Les sportifs professionnels et amateurs cherchent en permanence le moyen de réaliser de meilleures performances avec un maximum de confort et un minimum de risques de blessures. Parallèlement, les fabricants d’équipements de sport sont à l’affût des nouvelles technologies pour développer plus rapidement des produits innovants et fiables qui résistent à des conditions parfois extrêmement difficiles. Le secteur du sport utilise depuis longtemps les outils de conception mais ce n’est que depuis quelques années qu’il s’intéresse à la simulation numérique.

Cette technologie éprouvée permet de prédire le comportement d’un appareil, d’un athlète ou d’un système comportant athlètes, appareils et équipements. A l’aide d’un prototype virtuel, il est possible de comprendre l’impact des paramètres qui influent sur la performance de l’athlète et sur les risques de blessure. En faisant varier ces paramètres, les concepteurs déterminent le meilleur compromis entre la performance et le risque de blessure. Par ailleurs, les fabricants d’articles de sport sont en mesure de mettre ces nouveaux produits sur le marché plus vite et à moindre coût.

La quête de la performance

Chez bon nombre de personnes, le sport évoque, d’un côté, l’athlète de haut niveau qui passe à la télévision pendant les Jeux Olympiques, les championnats du monde ou à l’occasion d’événements sportifs ; de l’autre, l’amateur passionné qui fait son jogging dans la rue, se rend à la salle de sport de quartier ou se promène à vélo dans la forêt (en somme, des gens comme vous et moi). Ces deux types de sportifs poursuivent, consciemment ou inconsciemment, trois grands objectifs :

La soif irrésistible de se dépasser et de battre ses propres records. Pour y arriver, les sportifs vont s’entrainer davantage, acheter des équipements de pointe ou travailler leurs mouvements et leurs postures.

Le football américain, source de commotions cérébrales…

La crainte de douleurs ou de blessures qui empêcheraient de pratiquer son sport favori. Aujourd’hui, les athlètes ne se contentent plus d’une performance exceptionnelle. Ils veulent se maintenir à un niveau élevé pendant plusieurs années. A la suite d’une blessure ou d’un effort trop violent, il est possible qu’ils ne retrouvent jamais leurs meilleurs niveaux. Et pourtant, l’athlète doit sans cesse repousser ses limites pour battre des records du monde.

Le sportif amateur doit trouver le juste compromis entre la crainte de la blessure et le désir de se surpasser. La frontière entre le “plus loin” et le “trop loin” est difficile à cerner. C’est pour cette raison que l’athlète professionnel et le sportif amateur doivent utiliser du matériel qui limite les risques de blessures.

Déterminer le meilleur compromis entre la performance et le risque de blessure.

Le désir d’équité. Les athlètes préfèrent rivaliser avec leurs propres capacités physiques et mentales plutôt qu’avec la technologie. C’est l’un des défis actuels du sport de compétition, pour les sportifs comme pour les spectateurs. Pour garantir l’équité, il faut mettre en place des règlements stricts et des contrôles appropriés. Les combinaisons de natation ont par exemple été interdites après les JO de Pékin car la technologie utilisée dans certains maillots avantageait injustement certains nageurs.

Les sportifs amateurs veulent le même matériel de pointe que leurs idoles professionnelles, ce qui implique de démocratiser les nouvelles technologies beaucoup plus rapidement qu’avant. Aujourd’hui, les cyclistes veulent rouler avec le tout dernier vélo en carbone et composites, même s’ils ne participent pas aux Jeux Olympiques.

Les professionnels du sport investissent d’énormes quantités d’argent en ingénierie pour satisfaire ces trois grandes exigences et trouver le petit ’plus’ qui permettra de décrocher la médaille d’or. Depuis près de 50 ans, de nombreuses industries utilisent avec succès une technologie encore peu répandue dans le domaine du sport (à l’exception du sport automobile et de quelques autres disciplines) : la simulation numérique.

Une technologie “émergente” dans le monde du sport

La simulation numérique permet de simuler et de prédire avec précision le comportement d’un système. Elle utilise un modèle numérique qui peut inclure l’athlète, les équipements et l’environnement. Le logiciel de simulation résout des équations fondamentales (conservation de masse, conservation d’énergie, seconde loi de Newton, loi de Hooke en élasticité…) pour calculer des grandeurs comme la vitesse, la pression, la contrainte et la déformation.

Système comportant un cycliste, une voiture et l’air. Les couleurs représentent la pression de l’air. L’étude montre qu’une voiture qui suit de près un cycliste le propulse littéralement en avant. (Blocken et Toparlar, 2015).

Même les modèles les plus simples fournissent une mine d’informations précieuses. Pour étudier des phénomènes physiques réels complexes, les éditeurs de logiciels, les leaders universitaires et les concepteurs d’équipement de sport ont recours à des modèles numériques plus avancés (incluant par exemple les propriétés des matériaux et les interactions entre les composants).

Par ailleurs, ils doivent incorporer l’appareil, l’athlète et l’environnement pour simuler le système dans son ensemble. Enfin, chaque fois que c’est possible, ils prennent en compte les différentes lois de la physique en interaction dans une simulation multiphysique. Cela leur permet de faire des analyses plus précises pour améliorer la performance des athlètes et des produits.

A titre d’illustration, les équipes du Professeur Blocken de l’Université de Technologie d’Eindhoven et de la KUL (Leuven) ont récemment étudié l’impact d’une voiture qui suit un cycliste. Les ingénieurs ont tout d’abord modélisé la géométrie de la voiture et du vélo. Ils ont ensuite ajouté un modèle générique de cycliste (ou d’athlète) et l’air ambiant, qui joue un rôle déterminant dans la simulation. Ils ont par ailleurs spécifié le mouvement des différents composants et les propriétés des matériaux (en l’occurrence, la densité de l’air, la viscosité et l’humidité).

Faire varier certains paramètres pour quantifier l’impact des variations exogènes sur le cycliste et déterminer la configuration optimale.

A l’aide de la simulation, ils ont obtenu non seulement la vitesse et la pression de l’air dans la région étudiée, mais également les forces et la traînée subies par le cycliste. La simulation a également mis en évidence les interactions entre les différents composants.

En faisant varier certains paramètres, comme la forme et la taille de la voiture ou la distance entre la voiture et le vélo, ils ont pu quantifier l’impact des variations sur le cycliste et déterminer la configuration optimale.

Qu’apporte réellement la simulation au sport ?

De nombreux sports ont déjà adopté, parfois occasionnellement et parfois plus systématiquement, une approche de la simulation numérique dans l’objectif de mieux comprendre la discipline, d’améliorer le fonctionnement des équipements ou de réduire le risque de blessures.

Le cyclisme

Deux paramètres techniques ont une influence majeure sur la performance d’un cycliste : l’aérodynamique et le poids (même si certains diront que la résistance mécanique du vélo joue un rôle important dans des disciplines comme le cyclisme de montagne).

Pour réduire le poids du vélo sans compromettre sa résistance au vent et augmenter sa rigidité, il faut faire varier la géométrie de ses composants et/ou utiliser de nouveaux matériaux comme les composites. Il faut ensuite simuler le comportement du vélo modifié pour s’assurer qu’il remplit toujours sa fonction première.

L’équipe du Pr John Hart de l’Université de Sheffield Hallam étudie depuis plusieurs années l’aérodynamique des cyclistes de compétition.
Les études ont montré que de petites modifications apportées à certains composants critiques pouvaient avoir un impact important sur la traînée, et donc sur les performances de l’athlète.

Pour optimiser l’aérodynamique, les concepteurs peuvent jouer à la fois sur la position du cycliste et sur la forme des composants. La position du cycliste doit induire un minimum de traînée et assurer un maximum de puissance de propulsion et de confort du cycliste.

Pour améliorer l’aérodynamique des équipements, les concepteurs doivent optimiser, en priorité, les composants qui ont un impact sur l’augmentation de la traînée et donc sur le ralentissement de l’athlète. Comme chaque composant est un sous-système (ou fait partie d’un sous-système), il faut optimiser le système (le vélo) dans son ensemble plutôt que chacun de ses composants séparément.

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La natation

Les fabricants de maillots de bain utilisent la simulation numérique de façon intensive pour mieux comprendre l’interaction entre l’eau et le maillot de bain. En adaptant la texture du maillot dans les zones où l’eau génère beaucoup de traînée, ils réduisent la force de décélération et améliorent ainsi la performance du nageur.

Les concepteurs doivent également optimiser la forme des lunettes et des bonnets de façon à diminuer le nombre de bulles qui se forment lorsque le nageur pénètre dans l’eau. Ces bulles génèrent une force qui ralentit l’athlète et doivent être réduites au maximum pour augmenter la performance du nageur.

Bien évidemment, la position du nageur joue un rôle important dans sa performance, notamment la position de ses doigts. La simulation numérique permet de déterminer l’espace idéal entre les doigts pour repousser l’eau de façon optimale sans qu’elle ne s’écoule entre les doigts.

A lire en complément : Dressed for Success / Simulating Swimwear for Increased Speed

La voile et l’aviron

Le secteur de la voile a investi massivement dans la simulation numérique afin d’optimiser la  performance et la fiabilité des équipements pour les courses de longue durée.

Les concepteurs de voiliers portent une attention toute particulière aux interactions entre la voile et le vent (pour exploiter au mieux l’énergie du vent, quelles que soient sa force et sa direction) et aux interactions entre la coque et l’eau (pour minimiser la traînée).

Ils doivent par ailleurs garantir la robustesse du bateau soumis à des intempéries. Pour ce faire, ils modélisent le mât, la coque et les voiles et vérifient leur bonne tenue aux intempéries à l’aide des outils de simulation. Ils peuvent également étudier d’autres alternatives comme les matériaux composites pour réduire le poids des structures tout en augmentant leur résistance. Forts des résultats d’analyse, ils sont en mesure de prendre des décisions avisées sur les choix de conception.

En aviron, même si c’est moins répandu, les concepteurs cherchent à comprendre et à optimiser l’interaction de la rame avec la surface de l’eau (interaction aviron-air-eau) ainsi que la traînée hydrodynamique sur la coque.

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Le golf

D’un point de vue technologique, le golf met en jeu l’impact du club sur la balle et la trajectoire de la balle dans l’air. Là encore, l’aérodynamique joue un rôle fondamental. Les cavités de la balle de golf permettent d’évacuer l’air de la balle beaucoup plus tard que si elle était lisse, ce qui a pour effet de diminuer significativement sa résistance à l’air et d’allonger sa trajectoire.

L’impact du club sur la balle fournit l’énergie nécessaire pour propulser la balle. Cette énergie dépend de la vitesse du club (fonction elle-même de l’aérodynamique du club) et de la déformabilité du club et de la balle. La rigidité mécanique du club doit produire un transfert d’énergie maximal vers la balle. L’utilisation de matériaux composites dans le club ou la balle modifie considérablement ce transfert d’énergie. Toutefois, des règlementations très strictes encadrent l’usage des technologies afin de garantir une concurrence loyale.

A lire en complément: On the Ball / Modeling the Acoustics of a Golf Ball Impacting a Titanium Plate

Les sports de raquette

En tennis, badminton et squash, les raquettes doivent être légères, résistantes et, en même temps, transmettre les vibrations au joueur pour qu’il ’sente’ les caractéristiques de l’impact. L’adoption croissante de nouveaux matériaux et l’omniprésence des composites dans les raquettes actuelles ouvrent la voie à l’innovation mais compliquent la tâche des concepteurs.

Pour comprendre l’incidence de ces changements sur les performances et créer la meilleure raquette, les concepteurs créent un modèle paramétré détaillé du nouveau prototype et testent des millions de variantes à l’aide des outils de simulation.

L’équipe de Tom Allen de l’Université Manchester Metropolitan a étudié l’impact de la balle sur la raquette de tennis.

L’impact de la balle de tennis ou du volant de badminton sur la raquette joue un rôle important dans la performance. Tom Allen dirige actuellement l’équipe Sport Engineering Simulation à l’Université de Manchester Metropolitan. Son équipe a étudié en détail comment l’énergie et l’effet mis par le joueur étaient transférés à la balle au moment de l’impact. Le manche doit traduire l’intention de l’athlète en matière de vitesse, de direction et d’effets donné à la balle, en dépit de l’élasticité du manche et de la déformabilité de la balle.

L’aérodynamique d’un volant dépend en grande partie du matériau utilisé (plume ou plastique), comme l’a montré l’équipe de John Hart de l’Université de Sheffield Hallam.

L’aérodynamique d’un volant de badminton a fait également l’objet d’études, en particulier pendant la phase critique qui suit l’impact, là où le mouvement de rotation dissipe beaucoup d’énergie. Les volants en plastique ont un comportement très différent de ceux en plume car l’air ne circule pas de la même façon dans la structure.

A lire en complément: Good Vibrations / The Ball’s in your Court

Les sports d’hiver

Le ski, le snowboard, le patinage sur glace, le hockey sur glace ou d’autres sports olympiques un peu moins populaires comme le bobsleigh ou le skeleton utilisent tous la simulation numérique.

Pour la plupart, ces sports se caractérisent par le besoin de vitesse. Par conséquent, tout ce qui ralentit l’athlète — tel qu’un problème d’aérodynamique ou un mauvais contact avec la neige ou la glace — doit être étudié avec soin.

La position de l’athlète, et notamment celle du skieur, est bien évidemment importante, mais l’équipement contribue lui aussi à la performance. La texture de la combinaison, la forme des chaussures, des bottes ou du casque, le design des skis ou du bobsleigh peuvent faire toute la différence pour l’athlète. Dans les sports de compétition, une fraction de seconde compte.

La sécurité et le confort des sportifs amateurs et professionnels sont deux préoccupations majeures des sports de vitesse où toute erreur, toute défaillance peut être dramatique. Les ingénieurs modélisent tous les impacts potentiels en incluant le corps humain dans le modèle pour mieux évaluer les dommages et les traumatismes. Ils font ensuite varier certains paramètres de conception pour minimiser les blessures et maximiser le confort. Et pour vérifier ou améliorer la robustesse des matériaux ils ont recours à des essais numériques rapides et efficaces.

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Les vêtements et les équipements de protection

Les vêtements jouent deux rôles importants. Premièrement, ils protègent l’athlète de l’environnement extérieur (froid, pluie, vent, etc.) et des impacts. Deuxièmement, ils procurent un meilleur confort en régulant la température et l’humidité pendant l’effort. Récemment, des modifications ont été apportées aux vêtements pour améliorer leur aérodynamique, en réduisant la rugosité dans les zones du corps qui génèrent la plus grande trainée.

Les tenues de sport comportent également des accessoires de protection comme les casques, les gants, les protections pour les jambes et les bras et les lunettes de sport. La première préoccupation est la résistance aux impacts et aux frottements pour réduire au maximum les traumatismes. La seconde est d’assurer le confort des sportifs qui doivent parfois porter ces accessoires pendant une longue période. Les accessoires doivent être aussi légers que possible et résister aux chocs. Durant un effort long et parfois intensif, ils doivent également permettre l’échange de chaleur et d’humidité et faciliter la circulation d’air frais (dans les casques en particulier).

A lire : Taking a Bite of Sport Injuries

Les sports paralympiques

Courtoisie de l’Université de Sheffield Hallam

Toutes les options de modélisation précédemment abordées (aérodynamique externe, tenue mécanique, résistance à la fatigue des composants, modélisation des impacts, conception de vêtements de sport et d’équipements de protection) pourraient être plus largement utilisées pour optimiser la performance, le confort et la sécurité des athlètes paralympiques.

Malheureusement, la simulation numérique est encore très peu exploitée dans les sports paralympiques, malgré la volonté des athlètes et les bénéfices qu’elle pourrait leur apporter.

Les modèles numériques sont par contre largement utilisés dans le secteur médical pour concevoir et optimiser de nouvelles prothèses. La simulation permettrait, sans nul doute, de mieux adapter les équipements médicaux et sportifs aux spécificités de ces disciplines.

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L’adoption des objets connectés par les sportifs

Les objets sportifs connectés (IoT) et l’athlète connecté connaissent depuis peu un succès grandissant. Les appareils sans-fil surveillent les performances des sportifs et déterminent avec précision le risque de blessures. L’équipe qui accompagne l’athlète peut l’encourager, lui prodiguer des conseils ou encore enregistrer ses performances pour les analyser plus tard et adapter le programme d’entraînement. Les objets connectés présentent toutefois des inconvénients: l’énergie électromagnétique absorbée par le corps humain, l’inconfort d’objets trop volumineux…

Il est possible de réduire ces inconvénients en miniaturisant les dispositifs grâce aux outils de simulation appropriés.

L’adoption progressive de la simulation

Les exemples présentés ci-dessous intéresseront sans doute les personnes qui ont envie de se lancer dans la simulation numérique. A première vue, cela peut les intimider: l’interface utilisateur d’un logiciel de simulation peut sembler compliquée. Il est nécessaire d’avoir des modèles géométriques d’athlètes et d’équipements compatibles avec les outils d’IAO (Ingénierie Assistée par Ordinateur). Il faut définir les bonnes propriétés des matériaux et établir les conditions correctes de fonctionnement, ce qui peut soulever beaucoup de questions.

Bon nombre de personnes ont déjà relevé ces défis et ont obtenu d’excellents résultats. Les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique, des hautes technologies et de l’énergie, pour n’en citer que quelques-uns, sont confrontés depuis longtemps à des problématiques beaucoup plus complexes.

Dans la pratique, on constate qu’il n’est pas toujours nécessaire de développer des modèles détaillés et complexes de simulation pour obtenir rapidement de précieuses informations. Bien au contraire, dans un premier temps, des modèles numériques relativement simples peuvent suffire. Les concepteurs peuvent ensuite enrichir ces modèles simplifiés en ajoutant de nouveaux paramètres, de nouvelles physiques ou en incorporant d’autres composants. A l’aide des résultats, ils sont en mesure d’améliorer la performance des athlètes, de réduire les risques de blessures, de garantir la fiabilité des équipements et de diminuer le coût des appareils. Le plus difficile est de déterminer ce qu’il est vraiment nécessaire d’inclure dans les modèles.

La simulation numérique est encore une discipline émergente dans l’industrie du sport et certaines entreprises pourraient hésiter à l’adopter. Parce qu’elle bouleverse l’industrie du sport, les entreprises qui tarderont à investir dans cette technologie seront en retard par rapport à leurs concurrents. C’est pourquoi ANSYS et ses partenaires académiques peuvent aider les nouveaux venus à bien démarrer avec la simulation numérique.

Quelle sera la prochaine étape ?

La simulation numérique est une technologie éprouvée pour prédire le comportement d’un produit, d’un athlète ou d’un système. Grâce aux modèles numériques, il est possible de comprendre l’impact des différents paramètres sur la performance de l’athlète et sur le risque de blessures. En faisant varier ces paramètres, les concepteurs déterminent le meilleur compromis entre la performance et le risque de blessures. De leur côté, les fabricants d’articles de sport peuvent mettre ces nouveaux produits sur le marché plus vite et à moindre coût.

Compte tenu de l’énorme succès rencontré par cette technologie dans d’autres industries au cours des 50 dernières années, il ne fait aucun doute qu’elle jouera un rôle de plus en plus important dans l’ingénierie du sport. Les fabricants d’équipements sportifs comme les sportifs professionnels et amateurs, les éditeurs de logiciels de simulation numérique et les responsables universitaires vont tous contribuer à l’adoption de cette technologie.

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Référence 

Blocken, B, Toparlar, Y. A Following Car Influences Cyclist Drag: CFD Simulations and Wind Tunnel Measurements. 2015. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. Volume 145, pp 178–186.

Thierry Marchal

directeur monde Sport et Santé

Ansys