Comments on Les mystères du contre-braquage d'un deux-roues

Benoit (2018-10-16T12:01:27Z)

Merci Bellon pour ton commentaire très clair!

Bellon (2018-10-14T20:50:01Z)

J'avais entendu parler du contre braquage étant lycéen, et j'avais tout de suite essayé sur mon vélo, pour me rendre compte que je devenais immédiatement beaucoup plus manoeuvrant: le temps pour se mettre en virage passe de quelques secondes à quelques dixièmes de seconde. La raison est assez simple: pour incliner son deux-roues, il vaut mieux déplacer les roues, qui sont légères et accrochées au sol, que son corps.

En prépa, j'avais eu une discussion avec des camarades qui venait en moto, mais des moins de 125: il n'avait que le permis A1 qui, à l'époque, n'avait pas de composante pratique. Ils disaient qu'à haute vitesse il n'arrivait plus à diriger leur engin (je pense que ça ne leur arrivait pas souvent, la plus grande partie de leur trajet habituel était urbain). Quand je leur ai dit qu'il suffisait de contre braquer, ils ne m'ont pas cru et ils avaient peur de perdre l'équilibre.

En fait, je ne pense pas qu'il y ait de différences fondamentales entre hautes et basses vitesses: dans tous les cas, il y a contre-braquage pour provoquer l'inclinaison, puis braquage pour maintenir le véhicule dans la courbe. La différence, c'est que l'une ou l'autre devient insensible suivant les conditions: le contre-braquage à basse vitesse, parce qu'il est noyé dans les petites corrections qui permettent de rester bien vertical (d'autant plus que l'on ne cherchera pas une inclinaison forte), et le braquage final à haute vitesse, parce qu'il correspond à un angle très faible.

Pour le côté naturel du contre-braquage, je pense que ça vient du fait que pour incliner son deux-roues, on penche le corps et ça amène naturellement à tourner le guidon dans le sens opposé à celui où on se penche. Cela explique également une partie de la difficulté du vélo à guidon inversé: quand le vélo penche, le réflexe est de relever le corps, ce qui induit mécaniquement une rotation du guidon dans le sens nécessaire pour redresser le vélo avec un vélo normal.

Sinon, la stabilité des deux-roues, motorisés ou non, est un sacré problème de mécanique: savoir quels sont les effets que l'on peut ignorer n'a rien d'évident, la mise en équation de ce système avec plein de liaisons non-holonomes (en clair, les contacts entre les pneus et la chaussée) est cauchemardesque, mais il semble que l'on ait fait des progrès. Par exemple pour trouver la condition de stabilité d'un deux-roues avec la roue arrière mobile, pour pouvoir avoir des vélos couchés simples mécaniquement, donc avec la transmission sur la roue avant.

Nil (2018-10-12T17:16:55Z)

J'ai testé sur un vélo, le phénomène m'a semblé clair à une vitesse que je trouve assez modérée (à vue de nez, autour de 20km/h), à condition de garder le vélo bien vertical et de ne faire que le contre-braquage comme mouvement (bon, jusqu'à perturbation de l'équilibre qui est assez rapide).

J'ai aussi essayé de comparer avec le mouvement que je fais naturellement et qui est différent (je n'avais jamais remarqué ce contre-braquage avant ce post), a priori j'oriente le guidon dans le sens du virage et j'incline en même temps avec mon poids. Et clairement, l'inclinaison l'emporte sur l'éventuel contre-braquage.

Benoit (2018-10-12T03:32:53Z)

Dr FionsD: ou alors c'est parce que Yamamoto.
OK je sors.

Cigaes (2018-10-11T15:20:37Z)

Tu parles de « pousser ⇒ pencher », mais est-ce qu'il n'y a pas aussi un « pencher ⇒ pousser » ? Quand on essaie de se pencher d'un côté en se tenant avec les mains, j'ai l'impression qu'on va spontanément tirer avec le bras opposé et pousser avec le bras du même côté pour stabiliser l'inclinaison.

Dr FionsD (2018-10-11T14:49:00Z)

Ruxor, si je ne me suis fait abuser : à la fin de la WWII, on se retrouve avec un Japon sous protectorat Américain, et l'interdiction de développer armement et aviation.

Les jeunes ingénieurs nippons se tourneront alors avec passion vers la moto plutôt que l'automobile, car la moto reste au sol ce qui se rapproche le plus d'un avion : tu évolues dans un plan en 2D, mais avec une composante d'inclinaison que tu ne retrouves pas en auto.

En cherchant, on peut trouver de nombreuses similitudes entre le pilotage d'une moto et d'un avion (d'ailleurs une voiture, ça se conduit, une moto, ça se pilote !) : vérification de l'équipement, de la machine, checklist avant de partir, plan de déplacement (vs plan de vol), observation, orientation dans l'espace…

Ruxor (2018-10-11T09:36:05Z)

@jonas: I've never tried riding a unicycle; my intuition is that the skill set for that is very different from that for riding a bicycle or motorcycle (which I can now say are fairly similar). I was going to say that, for one thing, a unicycle never has a freewheel, but, of course, a Google search for "freewheel unicycle" taught me that some people have been crazy enough to build one and even manage to use it…

Concerning hind/rear, it's just that "hind" refers specifically to the part of an animal: if there were a wheeled animal (e.g., in a science-fiction story), it would make sense to speak about its hind wheels. Interestingly, people did start by saying "hind wheels" if Google Ngrams is to be trusted: <URL: https://books.google.com/ngrams/graph?content=hind+wheels%2Crear+wheels%2Cback+wheels&year_start=1900&year_end=2008&corpus=15&smoothing=3&share=&direct_url=t1%3B%2Chind%20wheels%3B%2Cc0%3B.t1%3B%2Crear%20wheels%3B%2Cc0%3B.t1%3B%2Cback%20wheels%3B%2Cc0 >. Conversely, "rear legs" doesn't strike me as particularly odd, and Google Ngrams (<URL: https://books.google.com/ngrams/graph?content=hind+legs%2Crear+legs%2Cback+legs&year_start=1900&year_end=2008&corpus=15&smoothing=3&share=&direct_url=t1%3B%2Chind%20legs%3B%2Cc0%3B.t1%3B%2Crear%20legs%3B%2Cc0%3B.t1%3B%2Cback%20legs%3B%2Cc0 >) shows that while it is about 10 times rarer than "hind legs", it's definitely not unheard.

@Dr FionsD: De fait, je n'en ai aucune idée.

Dr FionsD (2018-10-11T06:14:56Z)

Ruxor, sais-tu pourquoi "historiquement" ce sont les japonais qui produisaient les meilleures motos sportives ?

P.S. : j'attends de ta part que tu réponses "non", hein :o

jonas (2018-10-10T23:30:29Z)

> le deuxième point contribue, d'ailleurs, à la stabilité d'ensemble du véhicule (s'il n'est pas parfaitement droit, au lieu de tomber, il tourne, ce qui est plus facilement corrigeable ; et plus il va vite, plus il est stable)

Yes, anyone who practiced going very slow with a bike can tell that it gets more difficult. But obviously “plus il va vite, plus il est stable” is too good to be true for very high speeds, and indeed it does fail.

The obvious problem is that if you go too fast, then you can't stop or turn fast enough if an unforseen obstacle is in your way. But that's not the only problem.

I can only talk about a bicycle here. If either of your wheels is not a perfect circle, then your bike starts to vibrate. The vibration puts more stress to the wheel, and at a high enough speed, this will exceed what the wheel can bear, and it will bend to an increasingly less perfect circle, until eventually some spokes break, which makes the wheel even weaker, and eventually the wheel will become entirely unusable. This is easier to understand in the case when the wheel is still planar but there's a bump in it in radial direction. In that case, as the wheel rotates, the distance of the rim from the axle isn't constant, and so the axle starts to jump up and down periodically. If the bump on the wheel is small enough, then the tire absorbs most of this vibration. But if the bump is too big, then the tire can't absorb all the vibration, so there'll be a strong force pushing the axle up whenever the bump touches the ground, and the spokes have to carry all that force. The case when the rim is instead bent to slightly not planar is harder to understand, but from experience it seems that at least in some cases the front fork starts to vibrate between turning left and right, which gets so bad at high speed that you simply fall. Additionally, if the wheel rim is bent out of its plane over some limit, then the brake pads become impossible to set up correctly, so either the brake will constantly slow the bike down, or you won't be able to brake on that wheel at all.

In both cases, for a well-maintained bicycle the wheels are close to a perfect circle, so you won't get this effect at any speed you can realistically attain with a bicycle. Good maintenance in this case means mostly four things: ensure that the tire has enough pressure and repair a burst or flat tire immediately, the wheel must occasionally be tuned to as close to a perfect circle as possible by adjusting the effective length of the spokes on a wire wheel by turning the screw that attaches the spoke to the rim, the wheel must be replaced if it's worn off, and the axle must be replaced if it's worn off (although most bicycles get thrown away because of other problems before an axle wears off). But in real life, not all my bicycles or bicycles of people around me were well-maintained. So I have felt several times for a short time how unstable a bike with a flat front tire can be; I have had four spokes in a back wheel tear once and know what it feels like to have to ride hours on such a bike to the nearest bike repair store; I have used a bicycle with a worn out back axle; and I have seen someone else's bike wheel first start to bend out of shape then eventually entirely bend in half to completely unusable.

> mais on se penche en jouant avec son corps plus que par une action quelconque sur le guidon

Yes, that was exactly my problem with the simplified description at the page you referred to <URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bicycle_and_motorcycle_dynamics >, which I had found independetly before you posted this blog entry. Most of the article is about the simple case of a riderless bike, one where the rider doesn't exert a force with their own body. It's easy to know from practice that it's much harder to make a bike go stably without a rider. It's not hard to see why that's possible. The rider typically has a much higher mass than the bike, so even if the rider wasn't living, but was just massive and attached flexibly to the bike, the linear inertia of the rider would at least dampen the faster left-right vibrations of the bike. When the rider is actually a competent human, they will do much more than that to stabilize or control the bike. They can deliberately lean left or right, turn the steering wheel, pedal faster or slower, engage either brake, lean forwards or backwards, and even jump up and down.

But it's not surprising that we don't know much about how a bike with a rider works. It's hard to tell how exactly a competent rider reacts to different conditions, and so it's difficult to even define a model that one can use for a realistic digital simulation.

But perhaps I am biased, and feel this way only because I love skiing. A skier spends most of his time by taking frequent turns alternatingly left and right, and it's difficult to imagne a passive skiing mechanism capable of that on a realistic ski slope. (I'm not saying that it's impossible, because an uncontrolled bobsled can descend on a bobsled track, but it's not clear if such a bobled is taking turns, as opposed to just falling towards the bottom of the curved track.) It is thus obvious that the conscious control of the skier is important for stability.

> [Of coutersteering] on fait deux-trois essais sur le plateau à des vitesses variées et hop, on prend le pli immédiatement. [… later] Le contre-braquage n'est donc clairement pas de cette nature. Il est étonnamment intuitif. […] En fait, le contre-braquage se fait déjà à vélo

Even if you don't do countersteering on a bicycle, you might do most of the other motions required for steering a motorbike already on a bicycle. Your bicycle riding experience could be thus easy to convert to a motorbike riding, with countersteering just a small addition. I don't know if that's true, because I never rode a motorbike. We could tell if we interviewed several people who learned to ride a motorbike without having learned to ride a bicycle before, but it's possible that such people are so uncommon that we can't find any. Further, even on a bike, most of the time I try to avoid going faster than 40 km/h, by braking on long steep downslopes where the bike would naturally accelerate to faster than 40 km/h without pedaling. That's just a rule of thumb, sometimes I do go faster than that, but I believe I never went faster than 70 km/h on a bike even for an instant, and obviously I slow down to avoid taking a turn at high speed. So it's possible that some bicycle riders do countersteer, but I never went fast enough to experience that myself.

> une expérience que j'aimerais bien voir menée

As a different experient, have you ever tried to ride a unicycle? As for more exotic experiments, it appears that some people have built unsual recumbent bikes where the front wheel is driven by a pedal and chain, and the back wheel* is steered. There also exist bicycles where the front wheel is both steered and driven with a pedal directly attached to that wheel like on a unicycle, but I'm not sure if any of these are stable with just one back wheel.

* It's not relevant for this entry, but I wish someone explained to me how the English terminology works here. Apparently bicycles have a “rear wheel” and cars have two, mammals walking on four legs have two “hind legs”, but it's rare to read “rear legs” or “hind wheel”. I also recall that at least some of my fencing teachers insisted on the distinction in Hungarian terminology that a four-legged mammal has “hátsó lábak”, but a fencer with one leg in front and one leg back has a “hátul lévő láb”.

Subbak (2018-10-10T20:53:18Z)

Pour ce qui est de la question 2 et du lien avec la bicyclette inversée, je pense que c'est en effet lié à la stabilité de la moto, mais il y a aussi le fait que si je comprends bien ta roue n'est jamais dans le "mauvais" sens. Je pense que c'est ça qui fait tomber les gens sur la bicyclette inversée : ils voient leur roue qui part à droite (à cause d'une petite oscillation), donc ils poussent à droite du guidon pour la remettre dans l'axe comme ils ont l'habitude. Sauf que ça empire les choses et ils n'ont pas le temps de faire appel à la partie du cerveau qui sait ce que font les commandes.


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