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Les différents modes de fitness-car.

Soit un humain qui produit un effort constant, un moteur qui aide ou un alternateur qui freine, et un trajet qui impose des changements d'effort "aux roues".

Le mode "total" le plus facile pour l'entraînement:
toute la production humaine va dans l'alternateur, pour le reste, la propulsion est entièrement électrique.
les pédales sont indépendantes de la route

Les avantages de ce mode sont
- pédalage identique au fitness en appartement: il suffit même d'utiliser un ordinateur d'engin de fitness et de remplacer la commande du frein magnétique par la commande d'exitation d'alternateur.
Il existe alors les fonctions: effort régulé par la fréquence cardiaque; effort à puissance fixée; effort programmé, puissance variable imposée selon les logiques de fractionné: c'est totalement indépendant du parcours.
Les inconvénients
Les pertes de conversion sont maximales: il y a une perte de 20% de la puissance de l'humain vers l'alternateur, et puis de 15 à 20% de puissance de la batterie vers le moteur, et ces 35 à 40% de pertes environ concerne une puissance rarement inférieure à 100 watts: il est donc perdu en pure perte entre 35 et 50 watts.
Pour que le mode soit gérable en pratique, il faut prévoir un matériel couteux: un moteur fonctionnant à vitesse vairiable comme ceux des vélos assistés.
Ce mode est intéressant pour les personnes de faible puissance (car alors le véhicule est essentiellement électrique et les pertes ne concernent que des puissances faibles).

Le mode "différence" le plus efficace pour le rendement.
Les pédales sont reliées aux roues par pignon fixe. un moteur alternateur profite aussi de la transmission via les pédales. (notez que en fitness car on pédale aussi en descente!)
Est prélevé sur l'humain, via l'alternateur l'exédent d'énergie (freinage limitant la vitesse), ou l'humain est aidé par le moteur (aide maintenant la vitesse)
C'est la gestion sur les excédents ou déficit de puissance: l'humain produit une puissance constante, mais on soutrait ou rajoute en fonction des exigences du trajets, de manière à ne pas avoir à changer sa cadence de pédalage ni la force d'appui.
Comme les pertes concernent la différence au lieu du total, si l'humain choisi la vitesse telle que il n'y a peu de différence, la perte concerne des puissances qui ne sont que temporaires, et de plus souvent inférieure à 100 watts: ainsi, la perte est bien inférieure à 35 watts.
Avantage technique: la cadence de pédalage étant entre 70 et 90 tours/minute, il est facile d'optimiser moteur et alternateur pour une vitesse de rotation qui reste toujours dans le mêmes ordre de grandeur. Au contraire, un couplage moteur alternateur sur les roues impose de prévoir des vitesse variant d'un rapport de 10 (de 4 à 40km/h)
Plus de puissance: par exemple franchir une côte avec 200 watts d'humain plus 400 watts de moteur, donne 600 watts.
L'inconvénient: puisque que c'est un mode à prise directe, il faut une gestion: l'humain doit faire l'effort d'appuyer à couple constant, doit gérer alors la sensation d'appui. Si on régule la vitesse (ce qui régule du  coup la fréquence de pédalage), maintenir le même appui est plus facile, et la consommation d'énergie en résistance de l'air est alors à son niveau minimal (lissage des pointes de vitesse, comblement des trous de lenteurs): la régulation de vitesse apporte le meilleur rendement vitesse moyenne par rapport à énergie globalement utilisé.
La mesure des watts humains ne peut se faire que par jauges de contrainte sur les pédales: cet outil de mesure pourrait d'ailleurs rendre possible la régulation électronique d'effort: si l'humain baisse sa cadence, diminution de l'aide ou augmentation de freinage pour maintenir constante le produit couple fois cadence (dans le cas d'une régulation à puissance constante). En pratique le mode "différence". Le "tout fait" n'existe pas. Un ordinateur de fitness ne saura donc pas gérer le mode différence: l'athlète doit faire l'effort d'ajuster son appui en fonction de la lecture de sa montre.
Les arrêts impose une petite coupure d'effort: le passage de 4 km/h à 0. Pour pédaler à l'arrêt il suffit de descendre un patin d'appui permettant à la roue de tourner. On peut aussi imaginer un pignon libre, passer sur ce pignon reviendrait à désolidariser à la fois moteur et humain (pour l'arrêt). à l'arrêt on peut utiliser comme en mode "total" l'ordinateur de fitness. Son installation reste donc intéressante pour les séances à l'arrêt, et en particulier les palliers de fractionnés en puissance/temps imposé, ou même au tout début pour les premières séances de remise en forme.

Dans le cas d'un pignon libre pour les longues descentes, possibilité de stopper le pédalage, mais nécéssaire de prévoir un alternateur spécialement dédié au freinage en descente. La solution de stopper le pédalage en descente expose cependant aux changements de température: obligation de changer de tenue pour descendre puis après pour reprendre= 2 arrêts de plus.
Avantage: il est plus "amusant" de pédaler à couple constant (sensation d'appui constant) tout en régulant soi même sa vitesse avec une manette dosant la force d'alternateur ou la force de moteur.  Si on choisi des petits rapport (par exemple 3m/tour de pédale, on sera économe et plutôt dans une logique d'accumulation, mais on peu aussi choisir d'aller vite en prenant 9m/tours
Les inconvénients sont vite mineurs avec l'habitude: ce mode est le meilleurs pour l'athlète, car les puissances mises en jeu sont plus importantes et d'économiser les pertes est plus crucial.
 
 
 

Quelques règles pour produire le plus d'énergie possible
Nous nous questionnons beaucoup sur la perte d'énergie qui se produit entre l'entrée et la sortie du système récupérateur-restituteur d'énergie! Mais en pratique si nous faisons le bilan d'énergie produite (donc d'entraînement physique et de calories brûlés), sur un moyen de transport classique, seul le vélo sur piste, ou sur un trajet plat sans perturbation fait un cumul moyen voisin de la puissance "en pallier" du sportif. Par exemple 200watts, sortie d'une heure, 200watts.heure.
En général, la puissance moyenne est de l'ordre de 0.7 voir 0.5 la puissance en pallier pour cause d'arrêts et d'irrégularité. Peut t'on si on ne produit pas en continu l'énergie, en produire alors plus le reste du temps pour obtenir la même moyenne? C'est ce que l'on croît. Or, des que les paliers d'efforts durent plus de 15 secondes, il devient AU MOINS 2 fois plus fatiguant de forcer 10% de plus, Pire, si les pointes d'efforts sont des petits paliers de 40 secondes à 1mn30, ces efforts sont faits en utilisant le très coûteux procédé sans oxygène qui consomme 19 fois plus de sucre et pollue les muscles. C'est pourquoi on ne rattrape pas des coupures de puissance, ou de travail, durant des pauses, en rattrapant par une augmentation d'intensité... Ce phénomène concerne aussi la voiture classique: conduisez régulièrement sans pointes de vitesse mais sans faire d'arrêts, et vous rattraperez probablement le conducteur de qui consommme le double d'essence! Le moteur a en effet moins de rendement lorsque sa température varie, change de régime et aussi le coût des pointes de vitesse pour rattraper des irrégularité de parcours augmente plus vite que la performance globale.
Ainsi, un cycliste d'un calibre de 100 watts peinera à fournir 100 watts.heure en une heure, en ville, ou sur une petite route de campagne pleine de virage empêchant de maintenir la vitesse correspondante à la puissance, et en une heure, il restituera en moyenne de plus de 50 watts.heure à un vélo qui a "100%" de rendement, restituant donc ces 50 watt.heure
Mais en fitness-car, pédalant en continu, donc délivrant 100 watts, pendant une heure sur un système qui prend donc ces 100 watts.heure, mais n'en restitue pour des raisons d'imperfection techniques que 50 (cas le pire), en sortie, on dispose bien d'une puissance "aux roues" similaires à celle d'un système sans pertes,  par rapport à un système direct qui utiliserait l'énergie sans perte mais aussi sans cumul pour compenser les pertes durant les temps morts. Mais il faut bien insister aussi sur le fait que si le corps produit plus d'énergie , comme il le fait en état de régularité, et non pas en faisant une succession de pics de puissance, il se fatigue moins, cette énergie est moins coûteuse: elle a été fournie en grande partie par votre couenne et en usant d'un métabolisme avec oxygène.

Une aparté sur la gestion de l'énergie...
Il existe des cas ou cette perte est tout de même sensible: les parcours où il est possible d'être régulier en demande d'énergie "aux roues"... Dans ces cas qui correspondent par exemple à de la route droite en plaine, il est stupide de fabriquer de l'énergie pour la stocker et la restituer. Dans le détail il se passe que l'électricité de l'alternateur est consommé directement par le moteur si la batterie est pleine, en effet c'est lui qui absorbe la puissance avant la batterie "qui n'appelle plus de courant", la tension monte d'elle même et le moteur la consomme en augmentant automatiquement la puissance (en pratique une régulation électronique est souhaitable pour éviter de surcharger la batterie ou le moteur en certains cas), ou alors, si la batterie est à remplir, on capitalise de l'énergie pour plus tard, en choisissant par exemple d'aller à 15km/h sur le plat pour avoir de quoi franchir une montée prévue assez longue à fond de train, ou encore, il existe la solution de tout simplement passer en prise directe, comme sur un vélo classique..., donc de moins appeler de courant sur le moteur pour qu'il en aille vers la batterie.

GESTION DE L'ÉNERGIE DU SYSTÈME HYBRIDE.
C'est vachement simple à comprendre...
 Imaginez vous que vous gérez des réservoirs pour vaches assoiffées,  en disposant de deux tuyaux d'eau: vous êtes la source alimentant deux réservoirs l'un des réservoirs "le moteur" est l'abreuvoir, dont le trop plein se vide naturellement dans celui de "la batterie", qui est d'ailleurs un gros réservoir qui redonne de l'eau pour l'abreuvoir si il se vide plus vite que la source le rempli,  quand la source ne coule pas assez fort pour étancher la soif des vaches. En fonction de la demande des vaches "énergie à donner aux roues", tentez de ne pas faire déborder le réservoir "de la batterie" sans pour autant laisser les vaches meugler à... plus soif devant un abreuvoir vide... (le réservoir du moteur ne déborde jamais, l'excès allant à la batterie, mais si le réservoir de la batterie déborde, de l'eau est perdue), passer en prise directe est donner aux vaches à boire directement au tuyau de la source. Faites un dessin vous comprendrez plus aisément.
 Vous apprendrez ainsi avec la fitness-car à gérer une consommation, ceci peut être un jeu. Un peu compliqué au début, mais qui vous en apprendre très long sur la dynamique des transports. Cet acquis pourrait bien, une fois que vous êtes aux volant d'une voiture, vous aider à réduire de 50% votre consommation et vous sera encore plus utile au volant des voitures hybride qui reposent sur le même principe que votre fitness car, mis à part que un moteur thermique vous remplace. Un moteur thermique ressemble beaucoup à un athlète: il ne marche bien qu'à puissance constante et à 75% de sa puissance: un moteur thermique a donc les mêmes exigences qu'un sportif qui doit respecter un palier d'effort. Et même mieux!, un moteur thermique a moins de rendement si il travaille par intermittence pour des raisons de température (une partie de l'énergie thermique est absorbée par le bloc moteur jusqu'à qu'il soit en équilibre thermique, du coup les lois de la thermodynamique manquent un peu de "thermo" pour faire de la "dynamique"!). La problématique de la voiture hybride ressemble donc beaucoup à celle de la fitness car, c'est même la même chose. Seulement voilà, pour qu'une réelle économie soit réalisée par rapport aux voitures classiques, il faut viser de la souplesse, de la conduite régulière, et une faible puissance moyenne, surtout coté moteur thermique d'un véhicule si possible léger, et c'est là que en voulant reproduire le comportement de voitures surpuissantes et nerveuse, très largement surdimensionnés pour la route, que le gaspillage en pointes de vitesse et irrégularité annule presque le progrès, que l'économie réalisée ne compense pas le coût technologique des batterie très volumineuses vu la quantité d'énergie d'un véhicule de plusieurs dizaines de kilowatts et de plus d'une tonne  qui doit être traîné à des vitesses où dominent les résistances non linéaires, l'air et les frottements.
Vous donc êtes un moteur qui recherche à fournir 50 à 75% de puissance (votre zone optimale pour parfaire votre condition physique sans vous épuiser) dans une voiture hybride... légère..., mais sachez comment la conduire!!! Vous voulez faire des économies pour faire durer votre batterie, offrez au roues une énergie régulières, préférez une vitesse égale en tout parcours qu'une vitesse irrégulière... et rappelez vous d'un certain coureur cycliste américain, si vous avez eu la chance de l'observer à la télé, quand cette lucarne diffuse des information importantes! En effet, l'information que délivre par sa stratégie "le cycliste qui ne force que quand il rencontre des lois de la physique qui sont linéaires" est d'importance! Linéaire? Quand le résultat est proportionnel à la puissance, c'est linéaire,  1.2 fois plus puissant = 1.2 fois plus vite, 1.3 fois plus puissant 1.3 fois plus vite. Le graphique reportant les points de combien de fois plus vite en fonction de combien fois plus puissant sont en effet une droite. Quand l'essentiel de notre énergie est la lutte contre la pesanteur et que la lutte contre la résistance de l'air est négligeable, nous avons presque cette loi là... en côte, en dessous de 20km/h la résistance de l'air est négligeable surtout avec un véhicule caréné. Si en allant 1.3 fois plus vite on consomme 1.3 fois plus, on consomme aussi 1.3 fois moins longtemps donc pas plus au final, il n'y a pas beaucoup de pertes et même pas du tout même sur le seul plan de l'énergie, or le moteur électrique ne subi pas la loi des 2 fois plus fatiguant pour 10% plus fort, il n'y a pas d'inconvénient à l'utiliser sans restriction dans un tel cas, et son appoint offre en côte le gain de temps maximal. Vous pouvez fournir l'effort en prise directe pour court-circuiter les pertes de conversion, mais profitez en plus du moteur en aide...  sinon, vous perdez le temps maximum!!!, En revanche sur le plat, quand on veut aller 1.1 fois plus vite il faut forcer 1.3 fois plus, et si on veut aller 1.3 fois plus vite 2 fois plus, et... 8 fois plus pour 2 fois plus vite!, ainsi, même pour le moteur électrique aller à 45km/h au lieu de 23 est 8 fois plus cher pour un temps donné, et comme on consomme 8 fois plus durant la moitié du temps, on consomme encore 4 fois plus, c'est pour cette raison en passant aussi, en voiture conventionnelle que il serait plus simple d'économiser 10% de consommation en réduisant de 5% la vitesse sur les autoroutes que de sacrifier 17 millions d'hectares de cultures en biocarburants en Europe!!! Ainsi, quand le freinage est majoritairement du à l'air, ce qui est le cas sur le plat, il est coûteux de gagner de la vitesse, alors qu'en côte le même gain de temps est remboursé par le moindre temps d'effort du moteur (à poids égal, car dans le cas de la voiture conventionnel, pour pouvoir aller potentiellement plus vite sur le plat avec confort, on charrie actuellement pas loin de 1500Kg au lieu de 750 à 900 une décennie auparavant).
 Faites les économies de préférence sur le plat: soyez sobres en énergie sur les parcours naturellement rapides à cause de la résistance de l'air qui augmente le gaspillage d'énergie plus vite que le gain de vitesse, pour en mettre de coté pour les côtes... le gain de temps en côte fait plus que compenser les pertes de temps sur le plat. (Nous sommes ici en recherche du meilleur compromis temps de trajet / consommation globale... C'est une compétition sans se fatiguer... donc une recherche d'optimum..)

selon la courbe de vitesse non régulière (marron) et le freinage de l'air correspondant (rouge) et ce qui est perdu dans l'air en vert du fait d'une vitesse régularisée, on a pour une même vitesse moyenne moins de freinage par l'air.
Nous avons donc moins besoin d'énergie pour faire le même trajet en évitant les pointes de vitesse coûteuses en énergie et les trous de lenteurs coûteux en temps. On évite les pointes de vitesse en mettant de coté son excès d'énergie, et les trous de lenteur en demandant de l'aide au moteur. Une chose est sure: l'énergie en frottement est définitivement perdue, alors que l'énergie perdue en côte se récupére à la descente. Comme en côte la résistance de l'air est négligeable, il ya peu de différence de coût d'énergie entre la monter à 5km/h ou 15km/h, simplement on utilise cette énergie plus ou moins rapidement. Le moteur électrique lui, n'a pas comme l'humain ce problème de variation de la fatigue en fonction de l'intensité, si il est utilisé en dessous de son seuil maximum.
Remarquez que les pertes entre stockage et restitution sont faibles: stockage et restitution: deux récipients: l'altitude (stockage d'énergie en énergie potentielle) et la batterie. Les côtes et les descentes sont considérés comme un simple tranfert de l'un des récipients à l'autre, avec il est vrai un peu de perte. Mais ces pertes sont bien inférieure à celle que coûte les pointe de vitesse sur le plat , d'ou un rendement global meilleur en mettant plus de puissance en côte et moins sur le plat.

Pour en revenir au coureur cycliste, imaginons qu'il veuille augmenter de 10% sa vitesse durant une heure, ce faisant il descend le chrono et le cumul du temps gagné lui donne une avance. Il a le choix de passer devant le peloton, ce qui coûte, pour 0% de vitesse en plus, déjà, 50% de plus d'effort, il était presque en "repos actif", il passe en effort d'endurance et cumule déjà un peu de fatigue. Mais il lui faut creuser un écart, il va alors augmenter de 3% sa vitesse, et cela lui coûtera encore 10% de plus d'effort... il force donc, pour 3% de gain de vitesse, plus de 60%, et nous avons vu la loi des 10% plus fort 2 fois plus fatiguant. Ainsi gagner des étapes en plaine ou simplement faire des échappés est si coûteux que la fatigue va nuire aux performances des prochains jours...
En côte cela est différent: on ne perd plus grand chose à pédaler non protégé du vent si la vitesse n'est que de 15km/h, la lutte contre l'air n'est qu'insignifiante par rapport à celle que demande le fait de monté, alors là, le cycliste qui a pris soin de bien rester à l'abri dans le peloton sur les étapes de plaine dispose ici de toutes ses ressources pour faire un effort quasi maximal, ce type d'effort qui peut fatiguer pour plusieurs jours, mais cette "cartouche" est tirée au moment ou chaque % d'effort est bien converti en un % presque entier de gain de vitesse. 60% de plus d'effort, 50% de vitesse: ce qui n'apportait que 3% en plaine (ou 10% comparé à une situation de parcours de plaine en solitaire), apporte en étape de côte 50%, c'est 10 fois plus rentable!!! Avouez que les mêmes cartouches ne donnent pas le même résultat si on les grille au bon moment... Et les autres, ils essaient bien de suivre, et même si ils sont aussi bon, physiquement, ils se sont épuisés les jours précédents à grappiller des secondes sur le plat en prenant le vent à l'avance du peloton. et peut être aussi n'ont t'il pas une équipe qui veille bien à les économiser en les protégeant du vent. Voilà le rôle que la tête joue dans des épreuve physique: avec les mêmes cartouches le fameux coureur cycliste décuple les touches. Vous devez retenir cette leçon pour économiser de l'énergie. Le surplus de puissance que vous tirez du moteur électrique sera bien mieux exploité en gain de temps en côte que sur le plat! préférez donc garder votre énergie pour faire 16km/h en côte au lieu de 8 plutôt que de passer par exemple de 27 à 33 km/h sur le plat!

Revenons en au rendement, rendement pas seulement énergétique, mais en ce qui concerne votre compromis quantité d'énergie, fatigue, progrès potentiels...

soit deux types d'effort:
- non régulé en noir avec son coût métabolique en pointillé gris, et la production de puissance moyenne (trait droit noir)
- régulé en rouge, avec le coût métabolique en pointillé vert, et la production moyenne trait droit rouge.
L'effort irrégulier coûte beaucoup en utilisation de glucose, car celui ci est utilisé sans oxygène et "incomplètement" brûlé (fermentation lactique) en début d'effort puis en récupération, élimination ou recyclage des déchets: le métabolisme aérobie (d'endurance) est peu utilisé.
Dans le cas de l'effort régulier, une fois que le métabolisme aérobie s'est stabilisé, le glucose est combiné à l'oxygène (analogue à une combustion complète qui ne donne que de l'eau et du CO2) avec le rendement le meilleur, et sans déchets.
à fatigue égale on produit bien plus de puissance en moyenne ce qui donne plus d'énergie au système hybride humain plus moteur, mais aussi des meilleurs résultats: en effet, le potentiel de production d'énergie augmente avec l'entraînement car alors un temps maximal est passé à soliciter le métabolisme aérobie, l'entraînement réussi mieux dans le cas des efforts régulés (principe du cardio training)

exemple: Il est moins fatiguant de faire 100wh en faisant 100 watts 100% du temps que en faisant 150 watts 75% du temps... insistons encore sur le fait que le repos durant les pauses ne compense pas le surcroît de fatigue des efforts plus forts en un temps plus court pour rattraper... ET SURTOUT ce travail en pallier de puissance calibré fait faire des grands progrès... Le cycliste qui ne délivrait que 100wh d'énergie mécanique finit par exemple en un an et demi à en délivrer 200, donc par rapport au "début", le système restituant, du coup, 100 watts au lieu de 50 initialement (cas de 50% de pertes) ne fait "plus de perte" par rapport "à avant"... C'est qu'en effet le progrès compense LARGEMENT la perte de rendement. Et nous pouvons espérer que des solutions techniques réduisent considérablement les pertes: il existe déjà des moteurs qui ont plus de 90% de rendement, et des alternateurs presque parfaits, ainsi que des batteries, cela est cher mais ça existe. Avec une bonne ingénierie qui serait permise par une fabrication en usine, avec des moyens techniques plus importants, on peut tabler sur 80% de rendement toutes pertes comprises (récupération plus restitution): ainsi, sur les 200 watt.heure du cyclistes, 160 seront finalement envoyés aux roues... les 40 watts manquants sont déjà largement compensés par le gain d'efficacité obtenu coté organisme humain permis par une utilisation stable du métabolisme, largement plus que compensé par le confort régi par la loi des 10% moins fort 2 fois plus longtemps (il est moins fatiguant de pédaler en continu modérément que de pédaler seulement la moitié du temps mais plus que 10% plus fort!), et celle des efforts brefs, 19 fois plus gaspilleur de glucose!!! Et puis, si vraiment c'est nécessaire, il y aura toujours une centrale nucléaire qui alimente la prise de courant pour compléter la charge batterie.. La recharge consomme même pas autant qu'une télévision que vous ne regardez plus, puisque vous allez vous "promener"...