Comment une combinaison de triathlon aide à nager plus vite

Comment une
combinaison de triathlon
aide à nager plus vite ?
Introduction
I – Une amélioration de la flottaison
II – Un meilleur équilibre dans l’eau
Conclusion
Introduction
Une combinaison de natation permet-elle vraiment d’aller plus
vite ?
- Expérience :
Pour voir si la combinaison a un effet sur la glisse du nageur nous avons
fait faire une série de coulées ventrales dans une piscine de 8,3 mètres
de longueur :
Nous constatons
une amélioration de 13%
de la distance parcourue
et
de 24% pour la vitesse
- Etude externe :
Combinaison en néoprène et performance en natation
Par Jc Chatard , X Senegas, M Selles, P Dreanot Et A Geyssant
(Laboratoire de Physiologie - GIP Exercice, Faculté de Médecine de
Saint-Etienne)
Une étude faite sur 16 personnes a conclu que « le bénéfice du port de la
combinaison de triathlon est très différent selon les groupes de nageurs »
mais « chez les triathlètes, la performance a été améliorée de 7% »
Comment expliquer de telles performances ?
La flottaison
Théorie
Présentation des forces résistives
L’ensemble des forces s’opposant à l’avancement se
résume en une formule
Cx : Coefficient de forme
S : Maître couple
V : Vitesse du nageur
ρ : Masse volumique du fluide
La flottaison
Un corps humain nageant dans l’eau peut se diviser en
deux parties : partie émergée et partie immergée
air
Partie émergée
eau
Partie immergée
On a
ρair = 1.3*10^-3 kg/L
Donc
ρair << ρeau
De plus
Sémm < Simm
Donc
Femm >> Fimm
et
ρeau = 1.0 kg/L
On peut donc ne considérer que la partie
immergée du corps
Or théoriquement la combinaison de triathlon devrait aider à la
flottaison donc réduire les forces de résistances à l’avancement
La flottaison
Théorie
Effets de la combinaison sur la flottaison
π
P
Un solide dans l’eau est soumis à son poids et à la poussée
d’Archimède
La flottabilité du nageur
Dépend de la somme {poussée d’Archimède π} + {pesanteur P}
Dépend donc du signe de mg - µeau*V*g soit de m – Vµeau
=> Masse volumique : µnageur = m/V
Le nageur flotte si m – Vµeau < 0 => µnageur < µeau => dnageur < 1
Or une combinaison devrait augmenter le volume du
nageur sans augmenter significativement son poids
La flottaison
En pratique
Différents tests de flottaison
Test visuel
Sans combinaison
Avec combinaison
L’eau arrive au bas du nez
(si tête droite)
L’eau arrive aux épaules
Test du poids
Poids pour faire couler le
nageur
Sans
combinaison
3.5 Kg
Avec
combinaison
7.0 Kg
La flottaison
En pratique
Diminution de la densité
Calculs de volumes
Volume du corps
Hauteur d’eau pour sac plein : 96cm
Hauteur de l’eau après le passage d’un nageur sans
combinaison : 66cm
Hauteur de l’eau après le passage d’un nageur avec
combinaison : 59cm
Il reste à calculer le volume correspondant à 1cm d’eau dans le
sac
La flottaison
En remplissant avec un récipient gradué ½ Litre on a calculé
qu’il fallait 10 Litres pour remplir 5cm
Après des mesures sur le sac et des calculs d’incertitude on
trouve comme approximation raisonnable
1cm
2.0±0.1 L
On peut maintenant appliquer ces données aux mesures
effectuées.
Volume sans combinaison : 60 ± 5 L
Volume avec combinaison : 74 ± 6 L
Or le port de la combinaison a fait passer le nageur d’une
masse de 74.0 Kg à 75.5 Kg (à 0.1Kg près)
On a donc
ρsans_combi = 1.23 ± 0.11 Kg/L
ρavec_combi = 1.02 ± 0.08 Kg/L
La combinaison réduit bien la masse
volumique du nageur
L’équilibre
Théorie
Intérêt d’un équilibre horizontal dans la nage
L’équilibre du nageur aura un effet sur le maître couple S dans
la formule de la force de résistance
Vue de profil
Vue de face
L’équilibre
Théorie
Bilan des forces sur un nageur
ey
π
ex
ez
G
GC = a*ex
P
C
Couple de redressement
La position horizontale du corps dépend entre autre de la
position de G et C
En effet si on considère que l’on a les forces qui se compensent
(équilibre à la surface de l’eau)
µeau*V*g = m*g
Notons MG le moment résultant des forces sur le nageur en G
MG = GG^m*g*ez + GP^ (-µeau*V*g*ez)
MG = a*m*g*ey
L’équilibre
En pratique
Calcul du centre de gravité
Centre de gravité environ 5 cm sous le nombril sans combinaison
Il se situe 4 cm sous le nombril avec combinaison
Calcul du centre volumique
Le centre volumique se situe
au niveau du nombril sans combinaison
4 cm au-dessus du nombril avec combinaison
L’équilibre
En pratique
Centre de gravité
Centre volumique
Sans
combinaison
Avec
combinaison
Problème
La combinaison n’augmente pas le couple de redressement,
ce que l’on constate expérimentalement.
Il faut calculer le centre volumique de la partie
Immergée du corps
L’équilibre
Modèle
Rectifions nos calculs de centres volumiques
Considérons la section du corps elliptique et constante au
niveau du nombril.
Mesures
1.8 dm
Section du corps
Section :
S = 4.0 dm^2
2.8 dm
Or, lorsque l’on a X litres émergés il faut baisser le centre
volumique tel que X/2 litres passent au-dessus du point.
Il faut donc baisser le centre de h tel que
X/2 = S*h
donc
h = X/(2S)
Sans combinaison
X = 3.5 L
Il faut baisser le centre
volumique de 4.4 cm environ
Avec combinaison
X = 7.0 L
Il faut baisser le centre
volumique de 8.8 cm environ
Il est maintenant
4.4 cm sous le nombril
Il est maintenant
4.8 cm sous le nombril
L’équilibre
Conclusion
Centre de gravité
Centre volumique
Sans
combinaison
Avec
combinaison
Une fois dans l’eau, les centres volumiques sont très proches
Nos calculs ont mis en évidence que le nageur avait son
centre volumique sous son centre de gravité
Il n’y a donc plus de couple de redressement
On a retrouvé ce que l’on constate dans la réalité
Mais ces phénomènes dépendent aussi beaucoup de la
morphologie du nageur
Conclusion
Les combinaisons de triathlon se démarquent des
combinaisons de natation avec leur texture en néoprène
améliorant la flottaison.
Elle permet d’une part de réduire les forces de résistances à
l’avancement en portant une partie du corps hors de l’eau.
D’autre part, elle facilite l’équilibre horizontal du nageur lui
donnant ainsi une meilleur position dans l’eau, réduisant le
maître couple et diminuant les efforts qu’un nageur doit fournir
pour atteindre cette position.
Annexe : Première
expérience
Temps pour parcourir 4m (en secondes)
Combinaison
Combinaison pleine d'eau
Sans combinaison
2,13
2,55
2,87
2,12
2,44
2,63
2,21
2,62
3,05
2,25
2,34
2,82
2,37
3,09
2,55
2,85
Moyenne : 2,18
Moyenne : 2,48
Moyenne avec combinaison : 2,36
2,78
Moyenne sans combinaison : 2,87
Distance pour une coulée (en mètres)
Avec combinaison
Sans Combinaison
8,3+
7,2
7,1
7,62
7,1
7,2
Moyenne avec combinaison : 8,3+
Moyenne sans combinaison : 7,34
Nombre significatif de mesures
Effort technique, non physique, pas d’épuisement
Annexe : Incertitudes des
mesures de volumes
Supposons le sac cylindrique
Demi périmètre du sac = 8.14 dm
Donc le rayon du sac = 2.59 dm
Donc Section du sac = 21.1 dm²
Donc si on remplit 5cm = 0.5dm
On augmente le volume de 10.6 L
On peut donc considérer que la mesure 5cm correspond a 10L
avec une erreur inférieure à 0.5L
Donc 1cm
2.0±0.1 L
V : Volume
h : Différence de
On pose C = 20±1 dm² et on aura V = h*C
donc
dV = C*dh + h*dC
hauteur de
l’eau
Avec combinaison
Sans combinaison
h = 3.0±0.1 dm
h = 3.7±0.1 dm
dV = 3.0*1 + 20*0.1 = 5 L
dV = 3.7*1 + 20*0.1 = 5.7 L
On notera une incertitude
de 5 L
On notera une incertitude
de 6 L
Annexe : Incertitudes des
mesures de masses
volumiques
On notera V le volume du corps et m sa masse
On a ρ = m/V
Donc dρ = dm/V + (m*dV)/V²
Sans combinaison
Avec combinaison
m = 74.0±0.1 kg
V = 60±5 L
m = 75.5±0.1 kg
V = 74±6 L
ρ = 74.0/60 = 1.23
ρ = 75.5/74 = 1.02
dρ = 0.1/60 + 74.0*5/(60²)
dρ = 0.11 kg/L
dρ = 0.1/74 + 75.5*6/(74²)
dρ = 0.08 kg/L
Donc
Donc
ρ = 1.23±0.11 kg/L
ρ = 1.02±0.08 kg/L
Annexe : propriétés thermiques du néoprène
Définition:
Le néoprène est le nom commercial d’une famille de caoutchouc à base de
polychloroprène.
Ce caoutchouc de synthèse est issu de la polymérisation de chloroprène selon
l’équation : nCH2=CH-CCl=CH2 => (CH2-CCl=CH-CH2) n.
• Le corps se refroidit dans l’eau environ 25 fois plus vite que dans l’air.
• L’eau est meilleure conductrice que l’air
(Conductivité thermique de l'eau : 0,556 W/m/K,
conductivité thermique de l'air : 0,0262 W/m/K, Rapport : 0,556/0,0262 = 21).
• Un muscle refroidi ne travaille pas correctement.
Action de la combinaison:
Un isolant thermique: matériau empêchant la chaleur ou le froid de s'échapper d'une
enceinte close, caractérisé par sa résistance thermique.
Il permet d'éviter les déperditions.
Calculs des pertes thermiques:
L'essentiel des pertes thermiques se situent à l'interface corps/milieu extérieur.
Dans le cas d'un nageur, différentes parois isolantes limitent les transferts de
chaleur:
PerteCut = (37 - Te)/( R1+ R2 + R3 + ...)
Nageur de corpulence moyenne (R1=1/30) ,vêtu d'un néoprène de 7 mm (R2=1/20)
dans de l'eau calme (R3=1/70) à 10°C, PerteCut = 276 W.
Le même vêtu en caoutchouc: PerteCut = 529 W.
Résistances thermiques (en °C/Watt)
Couche limite d’air
1/8
Couche limite eau calme
1/70
Couche limite eau agitée
1/300
Vêtement en laine trempé
1/100
Combinaison en néoprène (7 mm)
1/20
Combinaison en néoprène (5mm)
1/30
Combinaison caoutchouc
1/300
Annexe : Eléments
hydrophobes
Définition:
Pas de liaison hydrogène avec H2O.
Peu polaire ou apolaire.
Comment déterminer l'hydrophobie d'un composant ?
L’hydrophobie des surfaces est déterminée par l’angle de contact.
Si alpha > 90° => composant hydrophobe.
Exemple: feuilles de lotus alpha = 170° => surface de la goutte en contact: 0,6%
Donc des propriétés auto-nettoyantes (voir image 1).
Annexe : les différentes résistances à
l’avancement
Résultante des forces de résistance :
Cx : coefficient de forme
S : maître couple
v : vitesse du nageur
ρ : masse volumique du fluide
Maître couple
Annexe : les différentes résistances à
l’avancement
Trainée de forme
Causes : choc entre le corps et l'eau, résistance
tourbillonnaire
Dépend de la vitesse, du maître couple et du coefficient de forme
(manière dont le corps est profilé et pénètre dans l'eau)
Annexe : les différentes résistances à
l’avancement
Trainée de forme
D’où l’intérêt d’une position horizontale
Résistance de vague
Elle est due à la vague créée par le nageur soit, à l’interface entre l’eau et
l’air.
Pour s’en débarrasser on peut donc nager sous l’eau
Elle dépend de la vitesse au cube, des mouvements du nageur et des
vagues
Résistance de frottements
Apparaît à cause des frottement dus aux contacts entre l’eau et la peau
(ou la combinaison)
Elle dépend de la surface de frottement, de la vitesse et de la rugosité de
la surface
Annexe : propulsion
La propulsion : le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son
espace environnant ; ici l’eau.
En natation se propulser revient à créer des points d’appuis sur l’eau avec
les différents membres du corps
On peut avoir plusieurs approches de la propulsion dans l’eau :
- Principe de l’action et de la réaction (3ème loi de newton)
« A chaque action s’oppose une réaction inverse équivalente »
Fmembre/eau = - Feau/membre
Il faut alors exercer la plus grande force possible dans une direction
opposée au sens de déplacement (vers l’arrière)
- Principe de Bernoulli
En supposant l’écoulement
laminaire on a le même modèle
qu’une aile d’avion.
On a, pour un fluide parfait
incompressible dans un
écoulement irrotationnel à la
même altitude :
V²/2 + p/ρ = constante
Donc la pression est plus faible
au-dessus
Vitesse plus élevée au-dessus Donc présence d’une force de
portance (de bas en haut)
qu’en-dessous
Annexe
Le triathlon
Sport qui consiste (en général) à enchainer dans l’ordre :
- Natation (en lac, mer, étang, …)
- Vélo (de route)
- Course à pied
Nous nous intéressons à la partie natation
Les combinaisons étudiées
Nous étudions les combinaisons en néoprène utilisées en triathlon pour
nager en lac.
Points sur le règlement de la FFTRI
- Une « combinaison isothermique » est autorisée
- Son épaisseur ne doit pas excéder 5mm
- Elle est obligatoire si la température de l’eau est inférieure à 16°C
- Elle est interdite si la température de l’eau est supérieure à 24°C
Les combinaisons disponibles sur le marché sont d’une épaisseur de
5mm avec, parfois certaines zones d’une épaisseur de 3mm (coût).
Elles diffèrent donc par leur structure et la qualité du néoprène.