ENREGISTREMENT TEMPS REEL DES
PARAMETRES PROPULSIFS DE NAGEURS :
UCAR-CAP ODYSSEE 2009
Maurice Ouaknine
(Université de la Méditerranée,
Marseille), Sandra Joffroy (Université
Paul Sabatier / CEOPS, Toulouse),
Jean Luc Charrier, Bernard Autet
(Institut Toulousain d'Ostéopathie) |
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Introduction
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Dans le cadre du projet de traversée de
l’Atlantique Nord, Ucar-Cap Odyssée 2009, trois
jeunes femmes athlètes de haut niveau en
sauvetage côtier, Stéphanie Geyer-Barneix,
Alexandra Lux et Flora Manciet, ont rallié à la
seule force des bras nus, les îles du Cap Breton
au Canada à Capbreton en France (~5000 km) en 54
jours sur un « Paddle- Board ».
Elles se sont relayées jour et nuit afin de
réaliser leur objectif qui est de parcourir 100
km en moyenne par jour.
Avec le concours de l’Institut Toulousain
d’Ostéopathie (ITO), chargé de l’étude des
effets de l’adaptation posturale, notre
laboratoire (LAPEC-CHU Timone) a été chargé de
l’étude inédite de la locomotion des nageuses
durant toute la traversée.
Nos relevés en temps réel avaient trois
objectifs. Le premier est d’ordre sécuritaire :
sur incohérences ou singularités du signal émis,
alerter l’expérimentateur sur les difficultés
éprouvées par la nageuse. Le deuxième est
d’ordre sportif : consignes aux athlètes en
cours d’évolution en tenant compte des
objectifs, des performances programmées et des
paramètres physico-physiologiques. Le troisième
est d’ordre scientifique : étude et analyse des
paramètres spatio-temporo-fréquentiels de la
nage chez des athlètes de très haut niveau dans
des conditions et contraintes extrêmes. Ces
données devront constituer une base normative à
laquelle on pourra se référer pour le sport de
haut niveau et la compétition par exemple.
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Objectifs
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Pour évaluer la technique natatoire dans cette
course au large, notre objectif a été de
concevoir et de réaliser un système
d’acquisition des forces propulsives du
paddle-board en temps réel, en mesurant les
poussées exercées par les mains du nageur sur la
masse d’eau. Les capteurs devaient être
étanches, miniaturisés et placés de sorte à ne
pas entraver la locomotion des nageuses. Nous
avions alors déterminé deux points de mesure des
forces propulsives : un palmaire (paume de la
main) et l’autre digital (sur la pulpe du
majeur). La transmission en temps réel des
signaux issus des capteurs vers le bateau
accompagnateur, impliquait la mise au point d’un
émetteur hertzien disposé sur une partie non
immergée du corps.
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Matériels et Méthodes
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Les capteurs
La déformation d’un matériau élas-tique sous
l’effet d’une force peut être traduite en signal
électrique proportionnel à ladite force grâce à
des jauges d’extensomètrie placées et collées
sur le lieu de son expres-sion optimale. Le
capteur palmaire (fig.1) est une capsule étanche
dont le couvercle forme une membrane encastrée
en matériau non corrosif. Sa déformation sous
l’effet de la pression hydro-dynamique est
tran-scrite en signal électrique par 4 jauges de
contrainte connectées pour former un pont de
Wheatstone. Le circuit est enduit d’un vernis
assurant protection et étanchéité.
Le capteur digital est composé d’une lame
flexible prise en étau sur une extrémité et
laissée libre sur l’autre extrémité. L’exercice
des forces sur cette extrémité entraîne la
flexion de la lame qui est traduite en signal
électrique là aussi, par 4 jauges de contrainte.
L’ensemble est recouvert d’un produit
d’étanchéité (fig. 2 et 3)
L'électronique
Les ponts de jauges des capteurs sont connectés
aux entrées d’une interface électronique à
l’intérieur d’un boîtier étanche et déporté sur
l’avant bras de la nageuse. L’interface est
chargée d’amplifier le signal de force, de le
numériser à la cadence de 20 Hz et de l’émettre
vers le bateau d’assistance et de logistique.
L’émission et la réception s’effectuent selon le
protocole ZigBee®. La portée théorique à vue de
l’émetteur est de 10km. Les accumulateurs de 3,3
volts autorisent une autonomie de 3 heures,
suffisante pour une phase relais de nage.
SWIMMEX® : logiciel d’acquisition et de traitement
des
paramètres hydrodynamiques.
Dans une séquence d’enregistre-ment, SWIMMEX®
permet la sélec-tion du nageur, du type de
capteur, le monitoring, la validation et
l’enre-gistrement avec possibilité de pause et de
reprise. Tous les événements sont datés (figure
4) |
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Fig.1 - Capsule palmaire. Emboîtement étanche de la membrane. |
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Fig.2 - Capteur digital sur
la pulpe du doigt majeur |
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Fig.3 - Figure de gauche :
L'opérateur aide à placer le capteur digital.
Figure de droite : Ensemble du matériel
composant le système. |
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Fig.4 - L’opérateur, à
gauche surveille l’évolution de la nageuse. A
droite, la page de travail de SWIMMEX® |
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Résultats
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Le signal de force
En attendant le dépouillement complet de la
masse des données engrangées, nous ne donnerons
ici qu’une impression d’ensemble sur la base
d’une analyse plutôt qualitative. L’observation
des signaux de force, au cours d’une séquence de
nage à genoux nous permet de caractériser un
cycle de nage avec sa période, ses phases de
traction et de propulsion, sa composition
spectrale, sa vitesse, son accélération, ses
extremums et ses singularités. (fig.5).
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Fig.5 - A gauche, “nage à
genoux”. Capteur palmaire droit. A droite,
échantillon de chronogramme correspondant à ce
mode de propulsion. |
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La stratégie de nage
Les trois nageuses ont adopté la même tactique
de début de nage dans cette course, probablement
pour des considérations d’économie d’énergie, de
gestion du travail et d’ergonomie s’agissant de
la posture choisie sur la planche. Elles
commencent en position allongée. Puis, durant la
course, elles alternent position allongée et
position à genoux. Ces modes de nage, qui se
distinguent par des mouvements de bras
différents, exhibent des signaux de force
d’amplitude, de fréquence, et de cycles
travail/repos différents (fig. 8). |
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Fig.6
A une
posture donnée sur la planche, il
correspond un type de nage : alterné
pour la position allongée (ci-dessus),
simultané en posture à genoux (fig.5) |
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Fig.7
Cet
enregistrement de plus d’1h30 montre 3
épisodes, (encadrés) de nage simultanée
en position à genoux. L’étude comparée
des deux types de nages montre des
différences dans la forme, l’amplitude,
la périodicité des signaux. |
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Fig.8 –
Ces 2 échantillons de 50 sec. montrent que
les cycles de nage sont produits en
salve de travail de durée Tt,
d’amplitude moyenne Am et de période de
repos Tr. La comparaison «posture
allongée» (fig.a), vs «posture à genoux»
(fig.b) montre : i) Tta > Ttb ; ii) Ama<Amb.
En a, Tt>Tr, alors qu’en b, Tt<Tr avec 2
à 3 poussées puissantes et simultanées
des bras avec une phase de repos
importante. Le mode propulsif «a» est
fluide et contrôlé alors que le mode «b»
est du type impulsionnel. Il est à
rapporter à la nage papillon. |
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Paramètres hydrodynamiques
L’observation du tracé d’une période du
signal de force, met en évidence des
points qui marquent le début et fin des
différentes phases comme : le point
d’attaque dans l’eau, les phases de
traction et de propulsion, les
extremums, etc. Des algorithmes basés
sur l’étude de la dérivée première et
seconde nous ont permis d’exhiber les
maximums de vitesse (fig. 9a en rouge)
et d’accélération (en bleu). La
transformée de Fourier (fig. 9b) du
signal de force dans les deux conditions
posturales des nageuses montre un pic
d’amplitude de 0,66 Hz dans un
échantillon de nage «alternée» et un pic
de 0,87 Hz dans un autre échantillon de
nage «parallèle» (non montré). La
composante lente rend compte de la
périodicité travail/repos.
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Fig. 9 – figure a, on a reporté, le profil de poussée, sa vitesse et son accélération. L’observation des signaux de vitesse et d’accélération permet d’accéder aux différents épisodes de l’évolution de la force propulsive. La FFT d’un échantillon de nage alternée (figure b), exhibe 2 pics, le premier pour le cycle travail/repos, le second, de 0,66 Hz pour le cycle du signal de force enregistré sur un bras. Dans ce cas, la fréquence à considérer serait double par le fait de l’alternance des bras i.e 1,32 Hz. Au total, la fréquence des épisodes motrices en alterné est plus grande que celle en parallèle, mais avec une amplitude plus faible.
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Discussion / Conclusion
L’étude des forces propulsives produites
par le bras du nageur se ramène à celle
de l’action d’une rame qui exerce un
moment autour d’un pivot qui est la Dame
de nage. Seules les composantes dans le
sens du déplacement produisent un
travail qui est donc optimum quand le
vecteur force est colinéaire avec le
déplacement. Par ailleurs, nos mesures
qui expriment la déformation d’une
membrane se rapportent in fine à une
pression. La contrainte est
proportionnelle au produit de la
pression par la surface de la capsule en
appui sur la masse de l’eau. La
modélisation, devra tenir compte de la
pression hydrodynamique distribuée sur
la partie immergée du bras pour en
déduire la distribution des moments des
forces et leur résultante. Le bras du
nageur réductible alors à une barre sans
poids et sans volume, articulé, est mû
par un couple moteur autour de l’épaule.
Une étude plus approfondie devrait
prendre en compte les forces de portance
et de traînée ainsi que les
caractéristiques du Paddle Board ; entre
autres, sa finesse. Il n’a pas été
possible, dans cette course au large qui
avait d’autres objectifs, de disposer de
plus de capteurs qui nous auraient
permis de mesurer les asymétries
motrices et la coordination des deux
bras ainsi que les vitesses et
accélérations segmentaires rapportées à
celles du Paddle Board.
Bibliographie
Counsilman J.E- 1986- La natation de
compétition. Ed Vigot, Paris, p221.
Costill D.L, Maglischo B.W, Ricardson
A.B- 1994 – La natation. Ed Vigot,
Paris, p215.
Chollet Didier-1997- (2ème édition)
Approche scientifique de la natation
Sportive. Ed Vigot, Paris, p 389
Pelayo P, Maillard D, Rozier D, Chollet
D- 1999- Natation au colège et au Lycée-
Ed Revue EPS, Paris, p301
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Remerciements
A toutes les personnes qui ont
participé à cette étude et plus
particulièrement : aux grandes
championnes (d. à g.) Stéphanie
Geyer-Barneix, Flora Manciet,
Alexandra Lux et au génial skipper Yves
Parlier.
Ce travail a été réalisé
avec le soutien de la société Innovative
Technology (ou InTech) - Marseille
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