D. Etude de cas : Oscar Pistorius

C’est le nouveau bolide des pistes d’athlétisme. Oscar Pistorius est handicapé mais grâce à ses prothèses en lame de carbone, il pourrait bien défier les valides aux JO de pékin. Ce Sud Africain de 20 ans serait le premier d’une nouvelle race d’athlètes, modifiés par la technologie pour devenir plus rapides et plus forts que leurs concurrents ordinaires.
Oscar Pistorius est amputé sous les deux genoux depuis l’âge de 11 mois, et condamné à porter des prothèses pour marcher. Il utilise des Cheetah (prothèses dévolues à la course) pour courir.
Sous son poids, elles se plient en touchant le sol, puis se détendent à la fin de la foulée, transformant une force verticale _ générée par la pression du coureur sur la piste _ en force horizontale qui le propulse en avant.

-----> Inconvénients

Ses pieds artificiels ne constituent nullement un avantage déloyal : en effet, même si Oscar Pistorius a explosé les records handisports du 100m, 200m et 4Oom, ses performances sur 100m et 200m le placent loin des meilleurs mondiaux.
Knut letcher, le spécialiste de la recherche et du développement chez Ossür (le fabriquant des Cheetah),
explique : « Les muscles d’une jambe biologique, eux aussi, se dilatent et se contractent. Mieux, ils produisent leur propre énergie, alors que la prothèse ne sert qu’ à transmettre l’énergie qui la traverse ».
Le chercheur américain Robert Gailey affirme ainsi dans une étude que l’efficacité ( quantité d’énergie produite divisée par la quantité d’énergie absorbée) des prothèses utilisées sur la piste est de 82% contre 241% pour le pied humain ; notamment parce que les tissus mous qui permettent la jonction entre le moignon et les prothèses empêchent une restitution optimale de l’énergie.
Mais ce n’est pas tout : pour compenser l’absence de mollets, Oscar Pistorius est même obligé de faire travailler
ses muscles fessiers deux fois plus qu’un sprinter valide. Il doit donc fournir deux fois plus d’efforts.
On peut ajouter à cela un autre désavantage : son départ calamiteux. Normalement, les sprinteurs débutent
Leur course penchés en avant, à la limite du déséquilibre, pendant plus de 30m. Toute la puissance de leurs jambes les pousse alors vers l’avant, leur permettant d’accélérer et d’atteindre très vite leur vitesse de pointe avant de se redresser. Juché sur ses prothèses, Oscar, lui, doit se redresser dès le départ pour ne pas tomber. Ses jambes le poussent alors vers l’avant mais aussi vers le haut. Il accélère donc beaucoup moins vite.
Enfin, la plus grosse difficulté à surmonter, ç’est la concentration. Oscar Pistorius doit en effet courir sans
sentir le sol sous ses pieds, ce qui paraît impossible : les voûtes plantaires abritent des milliers de capteurs qui donnent à chaque seconde quantité d’informations sur la vitesse, l’équilibre, l’inclinaison sur la piste…
Oscar, lui, se contente de la pression que ses prothèses exercent sur ses moignons pour ‘sentir’ la piste, à 40 cm de hauteur. A la première faute d’inattention, c’est la chute.

-----> Avantages
Ainsi, le système du pied artificiel est un désavantage évident sur une courte distance.
En revanche, sur le 400m, sa distance de prédilection, les 46’’56 d’Oscar Pistorius le placent à la sixième place
mondiale chez les valides. Sur les chronos, on constate qu’Oscar est imbattable sur la 2ème moitié de la course, qu’il court en 1’’34 de moins que ses adversaires. Il court les 200 derniers mètres plus vite que les premiers… or généralement, ç’est l’inverse !
Si Oscar résiste bien mieux à l’épuisement, ç’est parce que ses prothèses, elles, ne connaissent pas la fatigue et permettent une restitution d’énergie constante. Ainsi, « Pistorius maintient une fréquence importante tout au long de la course, alors que le pied des athlètes valides finit par s’écraser, augmentant le temps de contact au sol du pied au fur et à mesure de la course » affirme Pierre-jean Vazel, L’entraîneur du sprinteur français Ronald Pognon et statisticien de l’athlétisme.

Vers des athlètes cyborg ?
On peut donc se demander si Oscar n’est pas le premier d’une catégorie d’athlètes aux performances boostées par les nouvelles technologies.
En instaurant des membres performants et infatigables, les prothèses de demain permettront-elles de faire mieux que de vraies jambes ?
D’après Knut Letcher, « c’est impossible avec des prothèses passives comme les Cheetah. Nous sommes à 99% de l’élasticité théoriquement possible, on ne plus les améliorer. Elles resteront toujours inférieurs à des jambes biologiques qui peuvent produire leur propre énergie ». Selon lui, la seule solution serait d’ajouter des moteurs compensant l’absence de muscles, mais des appareils à la fois assez légers et puissants ne sont pas pour tout de suite…
En attendant il faudrait définir des normes à ne pas dépasser au risque de voir arriver une nouvelle forme de dopage : un peu comme les athlètes qui facilitent le transport d’oxygène par leur sang en s’injectant des drogues ; les technoloqies développées pour les prothèses pourraient être utilisées pour améliorer les jambes d’athlètes valides, il pourraient par exemple intégrer des lames en carbone dans les semelles de leurs chaussures pour bénéficier d’un effet ressort …

C. Vers de nouveaux records : les nanotubes de carbone

Les nanotechnologies représentent l’ensemble des sciences et des techniques qui permettent de manipuler des objets de taille nanométrique, transformant ainsi les propriétés chimiques, physiques voire biologiques de ces derniers .
Un nanotube est un long et mince cylindre de carbone qui est unique par sa structure, sa forme, et ses propriétés physiques exceptionnelles : comparé à l’acier, il est 6 fois plus léger et 100 fois plus résistant. Sa conductivité thermique est équivalente à celle du diamant. Il peut être aussi un bon conducteur électrique comme le cuivre …
Les matériaux utilisés dans le domaine du sport, actuellement, ont atteint les limites technologiques de performance mécanique. Les nanotubes de carbone apportent une véritable innovation de rupture dans les matériaux composites de nouvelle génération.
Ils représentent des avantages par rapport aux fibres de carbone car ils possèdent une meilleure tenue aux chocs et à l’abrasion, des fibres plus flexibles que celles en carbone, plus légères que celles en métal et une bonne résistance chimique.

B. Exemple : le saut à la perche

L’évolution du saut à la perche, soit par son style, soit par la progression des records, a toujours été liée aux progrès techniques du matériel.
La perche était faite à l’origine en bois de merisier oui de frêne, puis en bambou (avec un record du monde de 3,74m en 1905).
Après la guerre, les perches en acier et en aluminium font leur apparition. On observe alors une montée progressive des records vers les 5m (4,80m en 1960). Puis en 1961, les Américains lancent sur le marché leur fameuse « fiber glass » (perches en fibres de vers), dont la flexibilité repousse loin les limites des records. Les perches en fibre de verre résistent à la déformation et absorbent d’avantage les vibrations, offrant une meilleur propulsion.
La flexion de la perche étant plus importante, le perchiste peut augmenter le levier. Ainsi le record passa de 4,80m en 1960 à 5,70m en 1976, puis franchit les 6m en 1980. On peut évaluer autour de 50 à 60 cm le gain procuré rien que par la perche elle-même. Les dernières évolutions incorporent des fibres de carbone, afin d’augmenter la résistance et d’alléger les perches. ¨Pour une même résistance, une perche plus légère permettra au perchiste de courir plus vite, et donc d’avoir plus d’énergie à transmettre à la perche.

Fibres de verre et fibres de carbone

- fibres de verre :
La fibre de verre est intéressante à plus d’un point. Ainsi, si elle permet des réductions de poids, elle améliore également les performances, pour un prix compétitif : on peut en faire une fabrication en série. Par exemple, elle permet un allègement des structures d’environ 30% par rapport à l’acier, non négligeable pour qui se soucie des gains d’énergie.
Parmi les autres propriétés, citons l’inertie chimique, la résistance en chocs, aux vibrations, l’isolation…

- fibres de carbone :
La fibre de carbone est un matériau léger et très solide, elle résulte de l’assemblage de molécules de polyacrylonitrile. Ces longues chaînes, placées côte-à-côte sont chauffées et fusionnent pour ne former qu’une seule fibre souple composée de 93 – 95 % de carbone. Cette fibre peut être encore améliorée grâce à un traitement thermique :
chauffée entre 1500 – 2000 °C, elle offrira une grande résistance à la tension de l’ordre de 5KN/mm2
chauffée entre 2500 – 3000 °C, elle offrira une grande élasticité (de l’ordre de 500KN/mm2)
La fibre de carbone est utilisée pour toutes les applications exigeant une grande résistance mécanique pour un poids réduit, ce qui est notamment le cas dans les équipements sportifs.

1. L’industrie du sport : une incessante amélioration des matériaux

Aujourd’hui l’industrie du sport est un secteur dynamique et en constante recherche d’innovation. De nombreux laboratoires travaillent pour l’amélioration des performances, comme le laboratoire de mécaniques à Poitiers dont les travaux ont contribué à la labellisation des pistes d’athlétisme.
De nos jours les articles de sport doivent être synonyme de compétitivité, de performance et de précision et tiennent une place très importante dans l’amélioration des performances sportives sur des phénomènes comme la résistance spécifique, la gestion et la transmission d’énergie, l’amortissement des vibrations, …
Un des enjeux de leur fabrication est l’inlassable recherche de diminution du poids, mais celle-ci ne doit pas se faire au détriment de la résistance des matériaux. Ceux utilisés dans le sport sont déjà très performants et leurs propriétés mécaniques ne peuvent pas êtres améliorés d’avantage.
Pour répondre à ces besoins on retrouve de plus en plus de techniques de fabrication de nouveaux matériaux, par exemple à base de nanotubes de carbone.

Il s’agit du premier vélo fabriqué aux Etats-Unis intégrant des nanotechnologies. Son cadre à base de nanotubes de carbone est cent fois plus résistant que le fer mais beaucoup plus léger. Le cadre du ProMachine SLC01 a un poids inférieur de 23 % à celui du précédent modèle le plus léger de la gamme. Il ne pèse que… 960 grammes !

Progrés matériels : introduction

En complément des progrès techniques, les possibilités de progrès technologiques sont relatifs au deux autres domaines.
- Un objet sportif est un objet en mouvement, les matériaux nécessitent alors des connaissances spécifiques. A l’interface entre objet et environnement interviennent donc les sciences du mouvement mécanique : la tribologie( science des frottements), la mécanique vibratoire, la mécanique des chocs … ; expliquent comment l’objet se déplace et se comporte dans l’environnement( chaussures, perche, engin du lanceur, …). Ces recherches sont en lien directs avec l’industrie du sport car aujourd’hui les produits du sport sont des produits « high-tech » qui font appelle à ces sciences.
- Le troisième domaine concerne la relation sportif-environnement et l’aisance d’un sportif dans un environnement agressif dans lequel il ne doit avoir ni chaud ni froid. Ce sont les sciences du confort qui comportent en particulier la confection textile. Mais d’autres paramètres que le confort doivent être pris en compte : par exemple, pour les épreuves de sprint, les vêtements peuvent être étudiés de manière à offrir le moins de prises au vent possible (combinaisons aérodynamique). Pour le confort textile les progrès viennent avec notamment les nouvelles fibres de « confort actif », c’est-à-dire destinées aux personnes en mouvement ou en action. Il s’agit du Dunova, du Coolmax ou du Lycra . Certaines fibres comme le Goretex (qui est un matériau imperméable et respirant) avaient été mis au point à l’origine pour le secteur médical.