Physics of sports
La Physique du Sport
Résumé
Physics tends to understand the world and to find the laws which govern it. Physics of Sports consists in observing with a physicist’s eye the phenomena which happen on the fields. These fields are wide and this study is built on several points which capture our attention : - records sports : to understand the records of speed or strength sports, we focus on muscle contraction mechanisms. We extract the dynamics of a simple gesture at Bench Press and understand it through simple mechanics laws and microscopic model of muscle contraction. - badminton trajectories : we solve the equations of motion of a particle which undergoes gravity and aerodynamic drag (proportional to the velocity sqaure, for high Reynolds numbers) and extract an analytical expression of the range. At each time the launching velocity is higher than the terminal velocity (which is the constant velocity of vertical falling of the projectile under gravity and drag), one observes a Tartaglia triangular shape of the trajectory. It is the case for most of sports balls, for fireworks, for firemen water jets, for cannonballs... For all these trajectories, the range saturates with the initial velocity : even if you hit stronger, the ball will not go further. We show several applications of this property. For exemple in sport, as there is no use to play on a field which is larger than the useful length, the size of sports fields is bound to be linked to the maximal range of the associated ball, from table tennis to golf. - balls impacts : we study soccer kicks and focus on the way of kicking the ball. The toe poke is said to be more efficient than the push pass. We perform experiments which show that the ball velocity does not depend on the shape of the impactor, but only on the velocity of kicking. We then discuss some ways to enhance the impactor velocity by using joints or elasticity of the launcher.
La Physique est la science qui cherche à comprendre le monde extérieur et à identifier les lois qui le régissent. La Physique du Sport consiste à observer des phénomènes qui se produisent sur un terrain de sport avec un œil de physicien. Son champ est très vaste et cette thèse est construite sur plusieurs thèmes qui ont attiré notre attention : - les sports à records : pour comprendre les records dans les sports de force ou de vitesse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de la contraction musculaire. L’étude de la dynamique de lever au développé couché, couplée à un modèle microscopique du muscle nous permet d’identifier les caractéristiques musculaires d’un athlète à partir d’un mouvement macrosco- pique. - les trajectoires triangulaires au badminton : nous avons résolu les équations du mouvement (avec une traînée proportionnelle au carré de la vitesse), et obtenu une équation analytique de la portée du projectile. Dans tous les cas où la vitesse initiale du projectile est supérieure à sa vitesse terminale (la grande majorité des ballons de sports, les feux d’artifice, les jets de lances à incendie, les boulets de canons...), la trajectoire est semblable à celle du volant du badminton, et la portée sature avec la vitesse initiale. Une conséquence en sport est que la taille des terrains, fixée empiriquement, est proportionnelle à la portée maximale de chaque sport, qui dépend uniquement des caractéristiques du bal- lon utilisé. Et cela est vrai de la table de tennis de table au parcours de golf. - les impacts de balles : nous avons étudié la frappe du ballon au foot et essayé de comprendre pourquoi une frappe du pointu est plus efficace qu’un plat du pied, comme les joueurs l’affirment. Nous avons montré que la vitesse du ballon est indépendante de la forme de l’impacteur, seule la vitesse du pied compte. Nous avons ensuite essayé de comprendre quelles straté- gies étaient employées en sport pour augmenter la vitesse de la balle et notamment l’effet élastique de la raquette de badminton lors d’un smash.
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