L'air, ennemi à «vaincre»

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Dans certaines disciplines, comme le patinage de vitesse, la résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse et les autres forces de résistance sont nettement moindres. Les améliorations à l'aérodynamisme peuvent donc faire une différence appréciable.

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(Québec) CHRONIQUE / «Aux Olympiques d'hiver, on remarque que les skieurs et patineurs portent des vêtements et des casques très aérodynamiques. Cependant, aux Jeux d'été, bien des sprinteurs du 100 et du 200 mètres, surtout des femmes, ont les cheveux très longs et toutes sortes de coiffures. Ne croyez vous pas que cela peut les ralentir, ne serait-ce que de quelques centièmes de seconde?» demande Claude Duchesne, de Stoneham.

Quand on se déplace, que ce soit à pied, à vélo ou par un autre moyen, on doit non seulement fournir l'énergie qu'il faut pour faire bouger son propre poids, mais il faut aussi vaincre la résistance de l'air. Comme il y a déjà de l'air dans l'espace que l'on traverse, nous devons fournir un surplus d'énergie pour «tasser» ces gaz et prendre temporairement leur place. Immédiatement après notre passage, les gaz retournent occuper l'espace que nous laissons derrière nous, ce qui crée un léger effet de succion. C'est ce que les physiciens appellent «la traînée».

Cette résistance varie selon la «superficie transectionnelle» (la surface perpendiculaire au mouvement, si l'on préfère) et la forme des objets qui traversent, ainsi que leur vitesse. Mais en ce qui concerne les cheveux cela ne change pas grand-chose, explique le chercheur en génie mécanique et spécialiste de l'aérodynamique de l'Université Laval Guy Dumas. Il y a plusieurs points à considérer, ici.

Le premier, dit-il, c'est «que les cheveux se trouvent derrière la tête. Le corps humain fait une bonne obstruction à l'écoulement de l'air et laisse un sillage derrière lui. Alors, ce qui est directement derrière la tête ne fait pas une grosse différence». Les cheveux sont principalement situés à un endroit où l'air retourne; ils n'ajoutent donc presque rien à la surface perpendiculaire au mouvement.

Deuxio, signale M. Dumas, la résistance de l'air n'est pas la plus grande force que doivent surmonter les coureurs, tant s'en faut : d'autres sources de résistance surpassent très largement les effets aérodynamiques.

Dans une étude absolument captivante parue en 2013, des physiciens ont décortiqué toutes les forces qui ont joué un rôle lors du sprint historique d'Usain Bolt, en finale des championnats du monde d'athlétisme de 2009, à Berlin. Ils en sont arrivés à la conclusion étonnante, mais mathématiquement incontestable, qu'au cours de ces 9,58 secondes, Bolt a dépensé pas moins de 92,2 % de son énergie à vaincre ces diverses résistances (!) et que seulement 7,8 % ont été transformées en mouvement. Or même à vitesse maximale, la traînée aérodynamique n'a compté que pour à peine plus de 10 % de l'énergie dépensée - et seulement 2,5 % lorsque, en pleine accélération, il n'avait encore atteint que la moitié de sa vitesse de pointe.

Une autre étude a calculé que, comparée à des vêtements assez bouffants, une combinaison bien ajustée pouvait réduire la traînée (pas toutes les résistances, juste la traînée) de 0,5 à 6 %. Sur un 100 mètres, cela améliorerait les temps au maximum de 0,03 seconde - alors imaginez l'infime différence que font les cheveux seuls...

Alors pourquoi d'autres sports adoptent-ils des tenues très aérodynamiques? Essentiellement pour deux raisons, explique M. Dumas. D'abord, la résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse : si on double la vélocité, la traînée quadruple; si on triple la vitesse, la résistance de l'air est multipliée par 9, etc. Et, comme on atteint et maintient des célérités bien plus grandes en ski, en patin et en vélo qu'à pied, la traînée est beaucoup plus importante.

Ensuite, dans ces autres disciplines, les autres forces de résistance sont nettement moindres qu'à la course. Une étude classique des années 70 a calculé qu'à vitesse égale (10 m/s), vaincre les résistances autres que celle de l'air demande de brûler 0,19 millilitre d'oxygène par kilogramme de poids corporel et par mètre parcouru (mlO2/kg-m) pour un coureur, contre seulement 0,05 mlO2/kg-m pour un patineur et 0,02 en vélo. Quatre et dix fois moins!

C'est à un point tel qu'on estime qu'environ 90 % de l'énergie d'un cycliste sert à vaincre la résistance de l'air. Et celle-ci représente 80 % de la friction qui ralentit un skieur. On comprend donc aisément que lorsque les autres forces deviennent relativement négligeables, chaque petite amélioration à l'aérodynamisme peut faire une différence appréciable.

Mentionnons pour finir que contrairement à ce que la question de notre lecteur laisse entendre, les casques des skieurs alpins ne sont pas très aérodynamiques et pourraient difficilement l'être davantage. Ils sont plutôt ronds, servent à protéger la tête du skieur en cas de chute et, ajoute M. Dumas, «si le skieur fait un slalom, il va prendre le vent dans des directions qui varient sans arrêt. Alors ce serait beaucoup plus difficile de dessiner un casque aérodynamique pour ça que pour, par exemple, un cycliste en contre-le-montre, qui prend toujours le vent de face».

Autres sources :

- Viviane Marquina et al., «On the performance of Usain Bolt in the 100 m sprint», European Journal of Physics, 2013, goo.gl/DWz0o9

- P.E. di Prampero et al., «Energy cost of speed skating and efficiency of work against air resistance», Journal of Applied Physiology, 1976, goo.gl/QL7xa3

- B.E. Thompson et al., «Aerodynamics of speed skiers», Sports Engineering, 2001, goo.gl/2cYQc2

- C.R. Kyle et V.J. Caiozzo, «The effect of athletic clothing aerodynamics upon running speed», Medicine and Science in Sports and Exercise, 1986, goo.gl/MnrOhE




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