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Movement & Sport Sciences

2006/3 (no 59)

  • Pages : 120
  • Affiliation :
  • ISBN : 9782804151775
  • DOI : 10.3917/sm.059.0099
  • Éditeur : De Boeck Supérieur

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Introduction

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L’analyse des résultats des différentes épreuves de la coupe du monde de ski alpin (descente, slalom, géant, super-géant, combiné) de ces dernières saisons montre que la dispersion de la performance entre les meilleurs skieurs mondiaux est inférieure au pour-cent. La réussite finale dépend de l’efficacité de la gestuelle mise en place sur chacune des difficultés du tracé ou du relief. Pour Zvan et al. (2000), il n’existe pas une technique performante. Cependant, il peut être supposé que la performance est le fruit d’adaptations optimales de mécanismes gestuels fondamentaux lors d’une difficulté particulière. A partir de cette hypothèse et eu égard à la variabilité de la performance, un problème se pose pour l’entraîneur : Comment juger du bien fondé d’une stratégie gestuelle par rapport à une autre ?

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Dans le champ expérimental du ski alpin, les méthodes traditionnelles d’analyse du geste ont montré leurs limites quant à la détermination des facteurs techniques d’efficacité (Barelle, 2003). Le développement d’outils capables de prendre en compte la faible variabilité de la performance et permettant à l’entraîneur d’objectiver ses observations, s’avère indispensable.

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En descente, le passage d’une rupture de pente constitue une difficulté importante caractérisée par trois phases : l’approche, le vol, et la reprise de contact skis-neige. Deux stratégies gestuelles sont préférentiellement utilisées lors de la phase d’approche pour contrôler le décollage et limiter les effets induits par la rupture de pente : l’amorti et l’op-tracken. L’amorti consiste pour le skieur à provoquer la perte de contact skis-neige par un mouvement de flexion (décollage lors de l’allègement du skieur en début de mouvement). Pour l’op-tracken, le décollage survient lors d’un mouvement d’extension du skieur (décollage lors de l’allègement du skieur en fin de mouvement) complété par un regroupement du buste et des membres inférieurs au début de la phase de vol. De ces deux stratégies, laquelle est la plus performante ? Existe t-il des circonstances particulières pour lesquelles l’amorti serait plus approprié que l’op-tracken ou inversement ? Les mouvements de flexion et/ou d’extension produits par le skieur dans l’une ou l’autre des deux stratégies génèrent des variations de l’intensité des forces externes (force aérodynamique et force de contact skis-neige) appliquées au skieur (Watanabe et al., 1977 ; Tavernier et al., 1994 ; Barelle et al., 2003). Pour compenser des instabilités en phase de vol, le skieur réalise des mouvements qui induisent aussi des variations d’intensité de la force aérodynamique. Dans quelle mesure ces variations d’intensité de la force aérodynamique et de la force de contact skis-neige modifient elles la performance du skieur ?

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En modélisant les forces externes à partir de paramètres caractéristiques de la posture ou de la cinématique posturale, il devient possible de résoudre numériquement l’équation du mouvement du centre de masse du skieur. Les résultats de simulation obtenus à partir de la résolution de cette équation permettent d’établir une relation directe entre la stratégie gestuelle et la performance. Des stratégies gestuelles comme l’op-tracken et l’amorti peuvent être simulées et comparées en terme de temps de parcours et de vitesse. Les répercussions sur la performance de fautes techniques comme des déploiements en phase de vol peuvent aussi être caractérisées. Sur le terrain, l’entraîneur peut, à partir de ces résultats estimer la différence de performance entre deux stratégies observées.

Matériel et méthode

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L’impact d’une stratégie gestuelle par rapport à une autre sur la performance est estimé en résolvant l’équation fondamentale de la dynamique (deuxième loi de Newton) :

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Avec m : masse du skieur,  : accélération du centre de masse du skieur,  : poids du skieur,  : force aérodynamique,  : force de contact skis-neige.

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Lors des phases de glisse (figure 1 : [1] et [3]) l’ensemble des forces s’appliquent au système skieur-skis. Pour la phase de vol [2], seuls le poids et la force aérodynamique interviennent.

FIGURE 1 - Forces externes subies par le skieur lors des différentes phases du passage de bosseFIGURE 1
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A partir de l’équation {E1}, la vitesse du skieur et son temps de parcours peuvent être déterminés pour des évènements clés de la séquence gestuelle (décollage, atterrissage, fin de la séquence). La résolution de cette équation a été effectuée par la méthode des éléments finis. Elle nécessite de modéliser les forces externes et plus particulièrement les composantes de la force aérodynamique (la traînée et la portance ) et celles de la force de contact skis-neige (la réaction normale au sol et le frottement skis-neige ) en fonction de paramètres cinématiques ou posturaux (Barelle, 2003). Il s’agissait dans un premier temps de recueillir et d’extraire les variables nécessaires pour construire chacun des modèles des composantes des forces.

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Les composantes de la force aérodynamiques ont été mesurées en soufflerie (Soufflerie S10, IAT St Cyr l’Ecole) pour diverses postures du skieur.

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D’après la loi de Coulomb, le frottement skis-neige est fonction du coefficient de frottement k, d’un terme constant dépendant du poids du skieur et d’un terme variant en fonction de la gesticulation du skieur (Maronski, 1990 ; Colbeck and al., 1991) :

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avec  : module de la réaction normale au sol, module de la variation de la réaction normale au sol, : vitesse des skis, k : coefficient de frottement skis-neige fonction des condition nivo-météorologiques et de la qualité des appuis du skieur (Tavernier et al., 1994).

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La force de frottement ski-neige est donc fonction de la réaction normale au sol et de sa variation. dépend de la topographie de la piste et du poids du skieur. Le modèle de en fonction de la cinématique posturale a pu être établi à partir de pesées sur balance de force (AMTI, OR6) lors de différentes cinématiques de déploiement ou regroupement du skieur.

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Le recueil des données cinématiques et posturales a été obtenu au moyen du système d’analyse ANIMAN3D (Tavernier et al., 1997) synchronisé avec les mesures de forces.

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Des relations linéaires fortes entre les données dynamiques et les paramètres caractéristiques de la posture ou de la cinématique posturale ont pu être établies pour donner corps à chacun des modèles. Une attention particulière a été portée au choix de ces paramètres. Ils doivent être facilement estimables par l’entraîneur sur le terrain. Trois paramètres posturaux ont émergés : la taille réduite du skieur (figure 2) pour modéliser la portance et la traînée (Barelle et al., 2003), la variation de la taille réduite et la durée de cette variation pour modéliser la variation de la réaction normale au sol.

FIGURE 2 - Représentation de la taille réduite du skieurFIGURE 2
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Chaque modèle a été validé en confrontant les résultats qu’il produit à des données expérimentales mesurées en soufflerie pour la force aérodynamique ou à partir de la plate forme de force pour la réaction normale au sol. (Barelle, 2003).

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Le simulateur a été construit sous Maple 8. Il comporte trois modules (figure 3) : le premier gère les paramètres d’entrée (topographie de la piste, paramètres morphologiques et posturaux conditions initiales du mouvement, stratégie gestuelle au cours du mouvement, explicitation des forces externes à partir des modèles), le second assure la résolution numérique de l’équation du mouvement du centre de masse skieur et le troisième permet l’édition des résultats (position et vitesse du skieur en fonction du temps). La résolution de l’équation du mouvement du skieur s’effectue séparément pour les trois phases du passage de bosse. Les conditions finales d’une phase déterminent les conditions initiales de la phase suivante. Trois tests sont réalisés pendant la résolution de l’équation du mouvement. Deux pour la perte de contact skis-neige (décollage provoqué par le skieur ou induit par la piste) et un pour l’atterrissage. Ils conditionnement les paramètres d’entrée de la phase suivante.

FIGURE 3 - Structure générale du simulateur de la trajectoire du centre de masse du skieur en fonction des stratégies mises en œuvre au passage d’une bosseFIGURE 3
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Les simulations ont été réalisées en faisant varier les conditions initiales (vitesse, posture) et les stratégies gestuelles au cours des différentes phases du mouvement. Les résultats de simulation présentés mettent en évidence des critères d’efficacité au passage de bosse (phase de glisse, phase de vol) et permettent de différencier l’amorti de l’op-tracken du point de vue de la performance.

Résultats

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La mise en évidence de facteurs d’efficacité lors d’un passage de bosse a d’abord consisté à appréhender la contribution respective des composantes de la force aérodynamique et de la force de contact skis-neige à la variabilité de la performance en trace directe (phases [1] et [3] du passage de bosse). Leur influence a été caractérisée en fonction des paramètres représentatifs de la performance, c’est à dire en terme de perte de temps et de déficit de vitesse. Il convenait alors de préciser dans quelles circonstances ces deux termes étaient effectifs c’est à dire s’ils constituent une pénalité directe ou une pénalité potentielle.

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En trace directe, les résultats de simulation montrent que la traînée aérodynamique est le terme de freinage prépondérant. Le maintient d’une posture "semi relevée" au lieu d’une posture regroupée dite de recherche de vitesse génère un déficit de vitesse de 5% à l’issue de 100 mètres de parcours soit 1,25 m/s pour une vitesse initiale de 25m/s. La perte de temps est dans ce cas estimée à 75 millièmes de seconde. Dans les mêmes conditions, les effets de la portance sur la performance sont nulles et ceux des frottements skis-neige faibles (déficit de vitesse inférieur à 0,003 m/s). Si le skieur qui maintient la posture "semi relevée" reprend une posture de recherche de vitesse, 100 mètres plus loin, son retard a augmenté de 90 millièmes de seconde et son déficit de vitesse a diminué de 0,4 m/s.

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Pour un skieur ayant contracté un déficit de vitesse, la figure 4 montre la transformation progressive du déficit de vitesse en perte de temps et en déficit résiduel en fonction de la distance parcourue.

FIGURE 4 - Transformation progressive du déficit de vitesse en perte de temps pour un skieur en trace directeFIGURE 4
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En fait, le déficit de vitesse constitue une pénalité potentielle qui ne prend effet qu’en fonction des conditions aux limites (présence d’une difficulté ou non dans la section de parcours suivante). Il n’est pas nécessairement pénalisant. Un skieur peut avoir besoin de réduire volontairement sa vitesse pour contrôler de façon optimale sa trajectoire.

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A partir de ces résultats, un CD-Rom interactif a été développé en concertation avec les cadres sportifs de la Fédération Française de Ski (Figure 5). A partir de résultats de simulation, il représente l’influence de la traînée aérodynamique sur la performance du skieur en trace directe et cela pour différentes postures caractéristiques de celles observées en compétition.

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Le choix d’une posture permet de visualiser l’influence de la traînée aérodynamique sur la performance pour différentes vitesses initiales (70 km/h, 90 km/h, 110 km/h). Le choix d’une vitesse permet de visualiser l’influence de la traînée aérodynamique en fonction de différentes postures. Les entraîneurs comme les skieurs peuvent ainsi visualiser rapidement la perte de temps et le déficit de vitesse générés par une mauvaise adaptation gestuelle lors des phases de glisse.

FIGURE 5 - Visuel du CD-Rom interactif représentant l’influence de la traînée aérodynamique sur la performance du skieur en trace directe. Les valeurs de vitesse sont exprimées en km/h pour coïncider avec les unités de mesure couramment utilisées par les entraîneurs et skieursFIGURE 5
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Pour le passage de bosse, l’influence de la force aérodynamique en phase de vol à aussi été caractérisée. La posture la mieux adaptée est une posture regroupée. Plus la force aérodynamique est importante moins la vitesse du skieur à l’atterrissage est élevée. Les pénalités en temps et en vitesse occasionnées par des fautes techniques comme un déploiement complet du skieur en vol ont été estimées. Elles dépendent de la vitesse du skieur avant la rupture de pente. Si le skieur aborde la rupture de pente à 25 m/s, une telle faute technique peut induire à l’atterrissage un déficit de vitesse de 1 m/s (figure 6). Pour une vitesse d’approche de 30.5 m/s, ce déficit de vitesse est majoré de 0.7 m/s. Plus la vitesse lors de la phase d’approche est importante, plus les répercussions d’une instabilité en phase de vol sur la vitesse à l’atterrissage sont importantes. La perte de temps est de l’ordre de 0.1 seconde. Une telle perte de temps peut générer un recul du classement du skieur d’environ 10 places.

FIGURE 6 - Différences de performances entre une stratégie regroupée et une stratégie déployée tout au long de la phase de vol lors d’un passage de bosse en fonction de la vitesse initiale du skieurFIGURE 6
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Après réception, le déficit de vitesse se transforme progressivement en perte de temps. Au bout de 100 mètres la perte de temps augmente de 0,1 seconde (vitesse initiale 25 m/s).

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La réalité de terrain n’est cependant pas aussi simple. Plus le tronçon de parcours qui précède ou suit une rupture de pente est "tournant", plus il impose au skieur d’adopter une posture "relevée" pour mieux contrôler sa trajectoire. Cette contrainte va peser sur le choix de la stratégie gestuelle à mettre en œuvre. Le skieur doit trouver le compromis entre une vitesse lui permettant de contrôler sa trajectoire et une perte de temps minimale. Des simulations supplémentaires ont donc consisté à tester l’op-tracken et l’amorti en fonction de ces conditions aux limites afin d’en préciser les avantages (figure 7). Pour 100 mètres de simulation et pour les mêmes conditions initiales (vitesse initiale V_ini, instant de décollage T_dec), la durée de la phase de vol (T_att-T_dec) est plus importante pour l’op-tracken que pour l’amorti. La reprise de contact avec la piste (L_att) est de ce fait plus éloignée.

FIGURE 7 - Performance du skieur pour chacune des trois phases d’une rupture de pente en fonction de la stratégie choisie. Les conditions initiales de simulation sont identiques pour les deux stratégies (inclinaison de la piste d’approche : 8°, inclinaison de la piste de réception 21°, vitesse initiale : 25 m/s)FIGURE 7
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Dans le cas d’un changement brutal de direction tout de suite après la rupture de pente, le choix d’un amorti sera préférable. Pour un op-tracken, bien que la vitesse du skieur à l’atterrissage (V_att) soit majorée, l’augmentation de la trajectoire en phase aérienne rend plus aléatoire la gestion de la difficulté survenant lors de la phase de reprise de contact skis-neige. Les caractéristiques spatiales et la nature de la difficulté à l’atterrissage doivent de ce fait orienter le choix de la stratégie. Ce facteur n’est pas le seul.

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Le temps imparti pour réaliser l’une ou l’autre des deux stratégies dépend de la qualité des adaptations motrices mises en œuvre pour gérer la difficulté précédent la phase d’approche. En fonction de la posture au début de cette phase, le temps (longueur de piste disponible avant la rupture) peut ne pas être suffisant pour réaliser l’une ou l’autre des deux stratégies. Le décollage peut ne plus être volontaire et résulter de la coïncidence avec la rupture de pente. La longueur de la trajectoire en phase aérienne peut alors être considérablement augmentée avec les conséquences que cela implique pour la gestion de la section de parcours suivante. Outre ces cas limites et les différences de longueur de vol, l’amorti et l’op-tracken donnent sensiblement les mêmes résultats en terme de temps de parcours (T_fin) et de vitesse (V_fin) au bout de 100 mètres de simulation. Le choix entre les deux stratégies dépend essentiellement des conditions aux limites, c’est-à-dire des difficultés précédant et suivant la rupture de pente.

Discussion

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Lors d’un passage de bosse, la performance du skieur dépend de ses capacités à choisir et à réaliser une stratégie adaptée aux conditions environnementales et notamment aux conditions aux limites. Les différences de performance entre l’op-tracken et l’amorti dépendent essentiellement du temps imparti au skieur (longueur de piste disponible lors de la phase d’approche) pour mettre en œuvre la stratégie choisie et des caractéristiques de la difficulté survenant juste après l’atterrissage. Le choix d’un amorti semble cependant moins risquer pour appréhender dans de bonnes conditions la reprise de contact skis-neige.

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Des éléments fondamentaux ont par ailleurs été mis en évidence pour faciliter le choix d’une stratégie plutôt qu’une autre. Le principal d’entre eux est la limitation des déploiements du skieur en terme de durée et d’amplitude et cela quelle que soit la phase du mouvement (phases de glisse et phase de vol). Ces résultats sont en accord avec les performances observées sur le terrain. Présentés sous la forme d’un CD-Rom interactif, ils permettent aux entraîneurs de montrer objectivement aux skieurs les conditions de production de performance et le coût relatif d’une stratégie par rapport à une autre en terme de perte de temps et de déficit de vitesse.

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Les perspectives de ce travail sont la résolution du deuxième terme de l’équation fondamentale de la dynamique pour la phase de vol, c’est-à-dire celui caractérisant le mouvement de rotation du skieur. Bien que la rotation globale du skieur en phase de vol soit faible (de l’ordre de 4°/s) et les résultats de simulation tout à fait satisfaisants, cette composante dans la résolution de l’équation du mouvement donnera la possibilité de préciser les conditions d’atterrissage du skieur.

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Compte tenu des limites des systèmes d’analyse du geste actuellement disponibles, l’utilisation de l’outil "modélisation-simulation" pour comparer la qualité de différents gestes sportifs devrait être étendue à d’autres disciplines sportives. La simulation dépasse le cadre de la simple description, son caractère prédictif devrait être exploité pour tester de nouvelles stratégies gestuelles.


Bibliographie

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  • Barelle, C. & Ruby, A. & Tavernier M. (2003). Experimental model of the aerodynamic drag coefficient in alpine skiing. Journal of Applied Biomechanics. (accepté pour publication)
  • Colbeck, S.C. & Warren, G.C. (1991). The thermal response of downhill skis. Journal of glaciology. 37, n° 126, 228-235.
  • Maronski, R. (1990). On optimal running downhill on skis. Journal of biomechanics. Vol 23, n°5, 435-439.
  • Tavernier, M. & Cosserat, P. & Joumard, E. & Bally, P. (1994). Influence des effets aérodynamiques et des appuis skis-neige sur la performance en ski alpin. Science et motricité. N° 21, 21-26.
  • Tavernier, M. & Cosserat, P. & Emmendoerffer, S. & Ruby, A. & Lavest, J.M. & Dhome, M. & Verriest, J.P. (1997). A 3D motion analysis system using a numerical human model. Actes du congrès international de l’ISBC, Tokyo.
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  • Watanabe, K. & Ohtsuki, T. (1977). Postural changes and aerodynamic forces in alpine skiing. Ergonomics, Vol 20, n°2, 121-131.
  • Zvan, M. & Lesnik, B. (2000). Analysis of some kinematic parameters of different giant slalom technique versions. Acte of the 2nd international congress on skiing and science. Austria, 171.

Résumé

Français

En ski alpin, compte tenu de la faible dispersion de performance entre les meilleurs skieurs mondiaux, un problème se pose à l’entraîneur : comment juger du bien fondé d’une stratégie gestuelle par rapport à une autre ? La modélisation s’avère être une solution pertinente. La démarche consiste à établir une corrélation entre des paramètres posturaux observables sur le terrain et chacune des forces intervenant dans l’équation du mouvement du skieur. L’expression des forces appliquées au système skieur-skis étant ainsi connue, l’équation de son mouvement peut être résolue et des simulations peuvent être réalisées. Elles permettent d’estimer l’écart de temps et le déficit de vitesse induits par différentes stratégies gestuelles. De telles simulations trouvent leurs applications dans le suivi de l’entraînement.

Mots-clés

  • modélisation
  • simulation
  • dynamique
  • posture
  • ski alpin

English

Kinematic analysis of the performance based on simulations of the postural strategies produced by the alpine skiers
In Alpine skiing, given the low variability of the performance among the top world skiers, coaches are confronted with the problem of assessing the efficiency of different postural strategies. Numerical models may provide an adequate solution. The method consists in computing a correlation between postural parameters observed during training and each of the forces involved in the motion’s equation. Thus the external forces exerted on the ski-skier system are known, the motion’s equation can be solved and simulations performed. These can be used to estimate variations in time and loss in speed performance induced by different postural strategies. Such simulations find an application in the field of training.

Keywords

  • modelling
  • simulation
  • dynamique
  • postural
  • alpine skiing

Plan de l'article

  1. Introduction
  2. Matériel et méthode
  3. Résultats
  4. Discussion

Pour citer cet article

Barelle Caroline, Ruby Anne, Tavernier Michel, « Analyse cinematique de la performance à partir de simulations des stratégies gestuelles mises en œuvre par les skieurs alpins », Movement & Sport Sciences, 3/2006 (no 59), p. 99-111.

URL : http://www.cairn.info/revue-science-et-motricite1-2006-3-page-99.htm
DOI : 10.3917/sm.059.0099


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