Le sport n'est pas simplement une manifestation de force physique ou de talent naturel. C'est aussi une série complexe de mouvements, de réactions et de décisions, toutes influencées par les lois de la physique. En utilisant la technologie à notre portée, nous pouvons non seulement améliorer nos performances, mais aussi approfondir notre compréhension des principes scientifiques qui sous-tendent chaque mouvement, chaque saut, chaque coup. Alors, prêt à combiner votre passion pour le sport avec un peu de science? Attrapez votre smartphone et commençons l'exploration!
Avant de commencer, un mot de précaution : les smartphones sont des appareils fragiles, on doit donc veiller à les sécuriser quand on les utilise comme appareils de mesure.
Table des matières
Les instruments de mesure - La course à pied - Le trampoline - Le saut à la perche - Le basket - Le lancer de disque - Le cyclisme - La boxe et les arts martiaux - Le plongeon - La pétanque - Le badminton - Le football - Les handisports - Conclusion
Les instruments de mesure
Pour réaliser les expériences décrites dans cet article, vous utiliserez les capteurs d'un smartphone ou d'une tablette. Ceux que nous utiliserons sont présents dans la plupart des appareils digitaux. Les données de ces capteurs peuvent être collectées grâce à des applications scientifiques disponibles sur les stores iOS ou Android. L'application gratuite FizziQ est parfaitement adapté à l'analyse des données pour les expériences que nous proposons.
Le GPS : grâce à l'analyse de signaux venant de satellites, la puce GPS d'un smartphone permet de mesurer la vitesse, altitude et les distances. Ces informations sont utiles pour évaluer la performance des coureurs à pied ou sur un vélo, et identifier les facteurs qui influent sur leurs résultats.
Le podomètre : le podomètre permet de mesurer la cadence d'une marche ou d'une course. Dans le cadre sportif, elle permet d'évaluer le rythme d'une course et sa régularité.
L'accéléromètre : cet instrument permet de mesurer l'accélération linéaire et absolue. Elle fourni des informations précieuses pour analyser les sauts dans le cas du trampoline ou l'énergie des impacts dans le cas de la boxe.
La caméra vidéo : utilisée avec un logiciel d'analyse de vidéo, elle permet de connaître la position dans le temps d'un objet ou d'une personne et d'en déduire la vitesse, l'accélération ou l'énergie. Les données recueillies donnent des informations qui permettent d'analyser les trajectoires au basket, la transformation de l'énergie dans le saut à la perche, la trajectoire d'un volant au badminton, la collision de boules de pétanque, l'effet Magnus pour le football, ou la position du centre de gravité lors d'un plongeon.
Le gyroscope : ce capteur permet de connaître la vitesse de rotation du smartphone. Il peut être utilisé dans l'analyse de mouvements de rotation comme le lancer de disque ou de marteau.
Le microphone : utilisé en conjonction avec un autre instrument comme l'accéléromètre, il permet de mesurer la vitesse de réaction des athlètes, par exemple au départ d'une course.
Etudions à présent comment nous pouvons utiliser ces outils de mesure pour mieux comprendre différents sports.
La course à pied
La course à pied est probablement le sport que l’on peut étudier le plus facilement. Simple en apparence, elle est en réalité une danse complexe de biomécanique, de physiologie et de psychologie. Son étude permet d’aborder les thèmes de la performance, de la vitesse de réaction et de la physiologie du corps humain.
Tout d’abord l’analyse de la performance. En mesurant la vitesse mesurée par le GPS ou le nombre de pas au cours du temps mesuré par le podomètre, on étudiera la vitesse de la course en fonction de la distance, sa régularité, la cadence des pas et leur longueur. En comparant ces paramètres pour différents coureurs on peut commencer à comprendre ce qui conditionne la performance de chacun.
Un autre sujet d'intérêt concerne la séquence de départ pour la course. Ce moment essentiel peut être étudié en enregistrant simultanément le volume sonore qui mesurera le signal de départ, et la mesure de l’accélération qui mesurera la réaction du coureur (fonction Ecran Duo dans FizziQ). En comparant ces deux informations, on mesure la vitesse de réaction du coureur qui est le décalage entre le signal sonore et le mouvement de l'athlète. On peut comparer ce temps à celui d’autres athlètes.
Une troisième analyse concerne les risques médicaux associés à la pratique de la course à pied. En utilisant l’accéléromètre on mesure la force de l’impact à chaque pas sur les jambes, qui est typiquement 5 à 10 fois le poids du coureur, soit 5 à 10 g. Cette constatation ouvre des discussions sur de nombreuses questions sur la physiologie du corps humain : est-il préférable pour la santé de courir pied nu ou avec des chaussures ? la pratique de ce sport à partir d'un certain âge est-elle recommandée ?
Le trampoline
Le trampoline, bien plus qu'un simple jeu d'enfants, est en réalité un terrain d'expérimentation sur la gravitation extrêmement intéressant. En utilisant l’accéléromètre on peut étudier de nombreux aspects du saut, notamment les rebonds et le vol.
On a toujours un peu de mal à se représenter que durant la phase de vol, l'athlète est certes en chute libre, mais dans son référentiel il est également en apesanteur, comme l'a montré Einstein dans une expérience de pensée célèbre. Durant la phase de vol, l’accéléromètre affichera ainsi une accélération nulle, qui confirme que l’athlète est dans un état d’apesanteur. Le phénomène qui peut sembler fugace sur un trampoline, peut être évaluée avec précision : combien de temps un athlète passe-t-il réellement en état de chute libre ? Vérifie-t-on que l’accélération absolue est nulle ?
A l'atterrissage, on pourra aborder d’autres questions : quelle est l’accélération lorsque l’athlète recontacte la toile, et comment cela influence-t-il le prochain saut ? quelle est l’amortissement si l’athlète ne fait aucune action ?
Le saut à la perche
Le saut à la perche, ce ballet aérien où l'homme cherche à déjouer la gravité, est une ode à la biomécanique humaine et aux lois de la physique. Derrière chaque envol, se cache une chorégraphie d'angles, de forces et de moments pivots, chacun jouant un rôle déterminant dans la quête de hauteur.
Lors de la course, le système athlète-perche acquiert une certaine énergie cinétique. Cette énergie est transformée en énergie élastique de la perche après le planté et l’athlète prend son envol. Par un mouvement de balancement, le perchiste augmente encore l’énergie élastique. Lors de l'ascension la perche se détend et transforme l’énergie élastique en énergie potentielle de l’athlète. Durant la phase de retournement l’athlète continue de se hisser la tête en bas et passe la barre après une dernière poussée. Le saut à la perche est donc un mouvement très complexe et technique.
Le meilleur outil pour étudier la mécanique du saut à la perche est l’analyse cinématique d’une vidéo ou d’une chronophotographie. On pourra filmer un ou une perchiste, ou utiliser une vidéo de la bibliothèque cinématique de FizziQ. Avec cet outil on pourra étudier comment durant chaque phase la transformation et l’apport d’énergie permet à l’athlète d’aller le plus haut possible. Par exemple : quel est l’apport de la course dans le gain de hauteur ? Quelle est l’énergie élastique emmagasinée dans la perche ? La poussée finale aide-t-elle l’athlète à aller plus haut ? Comment le mouvement de basculement permet-il de créer plus d’énergie élastique ?
Pour aller plus loin, on trouvera dans cet article les détails des différentes séquences et le bilan énergétique que permet l’analyse cinématique.
Le basket
La parabole décrite par un ballon de basket lors d'un lancer franc est une illustration parfaite des lois de la physique qui peut être étudiée facilement avec la caméra d’un smartphone et le module d’analyse cinématique FizziQ.
L’étude de la trajectoire est un exercice d'autant plus intéressant pour les élèves qu'ils peuvent réaliser leur propre vidéo à analyser et ainsi se confronter aux difficultés de la réalisation d'une bonne vidéo cinématique. Parmi les conseils qui feront une bonne vidéo, on s'assurera que le smartphone à une distance suffisante pour éviter les déformations dues au grand-angle. D'autre part, le plan doit rester fixe durant la durée de la vidéo. On utilisera une cadence de 30 ou 60 images par seconde. La hauteur du panier peut servir d’échelle.
A partir de cette vidéo (ou d’une vidéo téléchargeable sur internet), on analyse alors la courbe du mouvement. On déterminera son équation qui est une parabole et ce calcul permettra pour les élèves de lycée de donner une estimation de l’accélération de la pesanteur g.
Le lancer de disque
Le lancer de disque est un exercice de transformation d'énergie qui nécessite une technique précise pour obtenir les meilleurs résultats. Lors de la phase de rotation, l'athlète accumule de l'énergie cinétique en utilisant la force de ses muscles et en exploitant la friction entre ses pieds et le sol. Cette énergie, acquise par la rotation du corps, est ensuite transmise au disque lors de la phase de lancement.
L'un des éléments cruciaux de cette technique est la vitesse de rotation de l'athlète. Une rotation rapide permet de transférer plus d'énergie au disque, ce qui se traduit par un lancer plus long.
Pour analyser le lancer, on pourra utiliser le gyroscope d’un smartphone attaché au bras de l’athlète. Les mesures permettront de déterminer la vitesse de rotation de l’athlète et ainsi donner une estimation de l’énergie cinétique du disque lors du lancer.
La trajectoire d’un disque en rotation n’est pas une parabole et si le disque est envoyé avec un angle négatif par rapport à l’angle initial de la trajectoire, le disque peut aller beaucoup plus loin qu’un poids équivalent lancé à la même vitesse. On pourra essayer d’estimer la différence de trajectoire à partir de données accumulées sur le terrain.
Le cyclisme
Sport mécanique, le cyclisme permet d’aborder d’autres problématiques du sport, notamment les moyens de démultiplication de l’effort et les forces de résistance.
Une première analyse concerne le fonctionnement du vélo et une partie importante : le changement de vitesse. Grâce à cette invention, le cycliste peut conserver une cadence de pédalage optimale quelque soit la vitesse du vélo. Il permet également d’appliquer des couples importants pour les côtes ou le démarrage. Pour mieux comprendre l’utilité du changement de vitesse, pourquoi ne pas faire l’analyse suivante ? On choisit une certaine distance (50 mètres par exemple) et on mesure le temps que met un cycliste à partir d’un départ arrêté pour atteindre cette marque le plus rapidement possible et on mesure également la vitesse atteinte grâce à la mesure GPS. Quel est le meilleur pignon ?
Une deuxième analyse concerne les frottements. En effet, l’équation du cyclisme sur route plate est simple : l’apport d’énergie est dissipée en énergie de frottement, dont la principale à partir d’une certaine vitesse est le frottement de l’air, qui est proportionnel à la surface frontale. Pour étudier l’impact du frottement de l’air, on peut mesurer avec le GPS le ralentissement induit par différentes positions du cycliste : en position de course, ou debout sur les pédales.
La boxe et les arts martiaux
La boxe, un mélange de force, de technique et de stratégie, est également une illustration parfaite des lois de la physique en action, et notamment les lois sur la force et l'énergie.
L'une des questions les plus courantes dans ce sport est : "Quelle est la puissance réelle d'un coup de poing ?". En fixant un smartphone équipé d'un accéléromètre sur un sac de frappe, on peut mesurer l'accélération subie par le sac lorsqu'il est frappé. Cette accélération, couplée à la masse du sac, permet de calculer la force du coup grâce à la deuxième loi de Newton (Force = masse x accélération). En outre, en connaissant la durée pendant laquelle cette force est appliquée, on peut estimer l'énergie du coup. Bien que cette méthode ne mesure pas directement la force du poing du boxeur, elle donne une indication précieuse de l'impact ressenti par un adversaire (ou, dans ce cas, par le sac).
Dans le cas des arts martiaux, on peut également comparer l’impact d’un coup de poing et d’un coup de pied.
Le plongeon
Il est couramment admis qu'une balle lancée en l'air, en l'absence de frottements, suivra une trajectoire parabolique. Mais quand il s'agit d'une plongeuse réalisant un saut périlleux, la trajectoire du centre de gravité demeure-t-elle parabolique? Pour répondre à cette interrogation, une étude pratique peut être entreprise lors d’ une sortie à la piscine où l’on filme un athlète en plein plongeon. Pour ceux qui n'ont pas de piscine à proximité, il est possible de se référer à une vidéo de plongeuse disponible dans la bibliothèque de vidéos FizziQ.
En exploitant la vidéo sur le module cinématique de FizziQ des pointages variés peuvent être réalisés. Dans une première analyse, on étudie le mouvement de différentes parties du corps comme par exemple la tête de la plongeuse, puis, dans une seconde, sur ses pieds. On constate que les courbes générées à partir de ces pointages diffèrent considérablement.
Cependant, la mécanique nous assure que le centre de gravité d'un corps en chute libre, sans influence des frottements, décrit une parabole. Pour faire cette analyse, on peut essayer d’estimer sur chaque image la position du centre de gravité de l’athlète, et ainsi obtenir une trajectoire parabolique pour ce point.
On peut également modéliser de manière plus précise le centre de gravité du plongeur en pointant chaque partie du corps, puis en exportant leurs coordonnées dans Excel et en appliquant les poids des tables de de Leva qui donne la répartition de la masse chez un humain. En utilisant cette méthode d'analyse fréquente chez les biomécaniciens, on vérifie alors que la trajectoire du centre de gravité est bien une parabole.
La pétanque
La pétanque offre un terrain de jeu très intéressant pour l'étude d’un phénomène que nous n’avions pas étudié précédemment : les collisions. En utilisant un smartphone, nous pouvons approfondir notre compréhension des interactions physiques qui se produisent lorsqu'une boule en heurte une autre.
Une première analyse consiste à étudier par analyse vidéo le résultat d’un choc quand un joueur tire « au fer », c’est-à-dire quand la boule est lancée en l’air et qu’elle vient heurter la boule de l’adversaire avant de toucher le sol. On filmera cette séquence avec une cadence de 60 ou 120 images par seconde. En analysant la vidéo grâce aux outils d’analyse cinématique comme par exemple celui de l’application FizziQ, on pourra déterminer le coefficient de restitution lors d’un tir. Que peut-on en déduire sur la stratégie lors du tir "au fer" ?
Une autre analyse consiste à mesurer la fréquence d’un son quand on frappe deux boules l’une contre l’autre. Cette fréquence varie-t-elle en fonction des boules ? les boules de meilleure qualité produisent-elles un son différent ?
Le badminton
Le badminton se distingue des autres sports de raquette grâce à son projectile spécifique : le volant. Sa forme unique entraîne une trajectoire distincte sans rebond, demandant aux joueurs d'anticiper ses mouvements. Le volant permet une variété de coups, des smashes rapides aux amortis subtils, favorisant des échanges tactiques. Cette spécificité exige des joueurs une grande condition physique pour se déplacer rapidement et une stratégie affinée pour déjouer l'adversaire.
La trajectoire spécifique du volant de badminton peut être facilement étudiée par analyse vidéo. Si on ne dispose pas de lieu pour réaliser la capture, on peut utiliser une vidéo de la bibliothèque FizziQ. Il n’est pas possible de déterminer de manière formelle l’équation de la trajectoire mais on peut déterminer néanmoins trois phases distinctes . Une trajectoire initiale rapide : Juste après avoir été frappé, le volant voyage à une vitesse relativement élevée, ce qui peut donner l'impression d'une trajectoire presque linéaire sur une courte distance. Une décélération forte : En raison de sa forme et de sa construction, le volant décélère assez rapidement, lui donnant une trajectoire globale une forme globalement parabolique. Une chute pratiquement verticale : La fin de la trajectoire quand le volant est lancé très haut à les caractéristiques d’une chute verticale.
Le football
L'étude du lift ou de l'effet Magnus avec une balle de football est particulièrement intéressante, car elle met en évidence les principes de la mécanique des fluides en action dans le sport. Ce phénomène est souvent observé lorsqu'un footballeur donne un effet à la balle, lui faisant suivre une trajectoire courbée plutôt que droite. L'effet Magnus se produit lorsque la rotation de la balle crée une différence de pression d'un côté à l'autre, provoquant une force perpendiculaire à sa trajectoire.
Pour étudier cet effet avec précision, une analyse vidéo est un outil puissant. En filmant le tir d'un footballeur sous différents angles, il est possible de suivre la trajectoire de la balle en temps réel. À l'aide d'un logiciel d'analyse cinématique comme FizziQ, on peut ensuite marquer la position de la balle image par image, permettant de visualiser sa trajectoire courbée et de mesurer l'ampleur de la courbure en fonction de la rotation initiale donnée à la balle. De plus, en comparant des tirs avec et sans rotation, on peut mieux comprendre l'influence de la rotation sur la trajectoire de la balle. Ainsi, l'utilisation de l'analyse vidéo dans l'étude du lift dans le football offre un moyen tangible d'explorer et de comprendre ce phénomène fascinant qui est au cœur de nombreux moments mémorables du sport.
Le saut en longueur handisport
Le saut en longueur handisport, avec l'utilisation de lames de carbone, présente un fascinant mélange de détermination humaine et de prouesses technologiques. Comme tous les autres handisports, il incarne la capacité d'adaptation face à l'adversité et offre un terrain unique pour étudier la biomécanique des mouvements. De plus, cette discipline soulève des questions importantes sur l'équité en sport, tout en servant de puissant symbole d'inclusion et d'inspiration. L'interaction entre l'athlète et la technologie moderne dans ce contexte spécifique suscite à la fois admiration et curiosité.
Toutes les analyses que nous avons effectué auparavant sont possibles pour le handisport mais d’autres analyses peuvent également être réalisées et apporter un éclairage à la compréhension de ces sports.
Par exemple, dans le cas du saut en longueur handisport avec “blades”, on peut étudier les questions suivantes : quelle est l'asymétrie qui est créée par l’utilisation de prothèses lors de la course et est-elle un handicap ? Comment la raideur d’une “blade” ou “lame” se compare-t-elle à celle d’une jambe valide ? L’angle de décollage est-il similaire entre un athlète handisport et non handisport ? Certaines de ces questions peuvent être étudiées grâce au smartphone, soit par mesure directe ou par analyse vidéo.
Conclusion
Au fil des années, la symbiose entre les sciences et le sport s'est renforcée, ouvrant la voie à des avancées remarquables dans la compréhension de la performance humaine. Les sciences, qu'elles soient physiques, biologiques ou sociales, apportent un éclairage précieux sur les mécanismes, les techniques et les stratégies qui permettent d'améliorer les performances sportives. Elles décortiquent, analysent et proposent des solutions innovantes pour repousser les limites de ce que le corps et l'esprit peuvent accomplir.
Cependant, le sport n'est pas uniquement un terrain d'application pour les sciences ; il devient également un sujet d'étude passionnant en soi. À l'école et à l'université, l'analyse du sport, facilité par la disponibilité d’appareils de mesure digitaux que sont les smartphones, offre une opportunité unique d'aborder des concepts scientifiques de manière concrète et vivante, tout en stimulant la curiosité et l'enthousiasme des étudiants.
L'arrivée prochaine des Jeux Olympiques à Paris met encore davantage en lumière cette interdépendance. Cet événement mondial est le théâtre de l'excellence sportive, où chaque fraction de seconde compte et où les innovations scientifiques peuvent faire la différence. Mais il est aussi un laboratoire à ciel ouvert pour les chercheurs, attirant l'attention sur l'importance de poursuivre les études interdisciplinaires entre sport et sciences.
Références
Prothèses tibiales de saut en longueur handisport - Jean BOUTEILLER, Pierre-Adrien BREARD, Paul FRAPART, Cyril VOISARD, Maxime VRAIN
5 expériences de biomécanique à faire avec un smartphone - Christophe Chazot
LadhyX - Dossier presse Sciences2024 - Ecole Polytechnique
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