Pourquoi une moto tient debout : ce n'est pas le gyroscope, c'est la direction

Pourquoi une moto ne tombe pas quand elle roule

Lâchez une moto à l'arrêt, elle se couche. Lancée à 50 km/h, la même machine file droit sans que vous ayez l'impression de faire quoi que ce soit. Même moto, mêmes 200 kilos, deux comportements opposés. Entre les deux, aucune force mystérieuse ne s'allume pour la maintenir droite. Ce qui change, c'est une seule chose : la possibilité de braquer.

Une moto en mouvement est un équilibre qui se rattrape sans arrêt. Dès qu'elle penche d'un côté, son centre de gravité sort de la ligne qui relie ses deux pneus, et elle commence à tomber. Pour la retenir, il faut remettre les appuis sous la masse. Or le seul moyen de déplacer des pneus sous une moto qui roule, c'est de braquer du côté de la chute : la trajectoire s'incurve de ce côté, les pneus filent sous le centre de gravité, la machine se redresse. L'équipe de chercheurs qui a publié dans Science en 2011 le résume en une ligne : un deux-roues et son pilote tiennent en braquant vers la chute, ce qui ramène les roues sous le pilote.

Qui braque ? Parfois la moto elle-même, grâce au dessin de son train avant : poussez une moto à l'arrêt sur le côté, sa roue avant tourne d'elle-même vers l'inclinaison. Mais sur une moto, c'est surtout vous. Vos mains dosent en permanence des pressions minuscules sur le guidon, et votre cerveau a si bien appris à le faire que vous ne le sentez plus. D'où ce paradoxe : il faut des semaines pour apprendre à rouler, et on ne l'oublie jamais.

L'effet gyroscopique : réel, mais ce n'est pas lui qui tient la moto

La réponse la plus répandue tient en une phrase : les roues tournent, elles font gyroscope, donc la moto reste droite. Il y a du vrai dedans. Une roue qui tourne résiste aux changements d'orientation de son axe, exactement comme une toupie reste debout sur sa pointe tant qu'elle tourne vite, et bascule dès qu'elle ralentit.

Sur une moto, cet effet est mesurable, et il grandit avec la vitesse de rotation des roues. Il n'agit pas en poussant la machine vers la verticale : quand elle penche, il fait tourner la roue avant du côté de la chute (c'est la précession), et c'est ce braquage qui la redresse. Les roues ne sont d'ailleurs pas seules en cause : tout ce qui tourne vite dans la moto, vilebrequin et transmission compris, a son propre effet gyroscopique. Ce qui se passe dans le bloc à 6 000 tr/min est raconté dans notre explication du moteur 4 temps.

À basse vitesse, cet effet devient négligeable, et c'est justement là que la moto est la plus dure à tenir. Tout colle avec l'intuition. Seulement voilà : si le gyroscope était la clé, un deux-roues privé de tout effet gyroscopique serait impossible à équilibrer. L'expérience a été faite. Deux fois.

En 1970, le Britannique David Jones cherche à fabriquer un vélo impossible à conduire. Il monte sur la direction un disque qui tourne en sens inverse de la roue avant, pour annuler son effet gyroscopique. Raté : le vélo se conduit toujours, et Jones arrive encore, de justesse, à le mener sans les mains. En revanche, quand il place le contact du pneu avant devant l'axe de direction, il n'y parvient plus. Il en conclut que la chasse est la clé. Il avait à moitié raison, et il a fallu quarante ans pour le démontrer.

L'action gyroscopique, malgré sa petitesse, est nécessaire à l'autostabilité.

Felix Klein et Arnold Sommerfeld, traité sur la toupie, 1910 (chapitre du vélo signé Fritz Noether). Affirmation réfutée par Kooijman et al., Science, 2011.

Le vélo de Delft : ni gyroscope, ni chasse, et il tient seul

Avril 2011. La revue Science publie l'article de Kooijman, Meijaard, Papadopoulos, Ruina et Schwab, chercheurs à l'université de technologie de Delft et à l'université de Twente aux Pays-Bas, à Cornell et à l'université du Wisconsin-Stout aux États-Unis. Titre sans détour : un vélo peut être autostable sans effet gyroscopique ni effet de roulette. Leur machine ressemble à une trottinette pliante. Deux petites roues pour limiter la rotation, des disques qui tournent à l'envers pour annuler ce qui reste, et une roue avant qui touche le sol 4 millimètres devant l'axe de direction : une chasse négative, l'inverse des vélos et des motos de série.

Poussée puis lâchée, la machine roule seule. Frappée sur le côté, elle se redresse et repart droit. Au-dessus de 2,3 mètres par seconde, environ 8 km/h, les calculs la donnent stable, et les mesures suivent : elle ne commence à tomber qu'une fois ralentie sous 2 mètres par seconde.

Alors pourquoi braque-t-elle vers la chute ? Parce que la masse de son train avant est placée en avant de l'axe de direction, et plus bas que celle du cadre. Quand l'ensemble penche, cette masse basse tombe plus vite que la masse haute, comme un crayon posé sur sa pointe tombe plus vite qu'un manche à balai. Les deux parties étant articulées, cette chute plus rapide fait tourner la direction du côté de la chute. Même résultat que le gyroscope ou la chasse, par un tout autre chemin.

Attention au raccourci « le gyroscope, c'est un mythe ». Les auteurs ne disent pas que ces effets n'existent pas : sur un vélo ou une moto de série, gyroscope et chasse contribuent bel et bien. Ils montrent qu'aucun des deux n'est indispensable, et que la stabilité naît d'un mélange de paramètres (chasse, effet gyroscopique, position de la masse avant, inclinaison de la colonne) qui interagissent de façon complexe. Presque n'importe quel vélo stable devient instable si l'on dérègle un seul de ces trois réglages : la chasse, le gyroscope de la roue avant ou la position de la masse avant.

Un siècle à chercher pourquoi ça tient

1. 1897
   Emmanuel Carvallo

   Mathématicien français, il soumet au prix Fourneyron la première analyse de la stabilité du vélo. Deuxième prix partagé en 1898, publication en 1899.

2. 1899
   Francis Whipple

   Étudiant à Cambridge, il décrit le vélo comme quatre corps rigides articulés. Son modèle sert encore de base aux calculs actuels.

3. 1910
   Klein et Sommerfeld

   Leur traité sur la toupie déclare le gyroscope indispensable. Le calcul contenait des erreurs de signe, relevées un siècle plus tard.

4. 1970
   David Jones

   Gyroscope annulé, son vélo se conduit toujours. Chasse inversée, il ne le tient plus sans les mains. Il fait de la chasse la clé.

5. 1971
   Robin Sharp

   Premier à nommer les trois modes d'instabilité de la moto : capsize, weave et wobble.

6. 2011
   Kooijman et al., Science

   Sans gyroscope ni chasse positive, un deux-roues se redresse seul. Aucun des deux effets n'est nécessaire.

7. 2017
   Honda Riding Assist

   Au CES de Las Vegas, Honda montre une moto qui tient debout à l'arrêt sans gyroscope, en jouant sur la direction.

Chasse et angle de chasse : ce qui fait braquer la roue vers la chute

Sur votre moto, la géométrie fait une partie du travail, et deux cotes la résument. L'angle de chasse est l'inclinaison de la colonne de direction par rapport à la verticale. La chasse, elle, se mesure au sol : c'est l'écart entre le point où l'axe de direction prolongé touche la route et le point où le pneu avant la touche vraiment, un peu en arrière.

Comme la roue traîne derrière son axe, elle se comporte comme la roulette d'un chariot de supermarché : elle revient d'elle-même dans le sens de la marche. Quand la moto penche, le poids qui appuie sur ce contact décalé fait tourner la direction du côté de l'inclinaison. Le déport des tés de fourche, qui avance la roue devant l'axe, sert justement à ramener la chasse à la valeur choisie par le constructeur.

Lu de près, ce tableau casse une idée reçue : la chasse bouge à peine d'une moto à l'autre, une centaine de millimètres sur une hypersportive comme sur un custom de 315 kilos. Ce qui change vraiment, c'est l'angle de la colonne et l'empattement. Colonne couchée et empattement long : la moto file droit, pèse dans les mains au ralenti et demande de l'anticipation pour changer de cap. Colonne plus droite et empattement court : direction vive, qui répond au moindre appui mais pardonne moins les à-coups. Rien de tout ça n'est un hasard, c'est un choix d'ingénieur fait pour un usage.

Ces cotes ne sont pas figées pour autant. Au freinage, la fourche télescopique s'enfonce, la colonne se redresse, et la chasse comme l'empattement diminuent : la direction devient plus vive au moment précis où vous entrez en courbe. C'est une des raisons pour lesquelles la moto ne réagit pas de la même façon sur les freins et sur l'accélérateur.

Pourquoi une moto tombe à l'arrêt, et pourquoi c'est dur à basse vitesse

Moteur coupé, le mécanisme est coupé à la racine. Tourner le guidon ne déplace plus les pneus sur le côté, puisqu'il faudrait avancer pour que la trajectoire s'incurve. La moto redevient un pendule à l'envers, un balai posé en équilibre sur le doigt, et le moindre écart grandit jusqu'à la chute. Reste un pied au sol, ou la béquille.

Entre l'arrêt et l'allure normale, tout est affaire de dosage. Pour rattraper une inclinaison, la moto doit décrire une courbe assez serrée pour la redresser, et le rayon de cette courbe grandit avec le carré de la vitesse. Doublez la vitesse, le braquage nécessaire est divisé par quatre. Sur une moto type, rattraper 5 degrés d'inclinaison demande environ 10 degrés de guidon à 10 km/h, soit 6 centimètres au bout de la poignée. À 90 km/h, il suffit de 0,13 degré : moins d'un millimètre. Voilà pourquoi la moto paraît posée sur la route à vitesse stabilisée, et pataude au pas.

Ce calcul éclaire aussi l'exercice d'allure lente du plateau, au permis : on y travaille précisément dans la zone où chaque écart d'équilibre coûte un grand mouvement de guidon. Le déroulé complet des épreuves est dans notre guide de la réforme du permis moto.

D'où un conseil qui vaut de l'or au pas : bras souples. Quand la moto vacille, le réflexe naturel est de serrer le guidon. C'est l'inverse qu'il faut faire. Des bras crispés bloquent à la fois le braquage que la géométrie voudrait donner et les corrections que vos mains doivent faire, et ce sont justement de grands braquages dont la moto a besoin à cette allure. Coudes déverrouillés, la moto travaille de nouveau avec vous. Pour les autres pièges des premiers mois, les cinq erreurs de débutant les plus fréquentes complètent bien ce point.

Honda a d'ailleurs pris le problème par l'autre bout. Au CES de Las Vegas, en janvier 2017, le constructeur a montré son prototype Riding Assist : une moto qui tient debout à l'arrêt, sans personne dessus et sans gyroscope. Le système ouvre l'angle de la fourche, allonge l'empattement, désaccouple le guidon de la direction et pilote lui-même la roue avant pour garder l'équilibre. La preuve par l'industrie que c'est la direction qui tient une moto.

Autostabilité : une moto peut-elle tenir seule en roulant ?

Un vélo peut rouler seul sur une bonne distance : Jacques Tati en a fait un gag dans Jour de fête, en 1949, avec une bicyclette qui file sans cycliste. Les calculs le confirment. Un vélo bien dessiné est autostable dans une fenêtre de vitesse : en dessous, il tombe en oscillant ; au-dessus, il se couche lentement. Les chercheurs de Delft notent même que tous les vélos et toutes les motos connus perdent leur autostabilité à haute vitesse, justement à cause des effets gyroscopiques.

Pour la moto, les travaux de l'université de Padoue sont plus sévères. Vittore Cossalter et Roberto Lot la décrivent comme un système intrinsèquement instable en roulis : sans l'action du pilote, une moto qui roule droit finit par tomber sur le côté, surtout à basse vitesse, où l'effet gyroscopique ne stabilise presque plus rien. Ce mode de chute porte un nom, le capsize.

Toute la nuance est dans le tempo. À allure normale, cette chute est lente, de l'ordre de la seconde, bien plus lente que vos réflexes. Vous la contrôlez sans effort, et vous vous en servez même pour entrer en virage : c'est la bascule que déclenche le contre-braquage. Au bout du compte, ce qui tient votre moto debout, ce n'est ni la toupie ni la magie de la géométrie. C'est vous, en continu.

Une étude sur des cyclistes, publiée en 2016 dans la revue PLoS One, va dans le même sens : les pratiquants aguerris gardent l'équilibre avec des mouvements de guidon plus petits et plus réguliers que les non-cyclistes. Apprendre à rouler revient à affiner une correction, pas à en découvrir une.

Capsize, weave, wobble : les trois façons dont une moto veut tomber

En 1971, l'ingénieur Robin Sharp a donné des noms aux grands modes d'instabilité d'une moto. Ils existent sur la vôtre, et vous les compensez sans le savoir.

Le weave est une ondulation de toute la machine, qui mêle roulis et lacet. Sa fréquence monte avec la vitesse, d'environ 0,2 hertz au pas à 3 ou 4 hertz à haute vitesse. Il peut être instable à très basse vitesse ; à haute vitesse, il devient difficile à contrer, parce qu'il oscille trop vite pour les mains du pilote. Un empattement long, une chasse généreuse et une colonne couchée l'amortissent. Une charge arrière lourde et un amortisseur arrière fatigué l'aggravent, surtout en courbe.

Côté wobble, c'est le guidonnage : le train avant seul se met à battre de gauche à droite, autour de 4 hertz sur une moto lourde et jusqu'à 9 sur une moto légère. Cossalter et Lot le décrivent comme peu amorti entre 40 et 80 km/h, plage où il peut devenir instable. L'amortisseur de direction existe pour ça : il ajoute l'amortissement qui manque à la direction. Plusieurs motos restées célèbres pour leurs guidonnages figurent dans notre classement des motos les plus dangereuses de l'histoire.

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Si le guidon se met à battre

1. 01
   N'accélérez pas pour en sortir

   Selon le manuel de la Motorcycle Safety Foundation, l'organisme américain de formation des motards, accélérer pour « sortir » d'un guidonnage rend la moto encore plus instable.

2. 02
   Tenez le guidon fermement, sans lutter

   Gardez les mains sur le guidon, mais ne cherchez pas à bloquer l'oscillation à la force des bras. Votre prise fait partie de la raideur de la direction : lâcher serait pire, se crisper aussi.

3. 03
   Refermez les gaz progressivement

   Laissez la vitesse tomber d'elle-même. Le guidonnage dépend de la vitesse, il s'éteint quand vous sortez de sa plage.

4. 04
   Ne freinez pas fort

   La MSF le dit sans détour : freiner peut aggraver le guidonnage.

5. 05
   Portez le poids vers l'avant et vers le bas

   Puis arrêtez-vous dès que possible pour chercher la cause, avant de repartir.

Presque toujours, un guidonnage a une cause précise. La MSF cite d'abord une charge mal répartie, des accessoires inadaptés et une mauvaise pression des pneus. Viennent ensuite une direction mal réglée ou usée, une roue voilée, désalignée ou mal équilibrée, des roulements de roue ou de bras oscillant fatigués. La direction fait partie des points examinés au contrôle technique moto, mais un jeu qui apparaît entre deux contrôles se traite tout de suite, pas à l'échéance.

Ce que ça change pour vous

Au quotidien

• Au pas, desserrez

  Plus la vitesse baisse, plus l'équilibre réclame de grands braquages. Des bras souples laissent la direction travailler, des bras raides la bloquent.

• Lisez la géométrie de votre moto

  Colonne couchée et long empattement pardonnent en ligne droite et demandent d'anticiper en virage. Colonne droite et empattement court réagissent vite, dans les deux sens. Aucune n'est meilleure, elles ne servent pas la même route.

• Chargez bas et vers l'avant

  Top-case plein, pression de pneus oubliée, bulle mal fixée : ce sont les causes de guidonnage et de louvoiement les plus citées. Elles se règlent au garage, pas sur l'autoroute.

YOUTUBE Contre-braquage moto : tu le fais déjà sans le savoir7:32

Reste le geste qui fait pencher la moto pour tourner, celui que vous faites à chaque virage sans y penser. Il est détaillé avec un entraînement interactif dans notre article sur le contre-braquage. Et pour vérifier le reste de vos réflexes de motard, le quiz du code moto pose les huit questions que la moitié des motards ratent.