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