Propulsion

Pour son déplacement, le nageur utilise 2 types d’appuis : - Des appuis solides, à la manière du « terrien », lors des phases de départ et de virage. - Des appuis liquides lors des phases nagées proprement dites.
Terrien contre nageur

Chez le terrien L’action des membres inférieurs est prioritaire et se fait à partir d'informations plantaires. Les appuis « solides » sont utilisés dans un milieu aérien, offrant peu de résistances à l'avancement. Le déplacement est alors régi par la loi d'Action-Réaction de Newton qui dit que "pour toute action, il y a une réaction de même intensité mais de sens opposé".

Chez le nageur, les choses sont sensiblement les mêmes lors des phases de départ et de virage. Mais le mode de déplacement diffère totalement pendant la nage, du fait des caractéristiques du milieu aquatique. Les membres supérieurs (bras, avant-bras et main) représentent le principal moteur du corps. A l’image d’une rame d’aviron, les membres supérieurs prennent appui sur l’eau en vue de tracter le corps vers l’avant [1].

Une façon simple de juger la qualité d’un appui ? Si l’appui est bon, la main devrait sortir de l’eau là où elle est entrée, voir même en avant !

Plusieurs modèles théoriques permettent d’expliquer la propulsion dans le milieu aquatique.

La force de traînée et la force de portance [2], [3].

La translation des bras à travers l’eau génère une force de portance qui en se combinant avec la force de traînée provoque le déplacement du nageur. La part relative de ces 2 forces dépend de l’inclinaison des appuis.

 

La force de traînée.

Elle est basée sur la loi dite « d’action/réaction » de Newton, selon laquelle « toute action entraîne une réaction de sens contraire et de même intensité ». L’efficacité maximale de la force de traînée est obtenue quand les surfaces propulsives sont orientées perpendiculairement à l’axe de déplacement.

Il faut également intégrer la spécificité de l’élément liquide à savoir que les molécules d’eau sont fuyantes et que tout mouvement réalisé perpendiculairement au sens de déplacement doit être effectué en accélération. De fait, cette accélération va permettre de s’appuyer sur une même masse d’eau durant l’appui.

 

La force de portance hydrodynamique.

Elle est basée sur le principe de Bernoulli [5] ; [6] selon lequel Pression dynamique + Pression statique = constante.

Considérons la Pression statique dans un fluide en mouvement, comme la pression que mesurerait un capteur qui se déplacerait à la vitesse du fluide. Et la Pression dynamique comme la pression qu’exerce un fluide sur une paroi. La pression dynamique diminue avec l’augmentation de la vitesse du fluide.

Le corps du nageur est considéré comme un système portant. De même qu’une aile d'avion, une voile de bateau, une dérive, des pales de ventilateur, une hélice..., les bras du nageur représentent un volume dont la forme créer une portance.

Sous l’effet d’un tourbillon (appelé tourbillon lié), la vitesse d’écoulement de l’eau au-dessus de l’appui du nageur augmente. Or, selon Bernoulli, la pression qu’exerce un fluide sur une paroi diminue avec l’augmentation de sa vitesse, générant par là même une force de portance.

Ceci créer un différentiel de pression entre l’intrados et l’extrados. Chez le nageur, il se créer une dépression à l’avant et une surpression à l’arrière de l’appui. La force de portance est la différence de Pression statique entre l’intrados et l’extrados et a pour conséquence de porter le corps du nageur vers la surface. 

 

Aller plus loin sur la force de portance : comprendre la création du tourbillon lié.

Formule : Portance = d.V.F

Avec d = densité du fluide – V = vitesse du flux – F = force du tourbillon lié (la force du tourbillon lié dépend en grande partie de la forme du foil).

Lorsque le mouvement de la surface portante sur le fluide débute, la particule de fluide B arrive au bord de fuite avant A car la surface supérieure est plus longue.

B tente alors de contourner le bord effilé. Mais ce contournement ne peut se maintenir longtemps à cause de la viscosité de l’eau.

B se détache alors du système portant générant un tourbillon de départ (starting vortex).

Une contre-rotation se développe alors (à la manière d’un engrenage)  autour du système portant dans le sens opposé du tourbillon de départ : c’est le tourbillon lié (bound vortex). Ce dernier a pour rôle d’accélérer le fluide passant au-dessus de façon à ce qu’il arrive au bord de fuite en même temps que le fluide passant par dessous. D'où le différentiel de pression.

 

Application au trajet du bras.

Pour un maximum d'efficacité, la force propulsive doit être dirigée vers l'avant. Le nageur devra donc ajuster continuellement le positionnement de sa main.

  • Dans le cas où l'angle d'attaque est trop grand, le nageur utilise sa main comme une rame (la traînée propulsive est très importante) et non comme une pale d'hélice.

  • Avec trop peu d’angulation, les forces de portance et de traînée sont faibles et la main glisse.

  • L’efficacité maximale est obtenue quand les surfaces propulsives sont inclinées d’environ 30 à 50° par rapport à leur axe de déplacement.

Certains entraîneurs valorisent les déplacements segmentaires obliques comme l’action vers l’intérieure de la Brasse, et les actions finales du cycle en Crawl et en Papillon. On peut décrire les appuis en termes de « balayages », c'est à dire de godilles [7], vers l'intérieur, l'extérieur, vers le haut, vers le bas, vers l’arrière).  D’autres entraîneurs valorisent les trajectoires de bras plus rectiligne en crawl comme en papillon. En sprint, les meilleurs nageurs mondiaux semblent appliquer un angle très grand, sans godilles.

 

Contradictions

La force de portance selon le principe de Bernoulli ne peut s’établir qu’à partir d’un écoulement stationnaire non turbulent du fluide. Or :

  • La mise en place du tourbillon lié demande un certain temps, dont l’importance dépend de l’accélération du système portant (c’est « l’Effet Wagner »). Dû au fait que l’eau est un milieu fuyant, il faut accélérer les appuis pour créer un vortex.
  • L’état « quasi-stationnaire » (hypothèse de base des travaux de Schleihauf) n’est jamais atteint en natation sportive. L’écoulement de l’eau est toujours turbulent (pour connaître l’état des turbulences, il faut calculer le nombre de Reynolds. Re = Vitesse d’écoulement du fluide x Taille du corps x densité du fluide / viscosité fluide. La valeur critique du nombre de Reynolds, à partir duquel on dit que l’écoulement est turbulent est d’environ 500 000. Or le Re du nageur » 2m/s x 2m x 1000kg/m3 ¸ 0.897.10-3N.S/m2 » 4.5.106).
Les forces accessoires.

D’autres théories viennent s’ajouter à la combinaison force de portance + force de traînée, pour expliquer la propulsion du nageur (ce sont ce qu’on peut appeler des forces accessoires).

 

Théorie du courant axial.

  • La rotation rapide du bras à travers l’eau créer un gradient de vitesse le long du bras (la vitesse est plus importante au niveau de la main et moins grande au niveau de l’épaule.
  • Ce qui en application du principe de Bernoulli, se traduit par un gradient de dépression le long de la face avant du bras.
  • Il en résulte un écoulement de l’eau en direction de la main et donc un renforcement de la poussée de la main par effet de succion.
  • L'application de cette théorie est faite par les sprinters qui nagent désormais bras tendus en crawl.

 

Théorie des vortex.

Les vortex sont des tourbillons dus aux différences de pression lorsqu’une partie du corps se déplace dans l’eau. Ils pourraient, sous certaines conditions, participer à la propulsion du nageur.

Surtout en ondulations. A partir d’une certaine fréquence, les ondulations créent des tourbillons (vortex) au-dessus et en dessous du corps qui, en tournant en sens contraire fonctionne comme des roues dentelées, comme un engrenage pour faire avancer le nageur.

 

Propulsion accordéon.

La propulsion en natation serait le résultat de la succession d’allongements et de raccourcissements avec des parties fixes qui servent de point d’appui à des parties plus mobiles.

Les paramètres de l’efficacité propulsive [7].

La qualité de la propulsion dépend de paramètres spatiaux et de paramètres temporels.

Les paramètres spatiaux.

  1. La quantité de surfaces propulsives ; plus elle est importante, meilleure est la propulsion. A tous niveaux, la main est utilisée comme surface propulsive. Cependant, le positionnement segmentaire des experts leur permet d’utiliser leurs avant-bras comme surface propulsive = coordination disto-proximale (guidée par la main " position haute et avancée du coude). Par opposition, chez le nageur « fatigué » ou débutant, on observe une « fuite du coude » (coordination proximo-distale) préjudiciable à la propulsion. D’autre part, la quantité de surface propulsive se réduit à l’approche de la fin de la phase de poussée.
  2. Le profil des surfaces propulsives ; la forme du segment propulsif est une composante de la résistance (R = kSV2), et donc de la traînée propulsive.
  3. L’orientation des surfaces propulsives ; il s’agit d’orienter une grande quantité de surface des bras et des mains vers l’arrière, puis les accélérer.
  4. La longueur des trajets moteurs ; en prenant le corps pour point fixe, la main doit chercher à décrire le plus long trajet possible compatible avec la fréquence de bras utilisée. Ceci est obtenu lorsque les bras sont tendus devant au départ et derrière à l'arrivée (main/cuisse). Si l'on prend l'eau comme repère, l’habileté du nageur consiste à arrêter ses surfaces propulsives afin d’exercer une pression maximale compatible avec un déplacement minimal de la masse d’eau. Ainsi, alors qu’en 1984 la main sort en arrière de son point d’entrée, elle ressort en avant en 1994, ce qui prouve l’amélioration de la propulsion (et notamment, l’augmentation de la charge des muscles de la ceinture scapulaire) selon Rouard (2000)
  5. La profondeur des appuis ; plus elle est importante (dans la limite des possibilités du sujet), meilleure est la propulsion. L'augmentation du bras de levier entraîne l'augmetnation de la vitesse angulaire, l'augmentation de la pression hydrostatique (20% plus forte à 60cm de profondeur) [8]. La profondeur des appuis varie selon la distance : elle est supérieur au 100m par rapport au 1500m.
  6. La coordination spatiale ; le nageur doit organiser spatialement le rapport entre les différentes composantes motrices afin de réaliser et de conserver un équilibre optimal ; on parle de coordinations « intra-train » et « inter-train ».
  7. La forme spatiale des retours ; moins il y a de résistances sur le retour, plus l'efficacité sera grande. C'est ce qui explique la supériorité des nages où les retours sont aériens.

 

Les paramètres temporels de la propulsion.

  1. La vitesse des surfaces propulsives ; c'est une composante de la résistance (R = kSV2), et donc de la traînée propulsive. Plus elle est importante, meilleure est la propulsion. Avec la fatigue, la durée relative des phases propulsives (traction et poussée) augmente, suggérant une diminution de la vitesse de la main (avec traction>poussée)
  2. Le rythme des appuis ; il se caractérise par des accélérations progressives et successives du fait du caractère fuyant du milieu et de la forme sinusoïdale des mouvements. Ces accélérations (au nombre de 3 ; 1/balayage) sont déterminées par la puissance et la longueur du bras de levier du propulseur. Sur un organisme « frais », le pic de force apparaît lors de la phase de traction, puis il « glisse » vers la phase de poussée avec la fatigue.
  3. La continuité des actions motrices ; elle s'obtient par de bonnes liaisons "bras-jambes" (inter-train) ou "bras G-bras D" (intra-train); ce qui permet d'entretenir une vitesse constante et de diminuer le coût énergétique de la nage. Il est en effet, plus facile de conserver une vitesse plutôt que de la créer. Les fluctuations de la vitesse ont été mises en relation avec l’économie de nage qui elle même dépend :                                                                                                                   - du type de nage ( elle est supérieure en crawl, puis en dos, puis en papillon, et enfin en brasse, nage la plus dépensière en énèrgie.                                          - du niveau d’expertise dont dépend la qualité des coordinations (Ringard, Sidney et coll).
  4. La forme temporelle des retours ; elle doit être lente pour les retours aquatiques (Brasse sous marine) et rapides pour les retours aériens afin :
  • de supprimer les temps morts en fin de poussée
  • en Brasse, de devancer la poussée des jambes pour ne pas contrarier leur action + permettre un temps de recherche d’appui
  • en Crawl, de coordonner en superposition (distances courtes)
  • de réengager dans un déséquilibre avant (Cr, Pap, Br) et arrière (Dos)
Le rapport amplitude fréquence.

La vitesse est le produit de l’amplitude (distance par cycle, mesurée en mètres) et de la fréquence (cycles par minutes).

 

Evolution du rapport amplitude/fréquence avec l’âge et les progrès.

Pour augmenter la vitesse à court terme, il faut augmenter la fréquence. Mais dans l’optique d’un progrès à plus long terme, il vaut mieux travailler sur l’augmentation de l’amplitude.

Observons les paramètres de vitesse lors d’un 50m crawl chez des jeunes de 11-13 ans, comparées aux jeunes post-pubères [10] :

Sans surprise, la vitesse augmente avec l’âge. Mais on se rend compte qu’elle augmente surtout grâce à un gain d’amplitude, et non de fréquence.

 

Evolution du rapport amplitude/fréquence avec la fatigue.

Lors d’une course de 400m, la fatigue accumulée entraîne divers phénomènes comme la déplétion des stocks énergétique, l’accumulation de déchets (la concentration sanguine en lactates augmente), le changement de l'état physico-chimique des cellules (sels minéraux). Ces 3 phénomènes ont pour conséquence la chute de force dans les mouvements du nageur. Ce qui se traduit par une diminution de l’amplitude, de la fréquence, et donc de la vitesse.

Observons maintenant les paramètres de vitesse lors d’un 200 crawl chez des nageurs nationaux et internationaux [11] ; [12].

Les indices de nage permettant d’analyser la propulsion.

Indices prenant en compte le rapport amplitude-fréquence.

  •  La vitesse = Amplitude (mètre/cycle) x Fréquence (cycle/min)
  •  Le temps sur une distance donnée (indices de la vitesse)
  • La fréquence gestuelle : indicateur « énergétique »
  • Le nombre de coups de bras par longueur (comptage) 
  • L’amplitude : (exemple 25m / nombre de coup de bras).
  • L’Indicateur Technique de nage [14] ou « Mini-Max » (=Temps au 25m + Nombre de Cycle).
  • Nager au « Carré » [15]. Réaliser un temps minimum, égal au nombre de coups de bras minimum, sur une longueur. [Temps mini] = [Nombre de Coups de Bras mini]. Par exemple en crawl 35 sec et 35 mouvements au 50m. Les coups de bras seront comptés double en brasse et en papillon.  
  • Indice de Nage [16] = Vitesse (m/s) x Amplitude moy (distance/cycle) ou IN = Vitesse2 / Fréquence (Nb cycle/min) x 60.

 

Indice prenant en compte l’Amplitude et la Régularité/100m :

  • IGEN, Indice de Gestion et d’Efficacité en Natation [17]. [(Nombre Cycle 1er 50m) + (Nb Cycle 2ème 50m)] x (Nombre Cycle 2ème 50m) : plus il est faible, plus le nageur est capable de maintenir son amplitude, c’est à dire de réguler son allure.

 

Indice énergétique.

La fréquence cardiaque (BPM). Nécessite un cardio-fréquence-mètre ou prise de pouls : indicateur du niveau de sollicitation aérobie + indicateur du niveau de récupération. Pour une allure donnée, plus il est faible, plus le nageur est efficace.

Bibliographie.

[1] Bouchet, « Natation: propulsion accordéon et utilisation de la pression », Revue EPS N°325, 2007.

[2] La natation de compétition, 1986

[3] Catteau, « L’entraînement » - collectif d’auteurs - Editions Atlantica, 1997.

[5] Schleihauf, « A biomechanical analysis of freestyle. Swimming technique. 1I : 89-96, 1974.

[6] Colwin, « Fluid dynamics : Vortex circulation in swimming propulsion. In T.F. Welsh (ed) American Swimming coaches association world clinic yearbook 1984. Fort Lauderdale, FL : American Swimming Coaches Association. 38-46. 

[7] Chollet, Approche scientifique de la natation sportive, 1990.

[8] Jiskoot J, Clarys JP. Body resistance on and under the water surface. In: Lewillie L, Clarys JP, editors. Swimming II. University Park Press; Baltimore: 1975.

[10] Silva et al., Front crawl technical characterization of 11 to 13 years old swimmers. In Pediatric exercise science n°24, 2012.

[11] Alberty, Sidney, Hespel, Huot-Marchant et Pelayo, Effet de la fatigue sur la vitesse de nage instantanée et sur les coordinations en crawl. Actes des 3èmes journées spécialisées de natation, Lille 19 et 20 juin 2003.            

[12] Aujouanet, Dégradation de la technique de nage avec la fatigue chez des nageurs de haut niveau. Actes des 3èmes journées spécialisées de natation, Lille 19 et 20 juin 2003.         

[13] Schnitzler, Chollet et Ernwein, Evolution des variables propulsives sur un protocole rectangulaire à différentes intensités. Actes des 3èmes journées spécialisées de natation, Lille 19 et 20 juin 2003.  

[14] Verger, « L’indicateur technique de nage », Revue EPS n°269, 1998.

[15] Legrand « Nager au carré » Editions Atlantica, 2001.

[16] Wille, Pelayo, Évaluation et Indice de nage. Revue EPS, 244, 57 - 60, 1993.

[17] Potdevin, Pelayo, Indice de Gestion et d’Efficacité en Natation - EPS N°286, 2000.