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L’Avenir Négligé de la Bicyclette Stationnaire

Wed, 25 May 2011 00:00:00 +0000

Image: a pedal-powered log splitter.

Si nous relancions la recherche sur les équipements alimentés par le pédalage - pour tenter de rattraper 70 ans d’opportunités manquées - et si nous oeuvrions dans la bonne direction, les pédales et les manivelles pourraient apporter une contribution importante au fonctionnement d’une société post-carbone qui maintiendrait bien des facilités de la vie moderne. Les possibilités de l’énergie du pédalage dépassent largement l’usage de la bicyclette.

Une manière de s’affranchir des importantes pertes d’énergie des générateurs à pédales est de ne pas produire d’électricité du tout, mais d’entraîner les équipements mécaniquement, aussi souvent que possible. Une autre possibilité - la seule pour les équipements qui ne peuvent être entraînés par une transmission mécanique directe, parce qu’ils ne reposent pas sur le mouvement rotatif - est de rendre plus efficace la production d’électricité.

C’est possible en construisant de toutes pièces un générateur à pédales, plutôt qu’en utilisant une bicyclette, ou bien en se débarrassant d’un ou plusieurs composants électroniques dans la chaîne de transmission de l’énergie. Toutes ces approches peuvent être combinées, ce qui mènerait à une unité de production d’énergie à pédales capable d’alimenter une multitude d’équipements mécaniques et de produire de l’électricité efficacement.

La transmission mécanique directe

Beaucoup de machines peuvent être entraînées par une transmission mécanique, bien que cela implique généralement d’adapter l’équipement pour qu’il fonctionne sans avoir besoin d’électricité. Malgré cela, les machines stationnaires à pédales avec transmission mécanique directe - bien qu’elles aient été courantes autrefois - ne sont pas commercialisées dans le monde occidental.

Fender-Blender-ProLe Fender Blender.

La seule exception semble être le Fender Blender, une machine mue par le pédalage qui sert à produire des smoothies. Pourtant, de bonnes vielles machines à deux roues sont en cours de conception à la fois par des amateurs dans le monde occidental et des associations à but non lucratif dans les pays en développement.

Au Guatemala, depuis 2001 Mayapedal a construit plus de 2000 machines à pédales à partir de pièces de bicyclettes. A ce jour, cette ONG a construit des versions à pédales de pompes à eau, de moulins, de broyeurs, de machine à produire des carrelages, d’éplucheuses, de machines à laver et de mixeurs. Leur fabrication coûte de 40 à 250 $. Ces engins se sont faits plus sophistiqués et moins coûteux avec le temps, en évoluant de bicyclettes transformées vers des machines à pédales construites de toutes pièces qui incorporent un volant d’inertie et sont capables d’entraîner différents types d’équipements.

Le VitaGoat Cycle Grinder (Vélo Moulin VitaGoat) développé par l’ONG canadienne Malnutrition Matters en est un autre exemple. Ce moulin à pédales constitue un maillon d’une chaîne complète de traitement de la nourriture qui est livrée aux pays en développement d’Asie et d’Afrique. Chocosol enseigne aux habitants du Mexique comment construire leur propre moulin à pédales pour fèves de cacao et les Canadiens à l’initiative de ce projet utilisent aussi cette technologie dans leur magasin de Toronto. Le projet Full Belly (Ventre Plein) conçoit des éplucheuses à énergie humaine pour les paysans d’Afrique.

Image: Mayapedal.

Mais il y a aussi beaucoup d’engins construits par des particuliers, comme la machine à laver à pédales d’Alex Gadsden et Homeless Dave, le mélangeur de savon à pédales de Frederick Breeden, ou le broyeur à pommes à pédales de Ben Polito. Des machines semblables ont aussi été construites en dehors des USA. Certains se sont concentrés sur la restauration et la remise en service de machines anciennes, comme Blue Ox Millworks.

Le grand besoin d’espace est un inconvénient évident de la conception d’une machine à pédales pour chaque activité d’un ménage, d’une ferme ou d’un atelier. Qui plus est, concevoir un groupe énergétique à pédales pour chaque outil peut demander beaucoup d’efforts, d’argent et d’énergie.

Ce n’est pas tant un problème dans le cas d’utilisations industrielles à petite échelle, où peu de machines sont nécessaires à la fabrication d’un produit. Le mélangeur de savon à pédales déjà mentionné en est un bon exemple. C’est pourquoi un mélangeur à pédales peut être une option réaliste pour de petites entreprises, comme un bar à smoothies.

La conception d’unités universelles de production d’énergie à pédales dotées d’une transmission mécanique directe été intensivement étudiée dans les années 1970

Cependant, quand davantage d’outils sont nécessaires et que l’espace est restreint, comme c’est souvent le cas, il faut trouver des moyens de contourner ce problème. Une solution est d’utiliser l’énergie du pédalage pour produire de l’électricité qui peut ensuite être utilisée pour alimenter différents équipements. Toutefois, cette approche est particulièrement inefficace, avec des pertes d’énergie qui peuvent atteindre 70 %, et elle doit être évitée à chaque fois qu’un équipement peut être entraîné mécaniquement.

Une autre solution est de concevoir une unité universelle de production d’énergie à pédales, avec une transmission mécanique directe qui puisse être utilisée pour faire fonctionner une grande variété d’outils et d’équipements différents (y compris un générateur électrique). Cette méthode, qui résout à la fois les problèmes de l’espace et du faible rendement, a été intensivement étudiée dans les années 1970.

Des machines à pédales polyvalentes

Les machines à pédales universelles n’existaient pas au tournant du XXème siècle, bien que certaines aient pu combiner quelques fonctions (le sciage et le perçage par exemple). Au moins cinq inventions intéressantes ont été conçues et construites dans les années 1970 : l’Energy Cycle (par Dirk Ott), le Dynapod (par Alex Weir), le moteur humain à volant d’inertie (Human Powered Flywheel Motor par JP Modak), l’unité de production énergétique à pédales (Pedal Power Unit par David Weightman) et la Bicyclette à Double Usage (Dual-Purpose Bicycle par Job Ebenezer). Tous ces modèles n’en sont pas moins intéressants pour la construction d’unités de production énergétique à pédales pour un usage particulier.

Image: Mayapedal.

Le Dynapod

Après avoir expérimenté avec les machines à pédales dédiées à un usage dans différents pays d’Afrique, l’ingénieur britannique Alex Weir a construit un “Dynapod” polyvalent (le nom vient des mots grecs “puissance” et “pied”) en Tanzanie au début des années 1970. Le module de puissance, inspiré d’un prototype conçu par Stuart Wilson à l’université d’Oxford en 1968, était disponible en version une place et en version deux places. La version tandem doublait la puissance de sortie, tout en lissant le flux de puissance, puisque les paires de pédales étaient en opposition de phase.

Le Dynapod était fait d’un cadre sur-mesure. En dehors des pédales, des manivelles et des transmissions par chaîne, cette machine n’avait rien de commun avec une bicyclette. Les premiers prototypes avaient un cadre en bois, tandis que les versions ultérieures étaient dotées d’un cadre métallique. Pour le volant d’inertie, Weir utilisait une vieille roue de bicyclette remplie de ciment. Le coût d’une unité en bois était de 40 à 100 $ (1980), pièces et main d’oeuvre incluses.

Image: Dynapod.

Le Dynapod pouvait entraîner des pompes, des moulins à maïs, des vanneuses, des soufflets de forge, des moulins (grinding machines), des perceuses, des roues de potier, des pistolets à peinture, des pulvérisateurs, des rapes à manioc (cassave graters), des dépulpeurs à café, des décortiqueuses, des défibreuses (fibre decorticators), des broyeurs, des botteleuses, des scies à ruban, des gonfleurs de pneumatiques, des machines à coudre. Il pouvait aussi servir à produire de l’électricité.

En dehors des pédales, des manivelles et des transmissions par chaîne, ces machines à énergie humaine n’ont rien de commun avec une bicyclette

Pour permettre le fonctionnement d’une aussi grande variété d’équipements, le Dynapod était équipé de plusieurs transmissions. Il pouvait être actionné par un entraînement direct de rapport 1:1 (lorsqu’un couple élevé est nécessaire à basse vitesse), via une transmission par chaîne avec un rapport atteignant 3:1 (un compromis entre le couple et la vitesse pour faire fonctionner des moulins, broyeurs, etc. ) ou via une transmission par courroie avec un rapport atteignant 10:1 (pour la génération d’électricité, une vanneuse, ou d’autres usages nécessitant une grande vitesse). La machine permettait de passer facilement d’une transmission à l’autre. Les vitesses multiples sur les machines à pédales n’étaient pas une nouveauté - certaines machines plus anciennes en étaient déjà équipées.

L’Energy Cycle

Rodale Press, l’éditeur du livre “L’énergie des pédales pour le travail, les loisirs et le transport” (Pedal Power in Work, Leisure and Transportation) paru en 1977 disposait aussi d’une équipe de recherche - le Rodale’s Research and Development Department. En collaboration avec l’inventeur Dick Ott, cette équipe a conçu sa propre version d’une unité de production d’énergie universelle à pédales, l’“Energy Cycle” (Vélo Energie).

Image: Energy Cycle.

Tout comme le Dynapod, l’Energy Cycle était construit de toutes pièces et pouvait recevoir un grand nombre d’outils démontables. Parmi ceux-ci on trouvait des appareils ménagers (comme un fouet pour les oeufs, un décapsuleur, un hachoir à noix, un mixeur, une écailleuse à poissons, un trancheur de viande et de fromage, et un dénoyauteur de cerises), des machines agricoles (dont une pompe à eau pour l’irrigation, une machine à plumer, une arracheuse de pommes de terre, une égreneuse à maïs, une vanneuse, une polisseuse de riz, un aplatisseur à avoine) et des outils plus généraux (comme une meuleuse, une ponceuse, une perceuse, une machine à sculpter et un chargeur de batterie).

Plusieurs améliorations du prototype ont été construites, d’abord en fer, et ensuite en acier. A la première révision du modèle, une grande table de travail a été ajoutée à l’unité. Elle permet à l’opérateur de réaliser de nombreuses tâches sans quitter son siège. Les versions ultérieures ont été équipées d’un volant d’inertie. Des expériences ont montré que cette unité apportait des bénéfices considérables par comparaison à des outils à main ou bien des machines ou des moteurs de faible puissance. La difficulté principale réside dans l’invention d’un moyen universel de coupler chaque application à l’Energy Cycle - ce qui devrait être facilement accessible si un développement industriel sérieux y était consacré.

Le treuil à pédales : remplacer un cheval de trait ou un tracteur

Le Dynapod comme l’Energy Cycle pouvaient aussi se transformer en treuil à pédales, ce qui ouvrait tout un champ de possibilités nouvelles. Un treuil peut servir à tirer, creuser, soulever des charges, chasser la neige. En agriculture, un treuil peut être utilisé pour la culture par câble, un principe où la force motrice pour labourer (ou herser, cultiver, semer, faner) est fixe, et seul l’outil (attaché à un porte-outils multifonctionnel mobile) traverse le champ au bout d’un câble.

Cette technique agricole s’inspire du labour à vapeur par câble, qui fut la seule méthode d’agriculture mécanisée pendant près de 100 ans. La culture à câble s’accompagne d’économies d’énergie considérables, parce que la force motrice - qu’elle soit humaine, animale ou mécanique - évite de gaspiller de l’énergie à se déplacer elle-même sur le sol. Les avantages supplémentaires sont d’éviter le compactage du sol, qui est un problème notable de l’utilisation du tracteur, et la possiblité de travailler sur des sols inondés ou dans des pentes raides.

La culture par câble repose sur le principe selon lequel la puissance motrice pour labourer (ou herser, cultiver, semer, et faner) est fixe, et seul l’outil se déplace à travers champ au bout d’un câble.

Dans un champ laissé en jachère pendant un an, l’Energy Cycle a tiré une charrue à travers le sol couvert d’herbe et d’adventices, et remplacé avec succès le travail d’un cheval de trait ou d’un tracteur. Une personne pédalait pour entraîner le treuil qui tirait la charrue à travers le champ, tandis qu’une autre personne la guidait.

Il a fallu environ une heure à 2 personnes pour labourer 150 mètres carrés. La seule difficulté était que le treuil avait tendance à casser ou à briser les outils à main ordinaires. Du fait de ce problème et parce que l’Energy Cycle était si prometteur comme outil de jardin et d’agriculture, l’équipe de recherche avait construit un treuil à pédales spécialisé et des outils dédiés.

Cette unité plus compacte - simplement deux pédales séparées par une bobine montée sur des paliers, incorporés dans un châssis qui supportait aussi le siège, était aussi capable de tirer plus de 450 kg pour un effort de pédalage moyen, amplifiant la force humaine presque d’un facteur dix. En combinaison avec un châssis spécial qui pouvait porter différents accessoires, l’unité a été utilisée avec succès pour tirer, chasser la neige, arracher de petites souches, et tracter des semoirs, des herses, et des rateaux à foin.

Les travaux exigeant une traction intense et lente, tels que le labour dans un sol lourd utilisaient la petite vitesse. Les deuxième et grande vitesses étaient utilisées dans les travaux plus faciles comme passer la herse ou le cultivateur. Afin de pouvoir le déplacer latéralement pour cultiver une rangée après l’autre, un treuil à pédales peut être monté sur des patins. En fonctionnement, le poids de l’opérateur fournit un ancrage suffisant.

Le moteur humain à volant d’inertie

Le moteur humain à volant d’inertie, conçu en Inde par J.P. Modak, un professeur émérite d’ingénierie, est une variante intéressante de machine à pédales polyvalente. La caractéristique remarquable de la machine de Modak - qui est en développement depuis 1979 - est qu’elle peut délivrer beaucoup plus de puissance que l’homme qui l’actionne.

Le moteur humain à volant d’inertie peut délivrer beaucoup plus de puissance que la personne qui l’utilise

Le système mécanique utilise l’énergie humaine et l’emmagasine dans un volant d’inertie. Le rythme de fourniture d’énergie est adapté à celui qui pédale. Après avoir stocké le maximum d’énergie possible dans le volant d’inertie (le temps de pédalage nécessaire est de 1 à 2 minutes), l’énergie est rendue disponible pour actionner l’unité de traitement par la libération rapide de l’énergie emmagasinée dans le volant d’inertie, via un embrayage adapté. Le principe ne marche que quand le traitement peut être de nature intermittente sans affecter le produit final.

Le moteur humain à volant d’inertie a été développé initialement pour la fabrication de briques pour un office de logement de Mumbai, en Inde. Depuis, il a été utilisé avec succès dans plusieurs activités productives rurales, comme le relevage de l’eau, le traitement de formations d’algues, le tournage du bois, le vannage, l’effeuillage du bois, la production d’électricité et l’entraînement d’un marteau de forge.

Ce dispositif mécanique serait capable d’alimenter des processus nécessitant jusqu’à une puissance de 6 chevaux (bien qu’à ce jour la puissance maximale atteinte soit de 2 chevaux). Ce serait de 20 à 60 fois environ ce qu’un homme peut en moyenne soutenir soit momentanément (300 W) soit pendant de longues périodes (100 W).

L’unité de production d’énergie se compose d’un cadre de bicyclette qui fournit un siège et un guidon, d’une paire de multiplicateurs de vitesse, et d’un volant d’inertie d’un mètre de diamètre. La transmission se compose d’un embrayage spiral et d’une paire d’engrenages multiplicateurs de couple. En particulier, pour la fabrication de briques, l’unité de traitement se compose d’une tarière, d’un cône, d’une filière, utilisés conventionnellement dans les extrudeurs motorisés pour la fabrication de briques d’argile.

Combiner les puissances du pédalage stationnaire et du pédalage mobile

David Weightman a développé une approche totalement différente des machines à pédales polyvalentes. Son concept (et son prototype) était inspiré du Dynapod, mais Weightman a ajouté un aspect : la machine doit rester utilisable pour se déplacer. Son unité de puissance à pédales (PPU pour Pedal Power Unit) était constituée d’une roue de bicyclette dans une fourche montée sur un cadre doté d’une selle.

Cette unité pouvait donc être utilisée indépendamment pour actionner une machine via une prise de force mais pouvait aussi être connectée à un châssis à deux roues pour former un tricycle porteur de charge. De plus, une PPU pouvaient être connectée en série avec d’autres pour des applications nécessitant plus de puissance. Weightman justifait son concept en insistant sur le lien étroit entre le transport et l’utilisation de machines dans l’agriculture et la production industrielle.

“Dans un cycle de culture typique, la semence et l’engrais sont transportés jusqu’au champ, les récoltes sont produites et transformées avec des machines, et les récoltes sont ensuite transportées jusqu’au marché. On retrouve des schémas similaires dans la construction et la production industrielles à petite échelle.

L’utilisation d’une unité de puissance à pédales à cette double fin est exactement analogue à l’emploi des tracteurs dans l’agriculture Européenne comme sources de puissance et comme moyens de transport. La PPU convient aussi bien que le Dynapod pour faire fonctionner plusieurs machines mais elle est plus réaliste économiquement pour un agriculteur seul, du fait de la capacité de cette machine à être un moyen de transport.”

Bicyclette à Double Usage

Job Ebenezer de l’ONG “Technologie du pauvre” (Technology for the Poor) a poursuivi le développement de cette idée, en la simplifiant grandement par la substitution d’une bicyclette au tricycle. A première vue, sa Bicyclette à Double Usage ressemble beaucoup aux unités de génération d’électricité que l’on trouve aujoud’hui sur le marché, bien qu’elle soit non seulement destinée à produire de l’électricité, mais aussi à entraîner mécaniquement de nombreuses machines.

Bicyclette à Double Usage de Job Ebezener.

Ce modèle ingénieux, principalement d’usage agricole, se compose d’un tout petit volant d’inertie attaché à une bicyclette standard, ce qui permet son utilisation comme machine à pédales pour actionner de nombreux engins mécaniques de petite taille, comme des broyeurs à céréales, des moulins, des vanneuses, des éplucheuses de cacahuètes, des égreneuses de maïs, des scies circulaires, des tours à bois, des pompes à eau, des générateurs électriques et une série d’autres petits outils.

Quelques minutes suffisent pour passer cet engin du mode véhicule au mode unité de puissance à pédales. Le support large qui donne une grande stabilité pendant la production d’énergie peut être replié vers le haut en mode véhicule et se transformer en porte-bagages. Le générateur de puissance reste attaché à la bicyclette en mode véhicule, si bien qu’il peut être transporté facilement et utilisé immédiatement. Bien sûr cette unité de puissance à pédales est un compromis, mais ce compromis est intéressant.

Contrairement aux modèles modernes, la Bicyclette à Double Usage a un petit volant d’inertie et elle n’utilise pas l’entraînement par friction, à cause de la faible efficacité de celui-ci. En mode moteur, la chaîne du vélo elle-même est retirée du pédalier, et une chaîne spéciale est installée pour le mécanisme de prise de force. Changer de démultiplication est aussi simple que sur un vélo de route. Pour entraîner des engins plus puissants, un volant d’inertie plus grand peut être placé entre le module de puissance et l’unité de traitement.

Image: L'unité de cuisine R2B2 du concepteur Allemand Christoph Thetard.

Les pédaliers

Les nombreux avantages des machines à pédales ne rendent pas obsolètes les manivelles ou des machines à coudre anciennes. Tous les équipements n’ont pas besoin de surcroît de couple apporté par le pédalage. Les manivelles et les pédaliers peuvent être une meilleure option si les besoins de puissance sont faibles, ou si la puissance n’est nécessaire que sur une courte période.

Un engin à manivelle est beaucoup plus compact qu’un engin à pédales. Si les mains doivent rester disponibles lorsqu’on fait fonctionner un équipement de faible puissance, les pédaliers restent le meilleur choix parce qu’ils offrent à l’opérateur plus de liberté de mouvement que les pédales.

Bien sûr, les deux mécanismes peuvent aussi bénéficier des avantages des dispositifs et des matériaux modernes - y compris les multiplicateurs de vitesse ou de couple. L’unité de cuisine R2B2 du concepteur Allemand Christoph Thetard en est un bon exemple (même si elle n’est pas commercialisée, malheureusement).

Elle combine 3 équipements ménagers avec une unité centrale d’entraînement. Le coeur de l’unité est un volant d’inertie animé par un pédalier qui fonctionne comme un stockage d’énergie à court terme (comme dans le moteur humain à volant d’inertie), capable de fournir plus de 350 W (de puissance mécanique) aux équipements. Comme les machines de la fin du XIXe siècle, et au contraire des engins de cuisine d’aujourd’hui, l’unité R2D2 est construite pour durer.

Réduire les coûts et les pertes d’énergie dans la production d’électricité à pédales

Beaucoup de machines modernes ne peuvent pas être entraînées directement par l’énergie mécanique. C’est particulièrement vrai pour les équipements électroniques (commes les ordinateurs, les téléphones portables, les télévisions, les routeurs, etc. ), mais c’est aussi le cas des réfrigérateurs et des ampoules pour l’éclairage. Si nous voulons conserver ces commodités, nous devons trouver des façons d’optimiser l’électricité produite par le pédalage. Il y a plusieurs façons de faire.

1. Construire un générateur de toutes pièces

Parce qu’elle a peu d’inconvénients, la meilleure façon de commencer est de construire de toutes pièces un générateur à pédales, plutôt que d’utiliser une bicyclette sur un support d’entraînement. Cela permet de remplacer le couplage par friction par un couplage beaucoup plus efficace, comme une transmission par chaîne, et d’ajouter un volant d’inertie.

Image: David Butcher

Des volants d’inertie en acier existent sur les vélos d’entraînement les plus onéreux. Cependant, on peut faire un volant d’inertie très économique, low-tech et tout aussi efficace en utilisant un roue remplie de béton ou un plateau de table en bois. C’est cette dernière solution qui est utilisée sur le Tracteur à Pédales (Pedal Powered Prime Mover - PPPM) fabriqué par David Butcher. Le PPPM est l’un des quelques bons exemples de générateur d’électricité à pédales construits de toutes pièces (les plans sont vendus au prix de 50 $, on estime à 230 $ le prix de la version à fabriquer soi-même). Le PPPM est construit sur un cadre en acier fait de supports d’étagères en acier.

Bien que le PPPM utilise un couplage par friction, ce couplage est plutôt efficace car il est simplement alimenté par une roue en bois - le volant d’inertie. Puisqu’une pression de pneu plus élevée augmente l’efficacité d’un couplage par friction, on peut voir une roue en bois comme une roue de bicyclette à la pression optimale. De plus, le volant d’inertie est entraîné directement par les pédales, ce qui élimine la perte d’énergie dans la chaîne et les pignons (c’est un ’entraînement direct’ en d’autres termes). Le seul inconvénient de cette méthode est que l’on ne peut pas changer de vitesse.

Butcher (qui a construit sa première machine dans les années 1970) affirme un gain d’efficacité de 25 à 50 % par comparaison à une bicyclette standard sur un support d’entraînement. Elément intéressant, le PPPM peut aussi alimenter certains engins comme une pompe à eau, un marteau, un burin, un compresseur d’air et une scie à métaux. Construire une machine à pédales de toutes pièces peut ainsi vous offrir le meilleur des deux mondes.

2. Se débarrasser de l’électronique

On peut aller beaucoup plus loin dans l’amélioration de l’efficacité d’un générateur à pédales. Dans le cas le plus extrême, on peut se débarrasser du régulateur de tension, du convertisseur et de la batterie, ce qui ne laisse que les pertes d’énergie du générateur. Ou bien on peut laisser de côté l’un ou l’autre de ces composants.

En poussant à l’extrême, on peut se débarrasser du régulateur de tension, du convertisseur et de la batterie, ce qui ne laisse que les pertes d’énergie du générateur.

Cependant, toutes ces mesures ont un prix. Si l’on se débarrasse du convertisseur, il faut remplacer les appareils électriques utilisés. Dans ce cas, il faut des équipements en courant continu (DC), comme ceux que vous pouvez brancher sur l’allume-cigare de votre voiture.

Donc si vous vous débarrassez du régulateur de tension, et plusieurs des générateurs à pédales sont livrés sans - vous devrez surveiller attentivement un multimètre tout en pédalant pour vous assurer que la tension ne dépasse pas la capacité de la batterie (ou de l’équipement que vous alimentez si vous vous débarrassez aussi de la batterie). Sinon, vous pourriez détruire la batterie (ou l’équipement, si vous n’utilisez pas de batterie). Un volant d’inertie peut être d’un grand secours ici, parce qu’il lisse non seulement l’entrée d’énergie (la force alternativement forte et faible d’un rythme naturel de pédalage) mais aussi sa fourniture, et maintient la tension électrique relativement constante.

3. Se débarrasser de la batterie

Se débarrasser de la batterie ou la remplacer par un gros condensateur, beaucoup plus efficace et robuste, est probablement la chose la plus bénéfique que l’on puisse faire, pas seulement en terme d’efficacité, mais aussi de coût, de fiabilité, et - en particulier - de durabilité. (Les condensateurs ont une durée de vie beaucoup plus longue que les batteries, mais une densité d’énergie nettement plus faible.) Cependant, on perd alors l’intérêt de produire de l’électricité et de la stocker pour un usage futur. Dans ces conditions, il faudra pédaler en même temps que l’on utilise l’équipement, comme c’est le cas avec la transmission mécanique directe.

Que ce soit adapté ou non dépend de l’utilisation visée pour le générateur. Si l’objectif est principalement de charger un ordinateur portable ou un téléphone portable, ne pas avoir de batterie pour stocker l’électricité n’est pas un problème puisque l’équipement lui-même en est doté. En revanche, s’il s’agit d’allumer la cage d’escalier ou d’alimenter une télévision, un ordinateur, une guitare électrique ou un petit réfrigérateur, cela devient très pénible. Pour diffuser de la musique enregistrée et danser, il serait difficile de se passer de batterie.

4. Construire des usines de production à pédales à grande échelle

Améliorer l’éfficacité de la production d’électricité par le pédalage devient plus facile quand on l’organise à plus grande échelle. Dans la plupart des projets artistiques et éducatifs décrits précédemment, comme le programme de la BBC ou les concerts alimentés par le pédalage, aucune batterie n’est utilisée. La clef ici est que ce n’est pas la même personne qui à la fois produit et consomme de l’électricité, mais un grand groupe de personnes, parmi lesquelles certaines produisent de l’électricité, tandis que d’autres la consomment.

De façon similaire, de grandes centrales électriques à pédales peuvent produire l’électricité, qui est ensuite distribuée dans les maisons, les boutiques, les espaces publics et les usines. Cela est plus efficace que de le faire séparément dans chaque maison, parce que l’on peut se débarrasser des batteries, tout en offrant de l’électricité 24h sur 24. Les centrales ajouteraient simplement plus de pédaleurs lorsque la demande est importante (comme pendant les heures de pointe) ou les renverraient à la maison quand la demande est faible (la nuit, par exemple)

Les centrales électriques à pédales pourraient être une solution d’appoint valable aux sources d’énergie renouvelables

Les centrales à électricité d’origine humaine devraient éviter les pertes de transmission de l’actuel réseau électrique, qui est extrêmement centralisé. Il vaudrait mieux qu’elles soient situées dans chaque village et chaque quartier d’une ville. Selon ce scénario, il devient aussi possible de se débarrasser des convertisseurs pour passer d’un réseau de distribution électrique en courant alternatif à un réseau en courant continu, puisque ce dernier a seulement été choisi parce qu’il était plus efficace pour transporter l’électricité sur de plus grandes distances.

L’avenir des machines entraînées par des pédales

Si nous relancions la recherche sur les équipements alimentés par le pédalage, en essayant de rattraper 70 ans d’opportunités manquées - et que nous oeuvrions dans la bonne direction, les pédales et les manivelles pourraient apporter une contribution importante au fonctionnement d’une société post-carbone qui conserve beaucoup des facilités de la vie moderne. Par conséquent, les possibilités de l’énergie du pédalage dépassent largement l’usage de la bicyclette.

Les pédaleurs pourraient faire tourner l’agriculture, les usines, la construction, les mines et même d’autres moyens de transport que les bicyclettes : les transports par câbles, les trains à câbles, les bateaux-trolleys. Les centrales électriques à pédales pourraient constituer une solution d’appoint pour les sources d’énergie renouvelables intermittentes, et remplacer le charbon, le gaz et le nucléaire comme source d’énergie de base quand le soleil et le vent nous laissent tomber.

La puissance humaine est disponible 24 heures sur 24, n’est pas affectée par les changements de temps, est facilement transportable, et peut être facilement stockée pour un usage futur. Au contraire du vent et de la biomasse, cette source d’énergie ne sera jamais épuisée, car son potentiel suit le rythme de la croissance de la population. La puissance du pédalage aiderait à lutter contre le chômage, et produirait une force de travail en forme et en bonne santé, ainsi que de beaux derrières en grande quantité.

Les limites de la puissance du pédalage

Naturellement, la puissance du pédalage ne changera quelque chose que si nous réduisons drastiquement notre consommation énergétique. Tandis que des athlètes peuvent produire une puissance de plus de 2000 W sur une bicyclette, ils ne peuvent tenir ce rythme que sur une période de quelques secondes. La puissance que peut délivrer une personne dans la moyenne est beaucoup moins impressionnante : 75 W ou 1 “hup”. Cette unité de mesure (sigle pour puissance humaine (_hu_man _p_ower) ) a été proposée en 1984, et nous apprend qu’une personne peut en moyenne soutenir 1 hup pendant toute une journée, 2 hups (150 W) pendant à peu près 2 heures, 3 hups (225 W) pendant environ 30 minutes, et 4 hups (300 W) brièvement seulement.

L’absence de vents rafraîchissants auto-produits peut causer l’hyperthermie

Une autre raison de ne pas être indûment optimiste quant à la production d’énergie du pédalage stationnaire est le fait que le pédaleur stationnaire n’a pas besoin de vaincre la résistance de l’air. Cela semble une bonne chose, parce qu’à des vitesses plus élevées un cycliste consacre l’essentiel de son énergie à compenser la résistance de l’air. Cependant, la résistance de l’air protège aussi le corps humain actif contre l’hyperthermie.

On a montré que la puissance de sortie mesurée par des ergomètres (vélos stationnaires utilisés pour mesurer la puissance motrice des cyclistes) est sensiblement plus faible que celle produite par la même personne sur la route à cause de l’absence de vents raffraîchissants auto-produits, ce qui peut avoir pour conséquence l’hyperthermie (le problème se pose aussi dans les vélomobiles). Un ventilateur (auto-entraîné) pourrait rafraîchir les pédaleur stationnaire, mais ce n’est qu’une solution partielle. Comme David Wilson le note dans Bicycling Science (La Science de la Bicyclette) :

“Le flux d’air relatif produit par le déplacement du vélo est d’une telle intensité qu’il n’a guère de ressemblance avec les bouffées produites par les petits ventilateurs électriques souvent utilisés pour refroidir les personnes qui pédalent sur un ergomètre. A une vitesse d’environ 9 m/s, 150 W sont dissipés dans l’air. Même si des ventilateurs de cette puissance étaient utilisés [ce qui rendrait négative la puissance produite par le pédaleur, kdd], l’effet raffraîchissant serait bien inférieur à celui d’un cycliste en mouvement, parce que l’essentiel de la puissance du ventilateur est dissipée en frottements de l’air dans d’autres zones que le corps du sujet.”

Alors que la production de chaleur corporelle pourrait avoir des effets secondaires intéressants en hiver - le cycliste, et même d’autres personnes dans une petite pièce ne devraient pas avoir besoin de chauffage - cela n’en limiterait pas moins l’énergie que l’on peut tirer du pédalage. Pédaler dehors quand il y a du vent pourrait aider, mais ce n’est pas toujours possible.

On recrute 1.2 milliard de pédaleurs pour le Royaume-Uni

Cependant, le problème principal réside dans le besoin de pédaleurs. Pour s’en faire une idée, voyons combien de personnes seraient nécessaires si l’on voulait utiliser la puissance du pédalage dans une centrale énergétique de base. Une famille britannique moyenne consomme environ 13 kWh d’électricité par jour (une famille américaine consommerait au moins deux fois plus).

Si nous considérons une perte d’énergie relativement faible de 25 % pour convertir la puissance humaine en électricité, cela demanderait 173 h de pédalage à 100 W (donc plus qu’un hup) pour produire 75 Wh par heure. Si nous supposons une consommation d’électricité qui est uniformément répartie sur 16 h et aucune consommation d’électricité la nuit, cela nécessiterait deux équipes de 10 personnes qui pédaleraient chacune 8 heures sans interruption. Et cela ne concerne que l’usage domestique de l’électricité.

Si nous considérons la consommation totale d’électricité au Royaume-Uni, chaque personne a besoin de 15.7 kWh par jour, ou deux équipes de 10 personnes pédalant chacune pendant 8 heures sans arrêt. Le Royaume Uni aurait besoin de faire venir une force de travail de 1.2 millard de personnes (un nombre égal à la population indienne) pour accéder à l’indépendance énergétique en pédalant, et interdire à ces gens d’utiliser de l’électricité eux-mêmes.

Ici, nous n’avons même pas pris en compte les pics de demande, mais la consommation moyenne. Et il n’est question que de la consommation d’électricité, pas du chauffage ou des carburants pour le transport. Bien sûr, le vent et le soleil pourraient contribuer à diminuer le besoin de puissance du pédalage comme source de base. Mais lorsqu’il n’y pas de soleil ou pas de vent, il faut trouver une source complémentaire.

D’un autre côté

Dans d’autres parties du monde, les choses sont légèrement différentes. Si tous les népalais pouvaient pédaler 2 heures par jour, le pays serait entièrement alimenté par le pédalage, même sans le support d’autres énergies renouvelables. Chose intéressante, l’ONG Ecosystems Nepal distribue des générateurs de puissance à pédales aux villages népalais où ces générateurs sont utilisés dans un scénario quelque peu semblable à celui envisagé plus haut. Un village est équipé d’un générateur de puissance à pédales, qui est actionné 8 heures par jour pour charger de grosses batteries.

Le problème principal de notre approche des machines entraînées par le pédalage est que nous les comparons aux machines entraînées par les énergies fossiles et pas aux inefficaces outils et machines actionnés par l’homme avant celles-ci

La ‘centrale électrique’ de ce village reçoit la visite des gens de la campagne environnante. Ils passent à peu près une fois par mois pour charger leur petites batteries de motocyclette. Même si l’on tient compte des pertes d’énergie considérables (en utilisant des grosses batteries pour en charger de plus petites), un générateur à pédales produit assez d’électricité pour 200 maisons. C’est possible parce que les petites batteries n’ont besoin que d’alimenter des lampes à led de 0.2 W, suffisantes pour lire un livre. Je crains que même mon Kindle ne consomme plus que cela, et il n’a pas d’éclairage de lecture.

Les pédales et les manivelles ne résoudront rien si nous décidons de nous accrocher à notre style de vie intensif en énergie - mais alors, il en va de même de tout autre source d’énergie renouvelable (ou même non-renouvelable). Le problème principal de notre approche des machines entraînées par le pédalage est que nous les comparons aux machines entraînées par des machines alimentées par les énergies fossiles et pas aux inefficaces outils et machines actionnés par l’homme dans le passé.

Ceci explique pourquoi on se moque souvent de la puissance des pédales dans le monde occidental, alors qu’on les accueille avec enthousiasme dans les pays en développement, dans lesquels, par exemple, les méthodes agricoles continuent de reposer massivement sur l’utilisation de la puissance humaine avec des outils primitifs qui sont habituellement inefficaces. C’est un scénario dans lequel la lumière est produite par des lampes à kérosène sales et inefficaces, ou dans lequel il n’y a pas de lumière du tout.

Ironiquement, les villages des pays les plus pauves du monde développent des sociétés soutenables, indépendantes des combustibles fossiles, tout en bénéficiant des facilités modernes quoique minimales, tandis que nous continuons à être de plus en plus dépendants des sources d’énergie de plus en plus sales et dangereuses, et de sources d’énergie en déclin.

Sources

“Pedal Power in Work, Leisure and Transportation”, edited by James McCullagh, Rodale Press, 1977. Still the best resource on pedal powered machines.
“The Human-Powered Home: Choosing Muscles Over Motors”, Tamara Dean, New Society Publishers, 2008. Very good book on human powered machines, both hand and foot powered. Includes half a dozen plans to convert bicycles into stationary pedal powered machines.
“Bicycling Science”, Third Edition, David Gordon Wilson, 2004
“The Dynapod: a pedal power unit” (pdf), Alex Weir, 1980. More here.
“The use of pedal power for agriculture and transport in developing countries” (pdf), David Weightman, Lanchester Polytechnic, 1976
“Design of a human-powered utility vehicle for developing communities”, Timothy J. Cyders, 2008
“Supplement, Energy for rural development”, National Research Council, 1981
“Tales from the Blue Ox”, Dan Brett, 2003
“Bicycles and tricycles”, Archibald Sharp, 1896
“In search of the massless flywheel” (pdf), John S. Allen, Human Power (Fall/Winter 1991-1992)
“Design and development of a human-powered machine for the manufacture of lime-flyash-sand bricks”, J.P.Modak & S.D.Moghe, Human Power (Spring 1998)
“Human Powered Flywheel Motor: concept, design, dynamics and applications”, J.P.Modak, 2007
“Modern mechanism: exhibiting the latest progress in machines, motors, and the transmission of power”, Benjamin Park, 1892
“Make electricity while you exercise”, Mother Earth News, 2008
“Luther’s tool grinders” (pdf, 5.8 MB), hand and foot powered grinders catalog. Hosted at Toolemera Blog.
“Woodworkers’ tools and machines” (pdf, 29 MB), product catalogue no.25, 1884, Richard Melhuish Ltd., Tool and Machine Merchants, London. Hosted at Toolemera Blog.
“Science & civilisation in China, Vol.5, Part 9”, Joseph Needham, 1988

La brève histoire des premières machines à pédales

Wed, 25 May 2011 00:00:00 +0000

Image: Une scie fonctionnant à pédales.

Depuis la généralisation des énergies fossiles et de l’électricité, les outils et machines manuelles sont considérées comme des technologies largement dépassées. C’est bien vite oublier toute l’innovation technique dont elles ont fait l’objet afin d’améliorer leur rendement.

C’est à la fin du XIXe siècle que le mécanisme qui permet de capter l’énergie produite par une personne: le pédalier. Les machines à pédalier stationnaire rencontrèrent un boom au tournant du XXe siècle, mais l’apparition d’une électricité bon marché et des énergies fossiles stoppa net leur développement.

Les personnes habituées aux miracles des énergies fossiles et à l’omniprésence de l’électricité réalisent rarement le rôle historique qu’ont pu jouer les machines à pédales.

Manivelles, cabestans et tympan

Le mouvement rotatif est le mécanisme à la base de la plupart des machines que l’histoire humaine a pu produire. Plusieurs innovations ont permis de générer un mouvment rotatif grâce à la force humaine, et ce dès l’Antiquité: l’arc (voir l’article sur les outils de perçage manuels. Chacun de ces composants a amélioré la transmission mécanique de l’énergie humaine (et parfois animale) en la démultipliant (avantage mécanique (AM)).

Une manivelle a un avantage mécanique d’environ 2 pour 1, ainsi ce composant double la force déployée par l’utilisateur. Avec un cabestan, l’avantage mécanique atteint environ 6 pour 1. Un tympan d’un diamètre d’au moins 4 mètres avait un avantage mécanique de 14 pour 1. Cela signifiait qu’une personne marchant dans le tympan exerçait un “moment d’une force” (ou “torque,” la force faisant pivoter un objet autour d’un axe) 7 fois supérieur à une personne actionnant une manivelle. Ou encore, qu’une personne pouvait exercer un même mouvement d’une force (torque) avec 7 fois moins d’efforts.

Le tympan avait un autre avantage sur la manivelle: il permettait d’utiliser les muscles des jambes, bien plus puissants, plutôt que ceux du bras, en plus d’utiliser deux membres à la fois plutôt qu’un. Un même effort pouvait donc être soutenu sur une période bien plus longue – ou une force supérieure pouvait être exercée sur la même durée. Dans une moindre mesure le cabestan disposait des mêmes avantages car les jambes effectuaient une grande partie de l’effort.

Image: Une scie équipée d’une pédale-levier.

Une autre innovation fit surface au Moyen-Âge: la pédale-levier

[NDLT: Le mot “pédale” en français désigne deux choses qui ont chacune leur mot en anglais:

une pédale de type cycliste où la personne actionne un pédalier avec ses deux jambes, “pedal” en anglais,
la pédale de type machine à coudre, plate-forme sur laquelle on appuie à un seul pied, “treadle” en anglais. Je désignerai comme “pédale” la première, et désignerai la seconde comme “pédale-levier”].

Dès le XXe siècle les chinois utilisent des pédales-levier en bois pour obtenir un mouvement continu afin d’alimenter pompes à eau, machines textiles et scies à bois. En occident on retrouve des pédales-levier principalement pour actionner les rouets ou encore les tours (à bois ou à métal).

Comparées aux cabestans et aux tympans, les pédales-levier étaient peu efficace (les muscles accélèrent le mouvement du pied puis le décélèrent à nouveau peu de temps après) mais c’était une alternative compacte et correcte tant que la puissance nécessaire restait faible. Elles avaient un grand avantage sur la manivelle: les mains restaient libre pour manipuler la machine-outil.

Un afflux de machines à pédales

Ce n’est que dans les années 1870 qu’apparût la plus grande innovation en terme de captage de l’énergie humaine pour générer de l’énergie rotative. Certains d’entre nous l’utilisent toujours comme mode de déplacement mais il est extrêmement rare désormais de la voir utilisée pour actionner une machine stationnaire: le pédalier. Aux origine les pédales et les manivelles étaient directement connectée à la roue avant (parfois arrière). Avec l’apparition quelques années plus tard de la “bicyclette de sécurité”, la transmission directe de force fût remplacée par une chaîne de transmission et des pignons – qui sont encore les éléments de base de nos vélos modernes. Le pédalier n’est pas sorti de nulle part: certains ancêtres du vélo étaient équipés de pédales-levier, qu’on peut considérer comme la précurseuse de la pédale.

Image: Une scie de modélisme actionnée par un pédalier.

Les pédales et leurs manivelles ne permettent pas en soi au pédalier d’avoir un avantage mécanique sur la manivelle manuelle, et encore moins sur le cabestan ou le tympan. La révolution que permet le pédalier c’est de pouvoir utiliser les muscles des jambes, plus puissants, dans un mouvement continu. De plus il s’agit d’un mécanisme bien plus compact que le cabestan ou le tympan.

Enfin, si l’on utilise le bon rapport de transmission (grâce à une chaîne et des engrenages de différentes tailles) il est possible d’atteindre un avantage mécanique comparable à celui d’un cabestan ou d’un tympan (en multipliant le moment d’une force aux dépends de la vitesse ou inversement). Ainsi l’énergie captée par pédalage peut être appliquée à une myriade d’usages.

Image: Une ponceuse à pédales

A partir de 1876, différents outils furent combinés à des sytèmes à pédales ou à manivelle: tours, scies, ponceuses, raboteuses, outils d’affûtage, de forage, de perçage et de coupe. Ces machines rencontrèrent un grand succès: conçues pour de petits ateliers ou pour être utilisées au sein du foyer, elles ne nécessitaient ni électricité ni moteur à vapeur pour fonctionner. Les différents éléments qui le composaient étaient en fonte et pouvaient être démontés ou pliés pour faciliter l’expédition de la machine.

L’arrivée du pédalier ne relégua ni les manivelles ni les pédale-leviers au placard: au contraire, ces outils se perfectionnèrent (passant du bois à l’acier par exemple, et utilisant des système de vitesses comme les bicyclettes) et rencontrèrent un franc succès pour des usages brefs ou nécessitant peu d’énergie.

Image: Un tour à pédales.

On trouve des pédale-leviers sur diverses machines industrielles servant à fabriquer entre autres des chapeaux, balais, cigares ou crochets, des presses d’imprimerie, des poinçonneuses ou des riveteuses. Dans les fermes, on vit apparaître des moissonneuses actionnées par le pied, ainsi que des batteuses, trayeuses ou botteleuses de légumes. Les dentistes de la fin du XIXe siècle utilisaient même une fraiseuse à pédale-levier.

En finir avec le labeur humain

Depuis la généralisation des énergies fossiles et de l’électricité, les outils et machines à pédales sont considérées comme des technologies largement dépassées: c’est bien vite oublier l’importance historique qu’elles ont revêtu. On ne pourra jamais assez insister sur le progrès incroyable qu’elles ont représenté par rapport aux millénaires de labeur manuel. Les pédaliers captent la force humaine d’une manière quasi-optimale.

Image: Une fraise de dentiste à pédale.

Le mouvement circulaire qui constitue le pédalage active les muscles de la cuisse (quadriceps) qui sont les muscles les plus gros et puissants du corps humain. De plus grâce au système de transmission, utiliser la bonne vitesse permet d’utiliser ces muscles à une vitesse optimale: environ 60 à 90 tours par minute. Des recherches menées au Xxe siècle ont démontré que les muscles exercent le maximum de puissance quand ils se contractent à intervalles rapides en rencontrant une faible résistance.

Historiquement, les équipements mobiles utilisés pour capter la force musculaire humaine utilisaient les mauvais muscles, et leurs opposaient des résistances trop grandes, à des vitesses trop faibles. Les cabestans et les tympans étaient bien plus efficaces, mais leur taille (et eur coût pour le tympan) limitait très fortement leur usage.

Image: Une ponceuse à pédales.

Dans son livre Pedal Power in Work, Leisure and Transportation publié en 1977, David Wilson nous donne les trois raisons qui expliquent les échecs successifs des tentatives d’utilisation optimale de la force musculaire humaine:

“Premièrement, vouloir utiliser les mauvais muscles. A chaque fois que l’on attend une personne qu’elle exerce sa pleine puissance musculaire, par exemple pour soulever une charge ou pour pomper de l’eau hors d’un puis ou d’un fossé, on l’invite à utiliser les muscles de ses bras et de son dos. Deuxièmement, la vitesse de ce mouvement musculaire était souvent bien trop basse. On demandait aux travailleurs de pousser ou de soulever d’énormes charges en utilisant toutes leur forces, en espérant avancer de quelques centimètres. L’équivalent moderne de cette situation serait de demander à un cycliste de grimper une colline avec la vitesse la plus dure, ou à des rameurs de faire avancer un bateau equipé de très longues rames en ne faisant dépasser qu’une très courte partie de la rame dans le bateau. Troisièmement, le type de mouvement en lui-même, même effectué à la bonne vitesse et en utilisant les muscles des jambes pourrait s’avérer non-optimal pour des raisons assez complexes. »

L’histoire comporte de nombreux exemples de mauvaise utilisation des forces musculaires humaines : les navires de grande taille propulsés à la rame ou encore la plupart du travail fermier. Dans la troisième édition de Bicycling Science (2004), David Wilson écrit encore ces mots:

« Les mouvements musculaires de ces pauvres galériens étaient typiques de ce qui se faisait dans l’Antiquité : les muscles des mains, des bras et du dos étaient les plus sollicités tandis ce que les muscles les plus puissants, ceux des jambes, servaient simplement de support (les sièges coulissants des rameurs modernes n’existant pas encore). Le mouvement consistait alors à pousser ou tirer de toute ses forces contre une résistance qui cédait peu à peu. Chaque rame étant manœuvrée par cinq hommes assis côte à côte, celui se situant tout au bout de la rame vers l’intérieur du bateau devait effectuer des mouvements bien plus rapides que celui se situant au niveau du pivot. Et pourtant même l’homme au bout de la pagaie faisait travailler ses muscles à une vitesse bien trop lente pour être optimale. Il en était de même pour la plupart des travaux des champs ou des bois. Bêcher, creuser, scier, couper un arbre, utiliser une fourche et pelleter utilisent principalement les muscles des bras et du dos avec presque aucune force délivrée par les muscles des jambes. Dans la plupart de ces tâches, les muscles font face à une forte résistance qu’ils tentent de dépasser par la force brute. »

Et la Révolution Industrielle amena le Pédalier

Toutes ces actions et bien d’autres auraient pu être bien plus efficaces en utilisant des pédaliers, ce qui aurait grandement facilité la vie des personnes qui vivaient dans l’Antiquité et au Moyen Âge. Cependant, bien que cette mécanique nous paraisse aujourd’hui élémentaire, le pédalier n’aurait pas pu être inventé plus tôt dans l’histoire humaine. Les pédales et leurs manivelles sont des produits de la Révolution Industrielle, que seules l’existence d’un acier peu coûteux (lui même un produit de l’exploitation des énergies fossiles) et des techniques de production de masse ont rendu possible. Ainsi des pièces solides et compactes ont pu voir le jour : pignons, chaînes, roulements à billes etc.

Image: Une scie circulaire utilisant une pédale-levier.

Avant cette époque, les matériaux disponibles étaient trop fragiles pour soutenir les énormes forces qui s’exerçaient sur eux, et cela est encore plus vrai pour les pédaliers stationnaires que pour les bicyclette car la pression s’exerçant sur les différents composants est plus élevés pour les usages stationnaires. Dans les années 1970 des expériences furent faites, visant à recréer des pièces (pédales, manivelles, roulements à billes) de machines à pédales stationnaires en utilisant des matériaux pré-industriels comme le bois, et elles échouèrent à y parvenir. Si la structure porteuse d’une machine outil peut être fait de bois ou de bamboo, l’acier reste une meilleure option. En effet contrairement à ce que l’on voit pour les bicyclettes, une structure lég_re n’est pas un avantage pour une machine stationnaire.

Il faut réaliser que les machines à pédalier (et les vélos) ne peuvent pas se passer d’énergies fossiles. Si l’on décide de brûle l’intégralité des énergies fossiles pour faire rouler nos voitures, le vélo ne sera plus une option non plus, il faudra repasser à la marche. Si l’on consume toutes les énergies fossiles en utilisant de l’électricité pour nos appareils, on ne pourra plus revenir à des appareils à pédales, mais directement au labeur humain qui les a précédés.

Image: Une ponceuse à pédales.

Et pourtant c’est exactement là où nous semblons collectivement nous diriger. Malgré tous ses avantages, les jours de gloire du pédalier furent brefs, ils tombèrent dans l’oubli peu de temps après l’arrivée du moteur à à combustion et des moteurs électriques. Bien que les machines à pédales aient été conçues pour durer 100 ans, voire plus, une grande partie fût fondue pendant les deux Guerres Mondiales. La Barnes Company, l’un des fabricants les plus célèbres, se détourna des machines à pédaliers dans les années 1920 et en stoppa complètement la production en 1937.

Le renouveau des machines à pédales

C’est dans les années 1970 que les machines à pédales refirent leur apparition en même temps que le vélo, à la suite du premier choc pétrolier. Cela faisait plus d’un demi-siècle que la recherche et développement avait cessé sur les machines à pédales stationnaires, tout était à faire pour remettre cette technologie au goût du jour.

Plusieurs particuliers et organisations entamèrent des expérimentations avec une nouvelle génération de machines à pédalier. Leurs efforts n’aboutirent malheureusement pas à la commercialisation de nouvelles machines mais la technologie fût grandement améliorée. Il était maintenant possible d’utiliser le pédalier pour faire fonctionner la quasiment toute machine imaginable. De plus, plusieurs inventeurs réussir à concevoir des modules à pédales universels qu’il était possible de connecter à toutes sortes de machines et d’outils. [Voir la partie 3 de l’article: L’Avenir Négligé de la Bicyclette Stationnaire.

Image: Un tour à pédales.

Malheureusement, dès la crise pétrolière achevée l’intérêt porté au pédalier s’évanouit à nouveau, les recherches s’arrêtèrent presque complètement pour encore une vingtaine d’années. La deuxième renaissance des pédaliers eût lieu au milieu des années 1990 alors que vinrent sur le tapis les inquiétudes à propos du réchauffement climatique et du pic pétrolier, et cette renaissance est toujours en cours.

Cependant l’intérêt que l’on voit ressurgir actuellement est très différentes des recherches qui l’ont précédé : il est presque uniquement concentré sur la production d’électricité, ce qui n’est absolument pas une manière efficace d’exploiter l’énergie produite par pédalage.

De plus il semblerait que les leçons des années 1800 et 1970 aient été passées à la trappe, car les machines issues des recherches actuelles sont loin de capter de manière optimale l’énergie issue du pédalage ; elles ne permettent pas de se servir de l’énorme potentiel du pédalier et pire, ont un impact écologique lamentable. Voir la partie 2 de l’article: “Bike powered electricity generators are not sustainable”.

Sources (dans l’ordre d’importance)

Pedal Power in Work, Leisure and Transportation, edited by James McCullagh, Rodale Press, 1977. Still the best resource on pedal powered machines.
The Human-Powered Home: Choosing Muscles Over Motors, Tamara Dean, New Society Publishers, 2008. Very good book on human powered machines, both hand and foot powered. Includes half a dozen plans to convert bicycles into stationary pedal powered machines.
Bicycling Science, Third Edition, David Gordon Wilson, 2004
“The Dynapod: a pedal power unit”" (pdf), Alex Weir, 1980. More here.
“The use of pedal power for agriculture and transport in developing countries” (pdf), David Weightman, Lanchester Polytechnic, 1976
“Design of a human-powered utility vehicle for developing communities”, Timothy J. Cyders, 2008
“Supplement, Energy for rural development”, National Research Council, 1981
“Tales from the Blue Ox”, Dan Brett, 2003
“Bicycles and tricycles”, Archibald Sharp, 1896
“In search of the massless flywheel” (pdf), John S. Allen, Human Power (Fall/Winter 1991-1992)
“Design and development of a human-powered machine for the manufacture of lime-flyash-sand bricks”, J.P.Modak & S.D.Moghe, Human Power (Spring 1998)
“Human Powered Flywheel Motor: concept, design, dynamics and applications”, J.P.Modak, 2007
“Modern mechanism: exhibiting the latest progress in machines, motors, and the transmission of power”, Benjamin Park, 1892
“Make electricity while you exercise”, Mother Earth News, 2008
“Luther’s tool grinders” (pdf, 5.8 MB), hand and foot powered grinders catalog. Hosted at Toolemera Blog.
“Woodworkers’ tools and machines” (pdf, 29 MB), product catalogue no.25, 1884, Richard Melhuish Ltd., Tool and Machine Merchants, London. Hosted at Toolemera Blog.
“Science & civilisation in China, Vol.5, Part 9”, Joseph Needham, 1988

Les systèmes de transport par câble : un moyen de transport automatique aux multiples avantages

Wed, 26 Jan 2011 00:00:00 +0000

Transport par câble à Gdańsk (ou Dantzig) en 1644

Les téléphériques sont aujourd’hui utilisés presque exclusivement pour transporter les skieurs et les snowboardeurs en haut des pistes. Pourtant, avant les années 1940, les marchandises étaient souvent acheminées à l’aide de câbles dans les régions montagneuses, mais aussi sur des terrains plats, grâce à de grandes structures construites au Moyen-Âge.

Les téléphériques fonctionnent principalement voire entièrement grâce à la gravité. De plus, ils génèrent de l’excédent d’énergie souvent transformé en électricité pour faire fonctionner des grues ou des machines dans des usines à proximité. Ces dernières années, des systèmes innovants ont été fabriqués.

Pour la suite de cet article, il est important de savoir que les téléphériques (ou le transport par câble en général) sont divisés en deux groupes : les monocâbles et les bicâbles. Un seul câble sert à la fois à supporter et à déplacer les nacelles pour les monocâbles. Pour les systèmes bicâbles (voire tricâbles), chaque câble a une fonction. En effet, un ou deux câbles, appelés les « câbles porteurs », sont immobiles pour supporter les nacelles et un ou deux câbles, les « câbles tracteurs », servent à les déplacer.

Les transports par câble primitifs et du Moyen-Âge pouvaient être des deux sortes. Les téléphériques plus modernes (à partir des années 1850) étaient, au départ, exclusivement monocâbles. Plus tard, les systèmes bicâbles ont majoritairement remplacé leur alternative. À la fin du XIXe siècle, ces deux systèmes ont été appliqués au transport fluvial (lire l’article sur les toueurs) et les monocâbles aux funiculaires. Les bicâbles sont plus adaptés aux distances plus longues ou aux paysages plus abrupts.

Si un seul câble est utilisé pour supporter une cabine sur une longue distance ou une pente très raide, il est indispensable de le renforcer sur toute cette partie à cause des déformations qui peuvent apparaître à cet endroit. La taille du câble influe sur celle du pylône, des poulies et des autres éléments de la ligne du téléphérique, rajoutant ainsi des coûts supplémentaires. Dans un système de bicâble, le câble porteur fixe peut être adapté à certains endroits pour mieux supporter la charge.

Les ancêtres des téléphériques actuels

Le transport par câble est utilisé pour transporter des passagers et des marchandises depuis plus de 2 000 ans. Les premiers signes de son utilisation ont été remarqués dans les paysages escarpés de la Chine, de l’Inde et du Japon. Il est estimé que les prototypes datent de 250 avant J.-C. Des cordes étaient employées pour traverser des ravins, des fleuves et des gorges. Au départ, les passagers étaient retenus par un simple harnais et ils devaient avancer à la main. Le harnais allégeait la charge et facilitait leurs mouvements en glissant sur la corde.

Une sorte de panier ou de nacelle a ensuite été ajoutée pour se déplacer avec quelques objets. Cette amélioration est possible grâce à des cordes plus fines fixées à l’avant et à l’arrière de la nacelle ou à la gravité dans le cas où le point d’arrivée était plus bas que celui départ. La nacelle vide était ensuite remontée jusqu’au point de départ à l’aide d’une corde plus petite que les autres fixée aussi à l’arrière.

La corde était parfois passée dans un morceau de bambou creux avant d’être attachée pour que le passager traverse sans se brûler les mains. Pour construire un de ces téléphériques d’époque, il fallait juste une corde (nouée autour d’un arbre, d’un rocher, ou fixée des deux côtés) et un arc et des flèches pour la faire passer au-dessus de l’obstacle à franchir. Après l’invention chinoise de l’arbalète, il était possible de tirer des câbles plus lourds sur une distance plus grande. Parfois, la corde était fixée à de simples tréteaux en bois.

Ces systèmes transportaient parfois des bêtes de somme. Réciproquement, des bêtes de somme pouvaient tracter les câbles. Ces anciens systèmes de transport par câble sont les prémisses d’inventions plus modernes, comme les ponts suspendus et les ascenseurs. À l’époque, ils étaient ce qui s’approchait le plus du transport aérien.

Le transport par câble au Moyen-Âge

Une des premières traces écrites du transport par câble au Moyen-Âge se trouve dans le Taiheiki, une épopée historique sur l’histoire du Japon datée au XIVe siècle. La fuite d’un empereur japonais encerclé par les troupes ennemies y est racontée. Il se serait échappé grâce à une corde qui traversait la vallée. En Europe, la première mention de transport par câble se trouve dans Bellifortis, un manuel dédié aux armes et à la technologie militaire datant de 1405. On trouve aussi la première illustration d’un système de transport par câble dans un livre de 1411.

Les références à des systèmes monocâbles et bicâbles ont augmenté entre 1411 et 1440, quand les technologies de l’époque telles que les moteurs hydrauliques, les moulins à vent ou les grues portuaires sont devenues de plus en plus populaires. On retrouve également des traces de transport par câble d’or à partir de 1536 en Amérique du Sud.

On constate une amélioration des systèmes au XVIIe siècle. Dans la Machinae Novae publiée en 1615 et en 1617, Venetian Fausto Veranzio illustre un système bicâble assez complexe transportant des passagers. Une caisse en bois transporte les passagers à l’aide de poulies sur des câbles porteurs (voir la deuxième image au début de l’article). Les passagers peuvent ainsi traverser le fleuve en tirant sur le mou du câble. Le Néerlandais Wybe Adam a construit en 1644 un grand système de transport par câble décrit dans les Danzig Chronicles (voir l’image de l’introduction de l’article et celle ci-dessous).

Adam a inventé un système de câbles qui fonctionnait en continu pour transporter du matériel de terrassement dans des nacelles jusqu’à la forteresse située au sommet d’une colline à Dantzig. Des systèmes de transport par câble ont aussi été installés dans des monastères sur des pinacles pour transporter des ressources et des visiteurs.

Les téléphériques à partir des années 1850

Les systèmes de transport par câble n’ont pas évolué entre 1650 et 1850. À l’époque, les avancées étaient limitées par la résistance des cordes employées. La fabrication de câbles plus résistants au milieu du XIXe siècle a amorcé la période la plus fructueuse de l’histoire des téléphériques. L’invention du raccord standard au début des années 1870 par l’Autrichien Von Obach a également entraîné une avancée majeure. Les nacelles ont ainsi pu être séparées et rattachées aux câbles. De plus, de nouvelles sources d’énergie ont fait leur apparition à cette époque : d’abord la machine à vapeur, puis les moteurs électriques.

Énergie cinétique

Jusqu’à la fin du XIXe siècle, les systèmes de transport par câble fonctionnaient manuellement, parfois en utilisant un treuil ou une grue. Il était également possible de les tracter grâce à des bêtes de somme — principalement des chevaux ou des mules — à des roues à aubes ou dans certains cas à la gravité.

Cette dernière n’est possible que dans les régions montagneuses. Les nacelles qui descendent peuvent générer une partie ou la totalité de l’énergie nécessaire pour remonter les autres. Si les nacelles qui descendent sont plus lourdes que la charge montante et que l’inclinaison de la pente est suffisante, le téléphérique peut fonctionner sans énergie supplémentaire. C’est ainsi un moyen de transport qui peut être autosuffisant et propre. La vitesse des nacelles en descente était contrôlée à la main ou parfois grâce à un système de freinage hydraulique.

Même dans les cas où la charge montante était élevée, la gravité pouvait suffire à la hisser jusqu’en haut : il était possible d’utiliser les nacelles descendantes comme contrepoids en les remplissant d’eau, par exemple, si le téléphérique était construit près d’un point d’eau. Cette méthode rappelle celle utilisée pour faire fonctionner des funiculaires au début des années 1900.

Un moyen de transport qui produit de l’énergie

Si la charge descendante produisait plus d’énergie qu’il n’en fallait pour monter la charge ascendante, les téléphériques fonctionnant à l’aide de la gravité pouvaient générer une grande quantité d’énergie. L’énergie, récupérable sur l’ensemble du câble, pouvait être utilisée pour faire fonctionner des machines à proximité comme des broyeurs de minerai, des pompes ou des scieries.

Un téléphérique offrait donc la possibilité de faire fonctionner des usines en utilisant uniquement la gravité. Cet excédent d’énergie était distribué mécaniquement par des câbles métalliques avant l’arrivée de l’électricité. Les téléphériques contemporains utilisent cet excédent d’énergie pour créer de l’électricité (voir plus bas).

Une invention très performante

L’électricité n’a pas rendu le téléphérique moins durable, loin de là : ceux qui fonctionnent à l’électricité figurent parmi les moyens de transport les plus efficaces.

En effet, ils tirent tous les avantages de l’électricité (efficacité énergétique, assez silencieux, peut fonctionner grâce à des énergies renouvelables) sans les nombreux défauts des batteries et des stations de recharge (contrairement aux voitures électriques, par exemple). Dans les régions montagneuses, les moteurs électriques peuvent bénéficier de l’énergie générée par les cabines descendantes pour améliorer leur efficacité.

De plus, les téléphériques présentent de nombreux avantages énergétiques comparés aux autres modes de transports écologiques, tels que les trains de marchandises, les tramways, ou les trolleybus. Tout d’abord, l’énergie circule mieux avec un système de propulsion électrique dans un seul terminal plutôt que par câble sur une longue distance. Ensuite, la vitesse des nacelles peut être constante puisqu’il n’y a pas de bouchons dans les airs. L’efficacité énergétique des téléphériques est donc bien meilleure que tous les moyens de transport routier.

Les téléphériques et le transport de marchandises

Peu de téléphériques servaient au transport de passagers au début du XXe siècle. Ils étaient principalement employés pour transporter des marchandises. Leur utilisation était diverse et répandue dans le monde.

Il n’existe pas de source mentionnant tous les téléphériques qui ont été construits, mais le peu de données à notre disposition donne une estimation du nombre. Une source datant de 1899 mentionne 900 téléphériques d’un même type qui fonctionnaient dans le monde. Un catalogue datant de 1909 (bien avant l’âge d’or de ce mode de transport) parle de 2 000 téléphériques de la marque Bleichert dans le monde qui couvraient plus de 2 000 km et transportaient plus de 160 millions de tonnes par an. De toute évidence, les téléphériques n’étaient pas inconnus du grand public.

Une innovation au service de la guerre

Les Européens, et tout particulièrement l’Allemagne et les pays alpins (l’Autriche, la Suisse, la France et l’Italie), étaient les pionniers de l’ère des téléphériques modernes. Des transports par câble ont été utilisés pendant des guerres dans les Alpes entre le début des années 1900 et 1945. Les Italiens les ont également utilisés lors de la guerre contre la Turquie en 1908. Ils étaient aussi largement employés pendant les batailles entre les Italiens et les Autrichiens lors de la Première et de la Seconde Guerre mondiale. Les Italiens en avaient près de 2 000 et les Autrichiens plus de 400. La plupart étaient mobiles.

Ils pouvaient être démontés rapidement et transportés par des bêtes de somme pour être remontés ailleurs. Ils étaient utilisés sur les terrains difficiles pour approvisionner les champs de bataille et transporter des troupes, des provisions, des obusiers, des munitions et du matériel de fortification. Ils constituaient aussi une solution temporaire face à des ponts détruits ou pour traverser un cours d’eau. Ils servaient également à transporter les blessés vers les hôpitaux dans des civières, une alternative aux chevaux spécialement équipés dans ce but.

Les téléphériques au service des mines

Les systèmes de transport par câble ont aussi souvent été utilisés pour les mines. Les premiers installés aux États-Unis servaient à acheminer du matériel lorsque les exploitations minières étaient en plein essor dans l’ouest du pays. On trouve de nombreuses mentions de téléphériques qui transportaient des minerais comme de l’or, de l’argent, du fer, et du cuivre, ainsi que du charbon, de la pierre, de l’ardoise, de l’argile, du sable, du granite, de la quarte, de la chaux, de la phosphorite et du grès. À la sortie de la mine, les ressources étaient ensuite broyées puis transportées en train, en bateau ou, pour le charbon, par machine à vapeur. Des terminaux pouvaient être mis en place sur une petite partie de la ligne de chemin de fer, et ils pouvaient être ensuite déplacés vers le prochain terminal au fur et à mesure que les matériaux en étaient retirés.

Les téléphériques au service de l’agriculture

Les téléphériques transportaient aussi des aliments comme des fruits (des bananes), des céréales (du blé) et d’autres produits comme du coton, du thé ou de la canne à sucre. Ils étaient généralement transportés depuis les champs vers des moulins ou des gares. Des téléphériques ont été utilisés pour transporter de la canne à sucre jusqu’aux moulins à canne à sucre dans des plantations à Demerara, en Jamaïque, sur l’île Maurice, celle de Saint-Christophe-et-Niévès, au Guatemala, en Australie entre autres.

L’image ci-dessous montre le dispositif installé principalement sur l’île Maurice. Il comprenait plusieurs téléphériques aux câbles métalliques qui étaient déchargés au même endroit. Il était très avantageux puisqu’il créait un flux constant de cannes à sucre en quantité suffisante pour faire fonctionner le moulin, rappelant aujourd’hui la méthode de production dite « juste-à-temps ». Une seule personne s’occupait de décharger les nacelles.

Souvent, les cannes à sucre étaient transportées par un camion qui les déplaçait jusqu’à la ligne de téléphérique. Les téléphériques étaient aussi utilisés pour transporter la betterave vers les sucreries. Par exemple, aux Pays-Bas, ce mode de transport était employé sur des terrains plats.

Le transport du bois

De nombreuses innovations technologiques ont été employées pour le transport du bois et les produits issus du bois comme le bois de campêche, bois cordé, bois de sciage, charbon de bois, pâte de bois, pâte à papier et papier. Ces matériaux étaient souvent transportés depuis la forêt jusqu’à une scierie ou depuis la scierie jusqu’à une gare. Les téléphériques étaient utilisés pour apporter des briques et du matériel. Ils pouvaient apporter du ciment depuis les fourneaux jusqu’aux constructions, et les nacelles vides pouvaient rapporter du charbon.

Les téléphériques au service des usines

Les téléphériques étaient aussi employés au sein d’usines. Ils servaient à accomplir de nombreuses tâches, comme transporter des matériaux de fabrication, des déchets, des produits en cours de fabrication, diverses marchandises, et surtout des produits à manipuler avec précaution comme des explosifs, des liquides ou de la verrerie. Ces lignes de téléphérique étaient souvent petites et fixées tout le long des murs des bâtiments à proximité pour baisser les coûts de fabrication.

On les retrouvait dans des usines d’imprimerie, des fabriques de linoléum, et des moulins, entre autres. On peut citer comme exemple une usine d’engrais synthétique située près de Londres. Sa ligne de téléphérique passait au-dessus des bâtiments, des logements et des ouvriers au travail. Il y avait aussi une fabrique de linoléum près de Middlesex dont la ligne passait au-dessus d’une rivière et des toits des ateliers. Elle fonctionnait grâce à la force de l’eau.

Les téléphériques étaient utilisés pour relier les lignes de trains de chaque côté des rivières lorsque la construction d’un pont était trop coûteuse ou difficile. Une des lignes de téléphérique était conçue pour transporter les wagons et leurs charges pour ensuite les remettre sur les rails de l’autre côté, et vice versa. À la fin du XIXe siècle, des lignes de téléphérique miniatures étaient utilisées dans des boutiques pour transporter de l’argent liquide.

Les téléphériques et les ports de commerce

Les téléphériques étaient également employés dans certaines usines pour transporter des matériaux depuis les bateaux ou les voitures vers leur espace de stockage. Ils étaient aussi utilisés pour charger et décharger les bateaux ou pour souter du combustible (ou du charbon pour les bateaux à vapeur).

Ils étaient très pratiques pour charger et décharger les cargaisons lorsque la profondeur de l’eau empêchait les navires et les allèges de s’approcher du quai.

Un de ces téléphériques de quai, situé au Cap-Vert, mesurait 365 m de long, dont 300 m au-dessus de la plage et environ 70 m perpendiculaire à la partie la plus longue du quai, où le charbon arrivait et était ensuite distribué. Il pouvait transporter entre 15 et 25 tonnes de matériaux par heure vers le quai et vers les bateaux. Le mouvement des câbles était aussi mis à profit, puisqu’il faisait fonctionner des grues de chaque côté pour soulever ou faire descendre du charbon. Tout ce système fonctionnait grâce à une machine à vapeur de 16 ch. La mise en place de ce système a pris à peine trois mois. Des structures similaires ont été construites en Nouvelle-Zélande et en Afrique du Sud.

Il y a même eu quelques cas de téléphériques utilisés pour transporter du charbon d’un bateau à l’autre en pleine mer (voir l’image ci-dessous).

Les nacelles

À chaque matériel sa nacelle ! Ci-dessous se trouvent quelques exemples de nacelles destinées au transport de minéraux, d’aliments, d’engrais, de coke, de sacs de farine, de textiles (emballés pour les protéger du mauvais temps), du ciment, du pétrole, du vin et de la bière. Certaines nacelles étaient déchargées en débloquant un cran de sûreté. Le bas de la nacelle s’ouvrait alors, ou dans certains cas, la nacelle tout entière se renversait pour déverser son contenu. La plupart du temps, les nacelles étaient chargées à la main.

Longueur, vitesse et capacité de charge des téléphériques

La longueur, la vitesse et la capacité de charge des téléphériques ont peu à peu évolué tout au long du siècle. En 1911, les téléphériques transportaient en moyenne 15 à 20 tonnes de marchandise sur une distance de 305 à 4 600 mètres. Leur vitesse variait entre 3,2 et 8 km/h. Certaines installations fonctionnant à l’aide de la gravité étaient plus rapides et atteignaient 24 à 48 km/h. On considérait cependant qu’une vitesse plus élevée contribuait à l’usure de la machine. Le poids des charges allait de 25 à 375 kilogrammes.

Quand elle était utilisée, la force motrice était généralement comprise entre 2 et 15 ch. Le dénivelé, quant à lui, était compris entre zéro (ligne à l’horizontale) et 1 200 mètres. Une équipe comptait 2 à 5 ouvriers. Pour augmenter la capacité de chargement des lignes, certaines étaient construites en parallèle (un câble était limité à 800 tonnes par jour). Pourtant, certains câbles plus anciens étaient plus longs et puissants. Le transport par câble d’Usumbara, en Afrique, mesurait 9 kilomètres de long et servait à transporter des troncs d’arbres de plus d’une tonne (voir photo ci-dessus). À son point culminant, le téléphérique se trouvait à 130 mètres du sol.

Transport par câble argentin (1906-1927), photographié par [Patricio Lorente](http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Cable_line_of_the_Mexican_Mine_in_Chilecito,_Argentina.jpg).

Le transport par câble de Garrucha, installé dans les mines de fer d’Almería (Espagne), atteignait les 15 km de long. Il n’a fallu que 6 mois pour achever sa construction. Grâce à un moteur de 100 ch, il pouvait transporter 420 tonnes de minerai pendant 10 heures par jour. Des transports par câble similaires furent construits dans les mines du Pays basque, au nord-est de l’Espagne (voir les deux photos ci-dessous).

Le transport par câble de Transylvanie transportait du charbon et du minerai dans les hauts fourneaux en Hongrie. Il mesurait presque 30 km de long pour un dénivelé de quasiment 915 mètres. Il pouvait transporter 800 tonnes de marchandise par jour. Un transport par câble en Argentine (photo ci-dessus), en service de 1906 à 1927, mesurait 35 km de long.

Des téléphériques encore plus imposants ont vu le jour dans les années 1920. Le plus long d’Europe était celui construit à Grenade en Espagne en 1925. Il transportait des marchandises sur 39 kilomètres entre la ville et le port de Mortil. L’infrastructure comprenait 240 pylônes et 7 gares. Chacune des 300 nacelles transportait 700 kg et se déplaçait de 3 mètres par seconde.

Grâce à la construction du téléphérique, l’affluence du port de Motril a rapidement augmenté. En 1929, 200 nacelles de plus furent ajoutées. Contrairement à beaucoup d’autres, le téléphérique de Grenade était un service public : tout le monde pouvait l’utiliser. Le téléphérique a fermé ses portes en 1950 suite à la disparition de l’industrie et de l’agriculture locale.

Le plus grand téléphérique au monde dans les années 1920 était utilisé pour le transport du café entre les villes de Manizales et Mariquita en Colombie. Plus de 800 nacelles ont voyagé sur cette ligne de 72 kilomètres supportée par plus de 400 pylônes. Le téléphérique, mis en service en 1923, a fonctionné jusqu’en 1961.

Les plus grandes lignes de téléphérique ont été construites dans les années 1930 et 1940. Elles pouvaient mesurer jusqu’à 96 kilomètres.

Les plus grandes lignes de téléphérique ont été construites dans les années 1930 et 1940. Au moment de sa construction, le téléphérique calcaire reliant Forsby à Köping en Suède était le plus grand d’Europe : 42 km. Il est resté en service entre 1939 et 1997. Ce record a été battu par les 96 km du téléphérique de Norsöj, toujours en Suède. Il était doté de 514 pylônes et de 25 gares de contrepoids.

Cette télécabine, en service de 1943 à 1987, a été construite en seulement 370 jours. À ce jour, elle reste la plus longue télécabine jamais construite. Le [téléphérique de Massoua à Asmara en Érythrée] (http://www.trainweb.org/italeritrea/teleferica1.htm), construit par les Italiens, mesurait 75 km de long et était en usage de 1937 à 1941. En 1959, un téléphérique de 76 km de long supporté par 858 pylônes fut mis en service au Congo. Il a fonctionné en continu jusqu’en 1986.

Infrastructure du téléphérique

Les pylônes des téléphériques pouvaient être en bois ou en fer. Ils étaient généralement espacés de 30 à 90 mètres, mais cet intervalle pouvait être agrandi si nécessaire. Dans les téléphériques bicâbles, la tension du câble porteur était réalisée par des contrepoids placés dans une des deux gares terminus. Les lignes plus longues nécessitaient cependant des contrepoids supplémentaires placés sur des points intermédiaires,

c’est pourquoi des gares de contrepoids étaient construites à des intervalles de 900 mètres à 1,8 kilomètre. Les cabines passaient d’une section du câble à l’autre grâce à des rails intermédiaires, fonctionnant ainsi sans interruption. En outre, les téléphériques pouvaient être d’une longueur illimitée puisqu’ils étaient constitués de sections considérées comme séparables.

Cette technique était aussi utilisée dans les « gares d’angles » pour former un virage. Les gares de contrepoids et d’angles pouvaient être réunies, comme dans l’illustration ci-dessus. Les téléphériques ne peuvent être construits qu’en ligne droite. C’est aujourd’hui encore leur plus gros inconvénient. Chaque virage sur une ligne de téléphérique nécessite la construction d’une gare d’angle. Cette opération est coûteuse. Heureusement, les téléphériques peuvent être construits au-dessus de nombreux obstacles et ainsi se passer de gare d’angle.

De plus, chaque gare de contrepoids ou d’angle peut servir comme station de chargement ou de déchargement. Si des lignes de téléphérique se rejoignaient en un même point, les marchandises pouvaient être redirigées grâce à un aiguillage. La photo ci-dessus montre la gare de triage d’un téléphérique située dans une centrale à charbon allemande (comme décrite dans un livre de 1914) où trois lignes se rejoignent.

Pour éviter les accidents (dû, par exemple, au déchargement prématuré d’une nacelle) au-dessus d’une route ou d’un chemin de fer, des filets métalliques étaient installés entre les pylônes ou sur des structures construites dans ce but. On peut voir sur la droite, suite à la demande du conseil régional, la construction d’un filet de protection sous les lignes du téléphérique pour protéger la route.

Installer un téléphérique

Installer un téléphérique dans un milieu montagneux n’était pas chose aisée. La majeure partie du câble était souvent transportée à l’aide de bobines de plusieurs milliers de mètres. Cependant, les wagons pouvaient rarement desservir les parties de la ligne les plus hautes, le câble et le reste du mécanisme devaient donc être emballés puis chargés sur des mules.

Chaque animal transportait environ 115 kg, en comptant le câble lâche de 4 à 6 mètres de long reliant une charge à la suivante. Cette partie était souvent tenue par une personne pour qu’il ne traîne pas par terre.

Des accidents pouvaient arriver : un téléphérique long de 3,20 km au Mexique servant à livrer du bois à un moulin fit une chute de 1,10 mètre. Le constructeur précise :

« Le transport du câble fut entravé par la grande difficulté du terrain. Nous l’avons traversé en divisant la corde en 10 longueurs, elles-mêmes réparties en sept bobines d’environ 3 mètres. Les bobines étaient transportées à dos de mule. Le convoi était composé de 70 mules et 30 hommes (soit 3 hommes pour 7 mules).

Lors du transport du câble vers la gare supérieure, un incident a considérablement retardé l’installation — cela montre bien les difficultés d’une telle opération. La traversée comprenait une côte immédiatement suivie d’une descente abrupte. La première mule s’est ruée sur la côte jusqu’à ce que la corde la retienne. Elle a alors été projetée sur le flanc,emportant deux autres mules dans sa chute. Si la dernière n’avait pas été retenue par un arbre, le reste du convoi aurait suivi. »

Les nombreux avantages des téléphériques

Pourquoi les téléphériques ont-ils eu tant de succès au début du XXe siècle ? Premièrement, les téléphériques étaient bien plus économiques que leurs alternatives, que ce soit le transport par chevaux, par chariot ou par chemin de fer. Le fonctionnement du téléphérique était très rentable et nécessitait très peu d’apports de capitaux.

Dans une région vallonnée, le téléphérique évitait les frais de construction de tunnels, tranchées et remblais nécessaires pour une ligne de chemin fer. De plus, il pouvait être construit et utilisé à un coût à peine plus élevé que pour une région vallonnée. Les rivières et les ravins pouvaient être traversés sans ponts. Les endroits trop pentus et inaccessibles en locomotive étaient aisément accessibles en téléphérique.

Pour arriver au même point de décharge qu’un téléphérique de 1 630 mètres de long avec un dénivelé de 640 mètres, des calculs ont montré qu’il faudrait 24 km de voie ferrée. Le fonctionnement d’un téléphérique pouvait être quasiment en continu et revenait deux fois moins cher que le transport par mulets, chevaux ou bœufs.

Les lignes pouvaient être déplacées sans trop d’encombres. Un dispositif de 1,5 km de long dans une production de betteraves en Hollande pouvait transporter jusqu’à 50 tonnes quotidiennement. Il pouvait être déplacé en une journée par un groupe de 20 hommes si la distance pour transporter les matériaux n’excédait pas 8 kilomètres.

Même lorsque les conditions météorologiques bloquaient les transports au sol (pendant les inondations ou les tempêtes de neige, surtout en régions montagneuses), les téléphériques continuaient à fonctionner. Ils étaient aussi opérationnels toute la nuit. Le matériel s’usait très peu avec le temps. Les téléphériques n’occupaient que peu d’espace ; les parcelles de terre situées entre les différents pylônes pouvaient facilement être exploitées.

Pour éviter les frais de manutention, les gares terminus étaient placées pour que la marchandise transportée soit livrée à l’endroit voulu. En revanche, les téléphériques étaient plus fragiles face aux vents forts et aux tempêtes que leurs alternatives.

Les téléphériques de nouveau d’actualité !

Les avantages du transport par câbles sont si nombreux qu’il n’est pas étonnant qu’on s’y intéresse de nouveau. Entre les problèmes liés au réchauffement climatique, au pic pétrolier et à la dégradation de l’environnement, cette technologie semble est d’autant plus attrayante.

Sans compter les économies d’énergie, les téléphériques, à l’inverse des voies ferrées et des routes, peuvent être construits en pleine nature sans pour autant nuire à la faune et la flore. Ils peuvent même être installés en toute sécurité en pleine ville. Le trafic routier fait aussi gagner des points au téléphérique : les embouteillages n’existent pas en transport par câble.

L’association Practical Action conçoit depuis quelques années des téléphériques pertinents pour le transport de marchandises en Amérique latine. Dans leur cas, les téléphériques servent à remplacer les convois de bétail, comme pour Europe il y a un siècle de cela.

En 2007, une autre ONG a construit un téléphérique fonctionnant à l’aide de gravité pour approvisionner 2 000 familles indiennes. Il n’a coûté que 11 500 euros et transporte des produits agricoles jusqu’aux familles tout en récupérant du fumier pour fertiliser les champs. (Concept malin et pratique) !

Plusieurs entreprises reproposent des modèles de téléphérique industriel. Parmi elles, on retrouve Femecol, une entreprise colombienne qui propose des solutions à petite échelle. Les grandes entreprises s’y mettent aussi : Poma, l’une plus grandes firmes françaises spécialisées dans les télésièges, les télécabines, les funiculaires et les navettes automatiques, a construit des modèles de téléphériques industriels en France, au Brésil, en Iran et au Pérou. Dans ce cas de figure ainsi que dans ceux qui vont suivre, les téléphériques remplacent principalement le transport de marchandises en camion.

Le premier téléphérique moderne signé Poma a été créé en 1990 à Grenoble. Il opère dans usine de ciment et traverse une rivière et une autoroute (voir la photo ci-dessus). Sa ligne mesure 1,8 kilomètre, atteint les 121 mètres et peut transporter 324 tonnes de marchandises par heure. Bien que la ligne soit plutôt courte, sa capacité est bien meilleure que celle des anciens dispositifs. Chacune des 56 nacelles peut transporter 900 kg et se déplace jusqu’à 18 km/h.

Récemment,un modèle similaire a été construit à La Oroya au Pérou, pour l’entreprise Doe Run, spécialisée dans le plomb, le zinc et le cuivre. La longueur de la ligne est similaire à celle construite en France, mais elle atteint 1,65 km de hauteur (voir la photo ci-dessous). Ce modèle est beaucoup plus lent (5,4 km/h) et a une capacité de charge de 70 tonnes par heure, similaire à celle des plus grands systèmes construits au début du XXe siècle.

Le téléphérique (qui a remplacé un système bien plus ancien et moins efficace) semble être la seule solution durable adoptée par Doe Run, car l’entreprise est décriée par les écologistes locaux.

Un système de transport innovant : RopeCon

Le grand concurrent de Poma, le groupe suisse autrichien Dopplemayr Garaventa, prend la construction de téléphérique très au sérieux. Sur son site internet, il propose des téléphériques de matériel pouvant mesurer jusqu’à 10 km de long et transporter plus de 1 500 tonnes par heure grâce à des nacelles d’une capacité de 40 tonnes. Une ligne temporaire de 2 kilomètres de long est en fabrication pour aider à la construction d’une centrale hydroélectrique de pompage-turbinage en Suisse. L’entreprise a aussi créé une innovation révolutionnant le téléphérique : RopeCon.

Mining Weekly la décrit comme : « un système de transport pour matériaux en vrac et charges unitaires qui combine la technologie des téléphériques à celle d’une courroie transporteuse classique ».

En Jamaïque, RopeCon évite 1 200 trajets en camion par jour tout en produisant 1 300 kWh d’énergie cinétique. Cette dernière est ensuite réinjectée dans le réseau électrique.

Ce système présente quelques avantages intéressants par rapport au téléphérique classique : il peut transporter des charges plus lourdes, résiste mieux au vent et fonctionne avec moins de pylônes (les lignes s’intègrent encore mieux à tous les reliefs). Le convoyeur aérien est composé d’une courroie aux parois ondulées et de roues fonctionnant sur des câbles porteurs fixes guidés par les pylônes. Les sections individuelles peuvent mesurer jusqu’à 20 kilomètres de long et transporter un maximum de 10 000 tonnes par heure. À ce jour, 6 lignes RopeCon ont été construites.

La ligne la plus spectaculaire a résisté à des rafales de vent allant jusqu’à 249 km/h. Elle a été construite en 2007 sur le Mont Oliphant (Jamaïque) pour la mine de bauxite de l’entreprise Jamalco/Alcoa (voir photo ci-dessus). Elle mesure 3,4 km et descend à la verticale sur 470 mètres. L’installation transporte quelque 1 200 tonnes de bauxite de la mine à l’usine de traitement. RopeCon évite 1 200 trajets en camion par jour tout en produisant 1 300 kWh d’énergie cinétique. Cette dernière est ensuite réinjectée dans le réseau électrique. Ce réseau de transport devient ainsi une centrale d’énergie renouvelable.

Le RopeCon construit pour l’entreprise de fibres textiles Lenzing est un autre exemple remarquable. Il est utilisé pour transporter des copeaux de bois de la zone de stockage à l’usine de fabrication. Ce transport automatique de 665 mètres de long traverse des usines, convoyeurs préexistants, routes, et même une rivière avec un minimum de pylônes (voir photo ci-dessus et ci-dessous).

Le système transporte 350 tonnes par heure. Même si le terrain plat l’empêche de produire de l’énergie, la puissance du moteur est seulement de 53 kW (comparable à celle d’une petite voiture). Cette ligne a été spécialement conçue pour résister à des vents d’une vitesse de 130 km/h.

Depuis mai 2008, un système construit sur l’île de Simberi en Papouasie Nouvelle-Guinée transporte de l’or sur 2,7 km uniquement à l’aide de 3 pylônes (voir photo ci-dessous). Le minerai, extrait dans une mine située à l’intérieur du pays, traverse une forêt tropicale humide et un terrain crevassé avant d’atteindre la fonderie du port. Le dénivelé est de 237 mètres. Le système transporte 450 tonnes par heure et génère 221 kWh d’énergie cinétique par jour. Cette dernière est ensuite utilisée pour l’affinage de l’or.

Un dispositif RopeCon temporaire a été construit en Autriche pendant la construction d’un tunnel. Il servait à transporter le matériel pour l’excavation de la roche. Il transportait 600 tonnes par heure, pourtant la puissance du moteur n’était que de 30 kW. La ligne mesurait 270 mètres de long, avec un dénivelé de 23 mètres. Elle a remplacé 115 000 voyages en camion.

L’avenir du téléphérique

Pour réduire le trafic routier de marchandise (qu’importe le type de cargaison), des lignes similaires pourraient être construites dans le monde entier : un tramway cargo pourrait relier une gare ou un parking en dehors de la ville à un centre commercial, ou être construit le long de l’autoroute entre deux villes.

On pourrait transporter des produits tout juste cueillis dans les champs ou fabriqués dans une usine directement dans les zones commerciales ou dans un bateau amarré, sans qu’ils ne touchent le sol. On éviterait ainsi les retards liés au trafic ou aux accidents routiers. En outre, on diminuerait les nuisances sonores et les vibrations. Ces dispositifs, très peu gourmands en énergie, pourraient totalement fonctionner grâce aux énergies renouvelables. En bref, le téléphérique dispose des mêmes avantages que le réseau de fret souterrain, mais est beaucoup moins coûteux à mettre en place.

Nous pourrions même construire un véritable réseau de transport par câble local, régional voire national ou international utilisant des gares de triage. Cette solution coûterait moins cher que n’importe quelle autre (notamment les camions-trolleys, tramways cargo, trains et télécabines).

Alors bien sûr, les téléphériques d’antan ne sont pas adaptés aux charges de fret actuelles. Par exemple, 400 camions de 30 tonnes font aujourd’hui des allers-retours quotidiens entre Grenade et le port de Motril en Espagne. Cela représente une charge de 12 000 tonnes ; or le téléphérique en service de 1925 à 1950 ne pouvait transporter que 210 tonnes par jour (pendant 10 heures).

Cependant, l’entreprise Dopplemayr propose désormais des transports par câble transportant jusqu’à 1 500 tonnes par heure. Il serait donc possible de remplacer tous ces camions. Les systèmes RopeCon ont une encore plus grande capacité. D’autre part, une baisse des demandes de transport de marchandises serait favorable à l’expansion de la technologie des téléphériques. Parallèlement,une baisse des demandes énergétiques serait favorable aux infrastructures du secteur de l’énergie durable.

Les téléphériques ne fonctionnent pas dans tous les environnements, ils sont particulièrement efficaces dans les régions montagneuses ou vallonnées. Tout d’abord, le dénivelé fait passer le téléphérique d’un consommateur à un producteur d’énergie, et les autres alternatives sont bien plus coûteuses et difficiles à construire dans des régions vallonnées.

Et pourtant, les téléphériques restent plus durables que leurs alternatives dans les régions plates. La seule alternative motorisée pouvant rivaliser avec le téléphérique en matière de capacité, d’efficacité et de coûts est la batellerie, et plus particulièrement les toueurs. La batellerie est particulièrement adaptée aux régions vallonnées et s’allie bien avec les transports par câbles. Et les camions dans tout ça ? Ils sont totalement has been.

Sources :

« About ropeways », The Information Center for Ropeway Studies
« Hercules Aerial Tram Mobility Study & Report » Étudie plus largement l’utilisation des téléphériques de transport de voyageurs, mais dispose d’informations intéressantes sur les transports par câble.
« The wire rope and its applications », William Edward Hipkins, 1986
« Ropeways », The Elevator Museum, site internet
« Aerial or rope-ways: their construction and management », 1911
« Transport by Aerial Ropeways », W. T.H. Carrington, The Engineering Times, 1899
« Die Drahtseilbahnen », Paul Stephan, 1914
« Chemins de fer funiculaires
transports aériens »,A.Lévy-Lambert, 1894
« Wire rope tramways with special reference to the Bleichert patent system », Edmund Gybbon Spilsbury, 1890
« Wire rope transportation in all its branches », Trenton Iron Co. 1896
« The Bleichert system of aerial tramways », William Hewitt, 1909
« Across the Chilkoot pass by wire cable », William Hewitt, 1898
« El cable Dúrcal-Motril (Granada) », Francisco Calvo Poyo, Universidad de Granada.
« The Hallidie endless wire ropeway », California Wire Works, 1902
« Un po’ di storia degli impianti a fune », Associazione Nazionale Italiana Tecnici Impianti Funiviari.
« El bandido que asaltaba el cable más largo del mundo », Palomo Aguirre
« The genius of China: 3,000 years of science, discovery and invention », Robert Temple
« Science and technology in China », Volume IV:3, Joseph Needham.