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I-Le Facteur Humain : la technique de nage

9 mar

Les études réalisées à l’IRMES (institut de recherche bio-médicale et d’épidémiologie du sport) montrent que le nombre d’épreuves de natation dans lesquelles on a observé une amélioration des records du monde est nettement supérieure comparativement à l’athlétisme durant la dernière olympiade et au cours des JO de Pékin.

Toussaint et Beck en 1992 ont montré que la problématique centrale de la natation consistait à augmenter les forces propulsives et à diminuer les résistances à l’avancement.

Au sein de la fédération française de natation un modèle pédagogique a été construit synthétisant ces deux exigences, c’est le modèle de l’action de nage indiquant que le corps en mouvement du nageur était à la fois propulseur et projectile.

Ce sont les possibilités d’augmentation des forces propulsives et de diminution des forces de résistance qui déterminent l’évolution possible des records.

téléchargement (2)

Flottabilité dans le cas statique

Deux forces agissent sur le nageur, le poids et la poussée d’Archimède.

 LE POIDS

Sa formule est:  P = m . g
avec P, poids en N (Newton); m, masse en kg; g intensité de m la pesanteur en N.kg-1.

LA POUSSEE D’ARCHIMEDE

La poussée d’Archimède est définie par : Pa = ρ (fluide) . V . g

avec ρ (fluide), masse volumique du fluide en kg.m-³, pour l’eau = 1000 kg.m-3; V, le volume immergé en m³; g, la valeur du champ de pesanteur en N.kg-1.

Plus on s’immerge dans l’eau plus le volume d’eau déplacé est grand. Par conséquent plus la poussée d’Archimède sera forte. Lorsqu’on plonge pour aller chercher un objet au fond de la piscine, on est donc entièrement sous l’eau et on constate que ce n’est pas facile car la poussée d’Archimède contrarie la descente. Pour cette raison les plongeurs sont équipés de lest en plomb. Ainsi pour mieux flotter il faut s’immerger le plus possible dans l’eau. Cela va aussi dépendre des personnes, de leur masse osseuse musculaire et de leur masse graisseuse. Plus la masse osseuse et musculaire est grande, moins on flotte. Plus on a de masse graisseuse, mieux on flotte.

 

 Portance et propulsion
Le nageur repousse l’eau avec ses bras et mains déplacées vers l’arrière, par réaction l’eau le propulse vers l’avant. C’est la force motrice. Le mouvement des jambes aide également à la flottaison des jambes et créer une propulsion qui dépend du type de nage. Les différentes forces exercées sur le nageur sont représentées sur le schéma.

Le mouvement du nageur dans l’eau crée une force, LA PORTANCE HYDRODYNAMIQUE, qui améliore sa flottaison puisqu’elle agit dans le même sens que la poussée
d’Archimède. Sa formule est:
avec Po la portance aérodynamique en Newton, p la masse volumique du fluide en kg.m-3 et Cz le coefficient de portance sans unité, S la surface du corps en m2 et V la vitesse du corps dans le fluide en mètre par seconde (m.s-1). Cependant, lorsque le nageur tire avec ses bras, il est à la fois propulsé vers l’avant par l’eau qu’il pousse mais également freiné par des forces de résistance à l’avancement donc sa vitesse est limitée. Cette force de résistance à l’avancement est LA TRAINEE HYDRODYNAMIQUE.

Sa formule est: T = 1/2.p.Cx.S.V2
avec T, la traînée aérodynamique en Newton (N), la masse volumique du fluide déplacé en kilogramme par mètres-cube. (kg.m-3), Cx le coefficient de traînée, S la surface du corps (m2) et V, la vitesse du corps dans le fluide en mètre par seconde (m.s-1).

La traînée hydrodynamique se décompose en trois types: traînée de forme, traînée de vagues, traînée de frottement.

ͽ- Traînée de forme: par rapport au corps horizontal dans l’eau, les mouvements verticaux et latéraux offrent une surface plus grande en opposition au déplacement horizontal dans l’eau. Pour réduire cette résistance à l’avancement, il faut trouver la position la plus horizontale possible en rapport avec la technique de nage utilisée.

ͽ-Traînée de vagues: le nageur se déplace à la surface de l’eau à la frontière de deux milieux, l’eau et l’air. Son déplacement crée au niveau de la tête des vagues qui sont plus ou moins importantes en fonction de sa vitesse, de sa morphologie et de ses mouvements. La vague frontale crée une zone de haute pression devant le nageur qui le freine.

ͽ-Traînée de frottement:

le frottement entre la peau du nageur et l’eau fait que le nageur entraîne avec lui des molécules d’eau. Ces molécules entrent en collision avec d’autres, rebondissent dans des directions aléatoires. Elles pénètrent dans les flux adjacents en provoquant une turbulence d’où l’augmentation de la traînée. Cette traînée est accentuée par le frottement que subissent les nageurs, sur leur surface corporelle en fonction de leur vitesse. Cependant ils ne peuvent influencer cette dernière; ils ne peuvent donc jouer sur leur vitesse./Afin de réduire les frottements dans l’eau sur le corps, il est nécessaire d’avoir un bon équilibre pendant l’effort.
Il est nécessaire d’avoir une bonne respiration régulière et courte pendant l’effort pour ne pas perturber la position du nageur donc son équilibre.
Enfin, la propulsion permet au nageur d’avancer efficacement.

 

 

II- L’arrivée des combinaisons et leur évolutions

9 fév

L’Homme présente un fort désavantage envers l’hydrodynamisme : son anatomie. Il n’a pas la morphologie pour évoluer dans l’eau à cause de nombreux organes saillants comme les oreilles ou le nez, qui augmentent la résistance. Si l’on fait une analogie avec les cétacés on peut s’apercevoir que leurs organes ont subi une internalisation, c’est-à-dire que leurs organes ne sont pas situés à la surface de leur corps mais à l’intérieur de leur corps. Les organes qui ont été internalisés sont notamment les pavillons auditifs, les organes génitaux et les mamelles. De plus le principal désavantage est de la peau humaine envers l’hydrodynamisme reste principalement sa pilosité.
De par tous ces facteurs, on voit bien que l’Homme n’a rien d’hydrodynamique que ce soit à cause de sa peau ou de son anatomie, c’est pourquoi en natation, les scientifiques se sont inspirés d’animaux marins dont l’hydrodynamisme est poussé au maximum, pour améliorer les performances des sportifs.

Pourquoi une combinaison ?

Le principe de la combinaison est de pouvoir réduire les frottements et la trainée dans l’eau. Cela doit se faire sans gêner les mouvements des bras et des jambes. Contrairement aux maillots de bain où l’esthétisme est une donnée importante, les combinaisons sont avant tout imaginées afin d’aider le nageur lors des compétitions.

Dans cette recherche de l’efficacité, les ingénieurs se sont attachés à reproduire les caractéristiques des peaux des animaux aquatiques, et plus particulièrement celle des requins.L’étude de l’évolution des dix meilleures performances mondiales, réalisée par Stéphane Len, indique que le gain réalisé sur 50 mètres nage libre en 25 ans est identique à celui réalisé en l’espace de deux ans, suite à l’apparition des combinaisons en polyuréthane.

Les études conduites à l’IRMES montrent que les performances ont régressé de 1,7 %, et sont redescendues au niveau de celles de 2007 avec l’interdiction des combinaisons polyuréthane.

Les gains de temps sont par ailleurs supérieurs chez les hommes, par rapport à ceux constatés chez les femmes. Ces résultats peuvent être interprétés comme la conséquence des vitesses de nage supérieures chez les hommes induisant des résistances à l’avancement plus importantes et donc plus réduites par le port des combinaisons.

Les gains permis par les combinaisons sont également plus importants pour les distances courtes, les vitesses étant plus élevées dans le sprint. Pour les épreuves de demi-fond l’effet contention limite aussi peut-être les possibilités respiratoires.

 

Caractéristiques de la combinaison(exemple speedo)
1) Le polyuréthane, un polymère

 En 2004, est née la technologie Fastkin FSII. Cette nouvelle combinaison est basée sur l’étude de la peau de requin et permet au corps du nageur de rencontrer moins de résistance dans l’eau, donc d’avancer plus vite. C’est la marque Speedo qui a développé cette nouveauté et le prodige américain de 18 ans Michael Phelps a porté cette combinaison aux J.O. d’Athènes.

 téléchargement (1)Michael Phelps dans la combinaison Fastkin FSII

Au niveau de la chimie, le polyuréthane est créé synthétiquement, par polymérisation. Le polyuréthane est un polymère de la molécule d’uréthane (ou carbamate). De par ses qualités de matériau élastomère, hydrophobe et de flottaison, il permet d’optimiser au maximum les performances des nageurs en quête d’hydrodynamisme.

 

On appelle uréthane ou carbamate, un composé produit par la réaction d’un isocyanate (de la forme R-N=C=O) et d’un alcool de la forme R-OH ) conformément à la réaction suivante :

téléchargement

Le polyuréthane, de formule C25H42N2O6 a pour masse volumique 40 kg.m-3.

 

2) La fabrication de la combinaison

Speedo a utilisé une technologie basée sur le gaz moléculaire pour l’achèvement de sa combinaison permettant de façonner la surface du tissu lisse à partir de la nanotechnologie moléculaire.

 

De plus, la combinaison ne se mouille pas d’où son traitement hydrofuge. L’eau ne sera donc pas absorbée par le tissu, elle va glisser le long de celui-ci, ce phénomène est appelée  » la déperlance  ». Au niveau moléculaire, ce phénomène se caractérise par le fait que la matière ne va plus pouvoir créer de liaisons hydrogène avec les molécules d’eau. L’assemblage des pièces des combinaisons se fait par soudure d’ultrasons. Ainsi, ces nouvelles innovations réduisent considérablement les zones de frottement.

 

3) Biomimétique : peau de requin

La biomimétique vise à s’inspirer de la nature pour inventer des produits. L’homme trouve donc ses idées dans le monde ainsi pour les combinaisons s’est-on intéressé à la peau de requin.

 

Pendant longtemps, les chercheurs ont essayé de rendre le surface de la combinaison la plus lisse possible. Or, il s’est avéré que les surfaces « micro-rainurées » produisaient un effet encore inconnu, permettant de réduire énormément les forces de frottements et de traînée. Cette pellicule d’eau reste constamment au plus proche du corps de l’animal permettant, lors d’un déplacement, que les requins  »glissent » très facilement dans l’eau en fournissant moins d’effort. De plus tous les requins possèdent des nageoires pectorales et dorsales indispensables à leur équilibre lors de leur déplacement.

 téléchargementPeau de requin

4) Avantages:

La combinaison permet d’améliorer la flottabilité du nageur, de part sa composition essentiellement en polyuréthane. Il se forme alors une fine couche d’air sur la surface de la combinaison ce qui permet alors de mieux flotter. Elle permet aussi un gainage, en comprimant certaines parties du corps pour améliorer l’hydrodynamisme. Enfin elle permet aussi une glisse optimale, avec un meilleur écoulement de l’eau due à son hydrophobie.
5) De nos jours
Suite à une « explosion » des records avec une combinaison 100% polyuréthane, la performance des sportif est beaucoup remise en question. En effet, cette combinaison fait réagir et en 2010, la FINA a restreint l’utilisation de certaines combinaisons. C’est notamment durant le congrès du 29 juillet 2009 que la LZR racer, ainsi que les combinaisons tout polyuréthane ont été interdites. Cependant, ce congrès a aussi banni l’utilisation des combinaisons « legskin » et « bodyskin » des compétitions. Maintenant, seules les combinaisons, « jammer », « Kneeskin » et, « Racerback » sont autorisés. Mais, les combinaisons « Kneeskin » sont interdites pour les hommes.
Actuellement, seules les combinaisons « jammer » sont utilisés par les hommes et, les combinaisons « kneeskin » par les femmes.
images - CopieCombinaison Homme
téléchargement (4)Combinaison Femme

 

III. Expérience combinaison

10 jan

Image de prévisualisation YouTube
Cliquez sur l’image afin de visionner la vidéo.
Ainsi nous avons réalisé une petite expérience avec et sans combinaison. Etant donné que nous n’avons pu trouvé de combinaison  100% en polyuréthane (interdit de nos jours) nous avons utilisé une combinaison avec des fibres de carbonne et quelque panneaux de polyuréthane.
Nous avons profité d’un stage avec le Pôle France de Pentathlon Moderne d’Aix En Provence pendant les vacances de février pour réaliser notre expérience.
Voulant valider notre hypothèse que la combinaison avec des plaques de polyuréthane permettait d’augmenter la performance sur des sprint courts en natation, nous avons mis en place une méthode expérimentale scientifique consistant à tester par des expériences répétées la validité de notre hypothèse.
Dans le but de procéder à une comparaison de la combinaison avec un maillot de bain afin de pouvoir analyser les différences de temps sur un même sujet, nous avons fait sur deux jours différents une répétition de 8x100mètres. Le premier jour en maillot de bain et le second avec la combinaison.
L’état de forme pouvant varier. De manière raisonnable, nous pouvons penser que nos résultats seront donc scientifiquement faussés.
Selon la communication effectuée par la marque « Aréna », la combinaison utilisée réduit les frottements de plus de 20%.
Nous sommes arrivés à un résultat en moyenne de 35s90 lors des 50m en maillot de bain contre un résultat de 33s31 pour les 50m avec la combinaison. Il y a donc une différence de 2s59 ce qui reste considérable. Bien entendus nous sommes conscients des limites de notre expérience, et que nous pouvons pas dire que cette différence est une loi généraliste. Elle varie selon les athlètes cependant la différence est quand même présente.
On peut donc en conclure que la combinaison a un réel effet d’hydrodynamisme qui améliore la performance sportive mais nous savons aussi de par notre investissement chaque jour à l’entraînement, qu’il n’y a pas que les combinaisons qui améliorent les temps des nageurs. Les performances en natation peuvent être améliorées par d’autres facteurs qui entrent en jeu. Cela pourrait d’ailleurs être une suite possible de notre TPE…

 

IV. Conclusion

9 déc

Pour  conclure, nous avons donc vu que le faite de porter une combinaison intervient dans l’amélioration sportive, en effet les nageurs professionnels ont réussi de nouveaux records aux termes de progrès technologiques sur les combinaisons. Etant tous deux sportifs de haut niveau en Pentathlon moderne, nous voulions également savoir si nous pouvions améliorer nos performances sportives grâce à l’aérodynamisme et grâce à nos recherches et nos expériences faites dans ce TPE, nous avons pu démontrer (avec les limites expérimentales que nous avons évoqué) que ceci est même primordial dans les performances. Cependant on peut voir que cela à une limite, trop de technologies déshumanise la performances il faut donc trouver un compromis comme l’a fait la FINA.

Sources

14 mar

Natation
• tpe-combinaison-speedo.e-monsite.com
• tpe-natation-combinaison.e-monsite.com
• http://aerodynamique.e-monsite.com

 

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