| Des matériaux pour des sauts olympiques

J’avais dans un premier temps voulu intituler cet édito une chimie pour s’envoyer en l’air mais des interprétations ambiguës pouvaient complétement dénaturer le propos. Il s’agit bien ici en 2024 de parler des épreuves olympiques qui permettent à certains athlètes de s’élever loin du sol et de vaincre la pesanteur pour établir un nouveau record. Deux épreuves retiennent notre attention, l’une discipline olympique depuis 1896 lorsque le baron Pierre de Coubertin l’introduit dans les premiers Jeux olympiques de l’ère moderne, le saut à la perche, l’autre plus récente intégrée aux Jeux de Sydney en 2000 est la version gymnastique d’un jeu de jardin, le trampoline.

Le saut à la perche

Utilisé dans la Grèce antique comme moyen pour franchir les ruisseaux à l’aide de longues tiges de bois on en retrouve trace dans des jeux irlandais vers 550 av. J.-C. sous forme de saut en longueur. Au XVIII^e siècle aux Pays-Bas, le Fierljeppen est un jeu consistant à franchir une rivière avec une longue perche de plusieurs mètres. Ce n’est que fin du XIX^e siècle que les sauts en longueur laissent la place aux sauts en hauteur avec une impulsion du coureur vers le haut et non plus horizontale. Intégré dans les championnats anglo-saxons les règles s’imposent progressivement et en 1892 les championnats de France couronnent un stadiste avec un saut à 2,41 m. En 1896 c’est un Américain William Hoyt qui remporte la médaille d’or des premiers Jeux avec un saut à 3,30 m.

Commence alors la course aux matériaux pour la perche. Au départ perches en bois rigides peu flexibles puis en Bambou un matériau composite naturel (1) qui plie sans nécessairement se rompre. Viennent ensuite des alliages d’aluminium et de cuivre dont les coefficients d’élasticité ont été optimisés et enfin des perches en composites avec des nappes de fibres de verre cylindriques bien collées par des polyesters et mieux encore des fibres de carbone tressées et enserrées dans un polymère (2). Ces dernières perches peuvent se plier largement et se déplier en lançant l’athlète vers le haut. C’est très grossièrement un réservoir d’énergie car il s’agit bien dans cette compétition d’accumuler et de restituer le maximum d’énergie.

Pour un athlète de 80 kg et pour sauter à 5 m il faut 80 x 10 x 5 = 4000 J avec une seule impulsion. Un athlète capable de développer 1,3 kW en 0,3 seconde (saut à pieds joints) n’atteindra que 70 cm. Il faut donc une course d’élan qui va donner une énergie cinétique E_c = ½ mv², une énergie potentielle de l’athlète capable avec les bras et les muscles des abdominaux de se retourner et de pointer vers la barre, E_p, et bien sûr l’énergie de flexion restituée par la perche vers le haut E_f.

L’équation totale est alors E_totale = E_c + E_p + E_f qui permet en une seconde d’atteindre la puissance (i) nécessaire pour sauter 5 m et plus. La perche en composite absorbe et restitue l’énergie comme un arc qui a été tendu et qui va lancer une flèche vers la cible. Les perches en composites doivent allier rigidité et flexibilité, elles ont une longueur comprise entre 5 et 6 m et pèse environ 20 kg (3). C’est pourquoi on voit au début de la course d’élan le sauteur porter la perche verticalement et l’abaisser progressivement avant de l’enfoncer dans le butoir et de donner son impulsion vers le haut. C’est un moment crucial car la propulsion doit être dirigée vers le haut et vers l’avant sinon le sauteur s’expose à un « retour piste » très dangereux car il retombe sur la piste et non sur les matelas de mousse en polyester de l’autre côté du sautoir. Discipline très exigeante, ce n’est que depuis 2010 que les recordmen tutoient les 6 mètres ; d’abord l’ukrainien Sergueï Bubka, puis le français Renaud Lavillenie et depuis 2023 Le Suédois Armand Duplantis à 6,23 m. Y a-t-il encore des degrés de progression ? Seuls l’entrainement et la recherche en matériaux nouveaux nous l’apprendront.

Le trampoline

C’est dans les années 1930 qu’un jeune américain Georges Nissen, en voyant au cirque les trapézistes se laisser tomber dans un filet, a l’idée de fabriquer un appareil qui leur permettrait de rebondir avec un tissu accroché à un cadre rigide par des ressorts. Avec trois amis il fait une tournée aux États-Unis et au Mexique pour populariser son invention qui est baptisée « el trampolin » en espagnol. C’est en 1941 qu’il crée la première société de fabrication des trampolines qui sont utilisés pour l’entrainement des pilotes, et c’est après 1950 que des épreuves de trampoline sont intégrées dans les compétitions universitaires d’athlétisme. Les premiers championnats du monde voient le jour en 1964 et en 1980 le trampoline est intégré comme sport de démonstration dans les Jeux olympiques et ne devient sport olympique qu’en 2000 aux Jeux de Sydney.

Le trampoline de compétition est constitué d’un cadre métallique de 4x2 m situé à 1,15 m du sol et entouré de matelas de mousse de polyester pour la sécurité des gymnases. Le tapis de sol est en polypropylène avec des mailles très serrées (260 g/m²) (4) accroché par des œillets métalliques au cadre par 120 ressorts en acier dur à teneur en carbone supérieure à 0,45% et souvent galvanisés (5). Les athlètes par impulsion sautent sur le tapis de saut qui avec les ressorts leur restituent de l’énergie et peut les propulser à chaque impulsion à plus de huit mètres en hauteur. Les acrobaties et figures dans les airs, sauts périlleux, retournés, rouleaux, etc. sont appréciés par un jury qui donne une note technique et artistique. Les champions olympiques 2020 sont Ie biélorusse Ivan Litvinovich et chez les femmes la chinoise Zhu Xueying. En 2024 la compétition doit se dérouler à l’Arena Bercy le 2 août. En fait c’est plutôt l’activité de loisirs qui a entrainé les compétitions. On trouve pour quelques centaines d’euros des trampolines de jardin de formes carrée ou circulaire avec un tapis de saut protégé par des coussins et un filet de protection pour la sécurité des enfants. Les salles de sport ont aussi installé des « jumping fitness » où il s’agit de faire des exercices de sport sur trampoline, une séance de 15 minutes remplaçant le jogging.

Dans ces deux sports, le saut à la perche et le trampoline, les forces musculaires alliées à la technologie des matériaux sont une belle démonstration de l’énergie déployée, conservée et amplifiée, non seulement pour atteindre des records mais pour décrire des trajectoires et sauts de toute beauté.

Jean-Claude Bernier
janvier 2024

(i) La puissance est l’énergie libérée pendant un certain temps.

Pour en savoir plus
(1) Les matériaux composites dans le sport,Y. Rémond et J.-F. Caron, in La chimie et le sport (EDP Sciences, 2011) isbn : 978-2-7598-0596-9
(2) Les matériaux de la performance, C. Agouridas, J.-C. Bernier, D. Olivier et P. Rigny, in La chimie dans le sport, collection Chimie et... Junior (EDP Sciences, Fondation de la Maison de la Chimie, 2014), isbn : 978-2-7598-1238-7
(3) Les matériaux dans le sport, (r) évolutionnaires !, P. Bray, O. Garreau et J.-C. Bernier, Fiche Chimie et... en fiches (Mediachimie.org)
(4) Les textiles et les vêtements pour le sport, C. Agouridas, J.-C. Bernier, D. Olivier et P. Rigny, in La chimie dans le sport, collection Chimie et... Junior (EDP Sciences, Fondation de la Maison de la Chimie, 2014), isbn : 978-2-7598-1238-7
(5) Corrosion des métaux et protection, D. Soissons, Dossier pédagogique Nathan / Mediachimie (Mediachimie.org)
 

Crédits illustrations : Perche par andreas N / Pixabay ; Trampoline, Finale Jeux olympiques de la jeunesse d'été de 2018, Martin Rulsch, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons