Les caractéristiques de l'eau

Les caractéristiques de l’eau permettent souvent d’expliquer pourquoi la natation est un sport formidable pour de nombreux pratiquants. Plusieurs propriétés de l’eau sont associées à ce constat.
La viscosité

C’est une résistance moléculaires des particules d’eau entre elles lorsqu’elles sont déplacées (on parle d’« effet de cisaillement »).

Cette résistance est directement responsable de la création, à la surface du corps, d’une couche limite. En raison de son caractère visqueux, l’eau est freinée dans son écoulement à la surface du corps. Les molécules immédiatement au contact de la peau s’arrêtent, ralentissant les molécules se trouvant juste au-dessus et ainsi de suite jusqu’à délimiter une zone d’influence de la viscosité qu’on appelle la couche limite. La couche limite accompagne le nageur dans sa progression.

Quel lien peut-on établir entre les résistances de friction et la couche limite ? L’importance des résistances de friction est liée aux conditions d’écoulement de l’eau dans cette couche limite : on parle d’écoulement laminaire, turbulent ou transitoire. Les turbulences de la couche limite peuvent être calculées : c’est le nombre de Reynolds = Vitesse x Taille x densité / viscosité. La valeur critique du nombre de Reynolds est de 500 000. Or si l’on faisait un rapide calcul chez un nageur, on obtiendrait comme valeur pour le nombre de Reynolds = 2m/s x 2m x 1000kg/m3  0.897.10-3N.S/m2  4.5.106. Par conséquent, les turbulences sont permanentes en natation. Ce qui explique l’importance des résistances de friction.  

La densité.

La densité est le rapport de la masse volumique d’un corps sur la masse volumique d’un autre corps pris comme référence (la masse volumique d'un corps étant le rapport de la masse du corps sur le volume occupé par cette masse).

La densité de l’eau est 816 fois supérieure à celle de l’air (dair = 1.2kg/m3, deau douce = 1000kg/m3).

R=KSV² (la résistance de l’eau est égale au produit du coefficient de forme (K) multiplié par la surface du maître-couple (S) et par la vitesse (V) au carré en immersion ou au cube en surface).

  • Plus la vitesse augmente, plus la résistance de l’eau croît (variable à utiliser pour diminuer ou augmenter la charge de travail). De plus, les mouvements progressivement accélérés sont naturellement freinés avant que l’articulation ait atteint son amplitude maximale ce qui évite ainsi les traumatismes dus aux arrêts brusques et violents des mouvements hors de l’eau. (Cela évite les blocages violents en butées articulaires). Cette résistance est progressivement croissante (inverse/sur terre) oblige donc un effort croissant et progressif. Donc idéal pour se muscler ou se rééduquer après un arrêt d’activité sans risque de blessure (elle offre une résistance « douce » aux mouvements et permet ainsi de se muscler à son rythme quel que soit son niveau ou son aptitude physique).

 

  • Cette densité de l’eau freine les chutes et permet ainsi de travailler l’équilibre pour les personnes âgées ou en rééducation sans risque de traumatisme.

 

  • En diminuant les chocs, la densité de l’eau n’a pas que des effets souhaitables. On sait par exemple que certains nageurs souffrent d’une faible minéralisation osseuse. En effet, ce sont les chocs répétés qui stimulent l’hématopoïèse, c’est-à-dire la consolidation osseuse. Mesurée par rayon laser, on s’aperçoit que la densité minérale osseuse totale des gymnastes représente par exemple 108% celle des nageurs (0.1 g/cm² en plus…) [1].
La pression hydrostatique.

Un liquide en équilibre exerce une force pressante sur toute portion de surface en contact avec lui. L’eau exerce donc une pression sur la surface du corps du nageur. Les effets de la pression hydrostatiques sont les suivants : 

  • Elle réduit la fréquence cardiaque de 10 à 20 battements par minutes et par réaction augmente le débit cardiaque.
  • L’eau comprime la cage thoracique ce qui oblige une expiration active et renforce par conséquent les muscles respiratoires.
  • La pression de l’eau décongestionne les stases (ralentissement ou arrêt de la circulation de liquides) veineuses et lymphatiques. Améliore donc la circulation sanguine (diminution de la pression artérielle et du rythme cardiaque en position allongée).
La poussée d'Archimède

C’est la force verticale, qui s’exerce de bas en haut, que subit un corps plongé dans un liquide soumis à un champ de gravité. Cette force provient de l'augmentation de la pression du fluide avec la profondeur (voir l’explication de la pression hydrostatique).  

L’intensité de la poussée d'Archimède est égale au poids du volume d’eau déplacée et s’applique au centre de poussée (c'est à dire le centre géométrique de la partie corporelle immergée). Elle a pour conséquence de diminuer le poids apparent du corps. « On se sent plus léger » [2].

Elle est un atout non négligeable pour apprendre à nager car elle augmente la flottabilité. A ce propos, connaissez-vous la différence entre la flottabilité et la flottaison ? 

La première concerne la capacité à flotter. C'est l'état d'un corps qui se maintient sans mouvements volontaires et sans artifices à la surface de l’eau. Elle est fonction de 5 éléments : la composition corporelle (et oui, la densité de l'eau étant de 1, celle des graisses de 0,9 et celle des muscles de 1,1 : la densité des muscles est défavorable à la flottabilité, à l'inverse de celle des graisses) ; le volume pulmonaire (les poumons agissent comme un ballon, remplis d'air, ils augmentent la flottabilité) ; l'âge (3 périodes de la vie sont favorables pour flotter mieux : l'enfance du fait de l’abondance des cartilages ; la pré-adolescence du fait de l'augmentation des graisses [3] et la vieillesse du fait là aussi de l'augmentation des tissus adipeux et de l'ostéoporose) ; le sexe (en effet, les femmes dont le taux de masse grasse moyen est de 23 %, contre 15 % chez les hommes, flottent mieux que les hommes [4] ; et les particularités ethniques (les tissus sous cutané peuvent être plus ou moins épais, les volume pulmonaires plus petits, et le pourcentage d'os peut varier selon les ethnies).

Alors que la flottaison est l'état de quelqu'un qui possède la particularité de flotter naturellement sur l'eau. Ce constat portant sur la flottaison peut être mis en évidence par le « test de détection Speedo » [5] : dans le cas de l'homme placé à la verticale dans l’eau, le segment corporel émergé se limite en général à une partie plus ou moins grande de la tête chez un individu en inspiration maximale bloquée. Le « test de flottabilité horizontale » consiste, lui, à chronométrer la durée mise par un nageur inactif pour passer de la position horizontale à la position verticale (Cazorla, 1993).

La poussée d’Archimède est également bénéfique aux personnes souffrant du dos, d’ostéoporose, de surcharge pondérale, d’arthrose des membres inférieurs et pour les femmes enceintes. Mais aussi facilite la détente musculaire et nerveuse (baisse du tonus) et apaise psychologiquement les pratiquants (déstresse).

Les mouvements d’eau sur le corps.

Ils provoquent un « auto-massage ». Plus les mouvements sont rapides et plus le massage est profond.

La température.

La conduction thermique est 50 fois supérieure à celle de l’air.

  • Une eau chaude augmente la fréquence cardiaque, oxygène mieux les tissus, améliore l’élasticité des muscles, diminue le tonus musculaire (grâce à l’acétylcholine), facilite la digestion (décontracte l’estomac et les intestins).
  • A l’inverse, une eau froide augmente le tonus musculaire, induit une protection thermique des organes vitaux (cerveau et cœur, viscères = 37°) au détriment des membres (mains, pieds etc) ou de la couche superficielle (peau). Il faut donc surveiller les extrémités qui constituent le signal avant-coureur d’une perte calorifique.

Jouer sur la température permet aussi de faire varier la densité et la viscosité de l’eau. Elles peuvent être diminuées par une augmentation de la température. Il s’agit donc de trouver un rapport densité/viscosité minimum. Ce rapport se situe autour de 25°C. En compétition internationale, la température de l’eau se situe à 26°C alors qu’une piscine municipale est généralement chauffée entre 27,5°C et 29°C. La température est souvent montée à 32°C pour les sessions de bébés nageurs.

Bibliographie

[1] Lanay et al., Bone Mineral Density in Collegiate Female Athletes: Comparisons Among Sports. In Journal of Athletic Training n°42, 2007.

[2] Messina, Aquagym, Editions De Vecchi 2003.

[3] Pelayo et al. Swimming performances and stroking parameters in non-skilled grammar school pupils: relation with age, gender and some anthropometric characteristics. In J Sports Med Phys Fitness 37, 1997.

[4] Lätt and coll., Longitudinal developement of physical and performance parameters during biological maturation of young male swimmers, in Perceptual and motor skills n°108, 2009.

[5] Pelayo, Chollet, Maillard et Rozier, Natation au collège et au lycée. De l’école aux associations, 1999.