Analyse de critères mécaniques de la performance en plongeon sur tremplin

Généralités sur le déroulement d’un plongeon

                 Lors d’un plongeon sur tremplin, le plongeur effectue une figure acrobatique après une prise d’impulsion sur un tremplin. Les figures réalisées ainsi que la façon avec laquelle le plongeur prend son impulsion dépendent du type de plongeon à réaliser. La classification des différents plongeons ainsi que leurs déroulements sont donc présentés dans cette section. Les plongeons sur tremplin sont identifiés par un code à 3 ou 4 chiffres. Le premier chiffre distingue les 5 groupes de plongeons (FINA, 2017) :
— avant (1) ;
— arrière (2) ;
— renversé (3) ;
— retournés (4) ;
— avec vrilles (5).
Pour les 4 premiers groupes, le second chiffre du code vaut 1 lorsque la position est prise au vol, c’est à dire que le premier demi-saut périlleux est effectué en position droite (Miller, 2000). Ce chiffre vaut 0 sinon. Pour les plongeons avec vrilles, le second chiffre indique le groupe du plongeon conformément à la liste ci-dessus. Le troisième chiffre indique le nombre de demi-sauts périlleux. Pour les sauts avec vrilles, le quatrième chiffre indique le nombre de demi-vrilles. Ce code est suivi d’une lettre indiquant la position du plongeon en l’air (FINA, 2017) :
— droit (A) ;
— carpé (B) ;
— groupé (C) ;
— libre (D).
On peut considérer deux familles de plongeons :
— les plongeons sans élan, avec une position de départ à l’extrémité libre du plongeoir ;
— les plongeons avec élan, précédés d’une marche ou course d’élan. Les plongeons en avant et renversés sont précédés d’une course d’élan, ce qui n’est pas le cas des plongeons en arrière ou retournés. Miller (2000) décrit le déroulement d’un plongeon en 2 étapes : une étape de préparation avant de décoller du plongeoir et la phase aérienne entre le décollage et l’entrée du plongeur dans l’eau. La phase de préparation diffère pour les plongeons avec et sans élan. Les différentes phases pour un plongeon avec élan sont illustrées dans la Figure 1.2 ci-dessous. Lors d’un plongeon avec élan, le plongeur commence par une marche ou une course d’élan de l’origine du plongeoir avant d’atteindre l’étape du « hurdle ». Lors du hurdle, le plongeur effectue un saut vers le haut avant d’atteindre la dernière phase de contact avec le plongeoir. Cette dernière phase de contact commence par le « touchdown » et se termine par le décollage. Lors d’un plongeon sans élan, la prise d’impulsion s’effectue de l’extrémité libre du plongeoir en effectuant un mouvement vers le bas puis vers le haut avant le décollage. L’ensemble de ces phases seront regroupées en 3 grandes étapes dans la suite du manuscrit : le hurdle allant de l’atterrissage du hurdle au touchdown, l’impulsion allant du touchdown au décollage, et la phase aérienne allant du décollage à l’entrée dans l’eau.

Modélisations du plongeur et du plongeoir et prise en compte de leur interaction

Modélisations du plongeoir Différents modèles de plongeoir ont déjà été proposés dans la littérature (voir Figure 1.5). Le plongeoir a tout d’abord été modélisé par un système masse-ressort (Sprigings et al., 1989) (Figure 1.5 a)). Ce modèle ne représente que l’extrémité du plongeoir pour un réglage de l’appui donné. Des essais statiques ont été réalisés pour déterminer la raideur du modèle représentée par la loi de Hooke. La masse effective et l’amortissement du modèle masse-ressort ont été estimés à partir d’essais dynamiques lors desquels ont été disposés des accéléromètres à différentes distances de l’extrémité libre du plongeoir. Les effets de l’amortissement sur le mouvement du plongeoir ont été considérés comme négligeables, c’est pourquoi un modèle masse-ressort non amorti a été conseillé. La démarche de détermination des paramètres effectifs a été appliquée à un plongeoir Duraflex (Sprigings et al., 1989) puis Maxiflex (Sprigings et al., 1990). Cela a permis de comprendre pourquoi à cette époque la planche Maxiflex était souvent préférée par les plongeurs : cette dernière comportait des perforations à son extrémité à l’origine d’une souplesse plus importante. Cette caractéristique est d’ailleurs retrouvée dans les plongeoirs utilisés de nos jours. Miller et Jones (1999) ont proposé une procédure basée sur des essais dynamiques pour améliorer l’estimation de la raideur effective du modèle masse-ressort. Cette méthode établit une relation linéaire entre une masse ajoutée à l’extrémité du plongeoir lors des essais, la raideur et la masse effective du plongeoir. Différentes améliorations du modèle masse-ressort non amorti ont ensuite été proposées. Sprigings et Miller (2004) ont permis au modèle de plongeoir de s’incliner et ainsi produire une composante horizontale de la force de projection appliquée aux pieds du plongeur. Haake et al. (2010) ont ajouté des oscillations amorties au comportement oscillatoire du modèle pour suivre au mieux le déplacement observé expérimentalement à l’extrémité libre du plongeoir. Kooi et Kuipers (1994) ont comparé le modèle masse-ressort non amorti (Figure 1.5 a)) à deux autres modèles : un modèle discrétisé du plongeoir complet (Figure 1.5 d)) et une poutre Dans le modèle discrétisé, chaque élément a une masse associée et les éléments sont liées entre eux par des ressorts de torsion. Dans le modèle de poutre rigide en rotation, la raideur du ressort et la masse à l’extrémité sont déterminées en se basant sur des considérations énergétiques (énergie cinétique pour la masse et énergie potentielle pour la raideur). L’ensemble de ces modèles ne prend pas en compte le contact unilatéral au niveau de l’appui. Cette étude a montré que le modèle discrétisé était le plus précis mais présentait un temps de calcul élevé. Il a également été montré que le modèle masse-ressort n’était pertinent qu’en petits déplacements. Le modèle de poutre a été présenté comme le meilleur compromis entre temps de calcul et précision. Kong et al. (2004) ont proposé un modèle de plongeoir à 3 DDL dans le plan sagittal du plongeur (translation verticale, translation horizontale, rotation dans le plan) (Figure 1.5 c)). Il s’agit d’une barre rigide de 30 cm dont le comportement vertical est celui d’un système masse ressort non amorti. Le déplacement horizontal et la rotation sont définis comme des fonctions du déplacement vertical déterminées à partir d’une étude expérimentale. La raideur effective de cette portion de plongeoir dépend linéairement de la distance entre le point d’observation (là où se situent les pieds du plongeur) et l’extrémité libre du plongeoir. L’ensemble de ces modèles ne considère jamais le plongeoir dans son ensemble. Cet aspect serait intéressant si l’on souhaite étudier l’évolution des énergies mécanique, potentielle et cinétique du plongeoir (Sinclair et al., 2012), notamment pour les mettre en regard de la stratégie motrice du plongeur (Sanders et Wilson, 1988). En effet, peu d’études se sont intéressées à l’évolution de ces énergies. Kooi et Kuipers (1994) a calculé les énergies potentielle et cinétiques maximales du plongeoir pour différents cas de chargement et ce pour différentes modélisations du plongeoir. Mais cette étude ne s’intéresse pas aux échanges énergétiques avec le plongeur tout au long d’un plongeon.
Modélisations du plongeur Le plongeur a également été modélisé de différentes façons. Si l’on s’intéresse principalement au comportement du plongeoir, le plongeur peut être représenté par une masse ponctuelle liée au modèle de plongeoir (Kooi et Kuipers, 1994). Le plus souvent, des modèles constitués de solides rigides polyarticulés sont utilisés pour décrire la cinématique du plongeur (ces modèles sont décrits dans la suite du paragraphe). La plupart des modèles sont plans, ce qui est adapté pour l’étude de l’ensemble des phases précédents la phase de vol. Néanmoins, des mouvements hors plan peuvent être observés pendant la phase de vol, notamment dans le cas de plongeons avec vrilles. Yeadon et al. (1990) ont utilisé un modèle 3D à 11 segments suivant une consigne en déplacement pour étudier des mouvements aériens dans divers sports (King et Yeadon, 2015), et notamment en plongeon sur tremplin (Sayyah et al., 2018; Yeadon, 1993; Yeadon et Hiley, 2018, 2019). Le niveau de complexité du modèle dépend de la problématique à laquelle on cherche à répondre. Les autres modèles utilisés pour l’étude du plongeon sur tremplin sont plans et sont composés de 2 (Cheng et Hubbard, 2004; Kong, 2010) à 14 segments (Sanders et Wilson, 1987, 1988). Kong (2005) a proposé une méthode basée sur les données de mouvement 2D et des mesures anthropométriques pour estimer des coordonnées 3D dans le cas de mouvements symétriques. Le modèle à 2 segments de Cheng et Hubbard (2004) considère uniquement les membres inférieurs comme des segments sans masse propre liés à leur extrémité haute à une masse ponctuelle correspondant à la masse du plongeur. Miller et Sprigings (2001) ont étudié l’effort nécessaire pour maintenir une position quasi-rigide carpée ou groupée en modélisant le plongeur comme un anneau avec une masse et un rayon donné tournant autour de son CdM. Le plus souvent, chaque segment est considéré comme ayant une masse propre. Les données inertielles du plongeur sont issues de données de la littérature comme celles issues de Dempster (1955); Dempster et Gaughran (1967); De Leva (1996), de mesures anthropométriques effectuées sur les sujets étudiés (Cheng et Hubbard, 2005) éventuellement associées à des méthodes comme celle de Yeadon (1990). Cette méthode considère 40 solides dans le corps humain qui sont définis grâce à 95 mesures anthropométriques. Elle permet d’estimer la masse et la position du CdM de chaque segment. Certains modèles sont pilotés en effort en se basant sur les propriétés des muscles humains connues dans la littérature. Cela nécessite souvent de connaître des informations spécifiques au sujet comme le couple maximal que peut fournir chaque articulation. Ces informations peuvent être estimées empiriquement (Cheng et Hubbard, 2004) ou mesurées à l’aide d’un dynamomètre isocinétique (Kong, 2005). King et al. (2009) ont proposé une méthode d’optimisation permettant de déterminer des paramètres d’effort spécifiques au sujet étudié. L’erreur RMS (racine de l’erreur quadratique moyenne) entre des critères cinématiques et cinétiques de la simulation et ceux de performances filmées est minimisée. Le modèle de Kong (2005) comporte des masses oscillantes liées aux segments du corps par des systèmes ressorts-amortisseurs pour représenter les tissus mous. Ces masses oscillantes sont définies par des paramètres déterminés à partir de données issues de la littérature et de mesures anthropométriques associées à des modèles de la littérature. Ce modèle de plongeur est lié au plongeoir par des systèmes ressorts-amortisseurs dont les paramètres doivent également être déterminés. Ces paramètres sont déterminés par une méthode d’optimisation permettant de minimiser l’écart entre des quantités cinématiques et cinétiques d’une version de ce modèle asservie en déplacement et celles de plongeons filmés (Yeadon et al., 2006). Cette méthode a également été utilisée pour déterminer les paramètres viscoélastiques des masses oscillantes et des paramètres du modèle de plongeoir associé (Kong et al., 2004). Même si ces modèles ont permis d’apporter de nombreuses contributions qui seront exposées dans les parties suivantes, ils présentent quand même des limites. Les seuls modèles 3D de plongeur proposés dans la littérature sont dédiés à l’étude de la phase de vol. Aucun modèle 3D n’est utilisé pour l’étude du hurdle et de l’impulsion. La courbure du tronc peut faciliter la génération du moment cinétique (Kong, 2005). Les modèles présentés ici considèrent tous le tronc comme un unique segment rigide, et ne prennent donc pas en compte cet effet. Lors de la phase de vol, les différents segments du corps sont en contact et exercent des efforts les uns sur les autres. Ces efforts sont très difficiles à prendre en compte. Or, le fait de ne pas les prendre en compte entraîne des erreurs dans l’estimation des couples articulaires nécessaires pour le maintien de la position en vol (Miller et Sprigings, 2001; Kong, 2010). L’utilisation d’un moment d’inertie constant lors de la phase de vol dès le décollage dans le modèle de Cheng et Hubbard (2008) tend à augmenter artificiellement le nombre de rotations effectuées par le modèle.
Prise en compte de l’interaction Comme évoqué dans l’introduction de cette thèse, l’interaction entre le plongeur et le plongeoir est au cœur de la performance. La façon dont est prise en compte cette interaction est donc cruciale dans les modèles utilisés pour analyser la performance en plongeon sur tremplin. Le plongeur et le plongeoir exercent un effort d’interaction l’un sur l’autre. Cet effort est une image de l’interaction entre le plongeur et le plongeoir, il est donc important de l’estimer avec précision. L’amplitude, la direction et le point d’application (sur le plongeur comme sur le plongeoir) de cet effort d’interaction évoluent au cours du temps. Les hypothèses faites sur ces 3 caractéristiques de l’effort d’interaction ont une influence sur la précision de son estimation, ainsi que celle des quantités mécaniques calculées à partir de l’effort d’interaction en question (Sanders et Wilson, 1987). L’évolution du point d’application au cours du temps est rarement prise en compte. Si le comportement du plongeoir est principalement étudié, alors le plongeur est modélisé comme une masse fixée à l’extrémité libre du plongeoir (Kooi et Kuipers, 1994). Lorsque le plongeur est modélisé dans son ensemble (modèle multi-corps), il est parfois fixé à l’extrémité libre du plongeoir (Cheng et Hubbard, 2004, 2005). Le modèle de plongeoir proposé par Kong et al. (2004) permet de faire varier la position du point de contact entre le plongeur et le plongeoir. Certaines hypothèses sont parfois faites sur la direction de l’effort. Cet effort d’interaction entre le plongeur et le plongeoir possède 6 composantes. Les modèles traitant du hurdle et de l’impulsion sont des modèles 2D qui ne considèrent donc plus que 3 composantes maximum (force horizontale, force verticale, rotation dans le plan). La modélisation du plongeoir comme un système masse-ressort (Kooi et Kuipers, 1994) ne génère que la composante verticale de l’effort d’interaction. Or on sait qu’une force de projection horizontale est nécessaire pour générer le déplacement horizontal entre le plongeur et le plongeoir ainsi que le moment cinétique du plongeur. Les hypothèses concernant le point d’application et la direction de l’effort d’interaction ont une influence sur la précision de l’amplitude calculée. De plus, certains modèles ne prennent pas en compte les effets dynamiques des contacts intermittents entre le plongeur et le plongeoir ce qui peut modifier l’activation musculaire (Sprigings et Miller, 2004), tout comme la considération de liaisons sans frottement (Cheng et Hubbard, 2008).

Phase de vol

           L’étude des plongeons avec vrille a montré les différentes techniques mises en œuvre pour les réaliser. Un tiers de la contribution à la réalisation de vrille provient de la phase de contact avec le plongeoir, le reste provient de techniques aériennes réalisées après le décollage (Yeadon, 1993). Les techniques aériennes sont réalisées à partir de mouvements asymétriques des bras, de flexion des hanches et de torsion du tronc (Yeadon et Hiley, 2018). Yeadon et Hiley (2019) ont confirmé que les techniques de contact (réalisées lors de la phase de contact entre le plongeur et le plongeoir) apportaient moins à la réalisation de vrilles que les techniques aériennes. Cette étude a également montré que les techniques de contact avaient un impact négatif sur l’orientation du corps à l’entrée dans l’eau, qui doit être la plus verticale possible. Pour ce qui est des plongeons en position groupée ou carpée, un effort musculaire est nécessaire pour maintenir la position pendant la phase de vol. Cet effort est fonction de la vitesse angulaire du plongeur au carré (Miller et Sprigings, 2001). Le couple généré au niveau de la hanche est nécessaire pour permettre le maintien en position carpée et contrôler l’extension pendant la phase de sortie qui prépare l’entrée dans l’eau (Kong, 2010). Une position carpée plus serrée permet de minimiser le moment d’inertie du plongeur (Sanders et Gibson, 2000). Néanmoins cela nécessite un peu plus de temps et tend à écourter la période de préparation à l’entrée dans l’eau. Des recherches supplémentaires seraient nécessaires pour comprendre si la difficulté à obtenir une position carpée plus serrée est due à la force nécessaire, à la structure anatomique ou à la capacité à gérer la position pendant la rotation. Sayyah et al. (2018) ont montré que le plongeur effectuait des ajustements temporels des hanches et des bras pour réduire l’impact de la variabilité des conditions de décollage sur l’orientation à l’entrée dans l’eau.

Méthode de prédiction des F&MI

                  Cette méthode destinée à l’étude du plongeon sur tremplin s’est basée sur le même modèle biomécanique que la méthode générique. La calibration géométrique du modèle n’a pas été effectué à partir d’un essai de gammes articulaires mais à partir d’un essai de plongeon avec élan. Du fait du caractère très dynamique des mouvements étudiés, les coordonnées articulaires ont été filtrées à 10 Hz et non à 5 Hz comme dans l’étude précédente. L’erreur de reconstruction moyennée sur les 4 essais était de 1,65 ± 0,1 cm. Le plongeoir a été considéré comme une succession de surfaces rigides. L’étape de détection de contact de la méthode générique a été modifiée pour identifier en amont la surface du plongeoir située sous les pieds du sujet, appelée surface de contact potentiel (SCP). À chaque pas de temps et pour chaque PP, le numéro du marqueur du plongeoir le plus proche du PP considéré a été sauvegardé. La SCP a été considérée comme la surface entre le premier et le dernier marqueur trouvé précédemment, les marqueurs ayant été parcourus de l’origine du plongeoir vers son extrémité libre (Figure 2.11). Om était le point correspondant au premier marqueur de la SCP. Le repère local (Om, Xm, Ym, Zm) a été créé à partir des marqueurs de la SCP et du vecteur allant du 49ème marqueur au 50ème.

Table des matières

Introduction
1 État de l’art
1.1 Généralités sur le déroulement d’un plongeon 
1.2 Objectifs principaux en plongeon sur tremplin et variables d’intérêt associées 
1.3 Démarches d’analyse du plongeon sur tremplin, modèles et méthodes associés
1.3.1 Données expérimentales
1.3.2 Modélisations du plongeur et du plongeoir et prise en compte de leur interaction
Modélisations du plongeoir
Modélisations du plongeur
Prise en compte de l’interaction
1.3.3 Approches basées sur l’analyse de mouvement
1.3.4 Approches basées sur la génération de mouvement
1.4 Contributions à l’étude de la performance en plongeon sur tremplin 
1.4.1 Phase de vol
1.4.2 Impulsion
1.4.3 Hurdle
1.5 Synthèse 
1.6 Positionnement et structure de la thèse
2 Estimation des efforts d’interaction 
2.1 Introduction 
2.2 Méthode de prédiction générique
2.2.1 Procédure expérimentale
2.2.2 Méthode de prédiction des GRF&M
2.2.3 Analyse des données
2.2.4 Résultats
2.2.5 Discussion
Précision de la méthode
Limites et perspectives
2.3 Méthode de prédiction pour le plongeon sur tremplin 
2.3.1 Procédure expérimentale
2.3.2 Méthode de prédiction des F&MI
2.3.3 Analyse des données
2.3.4 Résultats et discussion
2.4 Conclusion du deuxième chapitre
3 Simulation du comportement du plongeoir 
3.1 Introduction
3.2 Méthode 
3.2.1 Procédure expérimentale
3.2.2 Modèle de plongeoir
3.2.3 Application des F&MI
3.2.4 Méthode de caractérisation
3.2.5 Analyse des données
3.3 Résultats 
3.4 Discussion 
3.4.1 Précision de la méthode
3.4.2 Limites et perspectives
3.5 Conclusion du troisième chapitre 
4 Contributions à l’étude de la performance en plongeon sur tremplin : analyse de mouvement d’un plongeur de niveau international 
4.1 Introduction 
4.2 Procédure expérimentale 
4.3 Méthode d’analyse de la performance
4.3.1 Étude 1 : analyse de la poussée du plongeur sur le tremplin lors de l’impulsion
Démarche
Instants clés
Flexion maximale des genoux
Amplitude de l’extension des genoux
Couple maximal des genoux
4.3.2 Étude 2 : analyse de l’effet de l’amplitude des F&MI sur la performance
Démarche
Altitude du CdM du plongeur au décollage
Altitude maximale de l’extrémité libre du plongeoir
Durées des phases de rappel avec plongeur et de rappel total
4.3.3 Étude 3 : analyse des transferts d’énergies
Démarche
Énergies cinétique, potentielle et mécanique du plongeur
Énergies potentielle, cinétique et mécanique du plongeoir
Critères énergétiques
4.4 Résultats et discussion 
4.4.1 Prédiction des F&MI
4.4.2 Caractérisation du plongeoir
4.4.3 Études de la poussée lors de l’impulsion, des F&MI et des transferts d’énergie
Étude 1 : analyse de la poussée du plongeur sur le tremplin lors de l’impulsion
Étude 2 : analyse de l’effet de l’amplitude des F&MI sur la performance
Étude 3 : analyse des transferts d’énergie entre le plongeur et le plongeoir
4.5 Conclusion du chapitre 
Conclusion et perspectives
Liste des publications
Annexe

Télécharger le rapport complet