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Back 2.3.2017

Comment Zipp a adopté le biomimétisme

La curiosité a poussé les ingénieurs Zipp à étudier les nageoires des baleines à bosse lors du développement des roues Zipp 454 NSW

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Photo by Beardy Mcbeardy

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Les ingénieurs Zipp avaient une idée radicale : concevoir une roue qui ne soit pas tout à fait ronde... du moins au niveau de son diamètre intérieur, là où les rayons sont fixés. Ils pensaient que des bosses en carbone pourraient améliorer la stabilité et l’efficacité aérodynamique. 

Ce postulat est devenu réalité sous la forme de la nouvelle roue 454 NSW carbone à pneu, avec son profil de jante Sawtooth™ dotée de bosses Hyperfoil™ et d’empreintes Hexfin™. Quatre ans de travail ont été nécessaires, avec l’adoption d’un design tourné vers la nature – et plus particulièrement vers les nageoires des baleines à bosse –, pour développer la roue la plus innovante et la plus efficace qu’ai jamais conçu Zipp en 28 années d’existence.

À l’époque où il travaillait encore dans les sports motorisés, Michael Hall, Directeur du développement Zipp, avait remarqué la présence de formes ondulées sur les ailerons de voiture et autour des toits ouvrants. Il souhaitait tester un concept similaire sur les roues de vélo. Ses collègues ingénieurs Zipp partageaient son envie, et ils entreprirent ainsi de produire des prototypes de roues avec une forme ondulée , non conventionnelle, au niveau du diamètre intérieur de la jante. Les premiers résultats en soufflerie ne furent pas très concluants. L’équipe de Michael Hall continua de tester de nouvelles formes, mais les ingénieurs ne parvenaient pas à comprendre pleinement comment faire évoluer ces bosses ondulées en carbone. 

Alors, comme il l’avait déjà fait lorsqu’il était à l’université, David Morse, ingénieur du développement Zipp, se lança de manière frénétique dans les études. 

C’est à ce moment-là que les mots « tubercules » et « biomimétisme » firent leur apparition dans le lexique d’ingénierie Zipp.

Les tubercules sont de petites parties saillantes et arrondies à la surface d’une plante ou d’un animal. Pendant ses recherches sur les formes ondulées et la dynamique des fluides, David Morse est tombé sur des travaux académiques relatant l’effet des tubercules sur les nageoires des baleines à bosse. L’introduction d’un article dans le journal Integrative and Comparative Biology indiquait : «Les baleines à bosse sont dotées de nageoires extrêmement mobiles ressemblant à des ailes pour s’incliner latéralement et pour tourner. Les grands tubercules arrondis présents sur l’arête des nageoires sont des structures morphologiques uniques dans la nature.»

«La nature fait aujourd’hui figure de modèle dans l’amélioration des opérations et des dispositifs mécaniques. »

Le biomimétisme est l’objet de nombreux articles de recherche, notamment "The Tubercles on Humpback Whales’ Flippers: Application of Bio-inspired Technology" dans le journal Integrative and Comparative Biology.

La nature fait, de toute évidence, extrêmement bien de nombreuses choses. Mais comment cela peut-il s’appliquer aux roues de vélo ? Ce même article a souligné le potentiel d’une approche de l’innovation connue sous le nom de biomimétisme – s’inspirer des systèmes de la nature pour résoudre les défis humains. « La nature fait aujourd’hui figure de modèle dans l’amélioration des opérations et des dispositifs mécaniques, ainsi que dans le développement de technologies totalement nouvelles », écrivent les auteurs de l’étude, dont fait partie le célèbre chercheur en biomimétisme Frank Fish, de la West Chester University, en Pennsylvanie. Malgré leur poids pouvant aller de 22 à 36 tonnes, les baleines à bosse s’avèrent être des êtres particulièrement agiles et acrobatiques lorsqu’il s’agit d’encercler le krill dont elles se nourrissent, et ce, en grande partie grâce aux tubercules présents sur l’arête de leurs nageoires.

Des tubercules aux hyperfoils

Les ingénieurs Zipp avaient un nouveau point de référence pour leurs expérimentations. Les tubercules ont été à l’origine d’idées, de conception et d’inspiration, pour augmenter l’efficacité des pales d’éolienne.

« Nous avons essayé de découvrir pourquoi cette forme fonctionnait dans les autres secteurs. Comment cela était-il possible ? L’idée n’est en réalité pas venue de la baleine à bosse, mais c’est une fois que nous avons étudié les recherches réalisées sur les baleines à bosse, que cette dernière s’est affinée », raconte Ruan Trouw, ingénieur du développement Zipp.

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Les ingénieurs Zipp ont testé et rejeté 35 prototypes de jante avant de découvrir la forme qui deviendrait connue sous le nom de technologie Sawtooth™ de la roue 454 NSW.

Les progrès ont pris du temps. La roue 454 NSW – avec ses hyperfoils améliorés suite à nos recherches sur les tubercules – a nécessité quatre ans de développement, avec 36 prototypes et 252 heures en soufflerie. Les ingénieurs Zipp ont également eu recours à un capteur de vent pour les tests sur route. Ainsi est né une paire de roues avec une efficacité aérodynamique et une stabilité face aux vents latéraux nettement supérieures aux roues de forme classique. Par exemple, dans les virages serrés et les conditions de course les plus courantes, la 454 NSW permet de réduire la force latérale delta de 5 % (en grammes).

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Les ingénieurs Zipp ont développé des capteurs de vent pour les tests sur vélo.

Michael Hall, Ruan Trouw et David Morse travaillent dans un laboratoire à accès limité, qui est à la fois une mini-usine, « établi » dans un coin de la société Zipp. Michael a surnommé cette pièce secrète « The Nest » (le nid) en guise de clin d’œil à l’habitude de Zipp de nommer en interne les projets par des noms d’oiseaux (« Firecrest » – qui désigne un roitelet en anglais – était le nom interne d’un projet qui est devenu le nom officiel d’un produit). « The Nest » possède ainsi sa mini-usine avec une table de coupe de carbone et une presse à emmancher les roues. 

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Dans « The Nest » nous sommes capable de produire rapidement des prototypes de roue sans perturber la production principale de l’usine Zipp. L’équipe de Michael Hall est en charge du développement d’un produit pendant une durée de deux à quatre ans. Les meilleures idées sont ensuite transmises aux équipes d’ingénieurs en conception et en fabrication Zipp ainsi qu’aux techniciens de laboratoire qui se trouvent dans le même bâtiment, à Indianapolis.

L’isolement du « Nest » a permis à l’équipe de développement d’être à même de changer de cap, incluant l’adoption du biomimétisme. Si Michael Hall, David Morse et Ruan Trouw peuvent s’accorder sur ce qu’est un bon café latte, leurs profils variés suscitent des débats sur pratiquement tout le reste. Michael Hall a un passé dans les sports motorisés. Ruan Trouw évoluait dans l’aérospatial et la production. Quant à David Morse, il a toujours travaillé dans l’industrie du vélo.

Sous la direction de Michael Hall, David Morse s’est concentré sur l’efficacité et la stabilité en aérodynamique, et Ruan Trouw sur la structure et les techniques de fabrication requises pour transformer ces concepts en vrais produits. Nic James, le maître d’œuvre du rayonnage des roues, fait également partie de l’équipe de Michael Hall, lui apportant une expérience inestimable sur la meilleure manière possible de fabriquer des prototypes de roues avec une rigidité et une longévité optimales. 

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Le directeur du développement Zipp, Michael Hall, à la table de coupe de carbone.

« Les vendredis de la science »

Le trio d’ingénieurs du « Nest » organise régulièrement des rendez-vous informels, appelés « les vendredis de la science ». Les tâches quotidiennes sont alors mises de côté pour laisser place à un débat ouvert sur n’importe quelle question d’ingénierie qui viendrait à l’esprit de l’un d’entre eux. L’accent peut être mis sur un nouveau procédé de moulage en carbone ou une nouvelle forme de jante. « Nous n’avons pas peur d’avancer quelque chose de fou car si cela ne marche pas, tout le monde comprendra que c’était une mauvaise idée », explique David Morse.

Ces discussions incluent les moyens d’appliquer le biomimétisme sur d’autres produits Zipp. La nature offre des possibilités infinies pour des ingénieurs aussi curieux. Parmi les articles publiés par l’American Institute of Aeronautics and Astronautics figurent “Maple Seed Performance as a Wind Turbine” et “Experimental Design of a Flapping Wing Micro Air Vehicle through Biomimicry of Bumblebees.”

Lorsque l’on pense à la nature en termes de vitesse, un faucon plongeant en piqué ou un requin nageant est ce qui vient sans doute plus rapidement à l’esprit qu’une énorme baleine à bosse. Cependant, les réponses aérodynamiques peuvent être contraires à l’intuition – un fait que Zipp a démontré en 2010 lors de la présentation d’une forme de jante plus large et plus arrondie avec les roues Firecrest. On a longtemps cru que les jantes en forme de « V » étaient plus rapides.

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L’équipe de développement Zipp, de la gauche vers la droite : David Morse, Ruan Trouw et Michael Hall travaillant dans le laboratoire de développement « The Nest », à Indianapolis. On les rencontre également souvent dans la soufflerie ou sur la route.

« On ne peut pas vraiment appliquer l’aérodynamique d’un faucon à un vélo car un faucon va beaucoup plus vite et est beaucoup plus petit. La dynamique des fluides se produisant sur un faucon n’est pas la même que celle de l’air passant sur une personne ou un vélo », explique David Morse. « Même si l’idée derrière la forme de la 454 est parfaitement incarnée par la nageoire d’une baleine à bosse, lors du développement, nous avons veillé à prendre en compte les travaux de recherche se rapportant à des essais de tubercules dans l’air dans la même séquence de nombres de Reynolds que celle du fonctionnement d’une roue de vélo. »

De la même manière qu’un randonneur peut se balader en utilisant des repères naturels comme des balises, le biomimétisme peut fournir des pistes en matière d’innovation technologique. « Le nouveau produit sur lequel nous travaillons a également des liens avec la nature », confie Michael Hall.

Mais lorsqu’il s’agit de révéler quel système spécifique lui et son équipe étudient actuellement, Michael reste muet comme une carpe.

Plus d’informations sur ZIPP NSW et la roue 454 NSW