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La simulation au service du sport

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Si les Jeux Olympiques sont déjà loin, le sport reste une activité de prédilection pour la simulation numérique. La mécanique des fluides, la résistance des matériaux ou encore l’analyse multi-corps sont autant d’outils pour optimiser le matériel, la performance des athlètes, éviter des blessures, ou tout simplement comprendre les forces et contraintes mise en jeux.

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Tout le monde se souvient des combinaisons de natation interdites après les JO de Pékin parce qu’elles avantageaient injustement les nageurs qui l’utilisaient. Ces modèles avaient été mis au point à l’aide de logiciels simulant la mécanique des fluides. Ils permettaient de réduire les frottements et la traînée dans l’eau en reproduisant notamment les caractéristiques de la peau des requins. Ce qui se traduisit d’ailleurs par une pluie de records du monde battus quelques jours après la commercialisation de ces combinaisons magiques.

De la même manière, la simulation de la mécanique des fluides a permis des progrès spectaculaires dans le monde du cyclisme, depuis l’aérodynamisme des vélos en passant par celui des casques et la position des coureurs. Les équipes du professeur Blocken de l’Université de Technologie d’Eindhoven en Hollande et de l’Université de Leuven en Belgique ont particulièrement travaillé le sujet. Elles ont par exemple prouvé que la position étonnante de Chris Froome, assis sur la fourche de son vélo lors d’une descente du Tour de France 2016 était plus dangereuse que réellement aérodynamique. L’analyse a en effet montré que la position de moindre résistance à l’air est celle où le cycliste est sur sa selle avec les bras posés sur le guidon. A l’inverse, celle adoptée par le vainqueur du Tour 2016 lui a fait perdre 0.6% d’efficacité aérodynamique.

Comprendre ce qui se passe

Autre découverte dans le domaine du cyclisme, toujours par la même équipe, dans un contre-la-montre, une moto roulant derrière un coureur lui ferait gagner jusqu’à 2 minutes… Les ingénieurs ont utilisé les outils de simulation numérique d’Ansys pour modéliser la géométrie de la moto et du vélo. Ils ont ensuite ajouté un modèle générique de cycliste et enfin l’air ambiant, qui joue un rôle déterminant dans la simulation. Ils ont par ailleurs spécifié le mouvement des différents composants et les propriétés des matériaux (densité de l’air, viscosité et humidité).

A l’aide de la simulation, ils ont obtenu non seulement la vitesse et la pression de l’air, mais également les forces et la traînée subies par le cycliste. La simulation a mis en évidence les interactions entre les différents composants. En faisant varier certains paramètres, comme la forme et la taille de la moto ou la distance entre la moto et le vélo, ils ont montré qu’une moto qui suit de près un cycliste le propulse littéralement en avant. Ce qui lui permet de gagner plusieurs secondes sur une dizaine de kilomètres. « Une précédente étude avait déjà permis de comprendre que la présence d’une voiture derrière un cycliste, dans un contre-lamontre par exemple, pouvait lui faire gagner pas mal de temps car elle réduisait sa traînée jusqu’à 30 % » , explique Thierry Marchal, directeur sports et santé chez Ansys.

La simulation numérique permet très souvent de mieux comprendre ce qui se passe même pour des problèmes soidisant déjà résolus. Prenons à nouveau le cas du vélo. Ceux qui ont déjà roulé sans tenir le guidon savent que c’est plus facile à partir d’une certaine vitesse, bien qu’à une plus grande vitesse le vélo redevient instable.

La raison de ce comportement réside dans la conception même des vélos actuels. Ils sont auto-stabilisés, dans un certain intervalle de vitesse seulement. Plusieurs effets ont été invoqués dans le passé, comme l’effet gyroscopique, pour expliquer ce comportement. Le consensus actuel montre qu’il n’y a pas qu’une raison unique, mais plutôt une combinaison de différents facteurs en plus de l’effet gyroscopique, comme la distribution des masses, l’angle de chasse, la vitesse, ou encore la géométrie du cadre. La simulation multi-corps est ici un outil efficace pour comprendre les paramètres en jeu et leur influence.

Changeons de sport. Tous les joueurs de badminton savent qu’un volant synthétique a un vol différent que son équivalent en plumes. L’analyse en mécanique des fluides montre que les volants synthétiques laissent passer l’air à travers les trous de leur jupe ne provoquant qu’un faible mouvement tourbillonnaire. A l’inverse, l’inclinaison des plumes et leur recouvrement sur une grande partie du volant en plume provoquent un important tourbillonnement d’air. Celui-ci se traduit par une plus forte rotation du volant naturel lors du vol. Dans le premier cas, cela explique les différences de trajectoires : de type parabolique pour le volant synthétique, et de type parachute, c’est-à-dire relativement rectiligne au départ suivi d’une chute rapide en fin de course, pour le modèle en plumes.

Simulation multi-corps et saut à la perche

Le saut à la perche est également un sport où la simulation permet de comprendre l’impact de chaque paramètre sur le résultat final. Rappelons que le record du monde est détenu par Renaud Lavillenie avec 6.15 m. L’exécution du saut se décompose en plusieurs phases. La course d’élan permet de maximiser l’énergie cinétique, qu’il s’agit de transférer lors la flexion de la perche. Cette dernière doit être suffisamment élastique pour emmagasiner cette énergie cinétique et la restituer au départ de la montée. Puis, l’athlète effectue une poussée sur la perche, suffisamment rigide dans cette phase, afin d’obtenir l’élévation maximale de son centre de gravité et le passage audessus de la barre via une rotation.

La modélisation et la simulation multicorps de ces différentes étapes a permis de mettre à jour près de 25 paramètres pouvant influer la hauteur du saut. La rigidité de la perche, la vitesse horizontale de l’athlète, et sa vitesse verticale au moment du saut notamment, mais aussi la position du corps, son poids, sa taille, l’angle qu’il forme au moment du saut avec la perche, sa capacité à la fléchir au décollage, etc. On retiendra que, pour une bonne performance, il faut une vitesse horizontale maxi du sauteur et une perche la plus rigide possible afin de transformer efficacement l’énergie horizontale en énergie verticale…

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