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Mécanique des fluides : natation, cyclisme et lancers

Dans l'air ou dans l'eau, un corps en mouvement subit une traînée, force opposée à la vitesse relative du fluide :

F_t = ½ · ρ · C_x · S · v²

ρ : masse volumique (air ≈ 1,2 kg/m³ ; eau ≈ 1000 kg/m³ ; l'eau est donc ~800 fois plus dense) ; C_x : coefficient de traînée ; S : surface frontale ; v : vitesse relative. La traînée croît avec le carré de la vitesse, la puissance dissipée avec son cube : P = F_t·v.

Cyclisme et course

À 40 km/h, la résistance de l'air représente l'essentiel de la résistance totale. Position aérodynamique : on réduit S·C_x. Le drafting (course en aspiration) diminue nettement la traînée du suiveur, mais le gain dépend fortement de la distance et de la position. En soufflerie, avec deux cyclistes alignés, Barry et al. (2014) rapportent jusqu'à 49 % de traînée en moins pour le suiveur à l'écart minimal et plus de 5 % pour le leader ; Kyle (1979, par essais de ralentissement) donne jusqu'à 39 %. Des simulations numériques (source secondaire, non relue) indiquent des gains bien plus faibles à quelques mètres (de l'ordre de 10 à 20 % à 5–10 m). La plage « 20 à 40 % » souvent citée est donc à manier avec prudence : elle ne vaut que pour un suiveur proche.

Natation

Trois types de traînée : de forme (pression), de frottement (peau) et de vague (surface). En nage de surface, la traînée de vague devient dominante à haute vitesse. L'efficience propulsive de Froude = v_nageur / v_main-eau moyenne. La propulsion provient de forces de traînée propulsive et de portance générées par les mains et avant-bras (les explications par Bernoulli, tourbillons ou 3e loi de Newton restent débattues). La nage « glissée » sous l'eau (coulée) est plus rapide que la nage de surface à même vitesse initiale, d'où les limites de 15 m sous l'eau au règlement.

Lancers : portance et effet Magnus

Un javelot ou un disque génère de la portance quand il présente un angle d'attaque. Un ballon en rotation dévie (effet Magnus) : la différence de pression entre ses deux faces crée une force latérale. L'angle optimal de lâcher en lancer réel s'écarte de 45° (voir cinématique des projectiles).

Nombre de Reynolds

Re = ρ·v·L/μ permet de distinguer écoulement laminaire et turbulent. La crise de traînée d'une balle de golf (alvéoles) illustre qu'une couche limite turbulente peut réduire la traînée de forme. Les chiffres exacts de C_x dépendent de la mesure : ce sont des ordres de grandeur.

🎯 À retenir

  • Traînée F = ½·ρ·Cx·S·v² : proportionnelle à v².
  • Puissance dissipée par la traînée proportionnelle à v³.
  • Eau ≈ 800 fois plus dense que l'air.
  • Natation : traînées de forme, de frottement, de vague.
  • Portance et effet Magnus modifient trajectoires et propulsion.
  • Drafting : réduction de traînée du suiveur jusqu'à ~40–50 % à très courte distance, nettement moindre dès quelques mètres.
F_t = ½ · ρ · C_x · S · v²
Traînée
  • F_t : traînée (N)
  • ρ : masse volumique (kg/m³)
  • C_x : coefficient de traînée (sans unité)
  • S : surface frontale (m²)
  • v : vitesse relative (m/s)
📌 Cycliste : ρ = 1,2 ; Cx·S ≈ 0,3 m² ; v = 11 m/s : F ≈ 0,5×1,2×0,3×121 ≈ 21,8 N.

⚠️ Erreurs fréquentes

  • Doubler la vitesse multiplie la traînée par 4 et la puissance par 8.
  • Utiliser la vitesse absolue au lieu de la vitesse relative au fluide (vent !).
  • Confondre propulsion et traînée : une même main peut produire les deux selon l'angle.

Pour s'entraîner

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