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La physique du sprint : la performance de Bolt

lundi 26 août 2013

Un groupe de chercheurs de Mexico a donné un aperçu de la physique sous-jacente à l’une des meilleures performances athlétiques de tous les temps [1]. Dans un article publié dans l’European Journal of Physics, des chercheurs ont proposé un modèle mathématique qui décrit avec précision l’extraordinaire exploit d’Usain Bolt pendant son record du monde de sprint du 100 mètres lors du Championnat du Monde de Berlin en 2009.

Selon le modèle des chercheurs, le temps de Bolt de 9,58 secondes a été réalisé en atteignant une vitesse finale de 12,2 mètres par seconde et en exerçant une force moyenne de 815,8 newtons. Ce qui était vraiment incroyable à propos de sa performance, était la quantité de puissance et d’énergie déployées par Bolt pour dépasser les effets aérodynamiques causés par la résistance de l’air, qui étaient exacerbés par la grande taille de l’athlète (1,95 mètre).

En prenant en compte l’altitude de la piste à Berlin, la température à l’époque de la course et le physique de Bolt lui-même, les chercheurs ont calculé qu’il avait un coefficient de pénétration dans l’air de 1,2, ce qui est moins aérodynamique qu’un être humain moyen.

Selon leurs calculs, Bolt a développé 81,58 kJ d’énergie pendant les 9,58 secondes de sprint, mais que seulement 7,79% de cette énergie a été utilisée pour réaliser le mouvement ; les 92,21% restants (75,22 kJ) ont été absorbés par la résistance de l’air.

En outre, les chercheurs ont calculé que Bolt avait déployé une puissance maximale de 2619,5 watts après seulement 0,89 seconde de course, quand il était à la moitié de sa vitesse maximale, ce qui démontre l’effet presque instantané de la résistance.

L’un des auteurs de l’étude, Jorge Hernandez, déclare : "notre calcul du coefficient de résistance de l’air met en valeur l’incroyable capacité de Bolt. Il a été capable de battre plusieurs records malgré le fait qu’il ne soit pas aussi aérodynamique qu’un être humain moyen. L’énorme quantité de travail que Bolt a développée en 2009, et la quantité qui a été absorbée par la résistance, est véritablement extraordinaire".

"Il est si difficile de battre des records de nos jours, même d’un centième de seconde, car les coureurs doivent agir si puissamment contre une formidable force qui augmente massivement avec chaque infime ajout de vitesse qu’ils sont capables de développer.

"Ceci est dû à la ’barrière physique’ imposée par les conditions sur Terre. Bien entendu, si Bolt devait courir sur une planète avec une atmosphère moins dense, il pourrait réaliser des records dans des proportions fantastiques" (et il ne serait pas le seul). Les chercheurs de préciser que leurs calculs peuvent aussi prendre en compte le vent dans le dos, qui peut varier selon les courses et réduire les temps.

Pour démontrer l’application des équations, les chercheurs de l’Université de Mexico ont comparé le temps de Bolt à Berlin avec son précédent record du monde - 9,69 secondes - aux Jeux Olympiques de Pékin un an plus tôt.

À Pékin, Bolt courait sans vent dans le dos, mais à Berlin il y avait un vent arrière à 0,9 mètre par seconde. Selon les équations des chercheurs, Bolt aurait réalisé un temps moins bon à Berlin si il n’y avait pas eu de vent arrière, mais il aurait tout de même battu son précédent record de Pékin, ils prédisent qu’il aurait fait un temps de 9,68 secondes.

Les calculs de leur étude ont été testés pour leur précision en s’accordant avec des données expérimentales dans la vraie vie. Ces données provenaient du radar laser de vitesse de l’International Association of Athletics Federation’s (IAAF), qui a enregistré la position et la vitesse de Bolt tous les dixièmes de seconde pendant la course de 2009 à Berlin.

"Les enregistrements précis de la position et de la vitesse de Bolt pendant la course nous ont donné une splendide opportunité d’étudier les effets de la résistance de l’air sur un sprinter. Si nous pouvions obtenir plus de données dans le futur, il serait intéressant de voir ce qui distingue un athlète d’un autre" conclut Hernandez.

Références :

[1] Jorge Hernandez et al. On the performance of Usain Bolt in the 100 m sprint. Eur. J. Phys., 2013.


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