En août 2001, huit athlètes français sont devenus champions du monde d’aviron en catégorie «poids légers», après avoir ramé 2 000 mètres à la vitesse moyenne de 21,4 kilomètres par heure. Comment ont-ils fait? Les rameurs propulsent leur bateau en faisant levier sur l’eau à l’aide de leurs rames. Ceux qui pratiquent l’aviron s’assoient face à l’arrière de leur esquif et plongent leurs avirons dans l’eau le plus «souplement» possible avant d’appuyer. Afin de réduire le nombre d’immersions des avirons dans l’eau, les rameurs sont assis sur des chariots mobiles ; ils plongent les rames quand les jambes sont repliées, et sortent les rames de l’eau quand ils sont couchés vers l’arrière, jambes étendues. Cette combinaison de mouvements amplifie la course des avirons, de sorte que l’effet de levier dure plus longtemps.

Leur esquif lancé, l’objectif des rameurs est de contrebalancer, par un effort continu et régulier, l’usure naturelle du mouvement par les divers frottements liquides. À l’évidence, les causes de déperdition d’énergie sont nombreuses : chaque aviron frotte sur l’eau et les avirons cèdent une partie de leur quantité de mouvement au liquide, perdant ainsi une petite fraction de l’énergie développée par le rameur. Un rameur habile minimise cette perte en «s’appuyant» sur l’eau au maximum plutôt qu’en la mettant en mouvement. C’est pourquoi, quand les rameurs sont de bons techniciens, l’essentiel de la résistance à l’avancement du bateau provient du frottement de la coque sur l’eau et de la résistance de la vague, dite d’étrave, créée à l’avant du bateau.

Dans les conditions calmes habituelles des compétitions d’avirons, la force de frottement est égale au carré de la vitesse du bateau multiplié par la valeur de sa surface immergée et par un certain coefficient de structure. Comme son nom l’indique, ce «coefficient de structure» dépend de la texture et de la forme de la partie immergée de la coque ; le matériau ultralisse et la forme longue et effilée adoptés pour construire les bateaux de compétition abaissent ce coefficient et réduisent les vagues et les remous. Selon le principe d’Archimède, le volume immergé est égal à la masse du bateau divisée par la masse volumique de l’eau. Pour que le volume, et donc la surface immergée, et donc les frottements, soient aussi réduits que possible, les constructeurs allègent au maximum leurs esquifs : le poids d’un skif – un bateau à un seul rameur –, est d’à peine 20 kilogrammes, celui d’un bateau à huit rameurs n’excède guère 100 kilogrammes.

Pour que le bateau avance à une certaine vitesse, les rameurs doivent fournir une puissance constante égale à la puissance développée par la force de frottement. Cette force étant proportionnelle au carré de la vitesse du bateau, la puissance de propulsion nécessaire (force multipliée par la vitesse) croît comme le cube de cette vitesse. Lorsque les rameurs redoublent d’efforts, ils n’accroissent la vitesse que de… 26 pour cent. Une comparaison entre les performances d’un rameur moyen et celles d’un champion illustre encore mieux le phénomène : seul sur son skif, un rameur en bonne santé atteint et maintient facilement environ 14 kilomètres par heure. Pendant toute la durée de l’effort, il dépense 250 watts. Toutefois, s’il souhaite devenir un champion, il lui faut presque doubler cette puissance. Il n’accroît alors sa vitesse que de… 3,6 kilomètres par heure. Lancé sur 2 000 mètres à une vitesse moyenne d’environ 17,6 kilomètres par heure, un champion de skif maintient cet effort considérable pendant sept minutes!

Conversion puissance/vitesse

La faible conversion puissance/vitesse explique qu’un «huit» soit à peine plus rapide qu’un «skif». Comparons la performance des champions du monde français en bateau à huit à celle des champions de skif sur la même distance. Nos athlètes ont fourni une puissance de propulsion totale voisine de 4 000 watts, qui servait à emmener le poids du bateau plus celui du barreur et des rameurs. À peu près neuf fois plus lourde qu’un skif, leur embarcation était freinée en proportion de sa surface immergée, laquelle varie à peu près comme la puissance 2/3 du volume immergé : celle d’un bateau à huit rameurs est donc quelque 4,33 (9^2/3) fois plus grande que celle d’un skif. Ainsi, alors que les huit rameurs fournissent environ huit fois plus de puissance, leur poids et celui du barreur engendrent 4,33 fois plus de frottements. Si l’on suppose que chaque équipier fournit la même puissance qu’un rameur de skif, la vitesse du bateau à huit est égale à celle du skif multipliée par la racine cubique du rapport 8/4,33, ce qui représente un accroissement de seulement 23 pour cent. Nous déduisons de ce raisonnement que la vitesse d’un bateau de huit équipiers, tous capables de soutenir une vitesse de 17,6 kilomètres par heure en skif, est d’environ 21,6 kilomètres par heure, une valeur voisine des 21,4 kilomètres atteints par nos champions.

Pour utiliser l’énergie de son équipe de façon optimale, le barreur veille à ce que la vitesse du bateau soit aussi constante que possible pendant toute la course, les rameurs s’efforçant quant à eux de maintenir cette vitesse constante pendant chacun de leurs mouvements synchronisés.

Régularité souhaitée

Examinons une situation concrète pour montrer l’effet bénéfique de la régularité sur les performances. Prenons le cas d’un bateau qui avance de un mètre par seconde quand la puissance de propulsion est de cinq watts. Puisqu’elle est proportionnelle au cube de la vitesse, la puissance de propulsion qu’il faudrait pour que ce même esquif avance de 3 mètres par seconde est de 5 fois 3³, soit 135 watts. Un rameur qui voudrait couvrir 600 mètres en 200 secondes devrait fournir cette puissance pendant cette durée, dépensant ainsi une énergie de 135 x 200, soit 27 000 joules. Cependant, ce même rameur pourrait aussi choisir de progresser de deux mètres par seconde pendant la moitié du temps, puis de doubler la vitesse pendant le temps restant. Il lui faudrait donc développer 40 watts pendant la moitié du temps, puis passer à 320 watts, et dépenser au total une énergie de 40 x 100 + 320 x 100, soit 36 000 joules. Cette valeur est supérieure de 33 pour cent à l’énergie de 27 000 joules correspondant à une vitesse de trois mètres par seconde!

Cet écart appréciable résulte de la relation de proportionnalité qui lie la puissance de propulsion non pas à la vitesse, mais au cube de cette vitesse. Il existe une «vitesse idéale», celle pour laquelle les athlètes parcourent en un temps minimal la distance de course tout en dépensant l’énergie maximale qu’ils peuvent fournir ; tout écart entre cette vitesse idéale et les vitesses instantanées «retarde le rameur». Si des considérations tactiques peuvent amener des concurrents à modifier leur vitesse pendant la course, la capacité à réguler la vitesse n’en reste pas moins le facteur déterminant de victoire!

Dans la pratique, une régularité parfaite de mouvement n’est guère possible : un rameur ne fournit pas un effort continu puisque ses avirons sont hors de l’eau la moitié du temps. Cependant, la séquence de mouvements utilisée par les spécialistes de l’aviron leur permet de maintenir quand même la vitesse à peu près constante. Comment font-ils? S’ils n’utilisaient que leurs bras, la vitesse de l’esquif décroîtrait pendant le «temps glisseur», durant lequel les rames sont hors de l’eau. Cependant, après le «temps moteur», pendant lequel l’athlète tire sur ses bras pour propulser le bateau et déplie son corps, le rameur sort les avirons de l’eau avant de ramasser ses jambes vers l’arrière tout en poussant ses bras et les avirons vers l’avant. En réaction, le bateau se déplace vers l’avant plus rapidement que le rameur puisque sa masse, égale à environ 20 kilogrammes pour un skif, est plus faible que celle du rameur, voisine de 80 kilogrammes. Ainsi, les très bons rameurs savent comment «étaler» leurs mouvements de jambe de façon à maintenir quasi constante la vitesse de l’esquif pendant la phase de glissement. Ils utilisent ainsi la puissance qu’ils développent de façon optimale.

Si les athlètes de l’aviron travaillent sur l’eau pour améliorer leur technique, ils travaillent en salle leur puissance physique à l’aide d’une machine à ramer : un ergomètre. Avec ce dispositif à simuler les efforts faits sur l’eau, le sportif est assis sur un siège coulissant, et tire sur une chaîne dont la translation entraîne la rotation d’un volant d’inertie. Lorsque le rameur en salle replie les jambes pour se ramasser tout en poussant sur ses bras, un mécanisme de rappel enroule la chaîne tandis que le volant d’inertie tourne librement. Lorsqu’il se déplie pour tirer, des ailettes solidaires de la roue transforment le volant d’inertie en une sorte de ventilateur. Un clapet régule l’arrivée d’air et fait varier à volonté l’intensité de la force de frottement. Au final, la puissance que le sportif doit fournir au système est proportionnelle au cube de la vitesse de rotation du volant, qui simule ainsi celle d’un esquif sur l’eau.

Les appareils de salle ont l’avantage d’être plus faciles à instrumenter que les bateaux. Grâce à leurs calculateurs électroniques, les ergomètres informent les pratiquants de leurs performances. Pour cela, la simple mesure de vitesse instantanée de la roue suffit. Ainsi, lorsque le sportif revient en position ramassée, la vitesse de la roue décroît. Le calculateur détermine à partir de cette décroissance la puissance dissipée par les frottements, c’est-à-dire la puissance que développe le sportif. Les ergomètres estiment aussi une vitesse équivalente de bateau et une distance équivalente parcourue, ce qui permet au rameur en salle de retrouver – ou d’imaginer – les sensations acquises à l’extérieur. Toutefois, l’allure du «bateau équivalent» est inférieure à celle d’un bateau réel à bord duquel le rameur aurait fourni un effort égal. En salle, le rameur doit en effet accélérer son corps vers l’avant puis vers l’arrière, ce qui lui coûte une puissance d’environ environ 40 watts, indisponible pour la performance au compteur.

Roland Lehoucq est astrophysicien au service d’astrophysique du CEA. Jean-Michel Courty est physicien, chargé de recherche au CNRS.

Illustrations : Bruno Vacaro.

POUR EN SAVOIR PLUS :

• Décomposition du mouvement :
  http://www.triton.studver.uu.nl/tech/index.php3?way=scull&cur=8
  

• Fédération Française des Sociétés d’Aviron :
  http://avironfrance.asso.fr/accueil.htm

N° 288 octobre 2001
© Pour la Science (2001)