Physique olympique

Séjour d’étude organisé par Christophe Clanet du 15 au 20 mai 2023.

Participants

Christophe CLANET (Ecole polytechnique – Palaiseau), Caroline COHEN (Ecole polytechnique – Palaiseau), Marc FERMIGIER (Laboratoire PMMH ESPCI-Paris – Paris), David QUÉRÉ (PMMH-ESPCI – Paris)

Résumé

La France accueillera les jeux olympiques et paralympiques du 26 juillet au 8 septembre 2024. Que ce soit la presse spécialisée ou le grand public, il ne manquera pas de regards pour se tourner vers cet événement. Or, il existe une manière plus inattendue d’observer le sport, qui est celle qu’offrent les sciences – physique, mécanique, biologie, au premier chef. Ce regard décalé fait l’ob- jet du livre “Physique Olympique” qui paraitra chez Flammarion en 2024. Le but de ce séjour aux Treilles était de réunir les auteurs et de produire une partie des chapitres qui en assurent l’ossature.

Summary

France will host the Olympic and Paralympic Games from July 26 to September 8, 2024. Whether it is the specialized press or the general public, there will be no shortage of eyes to turn to this event. However, there is a more unexpected way of observing sport, which is that offered by the sciences – physics, mechanics, biology, in the first place. This offbeat look is the subject of the book “Olympic Physics” which will be published by Flammarion in 2024. The purpose of this stay at Les Treilles was to bring together the authors and produce some of the chapters that provide the framework.

Compte rendu

Les nations qui performent aux Jeux Olympiques et Paralympiques sont celles qui investissent le plus dans la recherche (1). Ces travaux sont par nature très spécialisés alors même que leur objet, le sport, touche le plus grand nombre. Un ouvrage destiné à un large public traitant de la façon dont les sciences physiques sont mises en jeu dans les disciplines sportives et tout particulièrement dans celles qui seront représentées à Paris en 2024 nous a semblé utile. En des temps où l’expertise est remise en cause et la science souvent suspecte, il s’agit de montrer ce qu’apporte un regard scientifique – en particulier dans sa capacité à aller au-delà des apparences et à dénouer de supposés paradoxes. L’exemple ci-dessous illustre cette ambition.

La parabole du champion

Le 18 octobre 1968, un peu avant 16h, le jeune Bob Beamon se présente face au sautoir, dans la finale du concours de saut en longueur des Jeux de Mexico. Il a 22 ans, il est l’un des favoris du concours, mais sa qualification, la veille, s’est faite dans la douleur : il a mordu la planche lors de ses deux premiers essais et ce n’est qu’à sa troisième et dernière tentative qu’il a réussi le saut lui permettant in extremis de se présenter le lendemain – peut-être une des raisons pour lesquelles il a un peu forcé sur la tequila dans la soirée qui a suivi, préparant bien maladroitement sa finale olympique.

C’est dans l’indifférence générale qu’il débute son concours, devant un public plutôt absorbé par la finale du 400 mètres : dix-neuf foulées graciles, une impulsion, et il s’élève très haut dans le ciel mexicain, à un mètre quatre-vingts, trente centimètres au-dessus de ses performances habituelles. Quand il retombe, il semble loin, très loin dans le sable, puisque le système de visée optique qu’on a installé au bord du sautoir ne peut être utilisé, avec sa butée à 8,60 m – 25 centimètres au-delà du record du monde de l’époque. Pendant vingt longues minutes, les juges désorientés se parlent, vérifient que l’essai est valide, que le vent est légal (à 2 mètres par seconde, il est juste à la limite de ce qui est permis), cherchent une solution au problème de la mesure, et finissent par retrouver le bon vieux ruban qui prévalait jusque- là et annoncer, après plusieurs vérifications supplémentaires, l’impensable exploit de Bob Beamon : 8,90 m, qui pulvérisent le record de 55 cm, un exploit dont l’athlète lui-même ne prendra la mesure qu’après qu’on lui aura converti le résultat en pieds et en pouces, les unités qui lui sont familières. En un saut, Bob Beamon a tué le concours, découragé ses adversaires qui seront tous incapables de sauter à leur meilleur niveau, et il a distancé le futur médaillé d’argent de plus de soixante-dix centimètres – battant ainsi également le record du monde de l’écart avec un dauphin.

saut

Figure 1 – Le saut de Bob Beamon. On suit la trajectoire du centre de gravité du sauteur, qui s’ajuste par un morceau de parabole (ligne rouge). L’angle de saut, une vingtaine de degrés, est loin des 45◦ qui maximisent la longueur à vitesse de saut donnée – l’inertie du sauteur l’empêchant de trouver cet angle. On montre par des formules classiques que la distance atteinte est quasi-proportionnelle à l’angle, quand il est assez aigu, si bien qu’une petite différence d’angle (disons, 2◦, 10% de l’angle lui-même) permet d’accroître la performance de 10%, c’est-à-dire de 80 cm, de quoi pulvériser le record du monde. La réalité est un peu plus complexe : le succès du saut dépend de la capacité de l’athlète à optimiser simultanément vitesse et angle de saut.

On a souvent invoqué l’air raréfié de Mexico pour expliquer l’exploit de Beamon : l’air est une source de résistance à un corps en mouvement, pouvant modifier sa trajectoire et sa portée. Mais cet effet dépend de la masse du projectile : si, en effet, une balle de ping-pong envoyée dans l’air ralentit après quelques mètres avant de retomber presque verticalement, une boule de pétanque aura une trajectoire parabo- lique, qui est établie, calculée, tabulée sans la moindre hypothèse de résistance aérodynamique. Or, la trajectoire d’un sauteur en longueur, quand on le ramène à son centre de gravité, est quasi-parabolique, ce qui montre que deux paramètres seulement en déterminent la portée : la vitesse à laquelle il décolle, et l’angle qu’il fait alors avec l’horizontale. Les lois sont connues, et même célèbres depuis Galilée : la longueur atteinte, à angle donné, est proportionnelle au carré de la vitesse ; et on la maximise si l’angle vaut 45◦. Pour l’homme le plus rapide sur Terre, on attendrait ainsi un saut d’une quinzaine de mètres – très au-delà de la distance pourtant déjà irréelle de Bob Beamon. C’est que l’homme qui court très vite ne parvient pas à redresser sa trajectoire : l’angle avec lequel il décolle dépend lui-même de la vitesse, au contraire d’un projectile dont on peut régler angle et vitesse indépendamment. Plus il va vite, plus l’impulsion est horizontale et plus la distance atteinte en pâtit. Il s’agit donc non seulement d’être rapide, comme l’étaient Jesse Owens et Carl Lewis, sprinteurs et remarquables sauteurs, mais de contrôler la direction au moment de l’envol. Quand on analyse la trajectoire, on constate d’ailleurs que les athlètes ralentissent un peu avant de sauter et se tassent légèrement, pour mieux amplifier leur angle de départ – qui plafonne néanmoins à environ 20◦, très loin de l’idéal de 45◦. L’angle maximal qu’ils peuvent atteindre dépendant de leur vitesse, le meilleur sera celui qui a la meilleure caractéris- tique angle-vitesse. Beamon, en montant plus haut qu’il ne l’avait jamais fait, a su, ce jour d’octobre 1968, augmenter un peu l’angle du saut, lui permettant d’atteindre ces fameux 8,90 m qui allaient résister 23 ans avant d’être améliorés à leur tour, mais de quelques misérables centimètres seulement… Une fois en l’air, le sauteur continue à travailler pour corriger la rotation initiale engendrée par son essor – sans quoi il risquerait d’arriver tête en avant et pieds en arrière. Pour faire pivoter son corps, le sauteur a un mouvement qui ressemble presque à une nage, où les jambes continuent à battre et les bras à tourner, ce qui contribue à donner au spectateur une impression d’apesanteur – le rêve en effet pour un sauteur en réalité tragiquement rappelé au sol par l’action de la gravité. La rotation des bras entraîne le corps dans un basculement contraire si bien que l’athlète peut toucher le sable les pieds en avant, lui faisant gagner une longueur à peu près égale à la moitié de sa taille, par rapport au cas où il laisserait la nature faire. Élan, envol, mouvements aériens, chute – telle est la parabole du champion.

Conclusion

Un ouvrage collectif nécessite de se rassembler et de s’isoler pour se concentrer à la fois sur l’écriture et sur l’iconographie. La Fondation des Treilles, par les conditions exceptionnellement favorables qu’elle sait créer pour de tels projets, nous semblait le cadre idéal pour ce rassemblement. Et elle l’a été. Nous lui exprimons ici toute notre gratitude.

(1) Skibba R, Cressey D, Van Noorden R. Scholarly Olympics : How the games have shaped research. Nature. 2016 Aug 4 ;536(7614) :18-9. doi : 10.1038/536018a. PMID : 27488783.

 



Citer ce billet
ldiebold (2023, 30 mai). Physique olympique. Les carnets de la Fondation des Treilles. Consulté le 4 mars 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/qv7v

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