Wind tunnel tests deflate cycling myths

by Sheila Robertson

“Cyclists are much subject to mythology. In fact, we have almost a tradition of blind acceptance of customs whose true value is very rarely analyzed.”

So says Don Sutherland, technical director of the Canadian Cycling Association (CCA). Thus, when he and Norman Sheil, CCA’s national coach, wanted to put some of the myths to the test, they decided to couple their knowledge of the sport with the scientific capability of the National Research Council (NRC) in Ottawa.

“We knew as long ago as 1977,” says Sutherland, “that NRC’s wind tunnel is available to national sport governing bodies for orthodox testing. But it’s only recently that we’ve been able to find the time to use it.”

The two men decided to focus the tests on the sport’s technical equipment — in particular, the bicycle. Sutherland says that the scope of the testing is limited only by the rules of the Union Cycliste Internationale (UCI) which forbid “any form of streamlining of bicycles or riders” during competition. He cites the addition of a windshield as one example of what the UCI deems streamlining.

Flat Versus Round Spokes

“I think one of the best examples of the type of blindly accepted myth we wanted to take a look at,” says Sutherland, “is the flat spoke which currently enjoys great popularity in the kilometre and time trail events. In those races, the difference between first and fourth can be 7/100ths of a second. We wanted to take a close look at that one because comparison of the flat spoke to the traditional round spoke really puts aerodynamic principles to the test. The only way to find out which is better is to test both under control conditions.”

As Sutherland explains it, a round, smooth object usually passes through the air rather badly, creating a fairly high degree of drag. This led to a generally widespread assumption that a flat spoke would produce less drag and would require less power for the wheel to be propelled. Sutherland adds that while he assumes that other cycling nations such as Switzerland and East and West Germany have tested the theory, he knows of no published material on the subject.

In one of the experiments, the NRC engineers mounted two identical wheels — same tires, rims, hubs, and spoke configurations — on simulated forks. One wheel was fitted with round spokes, the other with flat. The wheels were then subjected to a wind speed of 60 kilometres an hour while a fixed sprocket measured the electrical current produced to determine the wattage actually required to turn the wheel.

“Since the only inconsistency was the spoke variation,” says Sutherland, “we could reasonably assume that any differences would be attributable solely to this factor.”

It is still too soon for all the results to have been tabulated but Sutherland says the testing did demonstrate that “it requires slightly more energy to turn a wheel with flat spokes than one fitted with the traditional round spokes.”

More Spokes, More Speed?

In future tests, various spoke configurations will be examined since rudimentary tests on a wheel that was almost completely enclosed showed “a quite significant reduction in drag.”

Sutherland says that kilometre and team pursuit bicycles normally have 28 spokes, while the average touring bicycle has 36 spokes.

“We’d like to create a specially-built wheel,” he says, “and equip it with 56 spokes. Although it would be heavier, we think it could show the same kind of drag reduction as that enclosed wheel did. We also want to have a look at the kind of reduction of turbulence which might be created by 56 spokes because, of course, the extra mass could offset the benefits of reduced drag.”

Since the international rules do not specify the number of spokes in a wheel, Sutherland says it would be possible to use the 56-spoke wheel at a world championships if it did turn out to produce less drag and require less power to turn it.

Tinkering with the Frame

Another fruitful area for testing is the bicycle frame, which, until recently, has been designed with round tubing. Sutherland says that the latest innovation involves a “teardrop” shape, which, it is claimed, passes through the air more smoothly than the round.

“We’re talking here about low speed aerodynamics,” says Sutherland, “so the drag reduction might not be as great as is claimed. We want to find out exactly how great that reduction is, keeping in mind that the orthodox frame is stronger than the teardrop.”

The NRC engineers have suggested one test that is expected to produce interesting results. They plan to attach a single piece of wire down the side of the bicycle tubing. This simple strategy is expected to force the air to blow out more widely than normal, pushing the turbulence a long way behind the bicycle. The engineers feel the same effect could be achieved by sticking a piece of sandpaper on the front tubing.

“If either of these tactics works,” says Sutherland, “we would have the strength advantages of orthodox tubing plus the advantages of the revolutionary teardrop tubing.”

In Pursuit of Perfect Positioning

Yet another test tackles riding positions with “some very interesting results.”

Figure 1 depicts the “normal” position on a bicycle. Figure 2 shows a rider using the orthodox racing position. The classic “team pursuit” position is illustrated in Figure 3 and a six-day event “crowd pleaser” position is shown in Figure 4. While the position shown in Figure 5 is physically impossible to achieve and to pedal, it was examined because it suggests good aerodynamic principles.

Based on the drag coefficients produced by the five positions, Figure 4 came out on top followed by Figures 5, 3, 2, and 1.

Sutherland says he was surprised when Figure 5 did not turn out to be the most streamlined of the five positions. He notes with interest that the “crowd pleaser” position in Figure 4 is aerodynamically the best but points out that it is “perhaps fortunately, not too tenable.” Figure 3, says Sutherland, showed well in terms of drag and is an attainable position for cyclists.

“We’ll be encouraging riders to get rid of their foibles,” says Sutherland, “and adopt the classic team pursuit position for its much greater streamlined effect.”

More Speed for the Hirsute

Another test examined the standard bar helmet and the plastic dome helmet. Negligible differences were found between the two. But Sutherland notes that the hair showing through the bar helmet was seen to produce the same , advantageous effect on turbulence as the NRC engineers except the wire and sandpaper might do when they run the tests on bicycle frames.

Sutherland says it doesn’t matter whether or not the tests prove the myths to be true or false. Either way, he says, the work can only benefit Canadian cycling. While Canadian performances themselves may not improve, he believes the testing will stop the “psyche down” whereby an athlete feels unable to win without a certain piece of equipment.

“Canadian cyclists suffer from the same psychological problems as other Canadian athletes,” says Sutherland. “And the problem comes from a prevailing national xenophobia which hinders the final burst of effort needed to produce a win. This attitude is changing but it will take a long time.”

Research Yields Peace of Mind

In the meantime, Sutherland claims that any athlete, in any sport, who doesn’t know all the facts is usually “psyched” by someone with equipment that is “a little strange.” The athlete naturally assumes he cannot win against the “revolutionary” equipment and so is at a disadvantage when it begins to hurt during a race, he says.

“If we can send our riders to the start line with the knowledge that their equipment is as good or even better than the competition,” says Sutherland, “that’s half the battle.”

Sutherland and Sheil are now working to put all their “reams of material” together into a paper. Until that’s ready, they aren’t prepared to draw any conclusions, except to say they want riders to adopt the classic team pursuit position.

“The difference there is significant enough to make an effort,” says Sutherland. “And we now know that we own the better helmet so we’ll use it with confidence.”

As for flat spoke wheels, he says the tests have proven that a Canadian rider can be confident that he won’t lose a race simply because he doesn’t have them.

La science détruit les vieux mythes

par Sheila Robertson


“Les cyclistes sont très sujets à la mythologie. En fait, il existe presque une tradition d’acceptation aveugle de coutumes dont la valeur véritable est très rarement analysée.”

C’est ce qu’affirme Don Sutherland, directeur technique de l’Association Canadienne de Cyclisme (ACC). Ainsi, lorsque de concert avec Norman Sheil, entraîneur national de l’ACC, il décida de vérifier certains de ces mythes, ils associèrent leur connaissance du sport avec les habiletés scientifiques du Conseil National de Recherches du Canada (CNRC) à Ottawa.

“Nous savons déjà depuis 1977,” de dire Sutherland, “que le tunnel aérodynamique du CNR est à la disposition des associations sportives nationales pour des tests valables. Mais ce n’est que tout récemment que nous avons pu trouver le temps d’en profiter.”

Les deux hommes décidèrent de concentrer les tests sur l’équipement technique du sport, plus précisément, la bicyclette. Sutherland explique que l’étendue des tests n’est limitée que par les règlements de l’Union Cycliste Internationale (UCI) qui prohibe “toute forme d’aérodynamisme des bicyclettes ou des coureurs” en compétition. Il mentionne l’addition d’un pare-brise comme exemple de ce que l’UCI considère aérodynamique.

Rayons plats vs rayons ronds

“Je crois qu’un des meilleurs exemples du genre de mythe aveuglément accepté que nous voulions analyser,” poursuit Sutherland, “est le rayon plat qui, en ce moment, jouit d’une très grande popularité dans les épreuves du kilomètre et contre la montre. Dans ces courses, la différence entre la première et la quatrième place peut être de 7/100ièmes de seconde. Nous avons voulu étudier ce concept de très près parce que la comparaison du rayon plat au traditionnel rayon rond s’attaque au principe même de l’aérodynamisme. Le seul moyen de prouver lequel des deux est le meilleur est de les tester tous les deux dans des conditions entièrement contrôlées.

Comme l’explique Sutherland, un objet rond et lisse traverse normalement l’air de façon peu satisfaisante, créant un niveau assez élevé de résistance. Ce qui mène à une supposition relativement généralisée qu’un rayon plat produirait moins de résistance et nécessiterait moins de puissance pour propulser la roue. Sutherland ajoute que, bien que certain que d’autres nations cyclistes comme la Suisse et les Allemagnes de l’Est et de l’Ouest ont certainement vérifié ces théories, il ne connaît aucune documentation publiée sur le sujet.

Au cours de l’une des expériences, les ingénieurs du CNR ont assemblé deux roues identiques: mêmes pneus, jantes, et configuration de rayons, sur des fourches simulées. L’on adapta à Tune des roues des rayons ronds et à l’autre, des rayons plats. Puis Ton soumit les roues à des vents de 60 kilomètres/heure alors qu’un pignon fixe mesurait le courant électrique produit afin de déterminer la puissance réelle nécessaire à faire tourner la roue.

“Puisque la seule différence était celle des rayons de la roue”, explique Sutherland, “nous pouvions assumer de façon raisonnable que toute différence serait strictement causée par ce facteur.”

Il est encore trop tôt pour la computation de tous les résultats mais selon Sutherland, les tests ont démontré qu’il “faut un petit peu plus d’énergie pour mouvoir la roue aux rayons plats que celle comportant les rayons ronds traditionnels.”

Plus de rayons, une plus grande vitesse?

Au cours de tests futurs, Ton examinera différentes configurations de rayons puisque des tests rudimentaires sur une roue presqu’entièrement couverte ont démontré “une diminution considérable de la résistance.”

Sutherland explique que les bicyclettes utilisées pour le kilomètre et les poursuites par équipe comportent normalement 28 rayons, alors que la majorité des bicyclettes de randonnées en comptent 36.

“Nous aimerions créer une roue construite spécialement,” poursuit-il, “et y mettre 56 rayons. Elle serait plus lourde, mais nous pensons qu’elle ferait preuve de la même réduction de la résistance que la roue couverte. Nous voulons également analyser le genre de réduction de turbulence que pourraient créer les 56 rayons car, évidemment, la masse supplémentaire pourrait éliminer les avantages de la résistance réduite.”

Puisque les réglements internationaux ne précisent pas le nombre de rayons de la roue, Sutherland affirme qu’il serait possible d’utiliser la roue à 56 rayons à un championnat du monde s’il était prouvé qu’elle produit une résistance moindre et requiert moins de puissance.

Modifier le cadre

Un autre domaine de recherche intéressant est le cadre de la bicyclette qui, jusqu’à récemment, était de fabrication tubulaire. Sutherland nous informe que les dernières innovations produisirent un cadre “ovale” qui, affirme-t-on, traverse l’air plus facilement que le rond.

“Il s’agit ici d’aérodynamisme à basse vitesse,” explique Sutherland. “La diminution de la résistance pourrait ne pas être aussi importante qu’on le réclame. Nous voulons découvrir exactement le niveau de cette réduction, tout en n’oubliant pas que le cadre traditionnel est plus résistant que le cadre ovale.”

Les ingénieurs du CNR ont suggéré un test dont les résultats promettent d’être intéressants. Ils ont l’intention d’attacher un simple bout de fil métallique le long du cadre de la bicyclette. L’on croit que cette stratégie élémentaire forcera l’air à se dissiper sur un axe plus large que normal, poussant la turbulence loin derrière la bicyclette. Les ingénieurs croient qu’un effet identique pourrait être atteint en collant un morceau de papier de verre sur le devant du cadre.

“Si aucune de ces deux méthodes ne produit de résultats, nous restons avec les avantages de force du cadre traditionnel plus les avantages du révolutionnaire cadre ovale.”

À la recherche de la position parfaite

Un autre test analysa les différentes positions du cycliste, avec “des conclusions très intéressantes.”

Le graphique 1 illustre la position “normale” à bicyclette. Le graphique 2 montre un cycliste en position normale de course. L’on peut observer la position classique “de poursuite par équipe” en 3 et la position du populaire sixjours est illustrée au numéro 4. Bien que la position illustrée au graphique 5 soit physiquement impossible à atteindre elle fut examinée parce qu’elle respecte les bons principes de l’aérodynamisme.

A partir des coéfficients de résistance produits par les cinq positions, le graphique 4 l’emporta, suivi de 5, 3, 2, et 1.

Sutherland exprima sa surprise que la position 5 n’ait pas été la plus aérodynamique des 5 positions. Il remarque avec intérêt que la position des six-jours en 4 soit la meilleure au point de vue aérodynamique mais observe qu’elle est “peutêtre heureusement, assez difficile à maintenir”. Le graphique 3, poursuit-il, obtint de bons résultats au point de vue de la résistance et est une position possible pour les cyclistes.

“Nous allons encourager les coureurs â se défaire de leurs manies,” affirme Sutherland, “et à adopter la position classique de poursuite par équipe à cause de sa plus grande efficacité sur le plan aérodynamique.”

Une vitesse accrue pour le coureur hirsute

Un autre test analysa le casque standard et le casque arrondi de plastique. On observa très peu de différence entre les deux. Mais Sutherland mentionne que les cheveux sortant du casque traditionnel semblent produire les mêmes résultats avantageux sur la turbulence que ce que les ingénieurs du CNR s’attendent à prouver en apposant un fil métallique pu du papier de verre au cadre de la bicyclette.

Selon Sutherland, il importe peu que les tests prouvent ou réfutent les mythes. De toute façon dit-il, le travail ne peut que profiter au cyclisme canadien. Il se peut que les performances canadiennes ne s’améliorent pas, mais il croit que la recherche mettra fin à l’attitude psychologique négative selon laquelle un athlète se croit incapable de gagner sans le bénéfice d’une certaine pièce d’équipement.

“Les cyclistes canadiens souffrent des mêmes problèmes psychologiques que les autres athlètes canadiens,” affirme Sutherland. “Et le problème provient de cette xénophobie nationale dominante qui empêche l’explosion de l’effort final nécessaire à l’obtention d’une victoire. Cette attitude est en train de changer, mais il faudra beaucoup de temps.”

La recherche produit la tranquilité d’esprit

Entretemps, Sutherland affirme que tout athlète, de quelque sport que ce soit, qui ne connaît pas tous les faits, se trouve en désavantage psychologique devant quelqu’un qui possède un équipement “un peu bizarre”. L’athlète présuppose évidemment qu’il ne peut pas l’emporter contre cet équipement “révolutionnaire” et est donc désavantagé lorsqu’il faut produire l’effort supplémentaire lors d’une course.

“Si nous pouvons envoyer nos coureurs à la ligne de départ avec la conviction que leur équipement est aussi bon sinon meilleur *que celui de l’adversaire,” poursuit-il, “c’est la moitié de la bataille de gagnée.”

Sutherland et Sheil travaillent présentement à la publication de “tout ce matériel”. Jusqu’à ce que tout soit prêt, ils préfèrent ne tirer aucune conclusion, sauf pour recommander à leurs coureurs d’adopter la position classique de poursuite par équipe.

“La différence enregistrée est suffisante pour justifier un effort,” explique Sutherland. “Et nous savons maintenant que nous avons le meilleur casque, donc nous nous en servirons avec confiance.”

Quant à la roue aux rayons plats, il dit que les tests ont prouvé que le cycliste canadien peut avoir confiance: il ne perdra pas la course pour la seule raison qu’il n’en a pas.