Fiche de révision : Biomécanique des forces et puissances

📋 Plan du Cours

1. Production de la puissance mécanique
2. Forces et gravité
3. Frottements et adhérence
4. Résistance aérodynamique
5. Travail mécanique
6. Puissance mécanique et cyclisme
7. Mesure de la puissance

📖 1. Production de la puissance mécanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance mécanique : Résulte de l’application de forces et de vitesses gestuelles sur un objet ou dans un milieu donné.

📝 Points essentiels

📌 Dans la plupart des activités sportives, la puissance mécanique est difficile à mesurer directement ou à calculer, car elle combine des forces internes et externes, contrairement au cyclisme où sa mesure est plus accessible.

💡 Astuce mémo

Forces et vitesse gestuelle → puissance mécanique → déplacement sportif

📖 2. Forces et gravité

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse : La quantité de matière, constituée d’atomes et de molécules, présente dans un corps et s’exprime en kilogrammes.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le poids vérifie $P = m \times g$, avec une accélération de la gravité terrestre de 9,81 m/s².

📐 Formule — La résistance gravitationnelle au déplacement sur une pente vérifie $R_{gravité}=m_{totale}\times g\times\sin\alpha$.

• Les forces étudiées sont:
  • la gravité
  • la réaction du sol
  • les frottements
  • la poussée d’Archimède
  • les forces musculaires
  • les forces de liaison articulaire

💡 Astuce mémo

Forces externes sur le corps, forces internes dans les articulations

📖 3. Frottements et adhérence

🔑 Notions clés & Définitions

• Frottement : Une interaction qui s’oppose au mouvement relatif entre deux systèmes en contact.

★ À maîtriser

📐 Formule — La résistance de friction entre deux solides vérifie $f=F_N\times\mu$, où $F_N$ est la force normale et $\mu$ le coefficient de frottement.

📌 Le frottement à sec entre deux solides est indépendant de la vitesse de glissement, tandis que le frottement visqueux dépend de la vitesse relative des corps, notamment lors d’un déplacement dans un fluide.

Compléments

📐 Formule — Sur un plan incliné, la force de frottement vérifie $f=m\times g\times\cos\theta\times\mu$.

💡 Astuce mémo

Frottement statique = accroche ; frottement cinétique = glissement

📖 4. Résistance aérodynamique

★ À maîtriser

📐 Formule — La résistance de l’air vérifie $R_a=\frac{1}{2}\times\rho\times v_a^2\times S\times C_x$, avec la masse volumique du fluide $\rho$, la vitesse de l’air $v_a$, la surface frontale $S$ et le coefficient aérodynamique $C_x$.

📐 Formule — La vitesse de l’air vérifie $V_a=V_d+V_v$ ; avec un vent de dos, elle devient $V_a=V_d-V_v$.

📌 La résistance aérodynamique comprend la traînée, qui s’oppose au déplacement, et la portance, qui pousse le corps vers le haut.

Compléments

• La masse volumique de l’air diminue lorsque la température augmente ou lorsque la pression barométrique diminue avec l’altitude.

💡 Astuce mémo

Vitesse de l’air ↑ → résistance aérodynamique ↑ fortement

📖 5. Travail mécanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Travail mécanique : L’énergie fournie par une force lorsque son point d’application se déplace et il s’exprime en joules.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le travail linéaire d’une force vérifie $W_F=F\times d$.

📌 Le travail est positif lorsque le déplacement se fait dans le même sens que la force et négatif lorsque le déplacement se fait en sens opposé.

📌 Le travail externe sert à vaincre les forces externes pour déplacer un objet, une charge ou le corps, tandis que le travail interne sert à déplacer les segments corporels.

Compléments

📐 Formule — Le travail mécanique total vérifie $W_{meca\ total}=W_{interne}+W_{externe}$.

💡 Astuce mémo

Travail externe : déplacer le corps ; travail interne : déplacer les segments

📖 6. Puissance mécanique et cyclisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance mécanique : La quantité de travail réalisée par unité de temps et s’exprime en watts, avec 1 watt égal à 1 joule par seconde.

★ À maîtriser

📐 Formule — La puissance mécanique vérifie $P_{meca}=\frac{W}{t}$ et peut aussi être calculée par le produit de la force par la vitesse.

📐 Formule — En cyclisme, la puissance mécanique vérifie $P_{meca}=R_T\times V$, où la résistance totale vaut $R_T=R_a+R_r+P$.

Compléments

📐 Formule — Lors d’un déplacement angulaire, la puissance mécanique vérifie $P_{meca}=M_f\times\omega$, avec le moment de force $M_f$ et la vitesse angulaire $\omega$.

• Pour un cycliste de 70 kg développant 300 W, la résistance totale vaut 27 N à 39,5 km/h sur le plat et 60 N à 18 km/h dans une pente de 7 %.

💡 Astuce mémo

Résistance totale → travail → puissance → vitesse

📖 7. Mesure de la puissance

★ À maîtriser

• La puissance mécanique peut être mesurée directement avec des capteurs de puissance, des ergocycles, des rameurs ou des ergomètres isocinétiques, ou indirectement avec des accéléromètres et des centrales inertielles.

Compléments

📌 Les capteurs de puissance fournissent une mesure directe de la puissance mécanique sur le terrain, mais leur utilisation est principalement limitée au cyclisme.

📊 Tableaux de synthèse

Types de travail mécanique