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DOCTORAT AIX-MARSEILLE UNIVERSITE

Délivré par :

L"UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE

Spécialité : SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN

Approche aérodynamique et biomécanique

de l"amélioration des performances de cyclistes en course contre la montre

Présenté par :

Vincent CHABROUX

Soutenu le :

04 Juin 2010

Devant un jury composé de :

M. Frédéric GRAPPE - Maître de Conférences (rapporteur) M. Franck BARBIER - Professeur des universités (rapporteur)

M. Daniel FAVIER - Directeur de Recherche CNRS

M. Eric BERTON - Professeur des Universités

M. Jean-Marc GUEUGNEAUD - Time Sport International M. Philippe MAUDUIT - Equipe cycliste Bouygues Telecom

V. Chabroux 2

V. Chabroux 3

SOMMAIRE

Premier chapitre :

Approche aérodynamique de l"amélioration des performances de cyclistes en course contre la montre

I. Introduction....................................................................................................15

1.1 Rappels aérodynamiques.............................................................................................16

1.2 Evolution du record de l"heure...................................................................................18

1.3 Etat de l"art...................................................................................................................20

II. Moyens de mesures et traitement des données..........................................24

2.1 Soufflerie.......................................................................................................................24

2.2. Mesure de l"effort de traînée......................................................................................25

2.3 Mesure de la surface frontale......................................................................................26

2.4 Mesure des angles posturaux......................................................................................28

2.5 Population.....................................................................................................................29

2.6 Analyse statistique........................................................................................................29

2.7 Mesure des champs de vitesses dans le sillage des casques......................................30

2.7.1 Principe de mesure PIV........................................................................................30

2.7.2 Système de mesure stéréoscopique PIV-3C........................................................32

2.7.3 Résultats des mesures PIV-3C.............................................................................33

2.7.4 Précision des mesures PIV-3C.............................................................................33

III. Résultats de l"approche aérodynamique..................................................35

3.2 Influence de la posture.................................................................................................36

3.3 Influence du positionnement des membres supérieurs.............................................36

3.4 Influence du positionnement de la selle......................................................................39

3.5 Caractéristiques du casque en fonction de l"inclinaison de la tête..........................41

3.5.1 Influence de l"inclinaison de la tête......................................................................42

3.5.2. Comparaison des casques....................................................................................44

3.5.3 Influence de la visière...........................................................................................45

3.5.4 Influence des aérations frontales.........................................................................46

3.6 Etude de l"écoulement dans le sillage du casque.......................................................47

3.6.1 Géométries des casques de CLM.........................................................................48

3.6.2 Résultats des mesures............................................................................................49

3.7 Modélisation de la surface frontale.............................................................................55

3.7.1 Critère de validation du modèle de calcul de la surface frontale......................55

3.7.2 Analyse des variables caractérisant la surface frontale.....................................56

3.7.3 Modélisation de la variation de surface frontale liée à l"orientation de la tête et

à la longueur du casque.................................................................................................59

3.7.4 Modélisation de la surface frontale en fonction de la taille...............................60

3.7.5 Modélisation optimisée de la surface frontale....................................................60

3.7.6 Validité des modèles..............................................................................................61

3.7.7 Comparaison des modèles avec les données de la littérature............................62

V. Chabroux 4

Deuxième chapitre :

Approche biomécanique de l"amélioration du rendement du pédalage de cyclistes en course contre la montre

I. Introduction...................................................................................................65

II. Moyens de mesures et traitement des données..........................................68

2.1 Système d"analyse du mouvement..............................................................................68

2.1.1 Positionnement des caméras.................................................................................68

2.1.2 Calibration du système d"analyse du mouvement..............................................68

2.1.3 Repérage des points anatomiques........................................................................69

2.1.4 Enregistrement des trajectoires...........................................................................70

2.1.5 Calcul de la cinématique des segments................................................................70

2.2 Balances de mesure des torseurs d"efforts aux pédales............................................71

2.2.1 Cahier des charges................................................................................................71

2.2.2 Etalonnage des balances.......................................................................................72

2.3 Ergomètre SRM Indoor Trainer................................................................................72

2.4 Enregistrement et synchronisation de l"ensemble des signaux................................73

2.5 Modèle de dynamique inverse.....................................................................................74

2.5.1 Modélisation des segments....................................................................................74

2.5.2 Centre de rotation de la hanche...........................................................................75

2.5.3 Code de calcul........................................................................................................76

2.6 Population, conditions paramétriques et analyse statistique...................................79

2.6.1 Conditions paramétriques....................................................................................79

2.6.2 Protocole expérimental.........................................................................................80

2.6.3 Analyse des résultats.............................................................................................81

III. Résultats de l"approche biomécanique.....................................................82

3.1 Efforts exercés sur les pédales.....................................................................................82

3.2 Inclinaison des pédales.................................................................................................86

3.3 Angles articulaires........................................................................................................88

3.2.1 Angle articulaire de la cheville.............................................................................88

3.2.2 Angle articulaire du genou...................................................................................89

3.2.3 Angle articulaire de la hanche..............................................................................90

3.4.1 Moments articulaires............................................................................................91

3.4.2 Influence de la puissance......................................................................................91

3.4.3 Influence de la hauteur de selle............................................................................94

Troisième partie :

Conclusions aérodynamiques et biomécaniques

Optimisation couplée des variables

I. Facteurs d"optimisation aérodynamique.....................................................97

1.1 Facteurs liés aux paramètres posturaux....................................................................97

1.2 Facteurs liés au vélo.....................................................................................................98

1.3 Facteurs liés aux caractéristiques du casque.............................................................99

1.4 Facteurs liés à la réduction de la surface frontale...................................................101

V. Chabroux 5

II. Facteurs d"optimisation biomécanique....................................................102

2.1 Indice d"efficacité du pédalage..................................................................................102

2.2 Indice de force asymétrique......................................................................................102

2.3 Positionnement du pied sur la pédale.......................................................................103

2.4 Positionnement de la selle..........................................................................................104

III. Optimisation couplée des paramètres de positionnement....................104

de la selle...........................................................................................................104

Références ........................................................................................................106

Liste des figures...............................................................................................115

V. Chabroux 6

Remerciements

Je tiens tout d"abord à remercier Daniel Favier, mon directeur de thèse, qui m"a permis de

mener à son terme cette étude. Ces conseils éclairés m"ont permis d"orienter mes recherches

et de cadrer mon travail.

Je tiens à remercier Jean-Marc Gueugniaud, responsable du bureau d"étude de la société Time

Sport International, pour sa disponibilité, son aide et la confiance qu"il m"a témoigné tout au

long de ce projet.

Je tiens également à remercier Philippe Mauduit, directeur sportif de l"équipe cycliste

professionnelle Bouygues Telecom, pour sa gentillesse, sa patience et ses nombreux conseils sur le milieu cycliste professionnel. A tous les coureurs professionnels de l"équipe cycliste Bouygues Telecom pour leur

disponibilité malgré un emploi du temps très chargé et leur collaboration lors des

expérimentations. A ma compagne Florence qui a su me soutenir dans les moments de doute de la préparation d"un doctorat et qui a su me redonner le moral dans les moments les plus difficiles. Merci de m"avoir supporté et d"être encore à mes cotés aujourd"hui.

A Patrick Sainton et Christophe Rondot qui m"ont apporté une aide précieuse lors de la

préparation et de la réalisation des expérimentations ainsi que du traitement des résultats. Sans

eux, je ne pourrais pas présenter aujourd"hui l"ensemble des résultats expérimentaux réalisés

pendant ces quatre dernières années.

Je tiens tout particulièrement à remercier André Agnes, disparu depuis mon départ du

laboratoire, pour l"ensemble des connaissances qu"il a su me transmettre, pour son aide sur l"ensemble des problématiques techniques que j"ai rencontré et pour ses valeurs morales. Je garde une pensée émue des moments que nous avons passé ensemble.

A Eric Berton qui a mis en place cette collaboration entre le CNRS, l"équipe cycliste

professionnelle Bouygues Telecom et la société Time Sport International. Merci à Sophie Seguinel et Mireille Meozzi qui m"ont aidé sur le plan administratif tout au long de ce doctorat.

V. Chabroux 7

Introduction

Introduction

V. Chabroux 8

Depuis l"apparition de l"ancêtre de la bicyclette, la draisienne conçue en 1817 par le baron

Karl Von Drais, les évolutions technologiques ont été nombreuses pour aboutir au vélo que

nous connaissons aujourd"hui. A l"époque, la structure de cette machine était en bois, ses

roues étaient cerclées de métal et elle ne possédait pas de pédales. Le baron établit un premier

record, le 12 juillet 1817, en parcourant 14,4 km en 1 heure. C"est en 1861 que Pierre

Michaux adapta des manivelles et des pédales sur la roue avant d"une draisienne. Ce fut un pas décisif vers la future bicyclette.

Déjà à cette époque, l"amélioration des performances était une préoccupation majeure. En

effet, de nombreuses évolutions contribuèrent à l"amélioration des performances de ces

engins. Apparu dans les années 1870, le grand-bi avait une roue avant d"un très grand

diamètre et une roue arrière plus petite. L"intérêt de cette grande roue, d"un diamètre deux fois

supérieur aux roues de la draisienne, était de doubler la distance parcourue pour un tour de

pédale. En revanche, le cycliste étant très haut perché, ce moyen de locomotion était

relativement dangereux. La transmission par chaîne fut inventée en 1880 par Hans Renold. Cette innovation permis de démultiplier le mouvement de pédalage et ainsi d"augmenter considérablement les distances

parcourues avec des roues de diamètre raisonnable. Enfin, le confort et la sécurité furent

améliorés par l"apparition de pneumatiques en caoutchouc et d"un dispositif de freinage par frottement.

A la fin du XIX

e siècle, bénéficiant de l"engouement de la population pour les bicyclettes, les

premières courses cyclistes virent le jour. La première édition du tour de France, organisée en

1903, fut remportée au terme des 2428 km par Maurice Garin avec une moyenne de 26,45

km/h. Depuis, l"engouement pour le cyclisme n"a cessez de croître. De nos jours, cette

épreuve mythique du cyclisme est le troisième événement sportif le plus médiatisé au monde.

Depuis la première édition du tour de France, l"évolution du cyclisme a été considérable. En

effet, la pratique de ce sport en compétition a contribué à l"apparition de nombreuses

innovations technologiques qui ont permis une amélioration notable des performances. En effet, l"édition 2008 du tour de France, d"une distance totale de 3559 km, fut remportée par Carlos Sastre avec une moyenne de 40,50 km/h. En un siècle, malgré une distance parcourue une fois et demi supérieure, la vitesse moyenne à connu une augmentation de près de 50%.

Malgré les innovations technologiques réalisées pendant près d"un siècle, les performances

continuent encore aujourd"hui de s"accroître. La question qui se pose alors, et qui constitue la

question centrale du présent mémoire de thèse, est : Quels sont les facteurs qui influent sur les

performances en cyclisme et comment optimiser ces paramètres de manière améliorer les performances réalisées actuellement ?

Introduction

V. Chabroux 9

· Composantes de la performance en cyclisme

Compte tenu de la spécificité de ce sport et des performances atteintes à l"heure actuelle, les

paramètres significatifs au regard de la performance en cyclisme relèvent de différentes

disciplines parmi lesquelles ont peut citer, de manière non exhaustive : l"aérodynamique, la biomécanique et la technologie ainsi que la physiologique, la psychologique et la tactique du

coureur. Les trois premières disciplines sont relatives à la machine elle-même mais également

à l"interaction du coureur avec celle-ci. Les trois autres composantes renvoient directement à

l"athlète et peuvent être améliorées à partir de méthodes et de moyens d"entraînement

spécifiques. Ces différentes composantes sont explicitées ci-après de manière à identifier leur

domaine d"étude, leur domaine d"influence et leurs limites.

L"aérodynamique est l"étude des corps en mouvement dans l"air. Avec l"évolution des

performances et l"augmentation des vitesses atteintes en cyclisme, l"aérodynamique joue un

rôle de plus en plus important dans l"établissement des performances. En effet, des études ont

montré que pour les épreuves sur terrain plat, la résistance aérodynamique est la principale

force contre laquelle doivent lutter les coureurs [DIP79 ; KYL88 ; KYL91]. Il s"agit donc dans cette composante de la performance d"optimiser les performances aérodynamiques des

vélos, mais également la position des coureurs sur leur machine, afin d"améliorer les

performances aérodynamiques des ensembles coureurs/vélos. La biomécanique étudie le mouvement du corps humain de la même façon que la mécanique

élémentaire examine le mouvement général de tous les corps, en faisant appel aux mêmes

concepts, aux mêmes lois et en utilisant les mêmes méthodes. Dans le cadre du cyclisme, elle

étudie, entre autres, l"action des muscles sur le mouvement de flexion et d"extension du

membre inférieur de manière à perfectionner la technique de pédalage. L"objectif

biomécanique principal en cyclisme est donc d"optimiser la position adoptée par l"athlète sur

la bicyclette pour améliorer le rendement biomécanique du mouvement de pédalage, afin

d"assurer une transmission optimale de la puissance au niveau du pédalier. Depuis l"apparition du cyclisme, la technologie a largement contribuée à optimiser le vélo

dans ses moindres détails. Les nouveaux matériaux composites améliorent sa rigidité et

diminuent son poids, les nouveaux pneumatiques diminuent la résistance de roulement. Tout est actuellement mis en oeuvre pour développer de nouveaux équipements et pour améliorer

les équipements existants de manière à optimiser le rendement du cycliste sur sa bicyclette.

La physiologie de l"exercice examine les effets de l"activité physique sur les systèmes

organiques (systèmes cardio-respiratoire, cardio-vasculaire, nerveux, etc.). Le cyclisme étant

une discipline exigeante au niveau énergétique, l"étude de la physiologie de l"exercice

musculaire permet de mieux comprendre les phénomènes bioénergétiques et contribue à

l"amélioration des méthodes d"entraînement.

La performance à haut niveau est très étroitement liée à la force mentale de l"athlète. En effet,

comme à un certain niveau de compétition il existe toujours un noyau de coureurs qui ont desquotesdbs_dbs20.pdfusesText_26

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