Principes généraux de la
motricité en milieu aquatique
La densité de
l’eau est égale à 816 fois celle de l’air.
Un nageur débutant
a un coup énergétique plus important de 50% par rapport à un confirmé.
La biomécanique
est la science qui étudie les forces internes et externes agissant sur le corps
humain et les effets produits par celle-ci.
Approche
biomécanique surtout en ce qui concerne les mouvements dans l’eau qui semblent
être les facteurs les plus importants de performance en natation.
L’hydrostatique
trait de tout ce qui se rapporte à l’équilibre d’un corps dans un fluide.
1) masse, poids, densité
La masse m d’un
corps peut être définie comme étant la quantité de matière contenue dans ce
corps ( en kg).
Le poids P d’un
corps est le résultat de l’action de la pesanteur sur la masse d’un corps.
P=m.g (P en Newton N ou kgp 1 kgp=1 N)
La notion de
densité renvoie à la quantité de matière par unité de volume.
La densité d’un
corps solide ou liquide est le rapport de la masse du corps ou du liquide à la
masse d’un égal volume d’eau à 4°C (en unités de masse volumique).
2) Le
centre de gravité
Le centre
de gravité G est le point d’application de la résultante des actions de la pesanteur sur tous les points d’un
corps.
(en moyenne chez
l’homme se situe au niveau de la 5e lombaire)
A-La flottaison
La flottaison correspond à une forme
d’équilibre statique dans le milieu aquatique qui suppose une partie corporelle
immergée alors que l’autre partie est émergée.
(au niveau du corps humain la flottaison est verticale.)
La flottabilité est l’état d’équilibre
résultant de l’application des forces de pesanteur au centre de gravité et de
la poussée d’Archimède au centre géométrique du corps immergé.(dans le corps
humain, les deux forces ne s’exercent pas au même endroit)
La poussée d’Archimède : Tout
corps immergé dans un liquide subit de la part de ce liquide une poussée
opposée au poids de volume de liquide déplacé.
La flottabilité du nageur est fonction de la densité relative du milieu
et du sujet (on flotte mieux dans une eau salée que douce ; densité de
l’homme=0.98 , la femme=0.97 donc les femmes flottent mieux car elles ont une
densité moins élevée)
Test de flottaison : système de repérage par
point anatomique du niveau de flottaison en inspiration forcée.
Stabilisation du corps en position d’équilibre statique vertical afin
de repérer de l’extérieur le niveau de flottaison.
-flottaison médiocre : l’eau se situe jusqu’au front
-flottaison moyenne : l’eau se situe jusqu’aux yeux
-flottaison excellente : l’eau se situe jusqu’au menton
Plus on a une densité osseuse et musculaire importante moins la
flottaison sera bonne.
B-L’équilibre aquatique
1) Equilibre de nage :
flottaison horizontale
« L’équilibre aquatique correspond à l’état de repos d’un sujet
soumis aux forces de pesanteur équilibrées par celles de la poussée
d’Archimède. »
Chez l’homme cet état d ‘équilibre est vertical pas horizontal donc
cela pose problème, et il est différent selon les individus.
L’équilibre de nage impose l’horizontalité du corps.
La flottaison correspond pour l’homme à un équilibre vertical statique.
L’équilibre aquatique correspond à une position horizontale statique.
L’équilibration aquatique correspond à un état horizontal dynamique.
2) Le couple de redressement
Il est différent selon les individus : on calcule le temps mis au
corps pour passer d’un équilibre aquatique à un état de flottaison(d’horizontal
à vertical).
Plus ce couple est important plus l’individu flotte.
3) L’équilibre du nageur
Il dépend du couple de redressement. Plus le couple est rapide plus la
flottaison est mauvaise.
L’équilibre du nageur et couple sont liés.
Plus on sera haut sur l’eau plus on sera rapide, l’équilibre idéal du
nageur est le plus haut possible sur
l’eau.
1) Relation Equilibration-respiration
La notion d’équilibration est une notion dynamique.
Selon Gribenski (1980) « C’est la fonction grâce à laquelle
l’homme maintient à tout moment son équilibre. »
Cette notion dynamique peut donc avoir comme but la récupération d’un
équilibre détruit. Il s’agit donc d’une fonction de rééquilibration active. Le
milieu aquatique étant un milieu spécifique sans appuis fixes, et du fait du
caractère déformable du corps, la fonction d’équilibration devient
essentielle.( donc quand on nage, on est sans cesse en train de récupérer des
déséquilibres.)
Un des premiers déséquilibres statiques est lié à la prise d’inspiration.
La durée de l’équilibre ventral est fonction des capacités respiratoires du
sujet. Lorsque la tête est immergée, elle interdit provisoirement
l’inspiration. La phase inspiratoire entraînant le relevé de la tête détruit
l’alignement du corps et son horizontalité.
2) Relation Equilibration et prise
d’information
La prise d’information est liée aussi à l’inspiration. Il ne faut pas
relever la tête pour nager, il va falloir avoir un alignement très à
l’horizontale pour aller vite, chercher l’alignement. Cette prise d’information
est source de déséquilibre.
3) Equilibration active
Le déplacement et la vitesse du corps dans l’eau permettent une
équilibration de celui-ci dans le milieu aquatique. Cet équilibre est obtenu
grâce à une part active de l’eau.
Tous les mouvements réalisés dans l’eau permettent de stabiliser plus
ou moins l’horizontale, on est plus efficace lorsque l’on est haut dans
l’eau : des mouvements aquatiques pas aériens !
4) Equilibration et résistances à
l’avancement
Dans le cadre des actions de nage, les mécanismes de rééquilibration
sont étroitement liés aux réductions de résistances à l’avancement. Un corps
équilibré utilisant des appuis dans l’eau se déplace dans une direction opposée
à celle de ses appuis. (si on pousse
vers l’arrière on va vers l’avant)
Il y a une relation importante entre équilibre et déplacement, pour
nager à la même vitesse l’individu disposant du meilleur équilibre dépensera
moins d’énergie. Il sera en mesure de nager plus longtemps.
De plus, un individu qui possède la même propulsion nagera plus vite
s’il a un meilleur équilibre.
Pour augmenter sa vitesse le nageur a le choix entre diminuer sa
résistance à l’avancement, augmenter la propulsion ou utiliser la combinaison
de ces deux facteurs. (la troisième est la plus efficace)
L’avancée du corps du nageur est le résultat de plusieurs forces.
1ère force : la propulsion
(action motrice et appuis aquatiques)
2ème
force : sa résistance à l’avancement, sa
réaction frénatrice.
3ème
force : la portance
On parle donc de résistances actives et de résistances passives.
A-les résistances passives (ce sont les
résistances frénatrices)
Elles sont mesurées par remorquage immobile du nageur. Elles sont liées
à l’aptitude du nageur à glisser dans l’eau.
Elles sont de trois formes : -la traînée de forme
-la traînée de
frottements
-la traînée de vague
Moins on a un niveau élevé de résistances passives plus on a un niveau
de natation élevé.
1) La traînée de forme
Ce sont les résistances frontales, de queue, de remous, c’est en fait
ce qui correspond à la forme du nageur dans son déplacement. Elle correspond
aux résistances à l’avancement liées aux mouvements verticaux ou latéraux
excessifs.
Maglischo (1987) « Cette résistance accrue est appelée
traînée de forme car elle dépend de la forme du corps du nageur au cours de son
déplacement dans l’eau. »
Le maître couple est la projection
verticale de la surface immergée. Pour un nageur défini celui-ci pourra être
diminué pour réduire les résistances à l’avancement. Pour se faire le nageur
doit adopter la position la plus plane possible.
Généralement les battements en dos et en crawl favorisent la diminution
du maître couple.
2) La traînée de vague
Ce sont les résistances liées aux mouvements des segments propulsifs
(mains, avants bras, bras, jambes, pieds.)
Lorsqu’un corps se déplace dans un fluide, il crée une zone de
turbulences provoquant des vagues dont la plus importante est la vague frontale
à l’avant du corps et la vague de queue à l’arrière.
Ces deux vagues sont des zones frénatrices.
Si on est haut dans l’eau, les vagues de frontale et de queue sont
faibles.
Elle dépend entre-autre de la vitesse du nageur et de la force de son
corps. Elle est aussi étroitement liée aux mouvements réalisés à la proximité
de la surface de l’eau.
Maglischo(1987) : « Cette traînée a une amplitude
proportionnelle à la vitesse du nageur. L’augmentation de la résistance sera
proportionnelle au cube de la vitesse. »
R=V^3
3) La traînée de frottement
Elle est beaucoup plus négligeable.
C’est une résistance qui dépend de la nature de l’écoulement et de
l’état de surface du corps du nageur (régularité et viscosité de la peau).
Cette résistance est directement liée à la notion de couche limite.
La couche limite, selon Lachnitt en 1978, définit la valeur de la
résistance ou traînée de frottement du corps.
4) Synthèse sur les résistances à
l’avancement
Les résistances passives dépendent surtout de l’objet.
Meilleure forme du nageur : épaules larges et petit bassin, c’est
à dire la forme de la goutte d’eau.
Plus le corps est petit plus il y a de résistances. Si le corps
s’allonge, les résistances diminuent.
R=KSV^2
K=coefficient de forme
S=maitre-couple
V=vitesse
Niklas(1994) : « A vitesse identique, les résistances
passives se réduisent au fur et à mesure de l’allongement de l’objet. »
B-les
résistances actives
Ce sont les résistances propulsives. Les actions motrices qui font
avancer le nageur engendrent des déformations qui augmentent la résistance.
Le nageur doit rechercher la réduction des résistances négatives,
celles qui entrent en opposition à son déplacement(frénatrices), à l’inverse il
n’a de cesse de rechercher l’augmentation des résistances intervenant dans le
sens de son déplacement.
C’est en créant et en maintenant ces résistances propulsives que le
nageur va se déplacer en milieu aquatique.
Hay(1980), il parle de traînée propulsive dans laquelle la force de
traînée exercée par exemple contre le bras du nageur en réaction à ses efforts
pour le déplacer correctement vers l’arrière est responsable de sa propulsion
dans l’eau.
Il y a deux lois en théorie de l’avancement :
-la 3ème loi
de Newton, action-réaction
-le théorème de Bernoulli
sur la portance
La 3ème loi de Newton : Action-
réaction
On pensait qu’en poussant vers l’arrière on avançait vers l’avant.
Action : pousser l’eau
Réaction : avancement
Théorème de Bernoulli : « La
pression d’un liquide est liée à l’accroissement de sa vitesse de
déplacement. » C’est le phénomène de l’aile d’avion. (haute pression sous
l’aile, basse pression sur l’aile.)
La main est un point d’appui qui va permettre de se déplacer. Le corps
se déplace par rapport à la main( différent de Newton)
Counsilman(1971) : « le trajet moteur des
nageurs ne s’effectue pas de façon rectiligne et quels que soient les plans de
l’espace. Le mouvement se rapporte plus à un e hélice( une godille de bateau)
plutôt qu’au modèle de la rame(action-réaction) en accord avec la loi de
Newton. »
Les mains se déplacent surtout verticalement et latéralement(très peu
de mouvement à l’horizontale). Elles finissent si on prend un repère fixe, dans
le cadre d’un trajet propulsif près du point où elles ont commencé.
Si les deux théories s’opposent, la loi de Newton et le théorème de
Bernoulli, elles contribuent probablement toutes les deux à la propulsion en
natation.
Il est important et par conséquent plus propulsif de déplacer une
grande quantité d’eau sur une courte distance qu’une petite quantité d’eau sur
une grande distance.
1) Modèle de la roue à aubes
-principe théorique : loi de
Newton, action-réaction
-caractéristique de nage :
trajet propulsif bras tendus dans un plan vertical
-les avantages et les inconvénients :
A :avancement
dû à la résultante des forces mises en jeu
I :modèle
peu efficace car la perte d’énergie est trop importante. Sollicite énormément
les muscles de l’épaule. Modèle limité en vitesse malgré une augmentation de la
vitesse de rotation.
2) Modèle de l’aviron
-principe théorique : loi de
Newton mais accélération horizontale linéaire qui aura pour effet une prise
d’appui et un déplacement.
-caractéristique de nage : le
nageur utilise un mouvement bras tendus horizontal. Il déplace donc de façon
linéaire la même masse d’eau vers l’arrière. Il réalise une accélération de son
trajet moteur pour être plus efficace.
-les avantages et les inconvénients :
A :l’accélération des appuis permet de
maintenir les forces de propulsion en contact avec les masses d’eau fuyantes.
I :les muscles des épaules sont très
sollicités. Technique qui demande une dépense énergétique importante.
3) Modèle de la pagaie
-principe théorique : loi de
Newton. A la différence de l’aviron, la pagaie n’est pas fixée , elle peut se
déplacer le long de l’embarcation. Elle peut réaliser un trajet sinusoïdal
horizontal. L’accélération vers l’arrière n’est pas obligatoire. On recherche
en permanence des masses d’eau immobiles que l’on dirige vers l’arrière.
-caractéristique de nage : le
nageur se déplace avec un mouvement de bras horizontal, ses appuis
sinusoidalement. Il cherche à mobiliser
des masses d’eau immobiles qu’il repousse derrière lui.
-avantages et inconvénients :
A : meilleure efficacité par mobilisation des surfaces propulsives vers des masses d’eau immobiles.(création d’appuis moins fuyants)
I : comme le trajet est horizontal il n’y a pas
d’utilisation de profondeur donc le mouvement se fait dans deux dimensions(pas
les trois)
4) Modèle de l’esquimautage
-principe théorique : loi de
Newton. L’orientation de la pagaie n’est pas uniquement sur un plan horizontal.
La recherche de la masse d’eau immobile se fait dans les trois plans de
l’espace pour créer des appuis propulsifs.
-caractéristique de nage : le
nageur utilise un modèle de mouvement de bras courbé en forme de S dans les
trois plans de l’espace.
-avantages et inconvénients :
A : mouvement dans les trois dimensions. La
recherche d’appuis des masses d’eau immobile est plus diversifiée. Cette
diversification est due à l’utilisation et à la mobilisation des surfaces
propulsives dans les trois plans de l’espace.
5) Modèle de la palme
-principe théorique : axé sur la
phénomène de la portance. Les trajets moteurs sont toujours obliques.
-caractéristique de nage : deux
grandes applications : l’ondulation du corps ou le battement de jambe
d’une part, et l’application d’appuis obliques sur les membres supérieurs
d’autre part.
Il apparaît que l’ondulation est plus efficace que la propulsion des
bras et des jambes sur le dos. C’est lié à la diminution des résistances à
l’avancement et à l’utilisation de la portance comme source de propulsion( cf.
limitation de l’utilisation des jambes en ondulation en dos. En dos et en
papillon, 15m de coulée maximum, non limité en crawl, facteur limitant de
l’ondulation est la respiration)
L’utilisation oblique des surfaces propulsives des bras est fréquemment
utilisée dans les nages alternées.
A la fin du trajet propulsif, la main tourne et remonte vers la surface
sans résistance, l’autre bras est en phase de recherche d’appuis.
-avantages et inconvénients :
A : on note une complémentarité des actions de
traînées (action de déplacement du corps) et de portance (action d’équilibre du
corps).
Deux conséquences positives : cette bascule sera une source
d’entrée vers l’avant importante. Elle permet un relâchement réel des groupes
musculaires provisoirement non sollicités.
Donc sur ce modèle, la portance est dominante et permet de placer le
corps haut sur l’eau.
6) Modèle de l’hélice
-principe théorique : le
théorème de Bernoulli
-caractéristique de nage :
Counsilman a démontré que la main du nageur est utilisée comme une hélice (les
mains suivent un parcours en forme de S , un mouvement de godille)
cependant la godille ne peut constituer à elle seule l’ensemble de la
propulsion du nageur. Les forces de portance dominent en brasse. Les forces de
traînée et de portance sont dominantes chacune à leur tour dans les différentes
phases du crawl.
Plus la main sort de l’eau (en nage alternée) près de l’endroit où elle
rentre, meilleure sera son efficacité.
Importance du travail des appuis(travail le nombre de coups de bras)
Si les deux théories : loi de Newton et le théorème de Bernoulli
s’opposent, cependant elles contribuent probablement toutes les deux à la
propulsion en natation.
Il est important et par conséquent plus propulsif de délacer une grande quantité d’eau sur une courte distance(masses d’eau inerte) qu’une petite quantité d’eau sur une grande distance.
La surface propulsive doit sans cesse rechercher des couches nouvelles
de particules en repos, à la manière des pales d’une hélice.
Il s’agit alors de la force de portance différenciée de celle de la
traînée.
-la
propulsion de traînée est une force engendrée par le mouvement de la main dans
l’eau, de façon rectiligne, dirigée vers l’arrière.
-la
force de portance est engendrée par le principe de l’effet de l’écoulement
laminaire ou coup d’aile.
B-Les
principes d’efficacité en natation.
1)Diminution des résistances à
l’avancement.
Le gain d’efficacité réside en partie grâce à la diminution des
résistances à l’avancement.
Les principales résistances à l’avancement sont :
-diminution de la traînée de forme
(liée à la notion de maître-couple), être le plus haut dans l’eau.
-diminution de la traînée de vague
-diminution de la traînée de frottements
(liée à la notion de couche limite)
Le nageur doit rechercher la réduction des résistances négatives,
celles qui entrent en opposition à son déplacement. (moins il y a de résistance
plus on va vite)
Pour se faire, le nageur doit rechercher la position la plus plane
possible, réduction du maître-couple, il recherche la position la plus haute
par rapport au niveau de l’eau.
Le mouvement de jambe est moins propulsif que le mouvement de bras
(sauf pour l’ondulation) mais il est important, la propulsion de jambe joue un
rôle stabilisateur, permet d’avoir une position haute.
2) Augmentation des résistances
actives (sens du déplacement)
Le nageur doit rechercher l’augmentation des résistances intervenant
dans son déplacement.
Il doit créer des résistances propulsives et ainsi se déplacer dans le
milieu aquatique. La continuité de ces actions propulsives permet une
propulsion efficace. Les surfaces propulsives sont la main, l’avant bras et le
bras.
Plus les surfaces propulsives sont importantes, meilleures sera la
propulsion.
On note aussi une importance de l’orientation des surfaces propulsives.
On note aussi une importance de la profondeur des appuis.
Clarys et Jiskoot(1974), deux américains, ont démontré que la
résistance hydrodynamique à la surface de l’eau est d’environ 20% plus faible
qu’à une profondeur de 60cm.
3) Notion d’amplitude
Définition : elle correspond à la valeur d’une unité
mesurable. L’amplitude d’un mouvement correspond à la grandeur de ce mouvement,
donc on mesure la distance séparant son point le plus avancé de son point le
plus reculé (mesuré en m ou cm).
Amplitude du mouvement de bras : on
évalue la distance parcourue à partir du point le plus avancé de la main (phase
d’appuis) jusqu’à son point le plus reculé (fin de poussée). La mesure en ligne
droite est un paramètre, mais la mesure exacte du mouvement réel est
sinusoïdale.
Amplitude du cycle de nage : on
intègre les paramètres précédents. On mesure la distance parcourue dans l’eau
par le corps grâce aux mouvements allers et retours d’un cycle complet de nage.
On parle de distance nagée par cycle.
Il faut au nageur pour obtenir
une efficacité maximale réaliser le trajet moteur le plus long possible et
brasser un grand volume d’eau sur une courte distance.(phénomène de la
portance)
Donc la position de départ idéale en ce qui concerne l’action des bras
sera bras tendu devant, la position d’arrivée bras tendu derrière.
On note également que la vitesse des actions propulsives détermine
l’efficacité de la résistance à l’appui.(quand on est sous l’eau il faut une
accélération du mouvement qui rend les appuis efficaces.)
4) Notion de fréquence
La notion de fréquence et la notion de rythme sont souvent confondues.
La fréquence est le nombre de séquences
par unités de temps. La méthode de calcul est de chronométrer le temps séparant
un certain nombre de passages de bras, de rapporter ce temps à un seul passage
et de calculer le nombre de passages possibles en une minute.
Le rythme correspond aux variations de
temps forts et de temps faibles dans une séquence. Le temps fort doit être
accéléré pour rendre efficaces les surfaces corporelles en déplacement. Dans le
cas d’un trajet elliptique qui utilise des masses d’eau différentes, le
mouvement sera composé de plusieurs accélérations successives. Il doit donc y
avoir une sensation de résistance contre la surface corporelle mise en jeu.
5) Notion de cadence
C’est la répétition de mouvements qui se succèdent régulièrement.
Valeur de référence, extrinsèque.
La fréquence correspond à la valeur propre du sujet. (valeur intrinsèque)
La continuité des actions propulsives pose le problème de la
synchronisation et de la coordination temporelle de la nage.
Il est moins coûteux d’un point de vue énergétique d’entretenir une
force que de la créer. Le nageur doit lutter contre les variations de vitesse.
Plus la nage est stable, plus elle est efficace, ce qui justifie la supériorité
du mouvement alternatif au mouvement simultané. (le crawl est plus rapide que
le papillon)
6) la coordination spatiale
Chaque action du nageur de nature propulsive, respiratoire ou autre, a
une conséquence plus ou moins directe sur l’équilibre du nageur donc il est
essentiel d’organiser spatialement le rapport entre les différentes composantes
motrices.
Il faut réussir à coordonner l’action des bras, l’action des jambes, la
respiration et la prise d’information.
L’alignement du corps et la coordination des actions propulsives ont
une grande importance.
7) Les composantes de la performance
facteur d’amplitude= quantité de surface propulsive,
deux profils de surface propulsive
facteurs spatiaux= -orientation des surfaces
propulsives
-longueur du trajet des appuis
-profondeur des appuis
-coordination spatiale
-forme spatiale des retours
facteurs temporels= -vitesse de déplacement des
appuis
-rythme de déplacement des appuis
-continuité temporelle de cycle
-forme
temporelle des retours
-durée d’un cycle complet
la performance temporelle=
(distance totale de nage) / (vitesse moyenne de nage)
la vitesse moyenne de nage=
(amplitude moyenne de nage) * (fréquence moyenne de nage)
l’indice de nage= indicateur du rapport
amplitude/fréquence du nageur. Il permet de calculer son efficacité technique.
= (vitesse moyenne de nage) * (amplitude
moyenne de nage)
Pour améliorer son indice de nage il faut : -augmenter sa vitesse
de nage
-augmenter son amplitude de nage
-diminuer sa fréquence de nage
Le plongeon fausse l’indice de nage, tout comme les virages
Définition d’un mode de nage :
obligation de déplacement réglementé par la FINA.
1-papillon 2-dos 3-brasse 4- nage libre(crawl)
La FINA codifie ces 4 modes de nage.