A mi-chemin du Tour de France 2012 (ndlr : dont l’arrivée parisienne est programmée, on le rappelle, le dimanche 22 juillet 2012 sur la mythique avenue des Champs-Elysées), faisons étape par l’équipe « Velopt ». Ce n’est pourtant pas dans le peloton de tête mais plutôt dans les coulisses du Tour qu’il faut aller en chercher la trace, et pour cause : si « Velopt » n’est pas une équipe de cyclistes professionnels, elle n’en est pas moins un groupe d’enseignants-chercheurs, d’ingénieurs et d’étudiants de l’Université de Reims Champagne-Ardenne qui, grâce à leurs travaux, participe grandement à l’optimisation des résultats des coureurs. Démonstration, images à l’appui.

Dans le sport de haut niveau une victoire ou un titre Olympique peut se jouer pour moins d’une seconde de différence : un laps de temps décisif qu’un sportif ne peut atteindre, parfois, qu’au prix d’années d’efforts. Afin de donner les moyens aux athlètes d’atteindre l’excellence en termes de performance, l’équipe Velopt œuvre à mettre en évidence les déterminants de la performance physique humaine. Notamment composée de William Bertucci, Maître de conférences HDR à l’UFR STAPS (Laboratoire d'Ingénierie et Sciences des Matériaux – LISM, EA 4695),  Xavier Chiementin, Maître de conférences  et membre du Groupe de Recherche en Sciences pour l'Ingénieur (GRESPI, EA 4694), Samuel Crequy Ingénieur (LISM) et Marcella Múnera, Doctorante à l’Ecole Sciences de l’Homme et de la Société, « Velopt » a pour sujets de recherche les sportifs de haut niveau en cyclisme comme l’équipe de France de BMX, double médaillée à Pékin, des équipes professionnelles (membres de l’équipe de France sur route) mais aussi les jeunes espoirs qui s’illustrent dans le domaine (section sport/étude du lycée rémois Arago, par exemple).

Ses axes de travail et d’optimisation concernent tout à la fois les aspects biomécaniques (efficience du pédalage, posture, aérodynamisme, interface cycliste/vélo, étude de la transmission des vibrations du sol au cycliste) que mécaniques (matériel, cadre…) en passant par le management des entraînements et des compétitions cyclistes par tracking & monitoring.

Les aspects biomécaniques (efficience du pédalage, posture, aérodynamisme, interface cycliste/vélo, étude de la transmission des vibrations du sol au cycliste…).

L’équipe est ainsi capable de mesurer la surface frontale (S) d’un cycliste (surface projetée perpendiculaire au déplacement, voir figure 1) : cette variable est l’une des plus importantes au niveau de l’aérodynamisme. Plus globalement, à l’aide de capteurs de puissance et d’un protocole spécifique, il est possible de quantifier le fameux Cx (coefficient de trainée), avec le projet de réaliser prochainement, en compagnie de Guillaume Polidori et d’Ahlem Arfaoui du laboratoire GRESPI, des estimations de la traînée aérodynamique et des turbulences à l’aide de logiciels spécifiques de simulation en mécanique des fluides. Minimiser le SCx permet de réduire la résistance qui s’oppose à l’avancement du cycliste. Ces résultats sont fondamentaux pour optimiser la performance notamment en Contre La Montre (épreuve décisive qui représente plus de 100 Km dans le Tour de France 2012), mais aussi en poursuite ou en sprint sur piste où les vitesses sont très élevées.

Figure 1 : Analyse de différentes positions. La zone noire dans la position redressée représente la surface frontale (S) d’un cycliste et de son vélo.

La mesure du rendement et de l’efficience du pédalage constitue l’un des autres axes de travail de l’équipe. Cet angle s’avère important car il permet d’augmenter la performance sans nécessairement avoir besoin d’augmenter le potentiel physique de l’athlète. Pour cela, le rendement global du cycliste est mesuré: ratio entre la puissance mécanique produite (mesurée à l‘aide d’un capteur de puissance) et la puissance métabolique (mesure à l’aide d’un système de mesure des échanges gazeux).

Figure 2 : Mesure du rendement et de l’efficience du pédalage en condition de laboratoire.

L' efficience du pédalage est quant à elle appréciée à l’aide de prototypes de pédales munies notamment de capteurs de force 3D (Sensix, Poitiers), celles-ci mesurant les forces utiles et les forces perdues (ndlr : si elles ne sont pas correctement orientées). Ces mesures peuvent également permettre de détecter des anomalies dans le pédalage comme par exemple une asymétrie (ndlr : celle-ci peut être due soit à une mauvaise coordination des actions musculaires, soit à un problème articulaire, musculaire ou tendineux). La coordination musculaire pourra être améliorée en utilisant en feedback les données issues des pédales instrumentées, avec une optimisation portant sur les activations musculaires quantifiées à l’aide de mesures électro-myographiques (EMG).

« Les problèmes articulaires musculaires ou tendineux peuvent être détectés au niveau du pédalage par une production de force moindre du côté où se situent les lésions. Cette année, de nombreux coureurs de très haut niveau comme le luxembourgeois Andy Schleck ou le français Thomas Voeckler ont connu ce genre de problèmes. Ce dernier indiquait d’ailleurs récemment qu’il ressentait que son rendement était altéré lorsque la douleur était présente. Une fois la douleur dissipée, et son rendement biomécanique retrouvé, Voeckler a été en mesure de gagner brillamment la 10ème étape du Tour. Nos protocoles et instrumentations sont en mesure de quantifier ces déficits et d’aider à y remédier. Enfin, nous réalisons actuellement avec Guillaume Polidori et Ahlem Arfaoui des mesures de la température cutanée des membres inférieurs par thermographie infrarouge qui permettent de quantifier l’importance de la lésion et également d’avoir une action préventive pour ce genre de problème. Par ailleurs, d’autres mesures thermiques sont effectuées pour évaluer l’évacuation de la chaleur de sous-vêtements techniques utilisés dans les sports d’endurance (SIX2, Italie) », souligne à ce sujet William Bertucci.

Figure 3 : Pédale 3D permettant la mesure de l’efficience gestuelle
  
Figure 4: Mesure de la température cutanée par thermographie infrarouge lors du pédalage

Enfin, placé au niveau de l’axe de la roue arrière, un tout nouveau capteur de puissance aide l’équipe à optimiser la production de puissance, notamment lors de sprint en BMX. Muni d’accéléromètres et de jauges de déformations, ce système, appelé G-Cog et développé aux Etats-Unis, permet d’avoir des résultats en conditions réelles de locomotion et a ainsi permis de mettre en évidence certains déterminants de la performance lors des sprints d’athlètes de haut niveau de l’équipe olympique, résultats d’ailleurs présentés au prochain congrès de la société française de biomécanique qui se tiendra à Toulouse, du 16 au 19 octobre prochains (en savoir plus : http://sb2012-toulouse.imft.fr/index1_accueil.htm).

Mais l’instrumentation de la bicyclette et du cycliste vise également à comprendre comment les sollicitations générées au niveau du sol sont transmises à celui-ci. Pour cela, le vélo et les articulations du cycliste sont équipés d’accéléromètre 3D. En dehors de leur réalisation en laboratoires, sur plateforme vibrante, ces mesures l’ont été également sur le terrain, à l’aide d’un système d’enregistrement embarqué. Les résultats obtenus en roulant sur des pavés mettent en évidence l’influence du matériel (fréquence de résonnance propre a) du vélo et b) du couple cycle/cycliste) ainsi que de la vitesse de déplacement sur la transmission des vibrations.

C’est la modélisation numérique du cycliste sur son vélo (effet des postures, de la force de préhension du guidon, de l’anthropométrie…) qui est le sujet de l’étude des scientifiques actuellement, ayant pour but, d’une part, l’optimisation de la performance ainsi que le confort du cycliste et, de l’autre, la prévention de la survenue de Troubles Musculo Squelettiques. Une collaboration avec l’entreprise Cycleurope de Romilly-sur-Seine a d’ailleurs été nouée sur cet axe de recherche, avec en outre le démarrage cette année du projet collaboratif SAMVA, soutenu entre autres par la région Champagne-Ardenne, et incluant la société rémoise Nexxtep. L’objectif est de développer des capteurs embarqués qui permettront de mesurer et d’analyser les mouvements segmentaires et les vibrations subis par les athlètes, les résultats obtenus pouvant tout à fait être transposés dans d’autres activités physiques, dans le monde du travail, mais aussi dans le domaine de l’ergonomie.

Les aspects mécaniques (matériel, cadre…)

A partir des différentes mesures de force, puissance et vibrations, sont étudiées les sollicitations subies par le cadre de bicyclette. Pour cela, le cadre est instrumenté sur des zones spécifiques avec des jauges de déformations et modélisé de façon à tester différents matériels et déterminer les géométries et épaisseurs de tubes les plus appropriés pour optimiser la masse du cadre et la transmission de la puissance générée par le cycliste. Enfin, des mesures dynamiques sont réalisées pour déterminer les fréquences de résonnances du cadre et de la bicyclette montés avec différents composants.

Figure 5 : Test d’un cadre sur banc d’essai

Le management des entraînements et des compétitions cyclistes par tracking & monitoring

A titre informatif, les performances peuvent être suivies en temps réel (position, vitesse, dénivelé, fréquence cardiaque…) à l’aide du partenaire NexxTep Sport localisé à Reims (http://www.nexxtep-online.net/PageStyle1.aspx). Ce suivi est réalisé grâce à un système innovant de balises GPS qui transmettent les informations en temps réel avec une fréquence de donnée élevée (2 données par seconde). Ces données sont transmises et analysables directement sur un ordinateur, Ipad ou sur un Iphone et ce, partout dans le monde. Dans le cadre de courses cyclistes professionnelles comme le Tour de France, ce système peut par exemple être utilisé par les directeurs sportifs ou les entraîneurs pour suivre leur coureur lors des étapes en recevant les informations directement dans les voitures suiveuses. Une fois l’étape finie, les informations enregistrées peuvent également servir en débriefing.
Figure 6 : Balise Nexxtep permettant une localisation en temps réel des athlètes.

Figure 7 : Exemple de suivi de coureurs en temps réel sur la montée de l’Alpe d’Huez.

Contact:
William Bertucci, william.bertucci@univ-reims.fr / 03 26 91 31 74.

Plus d'informations : www.velopt.fr.