Travaux Personnels Encadrés

«   La natation, la combinaison LZR Racer de Speedo et les différentes forces et effets sur le nageur   »

Sujet étudié par Mohammed MOHAMMEDI, Kevin SEGLA, Antoine LERON et Guillaume DÜRR

1

Encadrés par Mme MALET-KROP (Professeur de Physique-Chimie) et M. NEBOIT (Professeur d’Education Physique et Sportive).

Table des matièresIntroduction :.......................................................................................................3

I] La Natation.......................................................................................................4

1. Origines de la natation.....................................................................................4

2. Les règles et les différentes nages....................................................................4

II] La physique dans la natation........................................................................9

1. Les différentes forces s’appliquant au nageur..................................................9

2. Notion de flottabilité et d’éléments hydrophobes..........................................14

III] La combinaison et ses effets.......................................................................17

1. Les composants et leurs spécificités..............................................................17

2. La compression des zones de frottements et le maintien de la posture du nageur..................................................................................................................20

3. Les effets sur l’athlète....................................................................................21

4. Limites et perspectives..................................................................................22

Conclusion :........................................................................................................24

Lexique :.............................................................................................................25

Bibliographie :...................................................................................................26

Annexes :............................................................................................................28

2

Introduction   :

Sensation, aux derniers Championnats d’Europe de Natation de Eindhoven puis aux Jeux Olympiques de Pékin cet été. Records après records le meilleur temps du 100 mètres nage libre à gagné huit dixièmes sur la seule année 2008. Les deux nageurs Alain Bernard et Eamon Sullivan semble faire une course au record du monde et repoussent à chaque fois le record précédent. Deux grands nageurs, certes, mais une nouvelle combinaison, la LZR Racer de Speedo vient de sortir et équipe ces deux nageurs. Le 12 février 2008, Speedo a présenté cette combinaison, hors du commun, selon le constructeur. Fruit d’un travail acharné avec la NASA, la société Petratex et de nombreux grands nageurs comme Michael Phelps ou Hugues Duboscq, Speedo parle de 4% de rapidité en plus dans les départs, les sprints et dans la coulée de virage.

Et la combinaison à fait ses preuves. L’avancé des records sur la seule année 2008 à été équivalente que sur les quinze dernières années.

Après les premiers résultats de la combinaison, étonnants tout le monde et inquiétants les concurrents de Speedo, la combinaison miracle à déchainé les passions et fait couler beaucoup d’encre. Les uns jurent que la combinaison améliore la flottabilité, les autres disent qu’elle améliore la glisse.

L’évolution des records est-elle entièrement due à la combinaison ? Comment est-elle faite et comment fonctionne-t-elle ?

C’est ce que nous avons cherché à savoir. Ainsi, notre étude commencera par un rappel de l’histoire de la natation et des règles. Puis nous verrons une application de la physique dans la natation, introduisant les différents aspects techniques de la combinaison. Enfin, nous étudierons la combinaison sous ses moindres « coutures » en observant quels facteurs pour quelles améliorations.

3

I] La Natation

1.Origines de la natation

La natation est un sport d’origine très ancienne car l’homme a eu besoin de traverser les lacs et les rivières pour de nombreuses raisons tout d’abord pour fuir des prédateurs, ensuite trouver de la nourriture sur un autre territoire et enfin pour pêcher. La natation était donc un des vecteurs de survie de l’homme dès son apparition.

Malgré le fait qu’elle soit devenue sport officiel des jeux olympiques modernes à partir de 1896, la natation n’était pas considérée comme telle à l’époque des anciens jeux olympiques. Elle était cependant. En tant que sport, la natation était peu répandue avant le début du XIXème siècle: la National Swimming Society de Grande Bretagne, fondée en 1837, marque l’apparition officielle de la natation comme sport et ainsi l’apparition de compétitions. A cette époque, les nageurs pratiquaient essentiellement la brasse. Dans les années 1870, un entraîneur britannique rapporte une nage vue en Amérique du Sud et pratiquée par les autochtones. Dans cette nage les bras passaient par-dessus la tête de façon alternée. Il introduit cette technique en Angleterre, une variante du crawl accompagné de battements en coups de ciseaux. A la fin des années 1880, un anglais nommé Frederick Cavill, lors d’un voyage dans les mers du Sud a vu les autochtones nager le crawl avec un battement de pied. Cavill s’est installé en Australie où il a enseigné le crawl avant de devenir le crawl australien. La natation est déclarée comme sport olympique en 1896, aux jeux d’Athènes, pour les hommes et en 1912, aux jeux de Stockholm, pour les femmes.

2.Les règles et les différentes nages.

Les règles changent selon les différentes épreuves : départ dans l’eau ou en plongeon, virages avec n’importe quelle partie du corps ou avec les deux mains… D’après la règle SW 10.7 du règlement de la FINA (Fédération International de Natation), «Aucun nageur ne sera autorisé à utiliser ou à porter un équipement qui puisse améliorer sa vitesse, sa flottabilité ou son endurance pendant une compétition» 

La natation comporte une multitude de nages très variées comme le dos, la brasse, le papillon, le crawl ou la nage libre. Nous allons étudier les caractéristiques de chaque nage.

4

Tout d’abord, la nage sur le dos qui est une épreuve individuelle où les nageurs doivent s'aligner dans l'eau face au mur de départ avec les 2 mains sur les poignées de départ tout cela avant le début de la course.

Au signal de départ: le nageur doit se repousser du mur pour nager sur le dos pendant toute l'épreuve sauf aux virages. Pendant l’épreuve les nageurs doivent adopter une position imposée, inclure un mouvement de roulis du corps inférieur à 90°par rapport a l'horizontale et la position de la tête n'est pas pris en compte.

N'importe quelle partie du corps doit couper la surface de l'eau pendant toutes la course. Il est autorisé aux nageurs d'être sous l'eau seulement pendant le virage, à l'arrivé et sur une distance de 15 mètres maximum après le départ et chaque virage. Mais la tête doit obligatoirement coupé la surface de l'eau.

Au moment du virage une partie du corps doit toucher le mur. Pendant le virage, les épaules peuvent être tournées au-delà de la verticale de la poitrine, après quoi une seule traction continue du bras ou une traction simultanée des deux bras peuvent être faite pour amorcer le virage. Le nageur doit être retourné à une position sur le dos lorsqu'il quitte le mur. À la fin de la course le nageur doit toucher le mur en étant sur le dos.

Ensuite un autre type de nage la brasse, au début de la 1ere traction de bras après le départ et chaque virage, le corps doit rester allongé. Il est interdit de se tourner sur le dos pendant la course. Le mouvement des bras et des jambes doit se faire en même temps. Les mouvements des bras peuvent se faire en-dessous de l’eau ou à la surface de l’eau. Les coudes doivent rester sous l'eau excepté aux virages et pour la dernière traction. Les mains ne peuvent pas être ramenées au-delà de la ligne de hanches sauf pour la 1ere traction après le départ et à chaque virage.

Pendant le cycle de nage une partie quelconque de la tête doit couper la surface de l’eau. La tête doit couper la surface avant que les mains se tournent vers l'intérieur. Après le départ et le virage, le nageur peut faire un mouvement de bras qui se prolonge jusqu'aux jambes. Un mouvement vers le bas comparé à celui du dauphin est autorisé puis d'un mouvement de brasse est aussi autorisé pendant la submersion du nageur.

A l'arrivée et a chaque virage les deux mains doivent toucher le mur en même temps en-dessous ou au-dessus du niveau d’eau.

Puis une nage qui permet d’exercer la nage que l’on souhaite c'est-à-dire le dos, le papillon ou la brasse qui s’appelle la nage libre. Sauf que dans les épreuves de 4

5

nages individuelles ou de relais 4 nages, ici la nage libre veut dire qu'ils doivent adopter un style de nage autre que le dos le papillon ou la brasse.

N'importe quelle partie du corps doit obligatoirement toucher le mur du bassin à la fin de chaque longueur et à l'arrivée.

N'importe quelle partie du corps doit couper la surface de l'eau pendant toute la course, sauf si le nageur est complètement recouvert d'eau pendant le virage ou sur une distance de quinze mètres maximum au départ et à chaque virage donc lorsque le nageur est submergé la tête doit couper la surface de l'eau.

Parmi les quatre nages de la natation, le dos, la brasse, le papillon ou le crawl, il y a une nage considérée comme la plus rapide.

La nage la plus rapide pour se déplacer dans l’eau est le crawl. L’alternance d’un bras avec l’autre permettant une propulsion dans l’eau produit avec le battement des jambes vers le bas une fluidité ininterrompue du mouvement. Le crawl est la nage la plus rapide car c’est avec cette nage que la résistante frontale avec l’eau est la plus minime. Contrairement à la brasse la tête ne se trouve hors de l’eau que pour la phase d’inspiration. Pour cela le nageur tourne la tête sur le côté pour permettre une respiration latérale (l’expiration se fait lorsque la tête est à nouveau dans l’eau). Quand il s’agit de la natation en tant que discipline de compétition, on ne dit pas crawl. On parle dans ce cas là de nage libre. Comme le nom l’indique, chaque participant choisit lui-même son style de nage. La seule condition est qu’une partie du corps doit couper la surface de l’eau. Mais sachant que le crawl est la nage la plus rapide, tout le monde opte évidemment pour le crawl.

Les différents records ci-dessous nous montrent la nage la plus rapide :

1-crawl record 100m: 47.842-papillon record 100m 50.403-dos record 100m : 52.984-brasse record 100m 59.13

Quelques fois dans la natation il y a des risques de disqualifications qui influencent sur certaines conséquences   :

6

Quand un nageur est disqualifié s'est qu’il n'a pas respecté le règlement suite à cela le nageur est disqualifié dans la course concernée.

Une disqualification n'est pas considérée comme un forfait, même pas pour la course qui pourrait avoir comme sanction la non autorisation de participation à une course ultérieure. Dans ce dernier cas il y a lieu de mentionner: disqualifié et la raison.

Quelques fois la disqualification est une sanction pour le non-respect du règlement   :

1) Un nageur qui se présente dans une série qu'il ne doit pas pratiquer et bien il est directement disqualifié pour les prochaines séries de la compétition où il était inscrit, mais en revanche il est autorisé à participer aux relais.

2) Un nageur de relais qui saute dans l'eau excepté celui qui parcourt sa distance ne doit pas sauter dans l’eau avant que son coéquipier ne soit revenu est égale à une disqualification de l'équipe.

3) Gêner un autre nageur ou une autre équipe est égale à la disqualification du nageur ou de l’équipe, la série peut être refaite sans le nageur ou l’équipe.

4) Ne pas nager toute la distance n'est pas un forfait mais une disqualification.

5) Un nageur qui prend pied sur le fond du bassin sauf en nage libre est disqualifié. Et prendre pied au fond du bassin et faire un pas en nage libre est une disqualification.

Certains nageurs ont des comportements incorrects et n’obéissent pas toujours   :

7

1) Le juge arbitre est la seule personne qui peut signifier une sanction, cette sanction peut être appliquée par un avis ou un témoignage sans avoir réunit une réunion de jury.

2) Une disqualification suite a une désobéissance ou mauvaise conduite a pour conséquence une disqualification définitive pour toutes les courses suivantes et le relais. Un nageur qui est disqualifié à cause d’une mauvaise conduite ou d’une désobéissance n'est pas considéré comme un forfait.

3) Un nageur qui est au départ et qui provoque volontairement un faux départ est une mauvaise conduite donc le nageur est disqualifié (pas un forfait)

4) Un nageur disqualifié pour mauvaise conduite ou désobéissance est signalée par le juge arbitre au comité de jurisprudence compétent et seul ce comité peut punir ou infligé des amendes au nageur.

8

II] La physique dans la natation

1. Rappel et description des forces . (voir bilan des forces dans les annexes)

Le nageur doit essayer de faire varier les quatre forces qui sont : la portance, le poids, la poussée et la trainée afin de d’obtenir le mouvement souhaité.

Description des forces   :

Un objet placé dans un écoulement d’eau subit une force aérodynamique. Pour pouvoir effectuer une analyse, il faut décomposer cette force en une composante dans le sens du fluide relatif, la traînée et une autre composante qui est celle-ci perpendiculaire, la portance. Counsilman (1971) a appliqué ces théories d’aérodynamique à la natation en montrant que la propulsion n’était pas liée qu’à la loi d’action-réaction c’est-à-dire tirer-pousser mais que la main faisait des godilles sous l’eau pour bénéficier des effets de portance. La portance s’exerce toujours perpendiculairement à la traînée qui est toujours opposée au déplacement. La portance peut être positive mais négative aussi donc pour que celle-ci soit positive il faut donc bien orienter la main pour trouver le meilleur compromis entre la traînée et la portance afin d’avoir la plus grande résultante. Si la main réalise un trajet orienté vers le bas, la traînée sera donc en sens inverse vers le haut et alors si l’orientation de la main est correcte, la portance sera dirigée vers l’avant.Mais aussi le poids ou force de gravité qui est exercée sur le nageur, qui a tendance à faire descendre le nageur au fond de la piscine car cette force s’oriente vers le centre de la Terre et verticalement cependant cette force peut être compensée par la poussée d’Archimède qui elle est orientée vers le haut et verticalement et qui fait remonter le nageur vers la surface. Donc pour améliorer la vitesse du nageur, les physiciens se sont basés sur l’amélioration de la portance et de la traînée car lorsque cette résultante des forces est grande le nageur avance plus vite c’est-à-dire que le nageur remonte à la surface le plus haut possible tout en diminuant la traînée.

La portance   : Force perpendiculaire à la direction du mouvement et dirigée vers le haut, résultant du mouvement d'un corps dans un fluide. La portance aérodynamique définie par la formule:

9

P la portance aérodynamique en Newton (N),

p la masse volumique du fluide en kilogramme par mètre-cube (kg.m-³), Cz le coefficient de portance (sans unité), S la surface du corps en mètre-carré (m²), V la vitesse du corps dans le fluide en mètre par seconde (m.s-¹)

P=½.p.Cz.S.V²

La traînée   : Force aérodynamique qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un fluide. La traînée aérodynamique est définie par la formule:

T=½.p.Cx.S.V²

T la traînée aérodynamique en Newton (N), p la masse volumique du fluide en kilogramme par mètre-cube (kg.m-³), Cx le coefficient de traînée (sans unité), S la surface du corps en mètre-carré (m²), V la vitesse du corps dans le fluide en mètre par seconde (m.s-¹)

Le Poids   : Le poids d'un corps est l'action qui s'exerce sur un corps immobile au voisinage de la Terre. Cette force s'applique au centre de gravité du corps et sa direction définit la verticale qui passe approximativement par le centre de la Terre. Le poids est une action à distance toujours proportionnelle à la masse. De caractéristiques, vers le bas, horizontal, de valeur P=m.g et le point d’application est le centre de gravité.

P = m.g

P le poids en Newton (N), m la masse en kilogramme (kg), g l’intensité de pesanteur en Newton par kilogramme (N/kg)

Poussée d’Archimède   : L’ensemble des actions mécaniques exercées par un fluide sur tout corps immergé, au repos, est équivalent à une force unique Fa, appelée poussée d’Archimède : - De direction verticale ; - Dirigée vers le haut ;

10

- Appliquée au centre de poussée qui est le centre d’inertie du fluide déplacé ;

Fa = p .V .g

Fa Poussée d’Archimède en Newton (N), p la masse volumique du fluide en kg/m3 (kg/m3), V le volume du fluide en m3, g l’intensité de pesanteur en N/kg.

La combinaison permet au nageur d’avancer plus rapidement car cette combinaison diminue la traînée. La traînée est égale au frottement de l’eau sur le nageur. Lorsqu’un nageur plonge sans la combinaison avec un maillot de bain traditionnel, il y a beaucoup de frottement entre la peau du nageur, la couture du maillot de bain et les molécules d’eau et à chaque fois que l’eau rencontre un obstacle des tourbillons se créent et c’est ce qui ralentit ou freine le nageur. La combinaison permet de réduire ces tourbillons car elle est lisse, elle recouvre le corps en entier et il n’y a aucune couture donc il n’y a aucun obstacle donc le nageur avance plus vite. La combinaison réduit les frottements de 20% ce qui représente une seconde tous les 100 mètres.

Les parties du corps qui frottent le plus sont les fesses, la tête, la poitrine et les bras. Ces membres sont recouverts par le gris de la combinaison qui permet de gainer ces membres donc de diminuer les frottements et la position du corps est parfaite.

Pour que la combinaison diminue le plus de frottements possibles, il faut que celle-ci soit faite sur mesure aux millimètres près.

a. Lorsqu’un nageur avance dans l’eau, il connaît une résistance à l’avancement composée de plusieurs résistances, la traînée, les vagues et les frottements.

11

b. Tout corps qui se déplace dans l’eau subit une force opposée à son déplacement. Cette force frénatrice est appelée résistance à l’avancement.

Elle se décompose en plusieurs éléments distincts :

La résistance de trainée : elle est, à la fois, liée à la morphologie du nageur, à la forme de son corps au cours de son déplacement et sa vitesse. Cette force a deux composantes :

La résistance frontale : cette composante est liée à la résistance de forme qui s’exerce à l’avant du corps du nageur. Cette résistance tend à diminuer plus l’avant du corps adopte une position profilée : les bras serrés et allongés en avant, la tête dans l’axe du corps.

La résistance de remous : cette composante est liée à la résistance de forme qui s’exerce à l’arrière du corps du nageur. Elle est à l’origine d’une dépression qui exerce un effet d’aspiration derrière le nageur. Cette résistance tend à diminuer plus l’arrière du corps adopte une position profilée : le corps gainé, les jambes et les pieds tendus.

La résistance de vague : elle est liée aux mouvements réalisés à la surface de l’eau. Ces derniers sont à l’origine de la création d’une vague en avant du corps et d’un creux à l’arrière. Ainsi, en avançant à la surface, le nageur crée une pente liquide composée d’une zone de haute pression à l’avant et d’une zone de dépression à l’arrière qu’il doit surmonter.

La résistance de frottement : elle est liée aux propriétés d’écoulement de l’eau de la surface du corps. Ce qui explique pourquoi les nageurs de haut niveau s’épilent intégralement le corps ou utilise des combinaisons sensées améliorer jusqu’à 30% l’écoulement de l’eau le long du corps.

c. Ensuite, l’avancement du nageur peut être influencé par la fluidité du milieu

Dans l’eau, le nageur doit s’adapter à un autre type d’appui que ce qu’il connait sur terre pour se déplacer. Il  passe des appuis solides sur terre à des appuis fuyant dans

12

l’eau dus à la fluidité du milieu. Ce type d’appui entraîne une forme de propulsion spécifique par le placement et le trajet des surfaces motrices et par son rythme.

d. Les différentes actions exercées sur le nageur en plein effort   :

La force de pesanteur   :

Dans le cas de l’étude des forces qui s’appliquent à un nageur, on peut considérer que la force de pesanteur est égale au poids du nageur.

Cette force s’exerce verticalement et du haut vers le bas sur le centre de gravité du nageur.

e. La force de portance   :

La force de portance s’exerce perpendiculaire au déplacement et  du bas vers le haut sur toute la surface du corps en contact avec l’écoulement de l’eau. Elle s’ajoute donc  à la poussée d’Archimède lors du déplacement du nageur pour le maintenir à la surface, mais elle permet aussi de lutter contre le couple de redressement et maintenir le corps à l’horizontal.

Cette force augmente avec la vitesse et la taille du nageur. D’où l’importance de se grandir au maximum lors des phases non propulsives de la nage.

La poussée d’Archimède   :

Dans le cas de l’étude des forces qui s’appliquent à un nageur, la valeur de la force de la poussée d’Archimède est égale à celle du poids du volume d’eau  que déplace le nageur.

Cette force s’exerce verticalement et du bas vers le haut sur le centre géométrique du nageur.

Le nageur est donc soumis à l’action de deux forces de même direction mais de sens opposé : le poids qui le fait couler et la poussé d’Archimède qui le tient à la surface. Ce rapport exprime la flottabilité du nageur qui est, dans la plus part des cas, positive lorsque le nageur a les poumons remplis d’air.

13

D’autre part, le poids et la poussée d’Archimède n’ont pas les mêmes points d’application dans le cas d’un nageur allongé sur l’eau, bras en avant dans le prolongement du corps :

Le centre de gravité se situe généralement vers la cinquième vertèbre lombaire (la partie inférieure du corps étant plus dense).

Le centre géométrique se situe généralement vers la première vertèbre lombaire (la partie supérieure du corps étant plus volumineuse).

Après avoir vu les différentes forces appliquées sur le nageur et les différentes modifications à apporter pour améliorer la vitesse du nageur. Ensuite nous avons vu que le rapport poids sur poussée d’Archimède exprimé la flottabilité. Donc dans la partie suivante nous allons voir la notion de flottabilité et la notion d’éléments hydrophobes

2. Notion de flottabilité. Notion d’éléments hydrophobes.

La flottabilité est une forme d’équilibre statique où une partie plus ou moins grande du corps est immergée. La flottabilité dépend de la densité du milieu (eau salée est plus dense) et du sujet (densité = rapport poids/volume) plus les masses osseuse et musculaires sont grandes et plus la capacité inspiratoire est faible, moins on flotte. D’un autre côté, les femmes qui ont 23% de masse grasse flottent mieux que les hommes 15%. La flottabilité est la poussée verticale, dirigée de bas en haut, que l’eau exerce sur le nageur immergé. La flottabilité agit toujours dans la direction opposée à la gravité. Selon le rapport entre le Poids (P) et la poussée d’Archimède (Fa), on distingue :

- Lorsque le corps de flottabilité est positif c’est-à-dire la Poussée d’Archimède est supérieure au Poids : le nageur remonte.

- Lorsque le corps de flottabilité est négatif c’est-à-dire que la Poussée d’Archimède est inférieure au Poids : le nageur coule.

- Lorsque le corps de flottabilité est nul c’est-à-dire la Poussée d’Archimède est égale au Poids : le nageur flotte entre deux eaux.

14

Plusieurs facteurs déterminent la vitesse à laquelle nous nageons en surface et sous l’eau : notre force, notre endurance, la longueur de nos mouvements de bras, notre technique, notre position sur l’eau et l’aérodynamisme de notre corps. Un autre facteur, qui n’est sans doute pas le plus important, est la flottabilité, qui est la capacité naturelle de notre corps à flotter. Notre corps est constitué de divers matériaux, chacun ayant sa densité propre. Les densités qui ont de l’importance pour les nageurs sont celle des os (1,8 kg/l), celle des muscles (1,05 kg/l), celle de la graisse (0,94 kg/l) et celle de l’air (0 kg/l). Quant à l’eau, elle a une densité de 1,0 kg/l. Ces différentes densités nous montrent que, si l’air et la graisse flottent, les os et les muscles coulent plus ou moins rapidement. Ce qui revient à dire que les personnes qui ont de gros os et de gros muscles ont moins de facilité à flotter que celles dont le corps présente un taux de graisse plus élevé. Les facteurs contribuant à la flottabilité permettent de déterminer si les nageurs de compétition ont plus de dispositions pour la nage de vitesse ou pour la nage d’endurance. Généralement, les nageurs dont le corps présente une densité élevée (c’est-à-dire une faible flottabilité) tendent à préférer les épreuves de vitesse, tandis que ceux qui flottent plus facilement en raison d’une densité relativement basse sont plus à l’aise dans les épreuves d’endurance. Sur de courtes distances, un nageur peut plus facilement se servir de sa puissance pour produire la poussée nécessaire au maintien de son corps sur l’eau. À l’opposé, sur de longues distances, le nageur qui ale plus de facilité à flotter possède un net avantage : il a besoin de moins d’énergie, de moins de battements de pieds et de moins d’ajustements techniques pour se maintenir à la surface de l’eau.

Un élément hydrophobe est un composé insoluble dans l’eau (du grec hydro = eau, et phóbos = peur). Un composé hydrophobe, ne peut pas créer des liaisons hydrogène avec les molécules d'eau. Il est apolaire, ou de faible polarité, ce qui signifie qu'il ne peut pas faire d'interactions électrostatiques avec l'eau. Mais il peut être soluble dans des solvants organiques comme l’acétone et les hydrocarbures.

Un composé hydrophobe, n'a pas la capacité de créer des liaisons hydrogène* avec les molécules d'eau. Il est aussi souvent apolaire*, ou de faible polarité, ce qui signifie qu'il ne peut pas faire d'interactions électrostatiques* avec l'eau. En effet, la solubilité d'un composé dans un solvant dépend de manière générale des interactions qu'il peut avoir avec le solvant. Un composé hydrophobe est donc un composé qui ne peut pas interagir physiquement avec l'eau. Il est plutôt soluble

15

dans les solvants organiques, comme l'acétone, les hydrocarbures légers, avec lesquels il peut faire des interactions.

* Voir le lexique à la fin

16

III] La combinaison et ses effets

Le 16 février 2008, l’équipementier Speedo présente sa combinaison nouvelle génération : la LZR Racer. La marque prétend alors que sa combinaison est la meilleure sur le marché et cela grâce à d’importantes innovations réalisées en partenariat avec la NASA et des entreprises spécialisées comme Petratex. Au début tout le monde pense que ceci n’est qu’un coup médiatique lié à la promotion de ce nouveau maillot. Mais après quelques meetings et des résultats stupéfiants (94% des titres et 89% des podiums) la LZR Racer commence à faire des émules. Ainsi les athlètes rêvent de posséder ce nouvel équipement hautes performances, et les autres équipementiers, pris de court, tentent de la faire interdire. Nous avons donc cherché à connaître quels étaient les composants de cette combinaison et quels étaient ses effets sur le corps et les performances de l’athlète.

1. Les composants et leurs spécificités

Matières utilisées et propriétés

LZR Pulse

La combinaison de Speedo la LZR Racer est composée de plusieurs matières qui sont toutes spécifiques à des actions et parties du corps. Ce maillot nouvelle génération est fabriqué avec une matière ultralégère, la LZR Pulse, brevetée par l’équipementier Speedo. Elle est composée de deux fibres plastiques :

-Un fil d'élasthanne, une matière élastique et souple qui résiste au chlore. Elasthanne ou Lycra® sont des appellations commerciales. En effet on considère que toute fibre plastique composée d’au moins 85% de polyuréthane est de l’élasthanne. Cette matière est très utilisée dans l’industrie textile car contrairement au latex elle ne provoque pas d’allergie. Elle possède également d’autres propriétés très intéressantes : elle est d’une élasticité remarquable (entre 500-600% d’allongement avant rupture de la fibre), elle est indéformable même après avoir été sollicitée de façon intense (comme lors d’une course). Sa légèreté, sa souplesse et sa résistance à la transpiration et à de nombreux autre produit (comme le chlore, les détergents…) constituent des atouts supplémentaires.

17

-La LZR Pulse est également composée d'un fil de nylon très fin qui améliore sa résistance à l’eau. Le nylon, polymère de formule C12H22N2O2 est un dérivé du polyuréthane comme l’élasthanne. Le nylon est une matière obtenue par polycondensation. Il existe 3 formes différentes de nylon : le nylon 6, le 6-6 et le 11. Le chiffre qui leur est attribué désigne le nombre d’atome de carbone qui forme le monomère. Lors de sa production industrielle le nylon est filé directement à partir de la matière fondue. Ce procédé met en parallèle les molécules. Il se crée alors des liaisons hydrogènes au niveau des groupements NH et CO avec les chaînes voisines. Ce sont ces liaisons qui donnent à la matière toute sa résistance ainsi que son élasticité. La souplesse et la résistance de la fibre de nylon font qu’elle s’adapte bien au tissage et son faible pouvoir absorbant lui permet de sécher rapidement (capacité liée au polyuréthanne).

Les panneaux de polyuréthane.

Des panneaux de polyuréthane (matière grise sur la photo ci-contre) sont disposés sur le torse et le dos de l’athlète aux endroits où la résistance à l’eau est la plus forte (notamment au niveau des pectoraux et des fesses). Cette matière est connue pour sa forte élasticité et sa bonne résistance à l’usure. Ces propriétés hydrophobes réduisent considérablement les frottements liés au passage de l’eau à la surface de la combinaison.

Le polyuréthane est un polymère composé d'unités répétées d’uréthane qui sont liées entre elles par des liaisons amide. Il s’agit d’un polyamide. L’uréthane également appelé carbamate désigne tout composé issu de la réaction entre un isocyanate et un alcool

18

Structure du nylon

1.2 La fabrication

Speedo utilise pour la finition de sa combinaison une technologie du gaz moléculaire permettant de façonner la surface du tissu à un niveau nano moléculaire, et ainsi d’obtenir une surface totalement lisse. Nous n’avons quasiment aucune information sur ce procédé car même les chercheur que nous avons contacté ne peuvent nous en dire plus.

Ensuite, la combinaison bénéficie d'un traitement déperlant hydrophobe qui consiste en l’application superficielle d’une substance dite hydrofuge. Grâce au lissage de la surface (dû au « traitement au gaz moléculaire ») les effets du traitement déperlant sont augmentés. La déperlance empêche le tissu d’absorber l’eau ainsi elle n’adhère plus à la surface (elle forme des perles) et glisse dessus : ce que phénomène que l’on appelle la déperlance. En fait la matière ne peut plus créer de liaisons hydrogène avec les molécules d’eau.

On remarque également que cette combinaison ne possède pas de coutures ni de zip apparent. Tous les empiècements qui la composent sont soudés par ultrasons. Ainsi, la surface de contact entre l'eau et la combinaison est lisse au niveau des coutures. La soudure par ultrasons se fait par association de vibrations ultrasonores produites par une sonotrode et d’une force de pression (voir annexe n°). Les vibrations provoquent un vif échauffement de la matière qui ensuite fusionne sous l’effet de la pression. Le zip de fermeture, est caché à l'intérieur de la combinaison afin de faciliter le passage de l’eau dans le d’eau de l’athlète. Ces nouvelles

19

innovations réduisent considérablement les zones frottements. Tous les traitements apportés à la combinaison ainsi que le choix des composants montrent à quel point le souci du détail est important pour diminuer l’importance des zones de frottements et ainsi améliorer la glisse de l’athlète.

2.La compression des zones de frottements et le maintien de la posture du nageur

Une autre propriété fondamentale de la combinaison LZR Racer est son action de compression sur le corps de l’athlète. Les principales zones de frottements, hormis la tête et les épaules, sont les fesses et la tête. Speedo à donc dû s’efforcer de diminuer au maximum les frottements causés par ces zones. On a vu que beaucoup de frottements sont diminués grâce aux composants et leurs dispositions sur le corps de l’athlète (cf. panneaux de polyuréthane) et le gainage qu’offre la combinaison contribue d’autant plus à cet effet. Ce facteur est le plus important pour la réussite de la combinaison. « Peut importe si la combinaison est bonne, nous confie David Pease, cela ne sert à rien si elle n’est pas adaptée au corps de l’athlète ». Chaque nageur avant de recevoir sa combinaison se voit faire un scanner entier de son corps afin de lui donner le profil optimal en adaptant la combinaison au millimètre prêt.

Ainsi, le gainage de la combinaison à plusieurs fonctions :

20

Elle permet tout d’abord au nageur d’avoir une seconde peau lisse sur tout le long du corps et qui est très tendue. Ainsi, la combinaison ne comporte quasiment pas de résistance par les frottements. L’absence de couture participe aussi à cette diminution considérable des frottements. Son organisation structurée et son effet « corset » donne un effet d’ « accélération en arrivant dans l’eau » nous témoigne Maxime BUSSIERE, médaille de bronze au 100m brasse au dernier Championnats de France.

De plus, la combinaison maintien le nageur dans un profil le plus aérodynamique possible : elle donne la meilleure cambrure pour frotter le moins possible. Maxime explique qu’il se sent « plus droit, et bien gainé ». « On est beaucoup plus porté à la surface » ajoute-t-il. Sa structure permet l’écrasement de la poitrine et des fesses. La combinaison permet donc de donner un profil aérodynamique et adapté au nageur afin de lui donner un profil optimal pour la pénétration dans l’eau. La combinaison rend le corps plus rigide et mieux tenu : elle évite la nage « en serpent » et tien le corps droit lors de la course. Le nageur consacre donc plus d’énergie à la propulsion.

Enfin, ce gainage permet au nageur de faire moins d’effort lors de sa reprise de respiration. Son débit respiratoire est amélioré et le nageur peut se concentrer sur sa puissance et sa technique. Il devient plus efficace grâce à une meilleure respiration.

3.Les effets sur l’athlète

Précédemment, nous avons remarqué la structure et la spécificité des composants ainsi que le gainage du corps de l’athlète par les tissus de la combinaison.

Ces différentes caractéristiques de la combinaison ont été recherchées et établies afin d’obtenir deux buts finaux importants pour de meilleur performance : un profil aérodynamique et une surface de frottements largement atténuée. Par ces apports, le nageur se sent « glissé » sur l’eau, « Je me sens partir comme une fusée » déclare Michael Phelps. Les nageurs sont portés à la surface et sont maintenu bien droit dans une posture optimale afin de réduire un maximum les frottements.

Cette combinaison à entrainé une chute des records brutales. Sur 50m, l’avancée des records sur la seule année 2008 a été équivalente à celle des quinze dernières années. (Voir annexe 2 et 3). On constate une évolution semblable sur 100m (voir annexe 1). On observe un décrochage par rapport aux estimations qui prévoyaient un arrêt de l’évolution des records à 2025 ±20ans.

21

4.Limites et perspectives

On a donc pu voir précédemment que la combinaison, par ses composants spécialement sélectionnés et son gainage, permet à l’athlète d’aller plus vite dans l’eau et d’accroitre de façon significative ses performances.

Cependant, la LZR Racer dispose de plusieurs limites :

Tout d’abord, ses composants hydrophobes (polyuréthane et dérivés) permettent à l’athlète de se maintenir à la surface de l’eau : la combinaison améliore la flottabilité, aspect de la combinaison normalement interdit selon les règles de la natation. Nous avons pu voir que, même si la Fédération International de Natation (FINA) à accepté cette combinaison, l’article SW 10.7 semble contraire à la combinaison. Ainsi, l’article SW 10.7 stipule que « aucun nageur ne sera autorisé à utiliser ou à porter un équipement qui puisse améliorer sa vitesse, sa flottabilité ou son endurance pendant une compétition ». Le fait que la Fédération accepte la combinaison peut s’expliquer par l’opportunité qu’offre la combinaison de Speedo à la natation : plus médiatisée, plus de licenciés, plus d’argent. L’argument expliquant l’impossibilité de faire un test vérifiant la flottabilité est de mauvais foies : il est certain que les composants utilisés dans cette combinaison sont hydrophobes et entraine une flottabilité accrue de la combinaison. De plus, nous avons vu précédemment que la combinaison, par le maintien et la compression exercée sur l’athlète, permet au nageur d’accroitre son endurance et de diminuer son rythme cardiaque ; autre aspect interdit par le règlement de la FINA.

De plus, le prix de la combinaison, due à tous les composants coûteux et aux procédés de fabrication extrêmement sophistiqués (cf. la couture de la combinaison par ultrason), peut aussi être une limite, qui freine la propagation et l’accessibilité de la combinaison. En effet, la combinaison s’élève actuellement au prix de 320£ sur Internet (ce qui équivaut à environ 400€ au cours actuel). Et la combinaison coûtera aux alentours de 450€ lors de sa sortie en France selon le constructeur. Les athlètes sous contrat avec Speedo peuvent aisément recevoir la combinaison mais des sportifs à un niveau moindre ne peuvent pas tous acheter une combinaison à ce prix.

Enfin, nous pouvons nous interroger sur la légitimité de la part de la combinaison dans les records. Il serait possible que ce soit l’homme, par son évolution physique, l’évolution des méthodes d’entrainements et les différentes modifications techniques de la nage qui amènent de meilleurs records. On peut d’ailleurs relever la phrase du champion Olympique et ex-record man du monde français Alain

22

Bernard qui à annoncé dans Libération le 24 Mars 2008 : « Même en pyjama, j’aurais battu le record ».

Dans les sports en compétition, « l’effet placebo » peut aussi être décisif. L’effet placebo est une manière psychologique ou psycho-physiologique de régler une pathologie : un « médicament » ne contenant aucune substance active est donnée au malade et le celui-ci ne fera effet que parce que le patient y croit. Ainsi, les nageurs ayant la LZR Racer peuvent se dire qu’ils ont le maillot le plus rapide et qu’ils nageront donc plus vite. Markus Rogan, un nageur Autrichien explique d’ailleurs: "Psychologiquement, si vous avez la conviction de porter la combinaison la plus rapide, alors vous nagerez plus rapidement". Ryan Lochte enchérit : "Mettre cette combinaison, cela vous donne l'impression d'être un super héros, c'est tout simplement impressionnant, cela vous transforme".

Cependant, par les parts de podiums et de records battus, la combinaison de Speedo semble apporter un gain réel de temps, d’endurance, et finalement, de performance.

Nous pouvons aussi attendre de cette combinaison de nouvelles améliorations, non techniques en premier lieu, puis jouant sur de nouvelles sources d’accélération et de performances à l’avenir.Nous pouvons dors et déjà penser à une surface de couverture de la combinaison étendue aux bras et à la nuque ; deux surfaces provoquant des frottements et non couverts par la dernière combinaison. D’autres facteurs peuvent jouer dans l’amélioration de la combinaison et une porte semble ouverte pour les équipementiers afin de faire passer de nouvelles innovations ; la FINA restant insensible aux fraudes de la réglementation causées par la LZR Racer. Ainsi, nous pouvons songer à une combinaison stimulant les muscles des athlètes ou qui offre encore plus de flottabilité.

23

Conclusion   :

La popularité de la LZR Racer (et plus généralement des combinaisons « nouvelle génération ») est sûrement due à la médiatisation sans précédent de la sortie de ce maillot. L’équipementier Speedo n’est pas étranger à ce coup médiatique puisque pour le lancement de cette combinaison révolutionnaire il s’est attribué la collaboration des plus grandes stars de la natation mondiale (Michael Phelps, Alain Bernard). Les nageurs équipés de cette combinaison ont obtenu des résultats spectaculaires :

- Lors des Jeux Olympiques de Pékin :

- Les athlètes portants la LZR Racer ont obtenue 28 médailles.- Michael Phleps, « le plus grand athlète de tout les temps » a décroché pas

moins de huit médailles d’or, le record absolu de titre toutes disciplines confondues.

- Le record du 100m nage libre jusqu’à lors détenu par Alexander Popov depuis 2000 (et réputé comme imbattable) fut battu de plus de 20 centièmes par le nageur français Alain Bernard.

- Plus récemment lors des championnats d’Europe une 12 records ont étés battus par les athlètes portant la combinaison.

Ces résultats exceptionnels s’expliquent par l’utilisation de nouveaux matériaux (le polyuréthane, LZR Pulse) et de nouvelles techniques (la soudure par ultrasons, le zip de fermeture caché à l’intérieur de la combinaison) lors de la conception de ce maillot. Ils permettent de diminuer les zones de frottements, d’améliorer de la flottabilité. Les muscles de l’athlète sont compressés, son bassin gainé afin pour augmenter son aérodynamisme (lui faisant gagner 1 seconde tout les 100 mètres).

Mais selon les personnes interviewées à l’INSEP, la combinaison n’est pas la seule responsable des nouveaux records récemment observés, bien qu’elle y contribue pour beaucoup. En effet les athlètes ont perfectionné leur entraînement par plus de musculation et ont amélioré leurs techniques de nage.

Les autres équipementiers ont rapidement rattrapé leur retard (moins de 6 mois) en sortant également des combinaisons créées avec ces nouveaux matériaux et les mêmes techniques (TYR avec la TYR Tracer Light). Cependant le développement de ces maillots fut très rapide. En effet les équipementiers ont répondu aux menaces faites par les athlètes qu’ils sponsorisaient. Ces derniers menaçaient de courir avec la LZR Racer si leurs sponsors n’étaient pas en mesure de leur fournir rapidement

24

une combinaison similaire. Les nageurs ont bien reçu leurs nouveaux maillots, mais le manque de temps pour les tests et la conception font que ces produits n’égalent pas encore les performances du produit de Speedo.

Malgré les réclamations des autres équipementiers la FINA a autorisé l’utilisation de la combinaison LZR Racer.

Cependant, d’après l’article SW 10.7 la LZR Racer ne respecte pas les règles imposées par la FINA. En effet les matériaux utilisés pour la confection de la combinaison sont tous décrits comme hydrophobes. De plus le traitement subi par la combinaison a pour but de la d’améliorer la flottabilité du nageur (traitement déperlant hydrophobe). La Fédération Internationale de Natation prétend ne pas posséder les moyens technologiques suffisamment performants pour prouver l’illégalité de la combinaison face au règlement. Nous venons pourtant de la démontrer et ce sans l’utilisation du moindre test. On peut alors se demander si la FINA ne ferme pas les yeux face à l’arrivée de ces nouvelles technologies ultraperformantes qui relance l’intérêt du public pour cette discipline. Nos doutes se sont d’autant plus accrus que, lors de nos recherches, nous avons appris que la Fédération était sponsorisée par l’équipementier Speedo. On peut alors légitimement s’interroger sur l’impartialité de la FINA.

25

Lexique   :

Elasthanne   : Nom générique d’une fibre élastomère dotée d’une grande élasticité, commercialisée notamment sous la marque Lycra®

Hydrofuge   : se dit d’un produit qui mêlé à la masse d’un matériau, préserve de l’humidité par obturation des pores ou modification de l’état capillaire de la surface

Isocyanate   :

Liaison amide   :

Liaison hydrogène   : est une liaison de faible intensité (x20 moins importante que la liaison covalente. Elle relie des molécules en leur associant un atome d’hydrogène. Dans le cas des polymères, des liaisons hydrogènes se forment entre les chaînes et se sont elles qui donnent à la structure toute sa rigidité (résistance).

Nylon   : - Polyamide, mis au point par W.Carothers en 1937, utilisé pour la production de fibres textiles, d’objets moulés, etc.

- Fibre, tissu obtenus à partir de ce produit (le nylon)

Polyamide   : Composé formé de macromolécules renfermant des motifs monomères différents. Il est issu de la polycondensation soit d’un diacide et d’une diamine, soit d’un aminoacide sur lui-même.

Polymère   : Du grec « polus » qui signifie plusieurs et « meros » qui signifie partie. Les polymères sont des macromolécules composées de monomères (« monos » une seule « meros » partie) liés entre eux par des liaisons covalentes. Les polymères sont obtenus par des réactions de polymérisation qui lient les monomères entre eux pour former des chaînes.

Polyuréthane   : Matières plastique employée dans l’industrie des peinture, des vernis ou pour faire de mousses et des élastomères

Sonotrode   : Outillage mécanique de haute précision utilisé pour le soudage par ultrasons. La sonotrode applique les vibrations acoustiques dans le plan des feuilles à souder.

Uréthane   : Ou « «Uréthanne » composé NH2COOR (R représentant un radical carboné). °

26

La liaison hydrogène   : c’est une liaison physique non covalente, de type dipôle-dipôle. Elle est de basse intensité (vingt fois plus faible que liaison covalente classique), et relie des molécules en impliquant un atome d'hydrogène.

Apolaire   : un composé apolaire est un composé dont les barycentres des charges positives et des charges négatives sont confondus.

Interactions électrostatiques   : Les interactions électrostatiques jouent un rôle crucial dans la modélisation d'une macromolécule biologique, et particulièrement dans la compréhension de l'effet du solvant sur le système considéré.

27

Bibliographie   :

Articles de presse   :

Benoit LALLEMENT, « Phelps n’est pas un poisson », L’Equipe magazine, numéro 1363, Samedi 23 aout 2008, page 42-43.

Gérard NICAUD, « Les secrets de la combinaison Speedo », Le Figaro Sport, Mercredi 16 avril 2008

Ouvrages   :

DUREY Alain, Physique pour les sciences du sport, Masson Editeur, 247 pages.

RAWCAT Thomas, La Théorie de l’Ancêtre Aquatique,

BONARDET Jean-Luc et FRAISSART Jacques, L’indispensable en liaison chimique, Edition Bréal, 2003

DETERRE Rémi et FROYER Gérard, Introduction aux matériaux polymères, Techniques et Documents Lavoisier, 1997

AUBINEAU Claude et AUDEBERT Roland, Les polymères Organiques, PUF, 1974

OUDET Christian, Polymères : structure et propriété : Introduction, Edition Masson, 1994.

Pages Web   :

Wikipédia, « LZR Racer », Wikipédia l’encyclopédie libre, Wikimedia Foundation, http://fr.wikipedia.org/

Speedo, « LZR Racer », http://www.speedo.fr

Ross TUCKER et Jonathan DUGAS, The science of sport, “Speedo's LZR swimsuit “, http://www.sportsscientists.com/2008/03/speedos-lzr-swimsuit.html

Natation: historique

http://fr.beijing2008.cn/92/28/article212012892.shtml

28

« Sous la combi high-tech », lesoir.be

http://www.lesoir.be/actualite/sciences_sante/natation-la-lzr-racer-au-2008-04-02-588547.shtml

www.espace-sciences.org/science/10085-nos-precedentes-expositions/10101-la...les.../12661-les-fibres-textiles/

www.lgl.lu/pics/polycond.pdf

http://visio.univ-littoral.fr/revue-staps/pdf/215.pdfhttp://fr.fitness.com/articles/313/vite_plus_vite_nager_le_crawl.php

http://fr.wikipedia.org/wiki/Natation#Histoire

http://www.ffbn.be/images/docnat/reglementsportif.pdf

http://fr.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070801115714AA56CEo

http://host.evolutra.com/Olympic_Swim_Team/teamcanada/index_f.aspx?ArticleID=1145

http://fr.beijing2008.cn/92/28/article212012892.shtml

http://www.staps.uhp-nancy.fr/docs_pdf/reglementfina.pdfhttp://www.ffnatation.fr/download/info/jug/fina_nat_2005_2009.pdfhttp://www.nataswim.info/articlesdossiers/natation/modelisation_de_la_propulsion_du_nageur.html

http://www.lepoint.fr/actualites-sport/en-2008-la-natation-a-fait-sa-revolution-technologique/921/0/303360

http://www.smarterthanthat.com/physics/olympic-controversy-how-does-the-space-age-swimsuit-work/#high_2

http://www.athlete-attitude.com/AA_article1313.html

http://www.zdnet.fr/actualites/internet/0,39020774,39379896,00.htm

29

Annexes   :

Annexe (1)

Annexe (2)

30

Annexe (3)

31

Annexe (4)

32