Les forces appliquées aux nageurs
Lors d’une course, un nageur est loin d’être un poisson dans l’eau. En effet comme tout corps dans un fluide, il est confronté à de nombreuses forces qui influenceront sa plus ou moins bonne flottaison ou encore sa vitesse de déplacement. Les compétiteurs portent donc des combinaisons en polyuréthane dans le but de réduire ou d’accroitre les valeurs de certaines de ces forces pour ensuite battre des records !
Mais grâce à quelles forces le nageur flotte t-il? Comment la combinaison permet t-elle de mieux faire flotter le nageur?
1. La flottaison d'un nageur.
La flottabilité d’un nageur pourrait se résumer avec la compensation de deux forces mais elle est en réalité plus compliquée que ça et peut avoir un impact sur la vitesse du sportif.
a) Le poids
P= m.g
P : le poids en Newtons (N)
m : la masse en kilogrammes (kg)
g : l'intensité de pesanteur en Newtons par kilogrammes (N/kg). C’est une constante qui est environ de 9.81N/kg à Paris mais qui peut varier en fonction de l’altitude ou de la position sur le globe. (La terre étant aplatie aux pôles)
La combinaison ne peut donc pas modifier considérablement la valeur de cette force car la modification de la masse du nageur avec ou sans combinaison est négligeable.
Le poids d’un corps est l’action qu’exerce la Terre sur ce corps. Cette force s’applique au centre de gravité du corps. Sa direction est verticale et son sens est vers le bas (vers le centre de la terre). C'est la force qui tire le nageur vers le fond de la piscine.
Elle a pour équation :
b)La poussée d'archimède
La poussée d'Archimède est la force que subit un corps plongé en tout ou en partie dans un fluide (liquide ou gaz, ici l’eau pour le nageur). Cette force provient de l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur : la pression étant plus forte sur la partie inférieure d'un objet immergé que sur sa partie supérieure, il en résulte une poussée globalement verticale orientée vers le haut. Cette poussée qui s’applique sur le centre géométrique d’un corps permet de compenser le poids du nageur et donc de le faire flotter.
Elle a pour équation :
Pa = p.V.g
Pa : la poussée d'Archimède en Newtons (N)
p : la masse volumique du fluide en kilogrammes par mètre cubes (kg/m3)
V : le volume du fluide déplacé en mètre-cubes (kg/m3)
g : l'intensité de pesanteur en Newtons par kilogrammes (N/kg)
Calculons la valeur du poids et de la poussée d'archimède d'un nageur de 80kg évoluant dans une piscine à Paris (en négligeant le chlore souvent présent dans les piscine):
On constate que la valeur de ces deux forces sont les mêmes, c'est sur cette égalité que repose tout le principe de flottaison d'un corps dans l'eau. L'eau pure est d'ailleurs l'un des seuls fluides où cette égalité existe car sa masse volumique est de 1. C'est aussi pour cela que l'on flotte mieux dans l'eau de mer qui est salée et qui a donc une masse volumique plus importante... La valeur de la poussée d'archimède y sera donc plus élevée que celle du poids d'un nageur.
Si un jour la FINA, decidait d'organiser une compétition en eau de mer, peut-être que de nombreux records seront alors battus!
La combinaison en polyuréthane permet de considérablement augmenter la valeur de la poussée d'archimède. En effet une fine couche d’air est emprisonnée entre la peau du nageur et la combinaison (ce qui augmente le volume de fluide déplacé). Avec l’augmentation de cette force, la valeur de la poussée d'archimède n'est plus égale à la valeur du poids du nageur, le nageur flotte donc plus facilement et peut donc mobiliser plus d’énergie pour se déplacer plus rapidement. C’est donc l’une des raisons pour laquelle la combinaison a permis de battre des records en 2009.
c) Le couple de redressement
Le poids et la poussée d'archimède pourraient donc se compenser (car elles ont une direction identique, la même valeur (quand le nageur n'a pas de combinaison) et un sens contraire) mais, comme vous l'avez remarqué elle ne s'applique pas sur le même point du corp du nageur: le poids s'applique au centre de gravité tandis que la poussée d'archimède s'applique au centre géométrique du nageur. Or chez l'homme les jambes sont très lourdes mais peu volumineuses tandis que le torse qui contient les poumons (remplis d'air) est très volumineux mais assez léger. Ces deux points n'ont donc pas tout à fait le même emplacement : au niveau de la première vertebre lombaire pour le centre géométrique (vers le torse volumineux) et au niveau de la cinquième vertebre lombaire pour le centre de gravité (vers les jambes lourdes).
Cette différence de point d'application de ces deux forces fait donc entrer un autre facteur en compte: Le couple de redressement: Ceci entraîne une rotation du corps avec les jambes lourdes qui vont vers le fond jusqu’à ce que l’on trouve un équilibre en position verticale. Dans cette position, les deux forces sont en effet alignées et le corps est alors stable. C'est à cause de ce couple de redressement que nos jambes lourdes on tendance à s'enfoncer vers le fond afin de retrouver un équilibre en position vericale, en effet, dans cette position, les deux forces sont alignées et le corps est alors stable. (cf Schémas ci dessus).
Grace à un effort pour remonter ses jambes à la surface de l'eau, le nageur peut corriger ce couple de redressement qui engendre beaucoup plus de frottements lorsqu'il est vertical. (cf plus bas).
Mais une force entre aussi en jeu pour corriger ce couple de redressement :
d) La portance aerodynamique
La Portance Aérodynamique est une force perpendiculaire à la direction du mouvement, son sens et sa direction peuvent donc varier en fonction de la direction du corps qui se déplace dans un fluide. En natation elle soutient la poussée d'archimède en portant le nageur vers le haut. La portance s’exerce sur toute la surface du corps et sa valeur augmente avec la vitesse du nageur. On peut remarquer cette force avec un bateau à moteur qui se soulève un peu au dessus de l'eau lorsqu'il accélère ou avec notre difficulté à rester à la surface de l'eau quand on n'avance pas (la portance aerodynamique est alors nulle)
Cette force a pour équation:
Po = 1/2.p.Cz.S.V
Po : la portance aérodynamique en Newtons (N)
Cz : le coefficient de portance (sans unité)
S : la surface du corps en mètre-carres (m2 )
V : la vitesse du corps dans le fluide en mètres par secondes (m/s)
2
C'est malheuresement très difficile pour nous de calculer la valeur de cette force (car le coefficient de portance dépend de la forme du corps , des caractéristiques du fluide ou encore de la position du corps par rapport au fluide) mais on sait qu'elle est d'environ 5 newton pour un nageur allant à 10km/h. Cette force permet donc de réctifier considérablement le couple de redressement. En effet lorsque le nageur a une vitesse très élevée il est naturellement à l'horizontal.
La combinaison peut faire augmenter la valeur de cette force mais seulement indirectement. En effet la combinaison permet de réduire les frottements, la flottaison... donc de faire augmenter la vitesse du nageur ce qui va faire augmenter la valeur de la portance aérodynamique.
Mais quelles sont ces différentes forces de frottement auxquelles le nageur est confronté?
2. L'avancement d'un nageur
Tout corps évoluant dans un fluide est soumis à une force s'opposant à son mouvement, ce sont les forces de frottements. Le nageur est donc lui aussi confronté à cette force dans l'eau qui peut être décomposée en plusieurs forces distinctes. Les forces de frottements sont donc considérées comme freinatrice puisqu'elles ont toutes un sens opposé à la grande force de traction exercée par le nageur pour avancer. C'est dans la réduction de la valeur de certains frottements que la combinaison en polyuréthane intervient réellement pour augmenter la vitesse du nageur.
a) La résistance frontale ou trainée de forme.
Dans l'eau, le nageur est soumis à une résistance frontale qui le freine dans son avancement. Cette résistance est due à la création d'une zone de haute pression à l'avant du nageur suite à la supression des écoulements laminaires (écoulement des fluides sans résistance le long d'un corps lisse)
Plus la surface de son corps confronté à l'eau devant lui est élevée plus cette résistance sera élevée. Autrement dit, le nageur doit tout faire pour corriger au maximum son couple de redressement pour être le plus possible à l'horizontal et ainsi présenter une surface à l'eau la plus faible possible. Pour limiter sa trainée de forme, le nageur doit donc aussi faire attention a bien gainer son corp pour que ses contours (notamment les fesses, les genoux et la poitrine pour les femmes) aillent progressivement vers l'arriere afin de faciliter la pénetration dans l'eau.
La combinaison a joué un grand rôle dans la diminution de cette trainée grâce aux propriétés d'élasticité du polyuréthane, elle comprime le corp du nageur pour lui donner une forme plus arrondie et réctiligne, notamment en comprimant les fesses ou le torse des nageurs. Cette nouvelle forme plus profilée favorise les écoulements laminaires le long du corps le nageur et ainsi limiter la résistance à l'avancement.
b) La traînée de vagues
Le nageur se déplace à la surface de l'eau à la limite de deux milieux, l'eau et l'air. Son déplacement crée des vagues qui sont plus ou moins importantes en fonction de sa vitesse, de sa forme, des mouvements latéraux et verticaux. Les vagues créées engendrent tout d'abord des pentes à la surface de l'eau qu'il va faloir surmonter mais surtout un système de pression/dépréssion se met en place ; à l'avant du nageur se met en place une zone de haute pression que le nageur va devoir surmonter mais surtout une zone de dépression à l'arriere du nageur, qui va créer une effet de succion (aspiration) à l'arrière (ou à l'avant si un nageur en suit un autre.)
La combinaison en elle même n'a donc rien pu faire face à ces forces mais la force d'aspiration peut être interessante à analyser dans le cadre de notre problématique; en effet, même si cette force est dans un premier négligeable dans le cadre des records puisque les nageurs en tête d'une course ne peuvent en profiter, on pourrait tout de même imaginer que si l'on arrivait à recréer artificiellement une zone de dépression à l'avant du nageur en tête il pourrait ésperer de nouveaux records. Ou plus simplement des records pourraient être battus en relais car souvent les meilleurs nageurs profitent de cette force d'aspiration pour remonter à l'avant de la course et font donc souvent de très bons temps individuels mais il faudrait alors que la FINA homologue les records réalisés lors de relais
a) Les véritables frottements
Ces résistances sont liées aux propriétés d'écoulement d'un fluide autour d'un corps, ici l'eau autour du corps du nageur. lorsque le nageur présente des irrégularités à la surface de son corps (poils, peau pas totalement lisse...), les écoulements laminaires sont alors supprimés autour de son corps. Les frottements sont donc dus à cette supression des écoulement laminaires, le nageur doit donc présenter à l'eau une surface la plus lisse possible à l'eau pour favoriser ainsi les écoulements de l'eau.
C'est dans la supression de ces frottements que la combinaison joue son rôle le plus important. Mais cette action n'est pas seulement due au fait que la combinaison en polyuréthane soit très lisse, en effet c'est beaucoup plus complexe que cela! C'est pourquoi je vous invite à cliquer sur ce bouton qui vous redigirera vers notre partie : Réduire les frottements
CONCLUSION
Après avoir analysé toutes ces forces qui s'appliquent sur un nageur, il est maintenant facile de comprendre pourquoi ces combinaisons ont permis de battre tant de records en 2009 et surtout de se rendre compte à quel point cela va être difficile de battre à nouveau ces records sans cet atout technologique. En effet, avec une combinaison, comme nous l'a d'ailleurs confirmé NICOLAS lors de notre interview, le nageur a un "sentiment de surflottaison" due à l'augmentation de la poussée d'archimède, un sentiment de "meilleure pénétration dans l'eau" et surtout une vitesse plus rapide due à la supression des frottements.
Pour finir voilà 2 schémas bilan des différentes forces appliquées aux nageurs avec ou sans combinaison. Cherchez les différence !
Sans combinaison
Avec combinaison