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Comment une combinaison de triathlon aide à nager plus vite ? Introduction I – Une amélioration de la flottaison II – Un meilleur équilibre dans leau Conclusion.

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1 Comment une combinaison de triathlon aide à nager plus vite ? Introduction I – Une amélioration de la flottaison II – Un meilleur équilibre dans leau Conclusion

2 Introduction Une combinaison de natation permet-elle vraiment daller plus vite ? - Expérience : Pour voir si la combinaison a un effet sur la glisse du nageur nous avons fait faire une série de coulées ventrales dans une piscine de 8,3 mètres de longueur : - Etude externe : Combinaison en néoprène et performance en natation Par Jc Chatard, X Senegas, M Selles, P Dreanot Et A Geyssant (Laboratoire de Physiologie - GIP Exercice, Faculté de Médecine de Saint-Etienne) Une étude faite sur 16 personnes a conclu que « le bénéfice du port de la combinaison de triathlon est très différent selon les groupes de nageurs » mais « chez les triathlètes, la performance a été améliorée de 7% » Comment expliquer de telles performances ? Nous constatons une amélioration de 13% de la distance parcourue et de 24% pour la vitesse

3 La flottaison Présentation des forces résistives Lensemble des forces sopposant à lavancement se résume en une formule Théorie Cx : Coefficient de forme S : Maître couple V : Vitesse du nageur ρ : Masse volumique du fluide

4 La flottaison eau air Partie émergée Partie immergée Un corps humain nageant dans leau peut se diviser en deux parties : partie émergée et partie immergée On a ρ air = 1.3*10^-3 kg/L et ρ eau = 1.0 kg/L Donc ρ air << ρ eau De plusS émm < S imm Donc F emm >> F imm On peut donc ne considérer que la partie immergée du corps Or théoriquement la combinaison de triathlon devrait aider à la flottaison donc réduire les forces de résistances à lavancement

5 La flottaison Théorie Effets de la combinaison sur la flottaison La flottabilité du nageur Dépend de la somme {poussée dArchimède π} + {pesanteur P} Dépend donc du signe de mg - µ eau* V*g soit de m – Vµ eau => Masse volumique : µ nageur = m/V Le nageur flotte si m – Vµ eau µ nageur d nageur < 1 P π Un solide dans leau est soumis à son poids et à la poussée dArchimède Or une combinaison devrait augmenter le volume du nageur sans augmenter significativement son poids

6 La flottaison En pratique Différents tests de flottaison Test visuel Sans combinaison Leau arrive au bas du nez (si tête droite) Avec combinaison Leau arrive aux épaules Test du poids Poids pour faire couler le nageur Sans combinaison 3.5 Kg Avec combinaison 7.0 Kg

7 La flottaison En pratique Diminution de la densité Calculs de volumes Volume du corps Hauteur deau pour sac plein : 96cm Hauteur de leau après le passage dun nageur sans combinaison : 66cm Hauteur de leau après le passage dun nageur avec combinaison : 59cm Il reste à calculer le volume correspondant à 1cm deau dans le sac

8 La flottaison Après des mesures sur le sac et des calculs dincertitude on trouve comme approximation raisonnable 1cm 2.0±0.1 L On peut maintenant appliquer ces données aux mesures effectuées. Volume sans combinaison : 60 ± 5 L Volume avec combinaison : 74 ± 6 L Or le port de la combinaison a fait passer le nageur dune masse de 74.0 Kg à 75.5 Kg (à 0.1Kg près) On a donc ρ sans_combi = 1.23 ± 0.11 Kg/Lρ avec_combi = 1.02 ± 0.08 Kg/L En remplissant avec un récipient gradué ½ Litre on a calculé quil fallait 10 Litres pour remplir 5cm La combinaison réduit bien la masse volumique du nageur

9 Léquilibre Théorie Intérêt dun équilibre horizontal dans la nage Léquilibre du nageur aura un effet sur le maître couple S dans la formule de la force de résistance Vue de profil Vue de face

10 Léquilibre Théorie Couple de redressement ezez GC exex eyey GC = a*e x Bilan des forces sur un nageur P π La position horizontale du corps dépend entre autre de la position de G et C En effet si on considère que lon a les forces qui se compensent (équilibre à la surface de leau) µ eau *V*g = m*g Notons MG le moment résultant des forces sur le nageur en G MG = GG^m*g*ez + GP^ (-µ eau *V*g*ez) MG = a*m*g*ey

11 Léquilibre En pratique Calcul du centre de gravité Centre de gravité environ 5 cm sous le nombril sans combinaison Il se situe 4 cm sous le nombril avec combinaison Calcul du centre volumique Le centre volumique se situe au niveau du nombril sans combinaison 4 cm au-dessus du nombril avec combinaison

12 Léquilibre En pratique Centre de gravité Centre volumique Sans combinaison Avec combinaison Problème La combinaison naugmente pas le couple de redressement, ce que lon constate expérimentalement. Il faut calculer le centre volumique de la partie Immergée du corps

13 Léquilibre Modèle Rectifions nos calculs de centres volumiques Considérons la section du corps elliptique et constante au niveau du nombril. Sans combinaison X = 3.5 L Il faut baisser le centre volumique de 4.4 cm environ Il est maintenant 4.4 cm sous le nombril Mesures Section du corps 2.8 dm 1.8 dm Section : S = 4.0 dm^2 Or, lorsque lon a X litres émergés il faut baisser le centre volumique tel que X/2 litres passent au-dessus du point. Il faut donc baisser le centre de h tel que X/2 = S*h donc h = X/(2S) Avec combinaison X = 7.0 L Il faut baisser le centre volumique de 8.8 cm environ Il est maintenant 4.8 cm sous le nombril

14 Léquilibre Conclusion Une fois dans leau, les centres volumiques sont très proches Nos calculs ont mis en évidence que le nageur avait son centre volumique sous son centre de gravité Il ny a donc plus de couple de redressement On a retrouvé ce que lon constate dans la réalité Mais ces phénomènes dépendent aussi beaucoup de la morphologie du nageur Centre de gravité Centre volumique Sans combinaison Avec combinaison

15 Conclusion Les combinaisons de triathlon se démarquent des combinaisons de natation avec leur texture en néoprène améliorant la flottaison. Elle permet dune part de réduire les forces de résistances à lavancement en portant une partie du corps hors de leau. Dautre part, elle facilite léquilibre horizontal du nageur lui donnant ainsi une meilleur position dans leau, réduisant le maître couple et diminuant les efforts quun nageur doit fournir pour atteindre cette position.

16 Annexe : Première expérience Temps pour parcourir 4m (en secondes) CombinaisonCombinaison pleine d'eauSans combinaison 2,132,552,87 2,122,442,63 2,212,623,05 2,252,342,82 2,373,09 2,552,85 Moyenne : 2,18Moyenne : 2,482,78 Moyenne avec combinaison : 2,36Moyenne sans combinaison : 2,87 Distance pour une coulée (en mètres) Avec combinaisonSans Combinaison 8,3+7,27,1 7,627,1 7,2 Moyenne avec combinaison : 8,3+Moyenne sans combinaison : 7,34 Nombre significatif de mesures Effort technique, non physique, pas dépuisement

17 Annexe : Incertitudes des mesures de volumes Supposons le sac cylindrique Demi périmètre du sac = 8.14 dm Donc le rayon du sac = 2.59 dm Donc Section du sac = 21.1 dm² Donc si on remplit 5cm = 0.5dm On augmente le volume de 10.6 L On peut donc considérer que la mesure 5cm correspond a 10L avec une erreur inférieure à 0.5L Donc 1cm 2.0±0.1 L On pose C = 20±1 dm² et on aura V = h*C doncdV = C*dh + h*dC Avec combinaison h = 3.0±0.1 dm dV = 3.0*1 + 20*0.1 = 5 L On notera une incertitude de 5 L V : Volume h : Différence de hauteur de leau Sans combinaison h = 3.7±0.1 dm dV = 3.7*1 + 20*0.1 = 5.7 L On notera une incertitude de 6 L

18 Annexe : Incertitudes des mesures de masses volumiques On notera V le volume du corps et m sa masse On a ρ = m/V Donc dρ = dm/V + (m*dV)/V² Sans combinaison m = 74.0±0.1 kg V = 60±5 L ρ = 74.0/60 = 1.23 dρ = 0.1/ *5/(60²) dρ = 0.11 kg/L Donc ρ = 1.23±0.11 kg/L Avec combinaison m = 75.5±0.1 kg V = 74±6 L ρ = 75.5/74 = 1.02 dρ = 0.1/ *6/(74²) dρ = 0.08 kg/L Donc ρ = 1.02±0.08 kg/L

19 Définition: Le néoprène est le nom commercial dune famille de caoutchouc à base de polychloroprène. Ce caoutchouc de synthèse est issu de la polymérisation de chloroprène selon léquation : nCH2=CH-CCl=CH2 => (CH2-CCl=CH-CH2) n. Le corps se refroidit dans leau environ 25 fois plus vite que dans lair. Leau est meilleure conductrice que lair (Conductivité thermique de l'eau : 0,556 W/m/K, conductivité thermique de l'air : 0,0262 W/m/K, Rapport : 0,556/0,0262 = 21). Un muscle refroidi ne travaille pas correctement. Action de la combinaison: Un isolant thermique: matériau empêchant la chaleur ou le froid de s'échapper d'une enceinte close, caractérisé par sa résistance thermique. Il permet d'éviter les déperditions. Calculs des pertes thermiques: L'essentiel des pertes thermiques se situent à l'interface corps/milieu extérieur. Dans le cas d'un nageur, différentes parois isolantes limitent les transferts de chaleur: PerteCut = (37 - Te)/( R1+ R2 + R3 +...) Nageur de corpulence moyenne (R1=1/30),vêtu d'un néoprène de 7 mm (R2=1/20) dans de l'eau calme (R3=1/70) à 10°C, PerteCut = 276 W. Le même vêtu en caoutchouc: PerteCut = 529 W. Annexe : propriétés thermiques du néoprène Couche limite dair1/8 Couche limite eau calme1/70 Couche limite eau agitée1/300 Vêtement en laine trempé1/100 Combinaison en néoprène (7 mm)1/20 Combinaison en néoprène (5mm)1/30 Combinaison caoutchouc1/300 Résistances thermiques (en °C/Watt)

20 Annexe : Eléments hydrophobes Définition: Pas de liaison hydrogène avec H2O. Peu polaire ou apolaire. Comment déterminer l'hydrophobie d'un composant ? Lhydrophobie des surfaces est déterminée par langle de contact. Si alpha > 90° => composant hydrophobe. Exemple: feuilles de lotus alpha = 170° => surface de la goutte en contact: 0,6% Donc des propriétés auto-nettoyantes (voir image 1).

21 Annexe : les différentes résistances à lavancement Résultante des forces de résistance : Cx : coefficient de forme S : maître couple v : vitesse du nageur ρ : masse volumique du fluide Maître couple

22 Annexe : les différentes résistances à lavancement Trainée de forme Causes : choc entre le corps et l'eau, résistance tourbillonnaire Dépend de la vitesse, du maître couple et du coefficient de forme (manière dont le corps est profilé et pénètre dans l'eau)

23 Annexe : les différentes résistances à lavancement Résistance de vague Trainée de forme Doù lintérêt dune position horizontale Elle est due à la vague créée par le nageur soit, à linterface entre leau et lair. Pour sen débarrasser on peut donc nager sous leau Elle dépend de la vitesse au cube, des mouvements du nageur et des vagues Résistance de frottements Apparaît à cause des frottement dus aux contacts entre leau et la peau (ou la combinaison) Elle dépend de la surface de frottement, de la vitesse et de la rugosité de la surface

24 Annexe : propulsion La propulsion : le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant ; ici leau. En natation se propulser revient à créer des points dappuis sur leau avec les différents membres du corps On peut avoir plusieurs approches de la propulsion dans leau : - Principe de laction et de la réaction (3 ème loi de newton) « A chaque action soppose une réaction inverse équivalente » Fmembre/eau = - Feau/membre Il faut alors exercer la plus grande force possible dans une direction opposée au sens de déplacement (vers larrière) - Principe de Bernoulli En supposant lécoulement laminaire on a le même modèle quune aile davion. On a, pour un fluide parfait incompressible dans un écoulement irrotationnel à la même altitude : V²/2 + p/ρ = constante Vitesse plus élevée au-dessus quen-dessous Donc la pression est plus faible au-dessus Donc présence dune force de portance (de bas en haut)

25 Annexe Le triathlon Sport qui consiste (en général) à enchainer dans lordre : - Natation (en lac, mer, étang, …) - Vélo (de route) - Course à pied Nous nous intéressons à la partie natation Les combinaisons étudiées Nous étudions les combinaisons en néoprène utilisées en triathlon pour nager en lac. Points sur le règlement de la FFTRI - Une « combinaison isothermique » est autorisée - Son épaisseur ne doit pas excéder 5mm - Elle est obligatoire si la température de leau est inférieure à 16°C - Elle est interdite si la température de leau est supérieure à 24°C Les combinaisons disponibles sur le marché sont dune épaisseur de 5mm avec, parfois certaines zones dune épaisseur de 3mm (coût). Elles diffèrent donc par leur structure et la qualité du néoprène.


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