Approche aérodynamique et biomécanique de l'amélioration des performances de cyclistes en course contre la montre, Aerodynamic and biomechanical approach of cyclist performances improvement during time trial stage

Vincent Chabroux

Description

Sous la direction de Daniel Favier
Thèse soutenue le 04 juin 2010: Aix Marseille 2
Ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec l'équipe cycliste professionnelle Bouygues Telecom, a pour objectif d'étudier les facteurs aérodynamiques et biomécaniques influant sur les performances de cyclistes en course contre la montre (CLM). L'effort de traînée aérodynamique représente 90% de la puissance développée par le coureur en CLM. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans la soufflerie S1L l'institut des Sciences du Mouvement qui a permis de mesurer l'effort de traînée subit par les coureurs en fonction de leur posture et du matériel utilisé. L'analyse par planimétrie de la surface frontale projetée des cyclistes en position de CLM a permis de définir un modèle estimant la surface frontale en fonction de différents paramètres posturaux. L’analyse approfondie des performances aérodynamiques de différents casques de CLM, à l’aide d’un système de mesure PIV-3C (Particle Image Velocimetry 3 Components), a permis de définir une géométrie optimisée de casques de CLM. L'approche biomécanique des performances des coureurs permet d'étudier l'impact de positions sur le rendement du pédalage de coureurs. Cette étude a été réalisée grâce à un modèle de dynamique inverse nécessitant la mise en œuvre de balances de mesure des efforts aux pédales et d'un système d'analyse du mouvement (VICON). Le modèle de dynamique inverse a permis de déterminer les torseurs d'efforts au niveau de chaque articulation en fonction de paramètres posturaux identiques à ceux étudiés dans l'approche aérodynamique. La synthèse des facteurs d'optimisation aérodynamique et biomécanique a permis d'obtenir une amélioration des performances en course de l'ordre de 3%.
-Cyclisme
-Aerodynamique
-Biomecanique
-Performance
-Dynamique inverse
The aim of this study is to determine the aerodynamic and biomechanical factors influencing cyclists performance during Time Trial stage (TT). The aerodynamic drag force represents over 90% of the power generated by the cyclist during TT stage. The aerodynamic optimization of the cyclist posture and equipment is thus a main objective. Experimentations were carried out in the wind tunnel S1L of the Institute of Movement sciences, in order to measure the aerodynamic drag force of cyclist according to different configurations. Measurements of the projected frontal led to a modeling of the cyclist frontal area value according to postural parameters. Aerodynamic performance of several TT helmets was characterized by measurement of the velocity fields in their downstream wake using a PIV-3C method (Particle Image Velocimetry 3 components). Results of this study have identified an optimized geometry of TT helmets. The aim of the biomechanical approach is to study the influence of the aerodynamic postural parameters studied on the performance of the cyclists. An inverse dynamics models is used to determine the torques and forces at each leg joint according to the saddle position and the power developed. The inverse dynamic calculation requires measurement of the pedal forces and the cycling motion. The motion analysis system VICON was used and two special 6 components sensors were design for this application. Results of this study have identified postural parameters increasing the performance. The synthesis of the factors influencing aerodynamic and biomechanical performances achieves a performance improvement of about 3%.
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22037/document

Sujets

• Cyclisme
• Aérodynamique
• Biomécanique
• Performance

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 1 362
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

DOCTORAT AIX-MARSEILLE UNIVERSITE

Délivré par :

L’UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE


Spécialité : SCIENCES DU MOUVEMENT HUMAIN






Approche aérodynamique et biomécanique
de l’amélioration des performances de
cyclistes en course contre la montre


Présenté par :

Vincent CHABROUX

Soutenu le :

04 Juin 2010



Devant un jury composé de :

M. Frédéric GRAPPE – Maître de Conférences (rapporteur)
M. Franck BARBIER – Professeur des universités (rapporteur)
M. Daniel FAVIER – Directeur de Recherche CNRS
M. Eric BERTON – Professeur des Universités
M. Jean-Marc GUEUGNEAUD – Time Sport International
M. Philippe MAUDUIT – Equipe cycliste Bouygues Telecom




2 V. Chabroux SOMMAIRE

Remerciements..................................................................................................... 6
Introduction ......................................................................................................... 7

Premier chapitre :
Approche aérodynamique de l’amélioration des
performances de cyclistes en course contre la montre

I. Introduction....................................................................................................15
1.1 Rappels aérodynamiques............................................................................................. 16
1.2 Evolution du record de l’heure ................................................................................... 18
1.3 Etat de l’art ................................................................................................................... 20
II. Moyens de mesures et traitement des données..........................................24
2.1 Soufflerie ....................................................................................................................... 24
2.2. Mesure de l’effort de traînée ...................................................................................... 25
2.3 Mesure de la surface frontale...................................................................................... 26
2.4 Mesure des angles posturaux ...................................................................................... 28
2.5 Population ..................................................................................................................... 29
2.6 Analyse statistique........................................................................................................ 29
2.7 Mesure des champs de vitesses dans le sillage des casques ...................................... 30
2.7.1 Principe de mesure PIV ........................................................................................ 30
2.7.2 Système de mesure stéréoscopique PIV-3C ........................................................ 32
2.7.3 Résultats des mesures PIV-3C ............................................................................. 33
2.7.4 Précision des mesures PIV-3C ............................................................................. 33
III. Résultats de l’approche aérodynamique ..................................................35
3.2 Influence de la posture................................................................................................. 36
3.3 Influence du positionnement des membres supérieurs............................................. 36
3.4 Influence du positionnement de la selle...................................................................... 39
3.5 Caractéristiques du casque en fonction de l’inclinaison de la tête .......................... 41
3.5.1 Influence de l’inclinaison de la tête...................................................................... 42
3.5.2. Comparaison des casques .................................................................................... 44
3.5.3 Influence de la visière........................................................................................... 45
3.5.4 Influence des aérations frontales ......................................................................... 46
3.6 Etude de l’écoulement dans le sillage du casque ....................................................... 47
3.6.1 Géométries des casques de CLM ......................................................................... 48
3.6.2 Résultats des mesures............................................................................................ 49
3.7 Modélisation de la surface frontale............................................................................. 55
3.7.1 Critère de validation du modèle de calcul de la surface frontale...................... 55
3.7.2 Analyse des variables caractérisant la surface frontale..................................... 56
3.7.3 Modélisation de la variation de surface frontale liée à l’orientation de la tête et
à la longueur du casque ................................................................................................. 59
3.7.4 Modélisation de la surface frontale en fonction de la taille............................... 60
3.7.5 Modélisation optimisée de la surface frontale .................................................... 60
3.7.6 Validité des modèles.............................................................................................. 61
3.7.7 Comparaison des modèles avec les données de la littérature............................ 62
3 V. Chabroux
Deuxième chapitre :
Approche biomécanique de l’amélioration du rendement
du pédalage de cyclistes en course contre la montre

I. Introduction...................................................................................................65
II. Moyens de mesures et traitement des données..........................................68
2.1 Système d’analyse du mouvement .............................................................................. 68
2.1.1 Positionnement des caméras................................................................................. 68
2.1.2 Calibration du système d’analyse du mouvement.............................................. 68
2.1.3 Repérage des points anatomiques........................................................................ 69
2.1.4 Enregistrement des trajectoires ........................................................................... 70
2.1.5 Calcul de la cinématique des segments................................................................ 70
2.2 Balances de mesure des torseurs d’efforts aux pédales ............................................ 71
2.2.1 Cahier des charges ................................................................................................ 71
2.2.2 Etalonnage des balances ....................................................................................... 72
2.3 Ergomètre SRM Indoor Trainer ................................................................................ 72
2.4 Enregistrement et synchronisation de l’ensemble des signaux ................................ 73
2.5 Modèle de dynamique inverse..................................................................................... 74
2.5.1 Modélisation des segments.................................................................................... 74
2.5.2 Centre de rotation de la hanche........................................................................... 75
2.5.3 Code de calcul........................................................................................................ 76
2.6 Population, conditions paramétriques et analyse statistique ................................... 79
2.6.1 Conditions paramétriques .................................................................................... 79
2.6.2 Protocole expérimental ......................................................................................... 80
2.6.3 Analyse des résultats ............................................................................................. 81
III. Résultats de l’approche biomécanique .....................................................82
3.1 Efforts exercés sur les pédales..................................................................................... 82
3.2 Inclinaison des pédales................................................................................................. 86
3.3 Angles articulaires........................................................................................................ 88
3.2.1 Angle articulaire de la cheville............................................................................. 88
3.2.2 Angle articulaire du genou ................................................................................... 89
3.2.3 Angle articulaire de la hanche.............................................................................. 90
3.4.1 Moments articulaires ............................................................................................ 91
3.4.2 Influence de la puissance ................................