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Les matériaux du sport

Introduction

La recherche permanente de la performance conduit le sportif à l'utilisation de nouveaux matériaux composites pour le matériel et les équipements sportifs. Ces matériaux composites sont des assemblages de différents constituants : fibres immergées au sein d'une matrice (colle ou polymère) fabriquées en général artificiellement par synthèse chimique. Souvent le matériau naturel sert de modèle au composite artificiel. 

Ces matériaux doivent être résistants, souples ou rigides et légers. Par exemple, la raquette de Tennis, la planche de Snowboard, la perche de saut et le casque de protection sont tous faits de matériaux composites qui mélangent des fibres de verre ou de carbone avec une colle. 

Pour les matériaux du sport, deux qualités sont recherchées. Il s'agit de la rigidité et de la résistance : 

- La rigidité est la mesure de la déformation sous une charge. Les composites permettent des rigidités jusqu'à 1000 fois supérieures à celles des matériaux naturels. 

- La résistance est la mesure de la traction maximale supportée par le matériau (mesurée en MégaPascals).

Par exemple, les matrices polymères dépassent rarement quelques dizaines de MPa, l'aluminium 450 MPa,  les aciers entre 1000 et 1500 MPa, et les fibres de verre entre 4000 à 5000 MPa.

            

1. La technologie au service du matériel des sportifs.

Pour concevoir le matériel du sport, les ingénieurs doivent étudier les phénomènes physiques qui interviennent lors du fonctionnement du matériel puis le fonctionnement de l'objet final est simulé par ordinateur. Un cahier des charges détermine les caractéristiques recherchées de l'objet. Par exemple le poids, la résistance, la rigidité, le frottement, la tenue aux contraintes thermiques, etc...

Tous les paramètres sont confrontés à la faisablilité de l'objet (par exemple nécessité de soudure ou d'assemblage). Ensuite, l'objet est fabriqué.

Prenons pour exemple la conception des chaussures des footballeurs :

Pour les footballeurs ou les rugbymen, la chaussure doit être sans défaut et donc présenter un maximum de qualités : elles doivent être légères, résistantes, imperméables, présenter une bonne adhérence, avoir un joli design et surtout protéger les pieds des sportifs. Dans cette quête de la chaussure parfaite, des entreprises consacrent, à la conception de nouveaux modèles, des budgets pouvant atteindre un million d’euros. 

Dans la plupart des modèles haut de gamme, c’est la microfibre qui est utilisée. Ce matériau composite est formé de filaments de polyester pris dans une matrice de polyuréthane. Ainsi la chaussure est plus légère que celle en cuir (elle pèse moins de 200 grammes), et aussi imperméable et prend mieux la coloration. 

 

 

La semelle est en général en polyuréthane et comporte des inserts en fibre de carbone pour en augmenter la solidité. Les crampons sont immergés dans la semelle au moment du moulage. Ils seront choisis par le sportif en fonction de l’effet recherché et aussi en fonction du terrain sur lequel ils vont jouer. Les crampons vont garantir une bonne adhérence au sol sans bloquer le pied (ce qui pourrait provoquer des blessures) mais aussi servir d’amortisseurs. 

La chaussure sera ensuite testée en laboratoire par des robots : 

Par exemple on installe la chaussure à tester sur une jambe en aluminium (à Gauche) actionnée par un moteur électrique afin de simuler le tir d’un ballon, à une vitesse donnée. Après des milliers de tirs, on peut analyser la résistance de la chaussure et les interactions Ballon/Chaussure. 

 

 

Un autre robot (à Droite) qui est une sorte de petit tracteur dans lequel deux rouleaux mettent en contact les semelles avec le terrain, teste l’adhérence et l’usure des matériaux employés et donc étudie l’interaction Semelle/Terrain.

En équipant une chaussure d’une puce électronique, le sportif peut mieux connaitre les caractéristiques de sa course (calcul de la vitesse, le nombre de kilomètres parcourus…) Les données ainsi recueillies sont transférées dans un terminal de poche et analysées. Accessoirement, elles sont utilisées dans la conception des jeux virtuels de type FIFA.

 

2. La technologie au service du textile des sportifs.

L'équipement textile pour sportifs a été amélioré pour le confort du sportif dans l'action afin d'accroître sa performance et sa sécurité. Chaque sport a sa tenue adaptée qui tient compte aussi des contraintes climatiques dans lequel le sport est exercé. Pour améliorer ses performances, le sportif va chercher le confort sans lequel il sera limité dans l'effort et la sécurité pour donner le meilleur de lui.

Schéma récapitulatif de l'intérêt des textiles dans le sport

D'un point de vue confort, l'amélioration  de la performance peut être possible grâce à l'élasticité du textile pouvant provoquer un phénomène de compression de l'athlète facilitant l'activation de son flux sanguin. Par exemple, l'élasthanne des chaussettes, des maillots augmente le rendement musculaire du sportif et sa récupération après l'effort. Le vêtement doit servir le sportif et ne pas gêner ses mouvements. L'aspect "glisse" du vêtement minimise les frottements, facilite la pénétration dans le fluide, l'air ou l'eau selon les sports (aérodynamisme ou hydrodynamisme) et permet de grapiller quelques centièmes de secondes.

Prenons pour exemple les combinaisons de natation, elles ont connu de nombreuses évolutions :

- Évolution des matières

De nombreuses matières synthétiques ont été expérimentées. Le polyamide d’abord, qu’on a ensuite couplé avec de plus en plus d’élasthanne, actuellement jusqu’à 36 %. Des fibres fines et légères ont été ensuite utilisées pour réduire le poids total de la combinaison (environ 100g/m2 ). Pour finir, une contention intelligente de la cheville au torse permet de réduire les vibrations musculaires, mais aussi de fournir une nage stable et efficace.

- Évolution de l’assemblage

Les coutures sont réduites car elles créent des hétérogénéités de surface défavorables à une glisse optimale. Elles sont mises à l’intérieur, les soudures ultra-sons ou pièces sont thermocollées. Aujourd’hui, les combinaisons sont taillées dans une seule pièce avec le minimum de coutures résiduelles.

- Évolution de la surface pour l’hydrodynamisme

Pour améliorer l’hydrodynamisme, on a utilisé les traitements de déperlance (résines fluorées...) qui consistent à ce que l’eau glisse sur le tissu sans s’infiltrer à l’intérieur. La combinaison de Laure Manaudou, avec laquelle elle avait gagné de très nombreuses compétitions, était appelée la « peau de requin ». Elle était constituée de tissus micro-nervurés, conçus pour que le contact textile/eau soit le plus faible possible, facilitant ainsi le glissement du nageur.

 

Ensuite, un panneau voire plusieurs de polyuréthane qui épousent les muscles ont été ajoutés à la combinaison. Et enfin pour les dernières combinaisons appelées « Jaked », toute la combinaison était en 100 % polyuréthane. Cependant, elles ont été interdites, parce qu’elles amélioraient la flottabilité du nageur et la réglementation de la Fédération française de natation n’était alors plus respectée. Elle a toute de même contribué à l'amélioration de 105 records du monde et parfois par des nageurs qui n'avaient aucune référence auparavant. 

Voyons l'évolution de ces performances sur une course donnée, le 400 mètres nage libre féminin :

Évolution des performances sur le 400m nage libre féminin.

 

Sur ce graphique, on constate deux périodes d'évolution, avant et après 1965, qui décrivent chacune une courbe exponentielle. On constate une raréfation des records depuis près de 30 ans, avec des gains relatifs faibles : aucun record battu au cours de la décennie précédant Laure Manaudou en 2007 et Federica Pellegrini en 2008 et 2009, toutes deux en combinaisons.

D'un point de vue sécuritaire, le sportif doit être protégé face aux chocs, aux chutes, au feu avec des équipements de sécurité qui varient selon le sport (corde pour l'escalade, bombe pour l'équitation, coudières, genouillères et casques pour le roller...). La confiance du sportif amène celui-ci à la performance.

Le textile devient donc un acteur de la performance.

Schéma récapitulatif des fonctionnalités des textiles

3. La technologie quantifie et valide les performances.

La performance sportive se fait aussi au niveau de la validation de celle-ci. Le sportif doit pouvoir avoir son temps exact en athlétisme ou en natation par exemple mais aussi dans d'autres sports où la rapidité prône. Là, il faut être capable de déterminer avec précision qui est le vainqueur par exemple en escrime. Il doit également y avoir un affichage impeccable pour éviter toutes contestations pour que la performance puisse être validée. C’est pourquoi, des entreprises spécialisées dans le chronométrage créent des instruments de mesures qui garantissent avec précision la réalité de leurs performances.

Prenons pour exemple le chronométrage en athlétisme durant les derniers Jeux Olympiques :

Les améliorations de la technologie du chronométrage permettent d’obtenir les résultats les plus précis possibles à ce jour. La nouvelle caméra photo-finish (Scan’O’Vision) est un “scanner en ligne” qui affiche une image comme une barrette de LED avec une fréquence d’images variant en fonction de la caméra.

Schéma représentatif de l'installation du matériel de chronométrage aux JO de Londres

Le schéma ci-dessus représente l’installation du matériel de chronométrage. L’ensemble du système de gestion des données, y compris la caméra de photographie d’arrivée, est installé dans la salle de contrôle. Au moins deux systèmes de chronométrage sont mis en place sur le site : l’un pour une utilisation principale, l’autre comme sauvegarde. Les techniciens de la salle de contrôle peuvent par une simple commande changer de système, si par malchance l’un venait à faire défaut. Les cellules photoélectriques enregistrent elles aussi un temps qui sert de simple référence puisque le temps officiel est donné par la caméra photo-finish. Il y a deux cellules photoélectriques au bout de la piste, disposées à des hauteurs différentes de manière à assurer leur déclenchement par le torse d’un coureur et non par son bras. Pour un résultat précis, les deux cellules photoélectriques doivent se déclencher pour établir et enregistrer le temps de la course. Il existe des éléments clés pour établir les résultats lors d’une épreuve sur piste. Un faux-départ est déclaré si un athlète commence à courir moins d’un dixième de seconde après le signal de départ. Ceci correspond au temps minimal nécessaire à l’homme pour réagir à un signal. Si la vitesse du vent est supérieure à deux mètres par seconde, le résultat ne peut pas être enregistré en tant que record, peu importe le niveau de compétition. Tout le système de la caméra de photographie d’arrivée est paramétré en fonction de la lumière produite lors du déclenchement du pistolet de départ. Le mécanisme de départ est réglé sur ce bref instant.

Photo Finish enregistrée avec une Scan’O’Vision

4. La technologie au service de l'handisport.

Le sport de compétition est un véritable moteur d’innovation. Depuis 1988, et les Jeux Paralympiques de Séoul un bond en avant très important a été fait, ce qui a permis aux méthodes d’entraînements de gagner en qualité et en quantité. Cela a par ailleurs provoqué une augmentation spectaculaire et un resserrement des performances directement dépendantes de la qualité de ces méthodes et de la qualité du matériel utilisé. Les évolutions de ce matériel spécifique, fauteuil roulant ou prothèse, doivent faire l’objet de recherches et d’expérimentations particulières. Devant ce constat d‘évolution, le concept de matériel spécifique adapté au sport s’est rapidement imposé. Dans un premier temps, des initiatives individuelles et empiriques ont tenté de trouver des solutions. Elles ont eu le mérite de faire avancer les choses et de provoquer des réflexions, des conceptions, des expérimentations, et des réalisations plus scientifiques. 

En effet, lors des derniers jeux Paralympiques de Londres, des équipements futuristes ont permis aux athlètes d'accomplir d'étonnantes performances. Des outils très élaborés ont été conçus conjointement par des sportifs eux-mêmes et des chercheurs. Grâce à des matériaux de pointe et à la haute technologie, les prothèses comme les lames des coureurs amputés sont devenues incroyablement souples et solides. De plus, en travaillant sur l'emboîture (élément de la prothèse en contact avec le moignon), les orthopédistes ont amélioré la tolérance de la prothèse.

 

D'autres équipements comme l'adaptation du fauteuil roulant (système Handifix) ont changé réellement la pratique des sports comme par exemple l'escrime. Il est composé de fibre de carbone et d'aluminium et est à la fois plus rigide et plus léger que les système de fixation utilisés auparavant ce qui améliore la rapidité et la sécurité. Il est donc individuel et personnalisé, et peut-être complètement inadapté à la vie quotidienne.

 

D'autres matériels comme les prothèses à palmes ont permis à un nageur amputé des quatres membres (Philippe Croizon), de relier les cinqs continents. 

 

Les performances remarquables des sportifs sont liées à l'apparition d'équipements futuristes mais surtout au courage et à la volonté de se surpasser et de réaliser des exploits de ces athlètes hors du commun. Comme le dit Philippe Croizon, "rien n'est irréalisable" et aussi  "les champions paralympiques méritent d'être reconnus comme les dieux du stade des JO". Les performances de ces athlètes pourront-elles un jour égaler celles des athlètes valides et voire les battre ? 

Conclusion

La performance sportive est vraiment celle du "couple Homme/Matériel". Le monde du sport est toujours à la pointe de l'utilisation des nouveautés qui vont lui faire grapiller quelques dizaines ou centièmes de secondes afin d'établir le nouveau record. L'élaboration de matériaux capables de favoriser la glisse, de résister aux chocs et aux vibrations, de fibres à hautes performances mécaniques et thermiques ont permis au sportif d'être plus performant dans l'action grâce à un meilleur confort et à protection accrue. 

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