Étudier la relation vitesse-cadence améliore la performance des nageurs

Mon­ter sur le podi­um peut être une ques­tion de cen­tièmes de sec­on­des. Pour max­imiser les chances de rap­porter des médailles, tous les fac­teurs doivent être opti­misés. Les recherch­es de Rémi Carmigni­ani et de son équipe por­tent sur les sports nau­tiques dits « à rames » : nata­tion, avi­ron, canoë et kayak. Dans ces dis­ci­plines, les ath­lètes utilisent une rame pour se déplac­er à l’interface eau/air – en nata­tion, cette rame cor­re­spond à la main et l’avant-bras.

Cet arti­cle a été pub­lié en exclu­siv­ité dans notre mag­a­zine Le 3,14 sur la sci­ence et le sport.
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Pour faire vari­er leur vitesse moyenne, les nageurs jouent prin­ci­pale­ment sur la vitesse d’exécution d’un mou­ve­ment péri­odique avec leurs bras – appelé cadence. Plus la cadence est élevée, plus la vitesse moyenne est élevée. Pour étudi­er cette rela­tion en nata­tion, un test est effec­tué dans un bassin : un 10 × 25 m pro­gres­sif avec un départ toutes les trois min­utes. La cadence et la vitesse sont mesurées à chaque pas­sage. En nata­tion, la vitesse évolue comme la racine de la cadence à des vitesses élevées¹.

L’objectif : amélior­er la com­préhen­sion² de l’évolution de la vitesse en fonc­tion de la cadence et la met­tre en rela­tion avec la puis­sance délivrée au niveau des bras pour avancer. Pour l’instant, des mesures macro­scopiques (c’est-à-dire la vitesse moyenne, la cadence moyenne et la force totale en nage dite attachée) ont été effec­tuées, mais elles seront suiv­ies de mesures des forces dynamiques au niveau des mains à l’aide de jauges de con­trainte et de la ciné­tique du mou­ve­ment avec des mesures iner­tielles. Un mod­èle général per­me­t­tant d’ex­pli­quer les dif­férents régimes observés sera ensuite pro­posé. Ce pro­jet est soutenu par la Fon­da­tion EDF. 

Pen­dant les phas­es dites actives, le corps du nageur est soumis à des forces de résis­tance sup­plé­men­taires qui aug­mentent générale­ment la résis­tance dans l’eau³. Par exem­ple, lors d’une ondu­la­tion, en rai­son de la défor­ma­tion de son corps, le nageur doit lut­ter – en plus de la résis­tance pas­sive de son corps non défor­mé – con­tre une force sup­plé­men­taire qui est égale­ment qua­dra­tique avec la vitesse et dépend de la forme de l’ondulation. En nata­tion, con­traire­ment à d’autres sports « à rames », le nageur est à la fois la coque et la rame.

Une clas­si­fi­ca­tion et une quan­tifi­ca­tion des dif­férentes formes de résis­tances actives pour les sports à rames sont en cours.

Ce pro­jet a débuté en 2018 dans le cadre de l’ANR NeP­TUNE (ANR-19-STHP-0004). Les par­tic­u­lar­ités de la nata­tion sont l’absence de matériel (pas de coque de bateau ou de rame, juste le corps de l’athlète) et la présence de l’interface eau/air ren­dant com­plexe l’utilisation d’équipements. Cet équipement peut com­pren­dre des cen­trales iner­tielles (petits boîtiers étanch­es de la taille d’une pièce de 2 € con­tenant des gyro­scopes et accéléromètres qui sont fixés directe­ment sur le nageur) et des cap­teurs de forces. Ils peu­vent per­turber la course du nageur et même avoir des con­séquences sur leurs sensations… 

L’un des prin­ci­paux sujets abor­dés est l’étude du départ du nageur, et l’optimisation de sa trajectoire.

Pour sec­on­der ces instru­ments, le bassin de l’INSEP a été équipé de vingt caméras (qui fil­ment à une fréquence de 50 Hz). Dix sont placées en sur­face tous les cinq mètres et dix sous l’eau. Les don­nées cap­tées par ces caméras sont util­isées par des pro­grammes d’ap­pren­tis­sage automa­tique pour suiv­re les nageurs. Les mesures de force per­me­t­tent d’expliquer les obser­va­tions par la physique et de trou­ver des paramètres per­me­t­tant de car­ac­téris­er la posi­tion du nageur ain­si que sa vitesse et son accélération.

L’un des prin­ci­paux sujets abor­dés est l’étude du départ du nageur, et l’optimisation de sa tra­jec­toire. Le départ peut être assez com­pliqué à opti­miser : le nageur part hors de l’eau sur le plot, puis perce la sur­face à une grande vitesse par rap­port à sa vitesse de nage, s’enfonce sous l’eau d’environ un mètre avant de refaire sur­face, et le tout sur un temps car­ac­téris­tique de cinq sec­on­des et une dis­tance hor­i­zon­tale de 15 mètres. 

Pour la pre­mière par­tie, il faut essay­er de com­pren­dre le meilleur angle de décol­lage que le nageur doit avoir en sor­tie du plot. La tra­jec­toire aéri­enne qui suit jusqu’à ce que le nageur entre dans l’eau est moins intéres­sante du point de vue de la physique, car elle peut être décrite par les équa­tions clas­siques de la chute libre (la fric­tion de l’air est nég­lige­able). Ce qui est impor­tant dans cette phase est l’orientation que le nageur va réus­sir à don­ner à son corps pour entr­er dans l’eau en tour­nant autour de son cen­tre de masse. 

Vient ensuite l’entrée dans l’eau : quel est le meilleur angle et quelle doit être l’orientation du corps ? Une fois que le nageur est sous l’eau, il s’éloigne de la sur­face et nous revenons à une sit­u­a­tion plus sim­ple physique­ment par­lant : les effets de l’interface eau/air devi­en­nent nég­lige­ables. La ques­tion se pose alors de savoir quel est le meilleur moment pour com­mencer à se propulser. 

Sou­venez-vous : en se propul­sant, le nageur génère des résis­tances sup­plé­men­taires ! Les vitesses dans cette phase étant élevées (près de 4 m/s) ; il ne faut pas déclencher ses ondu­la­tions trop tôt au risque de se pénalis­er d’une plus grosse résis­tance et finale­ment de frein­er plus fort en cher­chant pour­tant à accélér­er. Mais atten­tion, atten­dre trop longtemps peut égale­ment être pénal­isant : on risque de s’enfoncer davan­tage et de devoir par­courir une plus grande dis­tance pour remon­ter à la surface. 

En général, en crawl, les nageurs déclenchent des ondu­la­tions lorsqu’ils atteignent le point le plus bas à l’apex de leur tra­jec­toire. Ils ont ain­si une vitesse ver­ti­cale nulle. La sit­u­a­tion est dif­férente en dos crawlé : ils com­men­cent dès la phase de descente, car ils par­tent avec des vitesses beau­coup plus faibles.

L’objectif final de ce pro­jet, le tra­vail de thèse de Char­lie Pré­tot, qui est mem­bre de l’équipe de Rémi Carmigni­ani, est d’aider les nageurs à opti­miser leur tra­jec­toire sur les 15 pre­miers mètres (la longueur sur laque­lle les nageurs sont autorisés à être sous l’eau en com­péti­tion) au départ et aux virages. Faut-il sor­tir un peu avant les 15 mètres ? Maxime Grous­set, vice-cham­pi­on du monde du 100 m nage libre aux derniers Cham­pi­onnats du Monde, qui est suivi depuis env­i­ron un an dans le cadre de ce pro­jet, a mon­tré que son meilleur départ se pro­duit lorsqu’il sort de l’eau entre 11 à 12 m. Ce pro­jet vise à l’aider égale­ment à amélior­er la tra­jec­toire de ses virages. Depuis le début du pro­jet, plus de 300 départs et virages ont été analysés sur une ving­taine de nageurs. 

Depuis le début du pro­jet, plus de 300 départs et virages ont été analysés sur une ving­taine de nageurs.

Pour les obser­va­tions vidéo, le nageur est suivi à l’aide de plusieurs mar­queurs sur le squelette : tête, mains, épaules, ster­num, coudes, poignets, genoux et chevilles. Un réseau de neu­rones a été élaboré pour tra­quer automa­tique­ment les départs, les virages et la nage sur les 15 pre­miers mètres.

Dans la per­spec­tive des épreuves de nata­tion eau libre qui se dérouleront dans la Seine en 2024, plusieurs pro­jets se focalisent sur cette dis­ci­pline. Une analyse de l’interaction des nageurs dans un canal de 80 m de long à Cha­tou est en cours. L’objectif de ce pro­jet est de com­pren­dre, sur des mod­èles réduits, com­ment, en fonc­tion de la posi­tion des nageurs, les sil­lages qu’ils créent influ­en­cent les autres nageurs à prox­im­ité. Comme en cyclisme, dans ce genre de cours­es, les nageurs peu­vent prof­iter de l’aspiration des con­cur­rents pour s’économiser ou même per­turber un autre nageur. Ce tra­vail est réal­isé par Bap­tiste Bolon, ingénieur de recherche dans l’équipe de Rémi Carmigniani.

Un autre pro­jet vise égale­ment à fournir des infor­ma­tions aux nageurs de l’Équipe de France d’eau libre sur les con­di­tions de cours­es atten­dues : vitesse de l’écoulement dans la Seine et tem­péra­ture de l’eau. Pour la vitesse, c’est la pre­mière fois qu’une course Olympique se déroule dans un fleuve depuis la réin­tro­duc­tion des cours­es en eau libre à Bei­jing en 2008. Pour la tem­péra­ture, cela a un effet sur l’équipement (com­bi­nai­son en néo­prène ou en tis­su) et sur la péri­ode d’affûtage deux semaines avant la course. Ce tra­vail est réal­isé avec Mar­i­on Cocusse, élève de l’École des Ponts et est soutenu par la Fon­da­tion EDF.

Isabelle Dumé