Roue Cyr et matériaux composites : modéliser une discipline de cirque pour enrichir son langage acrobatique

La roue Cyr, agrès de cirque, est un anneau métallique à taille humaine. L'utilisateur s'y agrippe et exécute des figures acrobatiques en tournant. Le poids, la rigidité et la géométrie de la roue sont des paramètres déterminants pour le mouvement de l'utilisateur. Depuis son invention, cet agrès a été revisité par les artistes et les fabricants, qui se sont basés sur le concept de la roue Cyr pour créer de nouveaux agrès. Alors que le cirque s'approprie les matériaux composites utilisés pour l'équipement sportif, les adeptes de la roue Cyr se demandent ce qu'une roue plus légère et plus flexible apporterait à la discipline. Ces roues sont constituées de poutres courbes connectées par des manchons, ce qui implique des coûts de fabrication excluant la méthode ‘essai-erreur' pour répondre à la question. Tous les projets alliant roue Cyr et matériaux composites restent ainsi inachevés. A ce jour la roue Cyr ne fait l'objet d'aucune publication scientifique. Cependant, son mouve- ment est similaire à celui du disque d'Euler : nous adaptons donc les modèles théoriques issus de la littérature comme base pour déterminer comment la géométrie de la roue Cyr influence sa stabilité dynamique. Nous étudions aussi le saut d'une roue comprimée puis relâchée, en référant aux travaux de Yang et Kim sur le stockage d'énergie élastique dans des anneaux. La conception, la fabrication et les tests d'une roue Cyr en matériaux composites combinent une expérience pratique de l'agrès, l'impression 3D de matériaux composites à grande échelle et la dynamique du disque d'Euler. L'issue de ces travaux contribuera à clarifier l'intérêt, pour les fabricants, d'investir dans les roues Cyr en composites. Notre objectif est de déterminer les propriétés du matériau et la géométrie optimales pour la stabilité et le saut d'une roue Cyr, d'imprimer un prototype et de tester son potentiel acrobatique avec des artistes de cirque. Parmi les matériaux compatibles avec le procédé de fabrication choisi, le nylon renforcé avec des fibres de carbone courtes s'est révélé être le plus adapté. A l'issue de cette étude nous avons déterminé que pour une roue Cyr d'un rayon standard de 0.9 m on choisira, afin d'optimiser le saut, un rayon de section intérieur de 15.2 mm et un rayon de section extérieur de 18 mm. Pour ce qui concerne les figures où la roue Cyr roule sur sa tranche, on optimisera la stabilité dynamique de la roue en maximisant son rayon et en minimisant le rayon externe de sa section.

Abstract

A Cyr wheel is a circus apparatus consisting of a human sized metallic ring. The user stands inside the wheel and performs acrobatic figures while spinning. The weight, stiffness and geometry of the wheel are thus determinant parameters for the user's motion. Since it has been invented, the Cyr wheel has been revisited by circus artists and manufacturers to create hybrid apparatuses. As composite manufacturing for sports spreads to circus, Cyr wheel adepts wonder what a lighter, more flexible wheel would result in. These wheels are composed of curved beams connected by sleeves : this implies fabrication costs and excludes the ‘trial and error' method to answer the question. Thus, no composite Cyr wheel project has been completed yet. To this day there is no scientific publication specific to Cyr wheel. Nevertheless, its dynamics relate to Euler's disk. We adapt theoretical models in the literature as a basis to determine how the Cyr wheel geometry influences dynamic stability. We also focus on the jump of a wheel being bent and released, and thus refer to Yang and Kim article about energy storage in elastic rings as a comparative study. The design, manufacturing and test of a 3D printed composite Cyr wheel prototype combine practical experience of the apparatus, familiarity with composite materials, large-scale 3D printing processes and dynamics of Euler's disk-like motions. The outcome will shed light on the interests for manufacturers to invest in composite Cyr wheels. Our objective is to determine which mechanical properties and geometry will optimize the stability and jumps of a Cyr wheel, 3D print a prototype and test acrobatic possibilities with circus artists. Among the materials which were suitable for the chosen manufacturing process, carbon fiber reinforced nylon turned out to be the most relevant choice. Following this study, we found that in order to optimize the jumping motion of a 0.9 m radius Cyr wheel, the inner and outer radii of the cross-section should be respectively 15.2 mm and 18 mm. Concerning the rolling motion of the wheel, optimizing its dynamic stability is obtained by maximizing its radius and minimizing the outer radius of its section.