La Physique dans le Sport : Quand les Lois de Newton Entrent en Jeu
Le sport est souvent perçu comme un domaine purement physique, fait de performance, d’adresse et d’endurance. Pourtant, derrière chaque geste athlétique se cache un univers bien plus profond : la physique. Qu’il s’agisse d’un dunk spectaculaire en NBA, d’un virage en moto GP ou d’un voilier fendant le vent, ce sont les lois de la mécanique qui orchestrent les mouvements. Explorons quelques notions fondamentales de physique à travers des exemples concrets du monde sportif.
⚖️ L’inertie : quand le mouvement persiste
L’inertie, telle qu’énoncée par la première loi de Newton (appelée aussi principe d’inertie), décrit la tendance naturelle d’un corps à conserver son état initial, que ce soit :
- un état de repos, s’il est immobile,
- ou un mouvement rectiligne uniforme, s’il se déplace à vitesse constante en ligne droite.
Pour cela, aucune force extérieure ne doit venir le perturber (comme une poussée, une friction ou une résistance de l’air).
Autrement dit : si rien ne vient perturber un objet, il continue à garder exactement dans le même état de mouvement ou d’immobilité.
Exemple 1 : Une voiture est lancée à 30 km/heure. Le pilote n’effectue plus aucune action susceptible de changer la vitesse ou la direction de la voiture. Imaginons désormais qu’il n’y ait ni résistance de l’air, ni résistance mécanique, ni friction des roues contre le sol, ni obstacle… Dans ce cas, la voiture continuerait à rouler indéfiniment à la même vitesse, sans jamais ralentir. C’est l’inertie.
Exemple 2 :
Un joueur de football court à pleine vitesse et il ne s’arrête pas immédiatement lorsqu’il cesse de courir : il ralentit progressivement, car son corps tend à conserver son mouvement. C’est la friction (air, sol) et la résistance musculaire qui viennent peu à peu freiner son inertie.
🌀 Pourquoi le cycliste s'incline vers l'intérieur du virage ?
Lorsqu’un cycliste ou un skieur prend un virage serré à grande vitesse, il s’incline vers l’intérieur du virage. Pourquoi ?
Pour l’expliquer, nous devons introduire les notions de force centrifuge et force centripète (réelle).
1. La force centrifuge pousse le cycliste qui tourne vers l’extérieur de sa trajectoire.
Ce phénomène trouve son origine dans l’inertie, que nous avons déjà abordée. Lorsqu’un cycliste roule en ligne droite puis amorce un virage, son corps tend naturellement à poursuivre sa trajectoire initiale en ligne droite, en raison de cette inertie. À chaque instant du virage, le cycliste ressent une force résultant de la direction qu’il suivait juste avant. Pour mieux visualiser ce phénomène, on peut imaginer le virage comme une succession d’instantanés figés : à chaque image, le cycliste est orienté dans une nouvelle direction. Ainsi, à chaque étape, il perçoit une force qui semble le tirer vers la direction qu’il suivait à l’instant précédent, ce qui crée cette sensation de poussée vers l’extérieur du virage.
- Dans le référentiel en mouvement (cycliste à vélo ou skieur), la force centrifuge est donc la force qui attire vers l’extérieur du virage.
- Dans le référentiel inertiel (extérieur, observateur au sol), cette force centrifuge n’existe pas et n’est que la manifestation de l’inertie. C’est-à-dire qu’elle est la continuité de l’inertie du corps se manifestant à chaque fraction de seconde pendant le virage.
2. La force centripète pour lutter contre la déportation.
Pour changer de trajectoire et suivre une courbe, un objet en mouvement – comme un vélo – a besoin d’une force dirigée vers le centre du virage : c’est ce qu’on appelle la force centripète.
Cette force agit à l’opposé de la force dite centrifuge. Grâce à la force centripète, le vélo peut suivre la courbe sans partir tout droit.
Quand le cycliste tourne le guidon, il crée cette force centripète, orientant le vélo vers l’intérieur du virage. En plus, le frottement des pneus sur la route joue un rôle important : il aide à contrer la force centrifuge.
Cependant, plus la vitesse augmente ou plus le virage est serré, plus la force centrifuge devient importante. Pour y faire face, le cycliste doit se pencher vers l’intérieur du virage. Ce mouvement permet de renforcer l’effet de la force centripète et d’équilibrer les forces en jeu, gardant ainsi le vélo en trajectoire.
⛵ Quand un voilier va plus vite que le vent
Contre-intuitif ? Pas tant que ça. Un voilier moderne, surtout les catamarans ou foilers, peut effectivement dépasser la vitesse du vent apparent. Comment ?
Le secret réside dans le principe de portance – le même qui fait voler un avion. La voile, lorsqu’elle est bien orientée (en diagonal par rapport au voilier), agit comme une aile : l’air qui traverse la voile se divise en 2 flux qui circulent à une vitesse différente. La différence de vitesse créée une pression différence sur chaque côté de la voile. La face extérieur, inclinée en diagonale vers le devant du voilier est celle sur laquelle l’air circule le moins vite donc avec le moins de pression. Cette dépression attire le voilier dans cette direction. Ce phénomène s’appelle la portance. Pour ne pas que le voilier se déporte légèrement sur le côté, puisque la voile est orientée en diagonal, des cales et dérives placées sous le bateau annulent la déportation. Ainsi, seule la force propulsive vers l’avant demeure. Pour que ce phénomène de portance fonctionne, le voilier doit naviguer avec un vent réel provenant latéralement à lui. Ainsi, les flux d’air peuvent correctement circuler sur la voile et générer une force propulsive perpendiculaire à la voile sous l’effet de la portance.
Pour mieux comprendre le phénomène en détail, découvrez notre article : pourquoi les voiliers peuvent-ils aller plus vite que le vent ?
🏎️ L’automobile et les mouvements : une chorégraphie physique
Avez-vous déjà entendu parler du survirage et du sous-virage ? Tous les pilotes professionnels connaissent ces phénomènes, ce qui les aide à mieux négocier leurs virages.
Pour les comprendre, il est important de d’introduire quelques notions physiques fondamentales liées au mouvement d’un véhicule.
Le tangage
Quand une voiture accélère ou freine, son poids se déplace : on parle de transfert de masse.
- Lors d’une accélération, la masse est projetée vers l’arrière, ce qui allège l’avant du véhicule.
- Lors d’un freinage, c’est l’inverse : le poids bascule vers l’avant. C’est ce que vous ressentez quand votre corps est projeté vers l’avant en cas de freinage brutal — d’où l’importance des ceintures de sécurité.
Le roulis
Quand on prend un virage à haute vitesse, un autre phénomène se produit : le roulis.
- Si la voiture tourne vers la gauche, son poids a tendance à se transférer vers la droite, ce qui fait pencher la caisse du véhicule.
Ce phénomène, bien que moins perceptible en conduite normale, est très significatif en compétition.
Ces transferts de masse influencent directement l’adhérence des pneus, et donc la manière dont la voiture réagit dans un virage.
Transfert de masse → Adhérence → Survirage / Sous-virage
Nous avons vu que le tangage et le roulis provoquent des transferts de masse, qui modifient l’adhérence des pneus au sol. Et c’est justement ce déséquilibre d’adhérence qui entraîne les phénomènes de survirage et de sous-virage.
Lorsqu’on freine en virage :
- Le poids est projeté vers l’avant.
- Les pneus avant gagnent en adhérence.
- Les pneus arrière s’allègent → risque de survirage (l’arrière du véhicule décroche et glisse vers l’extérieur du virage).
Quand on accélère en virage :
- Le poids se transfère vers l’arrière.
- Les pneus avant perdent de l’adhérence → risque de sous-virage (la voiture ne tourne pas assez, continue tout droit).
Quand on tourne rapidement :
- Le véhicule subit un roulis.
- Le poids se déplace vers l’extérieur du virage, ce qui déséquilibre l’adhérence entre les roues gauche et droite.
- Cela peut provoquer une perte d’adhérence à l’avant ou à l’arrière, selon la dynamique du véhicule, et donc déclencher un survirage ou un sous-virage.
Survirage
Le survirage se produit lorsque l’arrière de la voiture perd de l’adhérence.
Résultat : le véhicule pivote trop, l’arrière glisse vers l’extérieur du virage, et la voiture tourne plus que prévu.
Cela donne une sensation de « tête-à-queue », surtout si le pilote ne corrige pas la trajectoire à temps.
Ce phénomène de survirage est fréquent sur les voitures propulsion (roues arrière motrices), surtout à haute vitesse ou lors d’une accélération trop brusque en sortie de virage.
Le sous-virage se produit lorsque l’avant de la voiture perd de l’adhérence.
Résultat : malgré le braquage du volant, la voiture continue tout droit, elle ne tourne pas assez.
Cela génère une sensation que la voiture « glisse de l’avant » et refuse de suivre la courbe.
Ce phénomène de sous-virage est plus fréquent sur les voitures traction (roues avant motrices), ou en cas d’entrée trop rapide dans un virage.
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14 Avril 2025