Origine et évolution de la perche

a) Origine

Ce saut est apparu pour la première fois en Grèce Antique. Les Crétois utilisaient cette technique pour sauter au-dessus des taureaux. Plus tard, les Celtes ont pratiqué cette discipline pour effectuer des sauts en longueur. Ce n'est que vers la fin du XVIIIème siècle, en Allemagne, que le saut à la perche devient en concours vertical dans le cadre de compétitions de gymnastique.

De nos jours, le saut à la perche consiste à sauter le plus haut possible au-dessus d'une barre verticale.

b) Evolution des records et des propriétés mécaniques de la perche

"Les matériaux de la performance"

Pour les performances dans le sport, il faut bien s'entraîner et utiliser un bon matériel. Mais il faut aussi des matériaux performants, dont les propriétés permettent de sauter le plus haut possible.

Cependant, ce n'est pas la seule révolution que ce sport a connu. Les matériaux de la perche étaient également différents. On dénombre de nombreuses évolutions de la perche au cours du temps pour améliorer les performances. 

Tout d'abord, le plus ancien et le plus naturel des composites était le bois (frêne ou merisier). Les propriétés du bois lui permettent d'être solide. Cependant, il est lourd et très rigide. Ainsi, les perches ne pouvaient pas se plier, elles étaient très dures et non-flexibles. Le record avec une perche en bois date de 1903 et a été établi par l'Anglais Chapman. Il a franchi une barre de 3m65. 

C'est vers 1910 que le saut à la perche fit des progrès avec des perches en bambou. Le bambou, qui est une plante exotique à croissance rapide, possède une structure fibreuse périphérique qui renforce sa solidité. Plus flexible, la perche en bambou restitue donc d'avantages l'énergie cinétique apportée par la course du sauteur. Mais il est surtout plus léger, ce qui permet des perches plus longues. Ainsi, la perche en bambou était un bon compromis entre solidité, flexibilité et longueur. D'après le graphique ci-dessous, le bambou a permis de repousser les limites des records du saut à la perche pendant près de 40 ans. Le record avec une perche en bambou date de 1942 et a été établi par l'Américain Wamerdam. Il a franchi une barre de 4m77. 

Les perches en bambou sont ensuite remplacées par des perches en métal (aluminium, acier), qui ont pour caractéristiques d'être encore plus rigides mais qui sont également bien plus lourdes. Comme nous le montre le graphique, la perche en métal est un échec en terme de records. En effet, Le record avec une perche métallique date de 1960 et a été établi par l'américain BRAGG, en franchissant une barre de 4m80. Il n'y a que 3 cm d'écart entre les records avec une perche en bambou et une perche métallique, ce qui représente qu'une très faible progression. 

Après l'échec du métal, les perches se sont composées et se composent toujours de matériau composite, qui semble être le compromis parfait entre masse volumique et rigidité. Ainsi les records, comme nous le montre le graphique, ont nettement progressé grâce à des fibres (carbone et verre). Au fil des années, les techniques de conception des matériaux qui composent la perche deviennent de plus en plus recherchées et raffinées. En effet, il est vrai que depuis quelques années, ces techniques deviennent les seules solutions permettant d'améliorer les performances.

On peut voit qu'il s'agit donc courbe croissante. On observe une nette amélioration des records au fur et à mesure que la structure de la perche évolue. De plus, à chaque changement, on observe des pics de record. Les évolutions de matériaux ont donc une forte influence sur les performances. 

Ces améliorations s'expliquent par la flexibilité et la capacité des nouveaux matériaux à encaisser des sauts d'athlètes plus lourds et allants plus vite. Les matériaux anciens couramment utilisés tel que le bois ont été remplacés par des matériaux modernes de plus en plus légers solides et flexibles pour des sauts de plus en plus hauts. Le saut à la perche est une discipline dont l'évolution des performances est la plus directement proportionnelle à celles des matériaux. Ainsi, bien que l'évolution de la perche à elle seule ne suffise pas à expliquer les performances, puisqu'il existe de multiples autres facteurs, elle y a fortement contribué.

Cependant, il ne semble pas qu'entre 1994 et 2019 le matériel du saut à la perche ait connu une révolution aussi spectaculaire que dans les années 1960, avec l'introduction de la fibre de verre et de la fibre de carbone. Il semble d'ailleurs que ce ralentissement technologique soit plus ou moins traduit dans les performances, puisqu'entre le dernier record de Sergei Bubka en 1994 à 6m14 et le record à 6m16 de Renaud Lavillenie en 2014, c'est-à-dire une période de 20 ans, aucun autre record mondial n'a été enregistré dans cette discipline.

De par l'étude de la résistance des différents matériaux qui composent la perche, on retrouve la rhéologie.

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La composition et la structure de la perche actuelle

La dernière sorte de perche a été très innovante car elle a permis au record de beaucoup évoluer grâce à son effet de propulsion. Elle est donc bien plus pratique que toutes les autres formes de perche, elle est plus légère, plus simple à plier que les autres perches.

Un matériau composite est un assemblage d'au moins deux composants non miscibles (mais ayant une forte capacité de pénétration) dont les propriétés se complètent. Le nouveau matériau ainsi constitué, hétérogène, possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. Dans notre situation, il s'agit de la fibre de carbone et de la fibre de verre. C'est un mélange d'une matrice (liant qui assure la cohésion entre les différents éléments d'une armature formée de fibre) et d'un renfort (pièce que l'on utilise pour en solidifier une autre).

Nous allons donc nous centrer sur la perche d'aujourd'hui. De forme cylindrique, elles sont réalisées à l'aide d'un mélange de résines synthétiques, de fibres de verre et de carbone, lui conférant à la fois élasticité et flexibilité, permettant l'« effet catapulte ». En effet, elle est fabriquée à partir de bandes de tissu de verre enroulées autour d'un axe qui comportent des fibres d'un verre riche en silice SiO2 (54 %) avec de l'alumine (Al2 O3) et de la chaux (CaO), fondu à 1 500 °C et filé très fin à haute température. 

Ensuite, on observe une seconde couche de fibre de verre, mais cette fois ci tissée. Les fibres de verre permettent des réduire le poids des matériaux, tout en améliorant leurs performances. En effet, la faible masse volumique de la fibre de verre (2.6 g/cm³) lui confère un allègement des structures d'environ 30% par rapport à l'acier, dont la masse volumique vaut environ 8.0 g/cm³. Elles sont notamment performantes par leurs résistances aux chocs, deux fois plus élevées que l'acier par exemple. De plus, la possibilité d'orienter la dépose des fibres de verre dans un sens pour des tissus unidirectionnels ou dans les 2 sens ajoute une souplesse bien supérieure. C'est pour cette raison que celles-ci sont tissées ou enroulées.

On observe ensuite une dernière couche de fibre de carbone, elle offre également des caractéristiques de résistance mécanique exceptionnelles. En effet, elle se compose de fibres extrêmement fines, d'environ cinq à dix micromètres de diamètre, et est composée principalement d'atomes de carbone. Ceux-ci sont agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l'axe long de la fibre. L'alignement des cristaux rend la fibre extrêmement rigide et résistante à la compression et à la traction par rapport à sa taille. C'est pour cette raison que la fibre de carbone représente le renfort du matériau composite. Ce matériau est caractérisé par sa faible masse volumique (environ 1,8 g/cm³), qui lui permet d'avoir un poids très faible. Son utilisation permet d'obtenir des pièces ayant de bonnes propriétés mécaniques tout en étant nettement plus légères que les pièces métalliques.

Ces différentes couches sont assemblées avec un durcisseur qui colle et renforce l'assemblage sous l'effet de la chaleur : c'est la résine époxy. Elle représente donc la matrice et est un polymère liquide thermodurcissable. En effet, elle est un produit liquide ​qui, si exposé à une haute température, commence à catalyser et devient solide. C'est cette résine qui contribue à la bonne rigidité de la perche.

On sait qu'il faut un bon compromis entre souplesse et rigidité de la perche pour que les performances en saut à la perche soient encore meilleures. Comme on a pu le voir et comme on peut l'observer sur l'axe à droite, la fibre de carbone et la fibre de verre sont donc les matériaux qui concilient le plus ces différents facteurs. Leurs propriétés mécaniques sont beaucoup plus équilibrées que les autres matériaux ayant constitué la perche au cours du temps. C'est pour cette raison que la perche moderne est bien plus innovante que toutes les autres formes de perche. Elle est plus légère, plus souple à plier grâce à l'intervention de matériaux performants mécaniquement.  

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