Exercice Sous-partie 1 - Cinématique du simulateur de pente · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2022 (sujet 2)

Partie 1 - sciences de l’ingénieur

Simulateur de pente pour home-trainer

Lors du premier confinement lié à la pandémie de la covid-19, les sportifs, amateurs comme professionnels, ont dû adapter leurs pratiques afin d’entretenir leur condition physique. Assez naturellement, les cyclistes ont remplacé leurs sorties d’entrainement sur route par des séances de home-trainer qui consistent à réaliser des exercices spécifiques sur son propre vélo en étant stationnaire (figure 1).

Depuis quelques années de nouveaux home-trainers, dits connectés, ont fait leur apparition et ont été très largement utilisés lorsqu’il était impossible de pratiquer le cyclisme en extérieur. L’intérêt d’utiliser un tel dispositif est d’avoir en temps réel un certain nombre de données (puissance développée, cadence de pédalage…) permettant de réaliser des exercices d’entrainement très spécifiques. Par ailleurs, lorsque le home-trainer est connecté à une plateforme d’entraînement en ligne, l’avatar du cycliste va pouvoir évoluer sur un parcours virtuel avec d’autres utilisateurs (figure 2). Ainsi, la pratique du cyclisme sur home-trainer devient ludique et interactive lors d’entrainements en groupe ou bien de compétitions.

Dans l’optique de rendre la pratique du cyclisme à la maison toujours plus réaliste, un constructeur de home-trainer a développé un dispositif appelé simulateur de pente. Ce dispositif va permettre d’incliner le vélo afin que le cycliste se trouve dans une position semblable à celle rencontrée lors d’ascensions de côtes ou de cols. Ainsi, le cycliste est amené à modifier naturellement sa position sur le vélo afin de faire travailler spécifiquement les muscles et d’améliorer sa technique de pédalage. La figure 3 illustre les cas d’utilisation du simulateur de pente.

Fixé sur l’axe de la fourche du vélo, à la place de la roue avant (figure 4), le dispositif va lever ou baisser de manière contrôlée l’avant du vélo afin d’obtenir la déclivité souhaitée.

Le simulateur de pente possède deux modes de fonctionnement (manuel ou piloté).

En mode manuel, au moyen d’un boitier (figure 5) fixé sur le guidon, le cycliste peut augmenter ou diminuer l’inclinaison à l’aide de deux boutons poussoirs.

En mode piloté, lorsque le cycliste utilise une plateforme d’entrainement, le simulateur va incliner le vélo afin de reproduire la déclivité de la route sur laquelle se trouve l’avatar. C’est le home-trainer qui, à partir des informations en provenance de l’application d’entrainement, commande le simulateur de pente.

La figure 6 présente les performances attendues du simulateur de pente.

Problématique

La problématique traitée dans ce sujet est la suivante:

Le simulateur de pente permet-il de reproduire des variations de déclivité réalistes pour le cycliste à partir des informations envoyées par le home-trainer ?

La réponse à cette problématique est traitée au travers de trois sous-parties visant à valider les exigences 1, 2, 1.2.2.1 et 1.2.2.2 (figure 6).

Sous-partie 1 - Cinématique du simulateur de pente

La figure 10 présente la cinématique du dispositif incluant le vélo fixé sur le home-trainer et le simulateur de pente. Ce dernier étant fixé au vélo en lieu et place de la roue avant, le dispositif agit sur la fourche du vélo afin de déplacer vers le haut ou le bas le point B provoquant ainsi la rotation de l'ensemble {vélo + cycliste} autour du point A ce qui va modifier l'inclinaison de l'ensemble. Simultanément, la base du simulateur de pente roule sans glisser sur le sol (liaison « pignon-crémaillère » au point C).

Question 1.3

Sur le document réponse DR1, représenter la trajectoire du point B appartenant au cadre du vélo dans son mouvement par rapport au bâti. À l'aide de la question 1.2, placer les points B 1 et B 2 correspondant respectivement aux positions extrêmes haute et basse.

Des mesures effectuées sur le système réel, avec un vélo dont l'empattement (distance AB = e) est de 1 010 mm, ont permis de déterminer « l'altitude » minimale et maximale du point B (figure 11):

Position particulière du point B · Inclinaison du vélo · « Altitude » du point B

Position extrême basse · Minimale · 247 mm

Position « neutre » · Nulle (0°) · 390 mm

Position extrême haute · Maximale · 541 mm

Question 1.4

Sur le document réponse DR1, représenter (par un trait horizontal) les altitudes minimale et maximale du point B mesurées sur le système réel. À l'aide de la question 1.2, en déduire les inclinaisons extrêmes (haute et basse) ainsi que les déclivités autorisées sur le système réel.

Question 1.5

À partir des tracés réalisés sur le document réponse DR1, déterminer, pour la position basse ou la position haute, l'écart absolu d'altitude entre la position théorique et la position mesurée du point B (dans la réalité).

L'exigence 6 du diagramme des exigences indique que le simulateur de pente peut être associé à deux types de home-trainer connecté (figure 12):

Question 1.6

Sachant que les mesures ont été réalisées sur un dispositif utilisant un home-trainer à transmission par roue, identifier, à l'aide de la figure 10, le paramètre à modifier afin d'obtenir l'amplitude de déclivité attendue. Conclure sur la capacité du simulateur de pente à satisfaire l'exigence sur l'amplitude de la déclivité quel que soit le home-trainer associé.