Étude expérimentale et numérique, en écoulement instationnaire, du trajet des bras en crawl à différentes allures de nage

Experimental and numerical study in unsteady flow of the arm stroke in the front crawl at different paces of swimming

• Auteur / Autrice : Mathias Samson
• Direction : Laurent David, Patrick Lacouture, Tony Monnet, Anthony Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et bio-ingénierie
• Date : Soutenance le 17/06/2016
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Polidori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent David, Patrick Lacouture, Tony Monnet, Anthony Bernard, Philippe Hellard, Huub Toussaint
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Polidori, Eric Berton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Mouvements

Bras

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Crawl

Mots clés libres

Crawl

Allures de nage

Force propulsive

Écoulement instationnaire

Trajet aquatique des bras

Front crawl swimming

Paces of swimming

Propulsive force

Unsteady flow

Arm stroke

Résumé

Le crawl est actuellement la nage utilisée lors des épreuves de nage libre durant les compétitions de natation aux différentes allures de nage (sprint, demi-fond et fond). Les bras sont les segments corporels qui participent le plus à la propulsion. Les accélérations de ces segments, dans le milieu fluide au repos, génèrent un écoulement complexe qui est à l'origine des forces hydrodynamiques propulsives. L'analyse de cet écoulement est nécessaire pour en comprendre les principaux mécanismes. Dans ce cadre, des « paramètres cinématiques d'écoulement » (vitesse, accélération et orientation de la main, angles d'attaque et de sweepback) ont été définis afin d'analyser et comparer les différentes organisations gestuelles des nageurs et de leurs effets sur la propulsion. Deux des principaux axes d'investigation étaient de vérifier si ces paramètres variaient en fonction de l'allure, et aussi de déterminer quels paramètres cinématiques étaient les plus prépondérants dans la génération des mécanismes propulsifs. Pour cela, un système opto-électronique d'analyse cinématique, a permis de mesurer ces paramètres sur 17 nageurs experts. Par ailleurs, l'écoulement généré par le trajet des bras aux différentes allures a été simulé par résolution numérique instationnaire des équations de Navier-Stokes. Enfin, des mesures expérimentales d'effort ont été faites en nage attachée afin de connaître les forces propulsives.Il apparaît que l'augmentation de l'allure de nage peut davantage s'expliquer par la diminution des durées des phases non propulsives (entrée et allongement) plutôt que par l'augmentation des forces durant les phases les plus propulsives (balayages interne et externe).

Front crawl is a swimming stroke used at swimming competitions at freestyle different paces (sprint, middle distance and long distance). Propulsion in this stroke is achieved primarily by the forearm and hand. Accelerations of these segments, in a fluid at rest, generate complex flow that causes propulsive hydrodynamic forces. Analysis of this flow is necessary to understand the main mechanisms of propulsion. In this context, the "kinematic flow parameters" (velocity, acceleration and orientation of the hand, angles of attack and sweepback) have been defined to analyze and compare the different arm motions and their effects on propulsion. Two of the main axes of this investigation were to determine whether these parameters vary depending on the pace, and also to determine what kinematic parameters were most prominent in the generation of propulsive mechanisms. To this end, an optoelectronic system of motion capture was used to measure these parameters on 17 expert swimmers in free swimming. Furthermore, the flow generated by the experimentally acquired arm trajectory, at different swimming paces, was simulated by an unsteady numerical solution of the Navier-Stokes equations. Finally, tethered swimming experiments were carried out to measure the propulsive forces.The increase in forward velocity by increasing swimming pace can be explained by lower durations of non propulsive phases (entry and stretch) rather than by the generation of higher forces during the most propulsive phases (insweep and upsweep).