Les différentes énergies utilisées

On sait que le saut à la perche est un sport où le perchiste doit s'élever le plus haut possible. Or, la problématique du saut à la perche moderne est de transférer le plus possible de l'énergie cinétique issue de la course dans la perche pour la fléchir, et de convertir ensuite l'énergie renvoyée par la perche en hauteur. Nous allons étudier le rôle des énergies mises en jeu pendant le saut et les transferts d'énergies qui s'y opèrent, au service de la performance.

Avant de commencer de développer nos idées, nous vous proposons de redéfinir les différentes énergies :

L'énergie cinétique: C'est l'énergie que possède tout corps en mouvement par rapport à un référentiel donné. Dans la situation du saut à la perche, le référentiel est la terre. Elle est notée Ec et s'exprime en Joule (J). On peut la calculer grâce à la formule : Ec = 1/2.m.v ² avec m en kg, en m.s-1.

Ec = 1/2.m.v ²

L'énergie potentielle élastique : notée Epe, elle s'exprime en Joule (J). Elle représente l'énergie que possède tout corps élastique lorsqu'il est compressé, étiré ou déformé par rapport à sa position naturelle. Ce corps cherchera toujours à revenir à sa position naturelle, transformant ainsi son énergie potentielle élastique en énergie cinétique. Elle se calcule par la formule Epe = 1/2.k.x², avec k en N.m-1 (newton par mètre) représentant la constante de raideur du ressort, x en mètres (m), représentant l'allongement du ressort. Une perche non déformée a une énergie potentielle élastique interne nulle tandis que plus elle est fléchie, plus son énergie potentielle élastique interne augmente, d'où l'importance de la souplesse de la perche.

Epe = 1/2.k.x²

L'énergie potentielle de pesanteur : Notée Epp, cette énergie est due à l'interaction d'un corps avec la Terre. Elle augmente avec l'altitude. Elle est définie par la formule Epp=m.g.h avec m la masse de l'objet, en kg (kilogramme), g l'intensité du champ de pesanteur en Newton (N) et h l'altitude par rapport au point de référence en mètres (m).

Epp=m.g.h

L'énergie mécanique : De formule Em=Epp+Ec, elle désigne l'énergie d'un système, emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est une quantité conservée lorsqu'aucune force extérieure ou non conservative (le frottement ou le choc) n'intervient dans ce même système.

Em=Epp+Ec

Lors d'un saut, le but est de développer la plus grande énergie possible. Il faut ensuite l'emmagasiner dans la flexion de la perche puis de la récupérer pour envisager d'être catapulté le plus haut possible.

Ainsi, le perchiste doit accumuler et transférer différents types d'énergies de façon optimale durant toute la durée du saut.

Le graphique précédent illustre la représentation de la quantité de chaque type d'énergie mise en jeu en fonction du temps et des différentes phases du saut ; il permet de voir leurs variations lors du saut.

Tout d'abord, la course d'élan et l'impulsion sont les étapes où le perchiste emmagasine, grâce à sa vitesse et à sa force d'impulsion, le maximum d'énergie cinétique. Ces étapes sont essentielles car ce sera l'unique source d'énergie dont le sportif disposera au cours de son saut.

Dans une course d'élan idéale, le perchiste accélère progressivement et ne ralentit quasiment pas jusqu'au moment où il plante la perche dans le butoir. Son rôle est, ici, d'emmagasiner le maximum de vitesse pour produire le plus d'énergie cinétique. C'est pour cela que durant la phase 1 du graphique, qui correspond à la course d'élan, l'énergie cinétique que le perchiste accumule augmente.

La perche va la recevoir sous la forme d'une autre énergie qui se nomme l'énergie potentielle élastique. C'est pourquoi dans la phase 2 du graphique, qui correspond au moment où la perche est plantée dans le butoir, l'énergie cinétique diminue: elle est transférée progressivement à la perche sous forme d'énergie élastique. Par conséquent, la courbe de l'énergie potentielle élastique augmente. On peut néanmoins voir que lorsque celle-ci atteint son maximum, il ne correspond pas au maximum d'énergie cinétique accumulée par le perchiste : l'énergie potentielle élastique maximale accumulée dans la perche est inférieure. Il y a donc une perte d'énergie, toute l'énergie cinétique n'est pas transférée à la perche. En effet, de l'énergie part dans le sol au moment où la perche entre en contact avec celui-ci. Ce sont les bras du perchiste, lorsqu'ils fléchissent la perche, qui représentent les points de transmission de l'énergie cinétique en énergie potentielle élastique. Cependant, le sportif doit veiller à être gainé au niveau de son bassin et de sa ceinture abdominale car s'il y a la moindre déformation de son corps, toute cette énergie s'échappera et sera perdue.

Ensuite, le perchiste doit trouver le moyen de récupérer l'énergie interne de la perche pour pouvoir s'élever. C'est lors du renversé et de la déflexion de la perche que cela se joue. Lorsque le sauteur se met dans la position renversée, il se prépare en fait au "temps de perche", c'est-à-dire au moment où la perche va atteindre son point limite de flexion, et lorsqu'elle restituera son énergie élastique, en énergie potentielle de pesanteur. Ce moment correspond à la phase 3 du graphique, l'énergie contenue dans la perche diminue, avec l'énergie cinétique, tandis que l'énergie potentielle de pesanteur augmente. 

Mais une fois de plus, le perchiste doit être entièrement gainé s'il veut réussir cette étape du saut car la perche ne peut restituer cette énergie qu'à un corps dur. Ainsi, s'il n'est pas suffisamment gainé, alors il ne pourra pas récupérer l'énergie de la perche et sera donc dans l'incapacité de prendre de la hauteur pour survoler la barre. On retrouve ici l'importance des conditions physiques du perchiste, vues dans une partie précédente.

Ensuite, la phase 4 correspond au moment où le perchiste franchit la barre, l'énergie potentielle de pesanteur est donc à son maximum. A la fin de cette phase, lorsque le sauteur donne une dernière poussée pour prolonger son ascension et franchir le « rapport », toute l'énergie qu'il possède se trouve sous forme d'énergie mécanique, c'est à dire d'énergie cinétique et d'énergie potentielle de pesanteur, car la perche est revue à sa forme initiale et son énergie élastique est donc nulle. 

Quant à la phase 5, elle représente l'instant où le sauteur retombe au sol, grâce au phénomène de gravité. Son énergie cinétique y est donc élevée puisque ses mouvements prennent de la vitesse, alors que son énergie de potentiel diminue de par la chute du perchiste, jusqu'à devenir nulle lorsqu'il arrive au niveau du matelas.

Le saut est donc essentiellement une question d'énergies, il est permis grâce à l'intervention de trois énergies différentes durant son exécution (cinétique, de pesanteur et élastique). Leurs transferts permettent d'aboutir à la réalisation du saut. Plus la quantité d'énergie finale transférée est grande, plus le perchiste pourra théoriquement sauter haut. Ainsi, la perche joue un rôle de transport de l'énergie, elle stock temporairement l'énergie pour ensuite la restituer. Tandis que l'objectif du perchiste est de réussir à convertir parfaitement son énergie cinétique en énergie potentielle de pesanteur, par la recherche du placement idéal, afin monter le plus haut possible. Chaque mouvement que le perchiste effectue a une incidence sur le transfert d'énergie.

On sait désormais que certaines énergies sont prédominantes lors de phases précises du saut. On peut voir que les énergies s'enchaînent avec fluidité, pour finalement "s'écraser sur le matelas" après avoir atteint une capacité maximum. 

En résumé, le perchiste et sa perche réalisent l'exploit de convertir intégralement une forme d'énergie en une autre. Tout le talent du perchiste, est donc d'optimiser le transfert d'énergie entre sa course, la flexion de la perche et l'énergie potentielle de pesanteur. L'évolution des records du monde, pour reprendre l'axe précédent, est donc aussi due à une amélioration des capacités des perchistes à réaliser ces transferts. En effet, des perchistes comme Renaud Lavillenie enchaînent ces énergies presque parfaitement pour sauter à de telles hauteurs. Ainsi, c'est pourquoi les records du saut à la perche commencent à se raréfier, puisque les marges de manœuvre entre la perfection de ces transferts deviennent de plus en plus courtes. 

Le record du monde du saut à la perche, est donc limité par la physique.

L'importance de l'énergie cinétique - Mise en situation

Si on considère la situation du perchiste du point de vue énergétique, il ne dispose que d'une seule et unique source d'énergie pour se propulser au-dessus de la barre : sa course d'élan. 

Cette phase du saut est la plus importante puisqu'elle représente la point de départ de l'ensemble des transferts d'énergie s'opérant ensuite. Comme le saut à la perche repose sur des transferts d'énergies, si le perchiste ne prend pas assez de vitesse, donc d'énergie cinétique, les autres énergies auront une intensité plus faible. Plus le sauteur ira vite (plus l'énergie cinétique accumulée sera élevée) et plus le perchiste ira haut (plus l'énergie potentielle de pesanteur sera élevée). C'est le phénomène d'alternance. Ainsi, l'énergie cinétique joue un rôle très important dans la construction de la performance du saut à la perche. En effet, c'est une énergie majeure qui est la base de la formation des autres énergies.

C'est pourquoi la perche idéale est celle qui va arriver à totalement stocker l'énergie de la course, puis à la restituer entièrement, en n'en laissant le moins partir vers le sol.

Mise en situation : Nous vous proposons une illustration de l'importance de cette énergie cinétique dans la performance.

A partir de la formule de cette énergie, on peut calculer l'énergie qu'un coureur formera lors de sa course. Prenons l'exemple de trois élèves de premières, Mathieu, Sofiane et Clément. Le premier exerce la course à pied en club. Le second est sportif, il exerce du sport en club, mais pas de course à pieds. Enfin, le dernier exerce peu d'activité sportive. Ceux-ci vont effectuer une course de 100m, qui simule la course d'élan, une des phases lors du saut à la perche. Le but sera de calculer l'énergie cinétique qu'ils accumulent, à partir de leur vitesse moyenne durant cette course et de leur poids.

Données :

On remarque que Mathieu crée quasiment 2 fois plus d'énergie cinétique que Sofiane. Quant à Clément, il produit une source d'énergie raisonnable mais tout de même inférieur à celle créé par Mathieu. Elle reste cependant bien plus élevée que celle de Sofiane avec une différence de 1213.5 J, qui est loin d'être négligeable. La quantité d'énergie cinétique dépend donc d'une variable qui est la vitesse. Mathieu et Clément, qui produisent plus d'énergie, pourront donc théoriquement sauter assez haut contrairement à Sofiane étant donné qu'il possède une bonne quantité d'énergie initiale. 

Cette mise en situation nous permet de nous rendre compte de l'importance d'une bonne course d'élan. En effet, bien que les valeurs des données soient relativement proches, on observe que les résultats des énergies cinétiques emmagasinées varient fortement. Par conséquent une vitesse légèrement plus faible peut engendrer une baisse d'énergie cinétique importante et nuire à la performance. C'est pour cette raison que les perchistes sont souvent d'excellent coureur et qu'ils sont souvent très précis. Cette mise en situation nous permet aussi de mettre en avant l'importante influence du poids du perchiste durant un saut. En effet, sa valeur peut aussi bouleverser l'énergie cinétique emmagasinée.

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