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Sport de hauts niveaux. Sport professionnel en région(s)

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André Menaut
, 
Martine Reneaud

Chapitre 9. Recherches, formations, régions : atomisation, synergies, innovations ?

Mécanique et sport en Aquitaine

Mariano Cid

Texte intégral

I. Introduction

1Dès qu’on parle de l’analyse, d’amélioration et optimisation du geste sportif en mécanique interviennent les notions de modélisation, de simulation, de détermination de lois de comportement.

2Il s’ensuit que toutes les branches de la mécanique peuvent intervenir en sport : la mécanique des solides (déformables ou indéformables), des fluides.

3La mécanique des solides indéformables permet, entre autres, les études des gestes sportifs et la possibilité de connaître les traumatologies liées à la pratique (calcul des forces et moments articulaires), les phénomènes de frottement (ski)...

4La mécanique des fluides concerne des études aérodynamiques et hydrodynamiques (voiliers, planche à voile, surf...) qui nécessitent des moyens d’investigation lourds (soufflerie, bassin à vagues...).

5L’intérêt des études mécaniques en sport est :

  • de comprendre un mouvement, souvent très complexe ;
  • de le simuler de manière simple ;
  • de l’optimiser.

6Il faut donc déterminer les paramètres essentiels conditionnant un mouvement.

7La mécanique du point ne peut à elle seule expliquer les mouvements où coexistent des translations et des rotations. Aussi la mécanique des solides rigides polyarticulés (deux équations interviennent) est la seule qui permet une approche de la gestuelle en sport.

8Dans les équations régissant le mouvement, apparaissent des grandeurs cinématiques et dynamiques et aussi leurs variations faisant intervenir la notion d’impulsion. Cette notion est très importante car elle conditionne les mouvements lors des phases aériennes. Mais il faudra, en fait, s’intéresser à deux types d’impulsion, l’impulsion de translation (ou variation de quantité de mouvement) et l’impulsion de rotation (variation de moment cinétique).

9Deux types d’approches sont menées :

  • Première approche : connaissant l’accélération et en utilisant le principe fondamental de la dynamique détermination des forces mises en jeu.
  • Deuxième approche : connaissant les forces mises en jeu remonter aux déplacements en utilisant le principe fondamental de la dynamique.

10L’analyse du mouvement en sport a été surtout réalisée à partir de données vidéographiques.

11Un modèle physique est élaboré. Son ensuite étudiées :

  • les grandeurs cinématiques : positions, vitesses et accélérations des différents segments corporels constituant le corps humain ;
  • les grandeurs cinétiques : quantité de mouvement et moment cinétique (quantité de rotation).

12L’analyse dynamique nécessite des moyens plus sophistiqués car elle demande la connaissance des efforts appliqués. La technique dynamographique utilisée est basée sur l’acquisition des efforts extérieurs à l’aide de capteurs appropriés (plateaux de forces) lors de phases d’appui.

13Il ressort que l’investigation du geste nécessite d’une part la connaissance des efforts extérieurs (forces et moments) et leur temps d’application données par des platesformes dynamométriques. D’autre part, il faut connaître les variations de vitesse et du moment cinétique donnés par l’analyse cinématographique ou par l’approche dynamographique.

14Ainsi les techniques vidéographiques (utilisation de caméras) et dynamo-graphiques sont complémentaires et leur utilisation conjointe est grandement souhaitée pour les études des mouvements sportifs.

15Il est tout de même nécessaire de modéliser le sportif qui se compose classiquement de 14 segments rigides articulés les uns aux autres. Sur chaque articulation est placé un marqueur servant à l’analyse et au traitement des images.

16L’être humain sera donc représenté sous forme filaire et à chaque segment sont affectées des constantes biomécaniques comme la masse, la position de son centre de gravité...

17Les mouvements humains s’effectuent dans l’espace ainsi les études doivent être réalisées en trois dimensions.

18L’analyse vidéographique 3D est assurée par au moins deux caméras.

19En laboratoire le traitement des images est entièrement automatisé (Systèmes SAGA 3 ou ELITE). Par contre il est difficile d’automatiser le traitement des images à partir d’analyses de mouvements effectués sur le terrain.

20La fréquence d’acquisition dépendra du mouvement étudié :

  • fréquence de 50Hz pour des mouvements lents tels que la marche et la gymnastique ;
  • fréquence de 250Hz et plus pour des mouvements rapides comme le swing en golf et le déroulement du pied lors de phases d’appui (Caméras rapides).

21De plus, suivant le champ d’investigation plus de deux caméras sont nécessaires. Dans tous les cas, un dispositif de calibration de l’espace permet d’obtenir les coordonnées 3D de chaque marqueur placé au niveau de chaque articulation par une transformation linéaire directe (DLT).

22L’analyse dynamique 3D se réalise à l’aide de « dynamomètres à six composantes » du commerce (KISTLER) ou fabriqués pour des besoins spécifiques. Ils mesurent les efforts extérieurs (forces et moments) développés lors des phases d’appui.

23Le but final de toutes les études sur les mouvements sportifs est de donner aux entraîneurs des outils facilement utilisables sur le terrain.

II. Études et réalisations en Aquitaine

24Ces études se font en collaboration entre la Faculté des Sciences du Sport et de l’Éducation Physique de l’Université Victor Segalen Bordeaux 2 et le Laboratoire de Mécanique Physique UMR 5469 du CNRS de l’Université de Bordeaux I. Les aides financières pour ces études proviennent du domaine public : Ministère de la Recherche, du CNRS, de la Région Aquitaine, GDR Sport 1094 piloté par le CNRS, Contrats ANVAR Aide à l’Innovation, Contrat Eurorégion (École d’ingénieurs, CEIT de San Sébastian), mais aussi de contrats industriels : Décathlon. La participation d’industriels Aquitaines, Société Barland (Bayonne) et l’institut des matériaux composites d’Aquitaine, contribueront à la finalisation de certains produits.

25Des collaborations avec les entraîneurs Aquitaines, particulièrement ceux de la section athlétisme du SBUC, ainsi qu’avec le CREPS d’Aquitaine nous ont permis d’allier théorie et pratique.

1. Études de disciplines athlétiques

Le saut à la perche

Moyens utilisés pour l’étude

26Il a été développé un banc de mesures d’analyses d’images avec l’utilisation de quatre caméras avec une fréquence d’acquisition moyenne (50 images/ seconde). Mais nous avons conçu et fabriqué deux dynamomètres à six composantes adaptés aux mesures souhaitées. Les signaux issus des dynamomètres sont amplifiés, transférés et traités sur ordinateur suivant une conception développée par nos soins.

27Un des dynamomètres est placé sur la piste, permettant l’acquisition des efforts lors du dernier appui ; l’autre dans le butoir permettant de suivre l’impulsion au cours du saut.

28De plus, mesurer les efforts exercés par le perchiste en bout de perche au cours du saut nous a amené à concevoir et à équiper la perche d’un capteur spécifique permettant de connaître les efforts entre les mains au cours du saut. Une métrologie spécifique pour l’acquisition des données a été mise au point.

Résultats

29Il a été possible de déterminer :

  • des paramètres influençant le saut ;
  • des durées des différentes phases d’un mouvement ;
  • des impulsions totales.

30La gestuelle au cours du saut a été mieux appréhendée.

31La comparaison des résultats à ceux d’une simulation à partir d’un programme (COMPAMM SPORT) élaboré par l’école d’ingénieurs CEIT de San Sébastian (collaboration et contrat de recherches Aquitaine/Euskadi/Navarre) a validé nos approches.

32Par la suite avec toutes les données expérimentales issues des analyses cinématiques, dynamiques, de la caractérisation mécanique la perche et en rapport avec l’institut des Matériaux Composites d’Aquitaine, nous nous proposons de fabriquer un prototype adapté à un compétiteur. Un logiciel de calcul de structures en dynamique, MECANO, va nous permettre d’optimiser la perche et ainsi pouvoir réaliser l’adéquation homme / engin.

Le triple saut

Moyens utilisés pour l’étude

  • La fabrication d’une piste amovible, constituant l’aire d’élan, permet l’implantation des trois dynamomètres à six composantes.
  • Trois dynamomètres à 6 composantes permettant de connaître les efforts lors de trois phases d’appui ont été adaptés pour les besoins.
  • 6 caméras (50Hz) assurent l’analyse vidéographique.

Résultats

33L’étude a permis de déterminer :

  • les paramètres influençant la performance ;
  • les durées des différentes phases d’appui ;

mais aussi une meilleure compréhension du triple saut.

2. Cyclisme

Moyens utilisés pour l’étude

34Connaître la répartition des efforts exercés sur l’engin par le cycliste a nécessité la conception et la réalisation de capteurs spécifiques implantés sur les pédales, la selle et le guidon (contrat avec la société Décathlon).

Résultats

  • La position la plus efficace de pédalage a été déterminée ;
  • La connaissance des efforts subis par le cycle a permis la conception d’un prototype de cycle réglable afin d’analyser la posture la plus efficace en fonction de la taille et du niveau de pratique.

3. Surf

35La connaissance des efforts exercés par le surfeur sur la planche au niveau des pieds au cours des évolutions en situation nous a amené à concevoir des dynamomètres à six composantes spécifiques respectant les conditions de légèreté et d’étanchéité. Le système d’acquisition des efforts doit lui aussi être incorporé sur la planche. Une collaboration avec la société Barland, implantée à Bayonne, doit aboutir à la réalisation d’un prototype.

III. Conclusion et perspectives

36Les études mécaniques sur le geste sportif permettent une meilleure compréhension et une optimisation du geste mais aussi de son matériel.

37Nous avons été amené à concevoir des outils d’analyse spécifiques :

  • capteurs d’efforts à six composantes adaptés à chaque type d’étude ;
  • centrales d’acquisition et de traitement de signaux provenant des capteurs.

38La fabrication et la validation des prototypes a conduit par la suite à leur commercialisation. Il s’en est suivi un transfert de technologie (exemple de la société TSR implantée à Mérignac qui fabrique et commercialise un type de dynamomètres à six composantes dont l’utilisation dépasse très largement le domaine sportif).

39L’utilisation de la vidéo alliée aux capteurs de forces permettra de définir des tests d’évaluation de la condition physique (test de détente verticale par exemple) plus pertinents.

40La mécanique associée à la physiologie et à l’anatomie permettront des études interdisciplinaires. Il sera possible de déterminer les efforts internes, la dépense énergétique, le travail musculaire...

41Les études alliant mécanique et sport ont aussi été aidées financièrement et, par là même, reconnues au niveau national grâce au CNRS en créant un GDR sur le Sport en 1992 (réunissant trois grands départements : SPI, SDV et SHS).

42Ce GDR a permis un travail interdisciplinaire entre les différents laboratoires et institutions Aquitaines travaillant dans le domaine du sport.

43Une suite à ce GDR se met progressivement en place sous la forme d’un Institut Fédératif de Recherches sous l’impulsion du CNRS (avec toujours les mêmes départements) et présidé par R. Bambuck. Cet I.F.R., dans la phase prospective, doit permettre de maintenir des travaux interdisciplinaires dans le Sport.

Auteur

Professeur des Universités, Faculté des Sciences du Sport et de l’Education Physique – Université Victor Segalen Bordeaux 2.

© Maison des Sciences de l’Homme d’Aquitaine, 2001

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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