Ce mois-ci, à Pyeongchang, des équipes d'élite d'experts en physique et sciences des matériaux du monde entier nous éblouiront avec des démonstrations ostentatoires de grâce et de puissance. Nous appelons couramment ces experts des athlètes. Les gymnastes démontrent leur compréhension subtile de la gravité et de l’élan. Les nageurs et les plongeurs maîtrisent la dynamique des fluides et la tension superficielle. Les skieurs exploitent leurs connaissances en matière de friction et d'hydrologie et les lugeurs poussent leurs performances aérodynamiques à l'extrême. Les Olympiens, après tout, comprennent la science à un niveau viscéral comme la plupart d’entre nous ne le savent pas.
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Le patinage artistique est l’un des meilleurs endroits pour explorer cette diversité de forces physiques. Chaque patineur tourne, saute et saute commence par l'équilibre. Et l'équilibre repose sur le fait de pouvoir conserver votre centre de masse - qui, comme son nom l'indique, est le centre de l'emplacement de la masse d'un objet - directement au-dessus d'un point de contact avec la glace. Pour un objet très symétrique comme un cercle ou une sphère, c'est dans le centre mort. Pour la forme plus grumeleuse du corps humain, le centre de gravité varie d'une personne à l'autre mais tend à se situer un peu en dessous du nombril. À travers les glissements, les rotations, les décollages et les atterrissages, le patineur artistique doit garder son centre de masse aligné avec un pied sur la glace, sous peine de risquer de tomber.
Ce n’est pas seulement le centre de masse qui compte dans le patinage artistique. Le «moment d'inertie», qui mesure la répartition de cette masse par rapport au centre de gravité, fait également la différence. Lorsqu'un patineur effectue un tour éblouissant, il contrôle sa vitesse de rotation en tirant les bras pour diminuer le moment d'inertie et accélérer la rotation ou en l'étalant pour diminuer le moment d'inertie et la rotation lente.
Les personnes qui préfèrent faire l'expérience de la physique sur une surface moins glissante peuvent se retourner dans un fauteuil de bureau avec les bras étendus: tirez les bras et la vitesse d'essorage augmente. Cette augmentation est due à un principe appelé conservation du moment cinétique. Un moment d'inertie plus élevé correspond à une vitesse de rotation inférieure et un moment d'inertie plus bas correspond à une vitesse de rotation plus élevée.
La patineuse artistique japonaise Miki Ando, présentée ici aux Jeux olympiques d'hiver de 2010 à Vancouver, au Canada, est la seule femme à avoir réussi à exécuter un quadruple Salchow. (ZUMA Press, Inc. / Alamy) Mais aussi agréables soient-ils, les sauts sont peut-être les plus beaux exemples classiques de physique dans le patinage sur glace. Les patineurs artistiques décollent et naviguent dans une courbe parabolique gracieuse, tournant au fur et à mesure. Ce compromis entre l'énergie utilisée pour la voile et la filature est ce qui rend les sauts si difficiles - et impressionnants - dans la routine de tout patineur.
"Cela correspond à trois composantes: avec quel moment angulaire quittez-vous la glace, avec quelle petite quantité pouvez-vous laisser votre moment d'inertie dans l'air et combien de temps vous pouvez passer en l'air", déclare James Richards, professeur à kinésiologie et physiologie appliquée à l'Université du Delaware, qui a travaillé avec les patineurs artistiques olympiques et leurs entraîneurs à l'amélioration de leurs techniques de saut. Son groupe a découvert que la plupart des patineurs avaient le moment angulaire nécessaire pour quitter la glace, mais avaient parfois du mal à obtenir une vitesse de rotation suffisante pour effectuer le saut.
Même de minuscules modifications de la position du bras en cours de rotation pourraient mener à un saut réussi. "Ce qui est choquant, c'est le peu de choses qu'il faut pour faire une énorme différence", dit-il. "Vous déplacez vos bras de trois ou quatre degrés et cela augmente un peu la vitesse de rotation."
Au début, le laboratoire a eu du mal à traduire ces résultats en conseils aux patineurs. «Mon domaine est formidable pour la création de graphiques et de diagrammes, ainsi que de graphiques», déclare-t-il. Mais ce ne sont pas les médias que les patineurs et les entraîneurs ont le mieux absorbés. «Nous avons assimilé toutes ces mathématiques à un concept très simple.» En particulier, ils ont pris des vidéos très rapides des patineurs et les ont transférées à un avatar du patineur. Ensuite, ils allaient modifier la position du corps au point du saut où le patineur avait un peu de marge de progression.
Le patineur pourrait alors voir la comparaison entre ce qu’il a fait et ce à quoi ressemblerait le saut avec quelques petites modifications. «Tout ce que nous changeons peut être fait», dit-il. «Nous revenons en arrière et examinons les forces nécessaires aux patineurs pour le faire et nous nous assurons qu'ils se situent tous dans les limites de la force du patineur, ce qui s'avère être une petite fraction de leur force maximale.» Les patineurs ont toujours passer beaucoup de temps sur la glace pour s’habituer aux changements, mais les outils de visualisation les aident à savoir ce sur quoi ils devraient travailler.
Pour améliorer les techniques de saut des patineurs olympiques, le groupe de Richards a transformé un film à haute vitesse de patineurs en avatars en rotation. (Gracieuseté de Jim Richards) Étonnamment, le groupe de Richards a constaté que la rotation assez rapide était plus un défi mental que physique pour les patineurs. «Il semble y avoir une limite de vitesse câblée en interne», dit-il, bien que cette vitesse maximale varie d'une personne à l'autre. Cela peut prendre des semaines, voire des mois, à un athlète pour s’entraîner à tourner plus vite que sa zone de confort naturelle.
Deborah King, professeure d’exercice et de sciences du sport à Ithaca College, a examiné la façon dont les patineurs passent des doubles aux triples - et des triples aux quadruples. «Comment le patineur doit-il équilibrer ou optimiser le temps passé dans les airs?», Demande-t-elle.
Les patineurs qui peuvent effectuer des sauts triples ou quadruples de manière fiable, dit-elle, ont tendance à passer le même temps dans les airs, quel que soit le type de saut exécuté. Leur moment angulaire au début du saut peut être légèrement plus élevé pour les triples ou les quadruples que pour les doubles, mais la majeure partie de la différence réside dans la façon dont ils contrôlent le moment d'inertie.
Cela dit, de petites différences dans d’autres aspects du saut peuvent faire la différence. Même un peu plié au niveau des hanches et des genoux peut permettre au patineur d'atterrir avec un centre de masse plus bas que celui avec lequel il a commencé, en obtenant peut-être quelques précieuses rotations et une meilleure position du corps pour l'atterrissage.
Il existe un compromis entre vitesse verticale et moment cinétique. Afin de sauter plus haut, les patineurs pourraient acquérir de la force, ce qui pourrait leur faire prendre de la masse musculaire. Cette masse supplémentaire pourrait encore augmenter leur moment d'inertie, les ralentissant dans les airs. «L’augmentation du moment d’inertie peut vous faire perdre plus que ce que vous gagnez avec le temps passé dans les airs», explique Richards. En d’autres termes, l’équilibre sur la glace prend son propre équilibre.
Actuellement, les hommes de niveau olympique ont un maximum de sauts en quadruple, tandis que les femmes arrêtent généralement les triples. (Jusqu'à présent, la patineuse japonaise Miki Ando est la seule femme à réussir un saut en quadruple en compétition.) Cela incite ceux qui étudient la physique du patinage sur glace à se demander: les quads sont-ils une limite difficile? «Dans l'ensemble actuel de règles, oui, je le crois», déclare Richards. Les patineurs qui effectuent des sauts quadruples se tiennent déjà très près du corps, il n’ya donc pas beaucoup de place pour améliorer le moment d’inertie et pour effectuer une rotation plus rapide. Et sauter beaucoup plus haut nécessiterait probablement de développer plus de masse musculaire, ce qui ralentirait les rotations.
King est plus optimiste. «Une quinte serait potentiellement possible», dit-elle. Historiquement, ajoute-t-elle, il faut généralement quelques décennies pour ajouter une rotation supplémentaire à un saut en patinage artistique particulier. Nous ne devrions donc pas nous attendre à cela avant au moins 2030. De quadruples à quintuples, les patineurs devraient sauter un peu plus haut, obtenir un moment un peu plus angulaire et diminuer le moment d'inertie. «Il s'agit de déterminer dans quelle mesure ils pourraient potentiellement changer ces chiffres de manière réaliste», dit-elle.
L'augmentation de la vitesse de rotation dans les airs serait un élément nécessaire des quintuples sauts d'atterrissage. Dans une expérience, le laboratoire de Richards a montré comment cela pourrait être possible. Les chercheurs ont donné aux patineurs de petites haltères; Lorsque les patineurs ont ramené leurs bras, l'augmentation du poids a entraîné un plus grand changement du moment d'inertie, ce qui a donné un coup de pouce à leur vitesse de rotation. (Dans une chaise de bureau, si vous commencez avec des livres ou un autre poids dans vos mains, vous accélérerez encore plus lorsque vous tirerez les bras.)
En effet, les patineurs ont effectué une rotation plus rapide avec le poids dans leurs mains, bien que les chercheurs aient constaté qu’ils compensaient également le changement rapidement. Après le premier saut, ils ont moins serré les bras pour conserver la même vitesse de rotation qu’ils avaient sans les poids. Néanmoins, si un patineur souhaitait effectuer un quintuple saut, des haltères pourraient l’aider à obtenir la vitesse de rotation nécessaire pour effectuer tous ces virages.
Pour les patineurs olympiens, cependant, il n’ya qu’un petit problème. «Je crois que c'est aussi de la triche», dit Richards.
