Les sauteurs à ski utilisent l’aérodynamique et la physique pour vaincre la gravité – du moins pour un temps.
Si vous ou moi sautons en l’air aussi haut que possible, nous pouvons rester au sol pendant environ une demi-seconde. Michael Jordan pouvait rester en l’air pendant presque une seconde. Bien que de nombreuses épreuves des Jeux olympiques d’hiver mettent en scène des athlètes qui réalisent des prouesses d’athlétisme et de force dans les airs, aucune d’entre elles n’a été réalisée par des athlètes de haut niveau. ne brouille la frontière entre le saut et le vol comme le saut à ski.
J’enseigne aux élèves le physique des sports. Le saut à ski est peut-être l’une des épreuves les plus intrigantes des Jeux d’hiver pour illustrer la physique en action. Le gagnant est l’athlète qui parcourt la plus grande distance et qui vole et atterrit avec le meilleur style. En transformant leurs skis et leur corps en ce qui est essentiellement une aile, les sauteurs à ski sont capables de lutter contre la gravité et de rester en l’air pendant cinq à sept secondes alors qu’ils parcourent la piste. longueur d’un terrain de football dans l’air. Comment y parviennent-ils ?
Les deltaplanes ont de grandes ailes, sont très aérodynamiques et très légères, tout cela maximise la portance pour produire de longs vols malgré l’absence de moteur.
Comment voler
Trois concepts majeurs de la physique sont en jeu dans le saut à ski : la gravité, la portance et la traînée.
La gravité attire tout objet en vol vers le sol. La gravité agit sur tous les objets de la même manière et les athlètes ne peuvent rien faire pour en atténuer les effets. Mais les athlètes interagissent également avec l’air lorsqu’ils se déplacent. C’est cette interaction qui peut produire la portance, c’est-à-dire une force vers le haut produite par la poussée de l’air sur un objet. Si la force produite par la portance équilibre approximativement la force de gravité, un objet peut planer ou voler.
Pour produire de la portance, un objet doit être en mouvement. Au fur et à mesure que l’objet se déplace dans l’air, sa surface entre en collision avec des particules d’air et .pousse ces particules hors de la trajectoire de l’objet. Comme les particules d’air sont poussées vers le bas, l’objet est poussé vers le haut selon la formule suivante Troisième loi de Newton qui stipule que pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée. Les particules d’air qui poussent un objet vers le haut sont ce qui crée la portance. L’augmentation de la vitesse ainsi que l’augmentation de la surface augmentent la portance. Le site angle d’attaque – l’angle de l’objet par rapport à la direction du flux d’air – peut également affecter la portance. Si l’angle est trop prononcé, l’objet décrochera, s’il est trop plat, il ne pourra pas pousser les particules d’air vers le bas.
Bien que tout cela puisse sembler compliqué, le fait de passer votre main par la fenêtre d’une voiture illustre parfaitement ces principes. Si vous tenez votre main parfaitement à plat, elle restera plus ou moins en place. Cependant, si vous inclinez votre main de manière à ce que le bas soit orienté dans la direction du vent, votre main sera poussée vers le haut lorsque les particules d’air entreront en collision avec elle. C’est l’ascenseur.
Les mêmes collisions entre un objet et l’air qui produisent de la portance produisent également de l’énergie. la traînée. La traînée s’oppose au mouvement vers l’avant de tout objet et le ralentit. Lorsque la vitesse diminue, la portance diminue également, ce qui limite la durée du vol.
Pour les sauteurs à ski, l’objectif est d’utiliser une position corporelle prudente pour maximiser la portance tout en réduisant la traînée autant que possible.
Lors d’excellents sauts, les athlètes maximisent la portance et glissent sur de longues distances.
Voler sur des skis
Les skieurs commencent en haut d’une pente puis descendent la pente pour générer de la vitesse. Ils minimisent la traînée en s’accroupissant et se dirigent prudemment pour réduire la friction entre les skis et la rampe. Au moment où ils atteignent la fin de la pente, ils peuvent aller… 60 miles par heure (96 km/h).
La rampe se termine par un point de décollage qui, si vous regardez attentivement, est en fait légèrement incliné vers le bas. angle de 10 degrés. Juste avant d’atteindre l’extrémité de la rampe, les athlètes sautent. La pente d’atterrissage des skis est conçue pour imiter la trajectoire qu’empruntera un sauteur afin qu’il ne soit jamais à plus de .10 à 15 pieds au-dessus du sol.
Une fois que les athlètes sont dans les airs, la physique amusante commence.
Les sauteurs font tout ce qu’ils peuvent pour produire autant de portance que possible tout en minimisant la traînée. Les athlètes ne seront jamais capables de générer suffisamment de portance pour vaincre complètement la gravité, mais plus ils génèrent de portance, plus leur chute est lente et plus ils descendent la colline.
Pour ce faire, les athlètes alignent leurs skis et leur corps presque parallèlement au sol et placent leurs skis en forme de V juste à l’extérieur de la forme du corps. Cette position augmente lasurface qui génère la portance et les place dans l’angle d’attaque idéal qui maximisera aussi la portance.
Comme la traînée réduit la vitesse du skieur, la portance diminue et la gravité continue de tirer sur le sauteur. Les athlètes commencent à tomber de plus en plus vite jusqu’à ce qu’ils atterrissent.
De nombreuses règles – comme la hauteur du point de départ et la longueur des skis – sont variables en fonction des conditions et de la taille et du poids de l’athlète. Crédit : DarDarCH
Les règles suivent la physique
Avec autant de physique en jeu, le vent, les choix d’équipement et même le corps de l’athlète peuvent influencer la distance à laquelle un saut peut être effectué. Pour que les choses restent justes et sûres, il existe des règles de sécurité. beaucoup de règlements.
En regardant les épreuves, vous pouvez remarquer que les officiels déplacent le point de départ vers le haut ou vers le bas de la pente. Cet ajustement est fait en fonction de la vitesse du vent, car un vent de face plus rapide produira plus de portance et entraînera des sauts plus longs qui pourraient dépasser la zone d’atterrissage sûre.
La longueur des skis est également réglementée et liée à la taille et au poids du skieur. Les skis peuvent être au maximum 145% de la taille du skieur et les skieurs dont l’indice de masse corporelle est inférieur à 21 doivent avoir des skis plus courts. Les skis longs ne sont pas toujours les meilleurs car plus le ski est lourd, plus il faut produire de la portance pour rester en l’air. Enfin, les skieurs doivent porter des combinaisons ajustées pour s’assurer que les athlètes n’utiliseront pas leurs vêtements comme source supplémentaire de portance.
Lorsque vous regardez les Jeux olympiques pour vous émerveiller de la puissance physique des athlètes, prenez un moment pour considérer également leur maîtrise des concepts de la physique.
Écrit par Amy Pope, maître de conférences en physique et astronomie, Université de Clemson.
