lorsque vous garez votre toute nouvelle Harley-Davidson 883 Roadster, vous avez besoin de points d'appui supplémentaires. Dans la pratique, vous n'avez aucune envie que ce mastodonte de 260 kilos ne « morde la poussière », même si la physique dit qu'il peut tenir debout. En théorie, c'est parfaitement possible selon les lois de Newton. Du moins à condition que le centre de gravité se situe pile au centre, que l'équilibre de la machine et sur la machine soit parfaitement réparti et surtout qu'aucune force externe n'agisse sur votre Harley… Dans la pratique, il ne faut toutefois pas grand-chose pour que l'équilibre de l'engin soit mis en péril. Si le centre de gravité se déplace — un léger souffle de vent, quelques bagages en plus à gauche ou à droite —, la pesanteur agit défavorablement et la moto tombe. La vitesse semble toutefois faire des miracles en termes de stabilité.
Mouvement et équilibre
Lorsque le deux-roues est en mouvement, il semble tenir debout plus facilement. En réalité, pas besoin d'avoir deux roues et un moteur. Des hiéroglyphes montrent en effet qu'il y a trois mille ans d'ici, les Égyptiens jouaient déjà avec un cerceau qu'ils faisaient rouler sur le sol et qu'ils maintenaient en mouvement à l'aide d'un bâton. Dans notre civilisation aussi, on retrouve des traces de cet ancien jeu populaire, par exemple dans Kinderspelen (jeux d'enfants), un tableau de Pieter Bruegel datant du 16e siècle. Ce jeu d'adresse consiste à donner une petite impulsion au cerceau à l'aide d'un bâton lorsque celui-ci commence à osciller et menace de tomber.
Le principe est le même avec un deux-roues : aussi longtemps qu'il roule, nous ne devons rien faire. Lorsqu'il perd de la vitesse — notamment du fait du frottement avec le sol et l'air —, nous mettons des gaz ou nous pédalons de plus belle. Ce que nous faisons aussi, peut-être même inconsciemment, c'est corriger la trajectoire. Car, strictement parlant, sur un deux-roues, nous ne suivons pas une trajectoire parfaitement linéaire. En réalité, lorsque nous roulons à vélo ou à moto, nous oscillons toujours légèrement de gauche à droite, et vice versa. Plus nous roulons lentement, plus ce mouvement d'oscillation est perceptible. Pour rester en équilibre, nous donnons de brefs mouvements de guidon. Phénomène pour le moins étrange : ce sont précisément ces oscillations et ces mouvements de guidon correcteurs qui nous permettent de rester en équilibre sur le deux-roues. En fin de compte, faire du vélo ou rouler à moto revient en quelque sorte à chuter et à se redresser sans cesse.
Plus haut = plus lent, plus bas = plus rapide
Pour comprendre ce principe, compliquons d'abord un peu les choses. Oscillons-nous de gauche à droite ou de haut en bas ? Sur quel type de vélo est-il plus facile de tenir en équilibre : sur un vélocar au ras du sol ou sur un tall bike (vélo élevé à double cadre) ?
Eh bien, un tall bike est plus facile à maintenir en équilibre qu'un vélocar ! Et ce pour les mêmes raisons qui expliquent qu'il est plus facile de tenir debout sur de longues échasses que sur de courtes échasses. Sceptique ? Prenez un manche à balai long et un court et essayez de les faire osciller en position verticale sur votre main. Vous constaterez que le manche long bouge plus lentement et tombe plus lentement que le court. En d'autres termes, le manche long est plus facile à diriger et à maintenir en équilibre. Le principe est simple : nous maintenons le manche en équilibre ou nous le remettons en équilibre lorsque nous positionnons le point d'appui — en l'occurrence, notre main — sous le centre de gravité du manche. En fait, nous imprimons à notre main un mouvement de va-et-vient constant, autour du point d'appui central. Plus le manche est long, plus les mouvements de chute sont lents, et plus nous disposons de temps pour corriger la trajectoire. Conclusion : un deux-roues élevé est plus facile à tenir en équilibre, plus facile à conduire lentement et théoriquement aussi plus facile à arrêter.
Pas besoin de conducteur
Les lois physiques portent à l'humilité : un deux-roues en mouvement n'a même pas besoin de conducteur pour tenir en équilibre. Comment expliquer cela ? Dans le cas d'un deux-roues, une ligne d'appui relie les points d'appui de la roue avant et de la roue arrière. Lorsque le deux-roues est en mouvement, le centre de gravité se situe à gauche ou à droite de cette ligne d'appui, ce qui forme le mouvement d'oscillation. Plus le deux-roues avance vite, moins l'oscillation est marquée. Un deux-roues en mouvement ne tombe pas — même sans conducteur — lorsque des mécanismes sont à l'œuvre pour lui permettre de se tourner automatiquement dans la direction de la chute amorcée. On dénombre deux grands mécanismes.
Le premier — et le plus important — est lié à l'inclinaison de la tête de fourche, sur laquelle viennent s'emboîter le guidon et le cadre, et à la courbure de la fourche. Vous pouvez l'expérimenter par vous-même : tenez votre vélo parfaitement à la verticale, avec la roue avant dans le sens longitudinal. Inclinez à présent votre vélo légèrement vers la droite, et vous constaterez que la roue avant se tourne automatiquement vers la droite.
Le deuxième mécanisme à l'œuvre est lié aux mouvements de rotation autour d'un axe, comme dans le cas d'une toupie. On parle d'effet gyroscopique de la roue avant en mouvement. Pour expérimenter cet effet gyroscopique, retirez la roue de la fourche et tenez-la en position verticale, en plaçant vos mains de chaque côté de l'axe. Demandez à un volontaire de faire vigoureusement tourner la roue vers l'avant et dégagez votre main droite, afin que l'axe de la roue ne trouve plus appui que dans votre main gauche. La roue ne va pas tomber vers la droite, elle va simplement se tourner vers la droite. Vous trouverez une vidéo qui explique et démontre le principe à l'aide d'une roue de vélo.
Un vélo sur roulettes peut donc tenir sans problème en équilibre. Sachez que ce sont surtout les mouvements libres du guidon qui sont déterminants : si le guidon est bloqué, le deux-roues tombe à la renverse. Bon à savoir également : ce principe ne fonctionne que pour les mouvements en avant. Essayez de pousser un vélo en arrière, et vous constaterez qu'il est particulièrement instable et qu'il finira par tomber. Cela s'explique par le fait que le mouvement d'oscillation correcteur dirige du mauvais côté. Le guidon se trouve en effet à l'arrière.
L'affaire est-elle close ? Eh bien non ! Le professeur Schwab de l'Université de technologie de Delft a fabriqué un modèle de vélo révolutionnaire dans lequel l'effet de « suivi » et l'effet gyroscopique sont neutralisés. Il a démontré que, moyennant une répartition précise du poids, ce deux-roues était parfaitement stable, même sans conducteur. Ce vélo Schwab ne ressemble pas à un vélo ordinaire et n'est pas encore commercialisé.
Se coucher dans les virages
Nous pouvons appliquer le principe du « pilotage automatique » à l'inclinaison du vélo afin de négocier un virage sans devoir utiliser les mains. Une analyse minutieuse nous apprend que la négociation d'un virage s'effectue en trois temps : dans un premier temps, nous suivons une trajectoire linéaire, assis bien droit sur la selle. Ensuite, nous contrebraquons en basculant les épaules vers l'intérieur du virage ou en sortant le genou à l'intérieur du virage. Ce mouvement fait basculer le deux-roues dans la direction opposée, c'est-à-dire vers l'extérieur du virage. Un déséquilibre est ainsi créé dans la direction du virage, ce qui nous amène à « tomber » dans le virage. Enfin, le conducteur et le deux-roues se couchent ensemble dans le virage. Dans la deuxième phase, le contrebraquage peut d'ailleurs aussi s'effectuer avec le genou, ce qui donne des images spectaculaires lors des courses de motos.
Mais ici aussi, l'humilité est de mise : ce n'est pas le conducteur qui détermine le degré d'inclinaison de la moto dans le virage. Ce sont les lois de la physique qui déterminent l'inclinaison en fonction de la trajectoire et de la vitesse. Mais ce n'est pas tout : votre poids et votre taille n'ont aucune importance ! Petit ou grand, mince ou plus gros, peu importe : dans un même virage, le degré d'inclinaison reste le même si la vitesse et la trajectoire sont identiques. Plus la vitesse est élevée et plus le virage est court, plus le degré d'inclinaison sera important. C'est en forgeant que l'on devient forgeron, certes, mais la vigilance reste de mise. Le degré d'inclinaison dans le virage est déterminé par le frottement entre les pneus et le revêtement. En cas de revêtement sec, un angle de 45° est parfaitement possible, comme dans les courses de motos. En revanche, si le revêtement est humide, mieux vaut ne pas dépasser les 35°. En effet, le frottement est plus limité, et donc la vitesse et l'angle d'inclinaison avec lesquels nous pouvons négocier le virage doivent eux aussi être moindres.
Ça s'apprend au berceau
Rien n'échappe aux lois de la physique. Vous pouvez tout au plus tenter de les maîtriser en exécutant quelques tours d'équilibre acrobatique. C'est précisément ce que font les trialistes : rester en équilibre sur deux roues sans appui et sans poser les pieds au sol. Mais comment font-ils pour faire du surplace sans tomber ? Le truc consiste à se positionner sur une pente légère en plaçant la roue avant dans un angle déterminé. Un œil affûté remarquera d'ailleurs que les trialistes ne restent pas totalement immobiles. Ils corrigent presque constamment leur position en déplaçant leur vélo quelques centimètres vers la gauche / la droite, puis vers l'arrière / l'avant. Cela nécessite une grande agilité. Et cela s'apprend idéalement dès le berceau.
Mais que signifient les lois de la physique pour le parent qui souhaite apprendre à son enfant à rouler à vélo ? Les vélos pour enfants sont plus petits, tombent plus rapidement et, en pédalant, il est encore plus difficile de rester en équilibre. Il vaut donc mieux laisser votre enfant se balancer sur un petit vélo sans pédales, avec lequel il peut poser les pieds par terre. Les stabilisateurs ne permettent pas d'apprendre l'agilité. Idem pour les bâtons qui servent à maintenir le vélo en équilibre : mieux vaut les mettre au rancart ! Laissez votre enfant sentir comment réagit un deux-roues en mouvement, laissez-le corriger la trajectoire à l'aide de son corps et apprenez-lui à poser les pieds au sol pour s'arrêter.
Texte : Hilde Decrem. Nos remerciements à Charles Dauwe, chargé de cours principal honoraire à l'université de Gand.