Le service est sans doute l'élément le plus important du jeu de tennis moderne - et le plus rapide, le meilleur.

Mais une fois décomposée en considérations scientifiques très simplistes, les vitesses que nous voyons régulièrement atteindre les meilleurs joueurs lorsqu'ils livrent un service sont théoriquement impossibles.

Alors comment font-ils ? La réponse implique Isaac Newton, ping pong et un peu de "triche" (d'un point de vue physique).

Servir rapidement semble impossible

Une balle frappée rapidement et directement ne peut pas franchir le filet et atterrir toujours dans le carré de service à moins que la balle ne soit frappée à au moins 2,6 mètres au-dessus du sol. D'après cette équation, il n'y a tout simplement pas assez de temps pour que la gravité entraîne une balle à grande vitesse vers le bas à l'intérieur du carré de service.

Même si un joueur et sa raquette combinés pouvaient atteindre près de trois mètres, la marge d'erreur ne serait que de 13 centimètres. Et ce n'est que si vous pouvez servir sur la partie la plus basse du filet.

Donc, à moins que vous ne mesuriez plus de six pieds (183 cm), servir super vite est impossible – d'un point de vue physique. Pourtant, nous voyons régulièrement même les joueurs les plus courts parcourir plus de 180 km/h avec une grande précision.

Alors comment ça a été fait?

La réponse est bien sûr que les joueurs donnent un effet lifté au ballon.

Ce phénomène a été observé et au moins en partie décrit en 1672 par Isaac Newton (après avoir regardé un court de tennis) - mais une description plus connue du top-spin est liée au physicien allemand HG Magnus, qui l'a observé au ping-pong.

Si la raquette passe sur le dessus de la balle pendant le service, la balle va tourner vers l'avant au fur et à mesure qu'elle se déplace. L'air entourant la balle commence également à tourner avec elle.

Les physiciens appellent cet air la "couche limite", et il se forme autour de tous les objets en mouvement lorsqu'ils se déplacent (vous ressentirez cela comme un coup de vent lorsqu'une voiture, un camion ou un train passe à toute allure). Alors que la balle pousse dans l'air venant en sens inverse, l'air qui passe au-dessus de la balle entre en collision avec l'air venant en sens inverse. Cet air est ralenti et dévié vers le haut, loin du ballon.

L'air circulant sous la balle rencontre l'air venant en sens inverse circulant dans la même direction et est entraîné derrière la balle puis vers le haut.

D'après la troisième loi de Newton, chaque action a une réaction égale et opposée. Donc, si l'air est aspiré vers le haut derrière la balle, alors la balle doit se déplacer vers le bas en réponse.

Une belle démonstration de cet effet peut être vue dans cette vidéo :

Les joueurs utilisent souvent la tactique du topspin à bon escient lors du deuxième service. Malgré le risque de ne pas vider le filet, un joueur de haut niveau sert généralement avec une vitesse de tête de raquette élevée, pour leur permettre de mettre encore plus de lift sur le ballon.

Avec moins de vitesse de raquette utilisée pour donner de la vitesse à la balle vers l'avant et plus en traversant la balle pour créer de l'effet, le ballon se déplacera certainement plus lentement que lors d'un premier service.

Mais le plus grand topspin permet une plus grande marge d'erreur car le ballon franchit facilement le filet mais tombe toujours rapidement pour atterrir bien à l'intérieur du carré de service.

Au-delà de la force brute

Bien sûr, la puissance musculaire a également un rôle à jouer dans la prestation d'un service avec de la chaleur - mais peut-être pas autant qu'on pourrait le penser.

Nos muscles sont des moteurs incroyables et produisent les forces incroyables dont nous avons besoin pour soulever des objets lourds, gravir les montagnes et grimper aux arbres.

Mais c'est connu depuis longtemps, et démontré expérimentalement il y a 80 ans, que les muscles ne peuvent pas produire beaucoup de force lorsqu'ils se raccourcissent très rapidement. Il est théoriquement impossible de servir à grande vitesse en s'appuyant uniquement sur la puissance musculaire. Pour faire ça, nous, les humains, devons tricher un peu.

Vous avez peut-être remarqué que les meilleurs joueurs de tennis "lancent" leur raquette sur la balle lorsqu'ils servent, comme vous pouvez le voir dans cette vidéo :

Ce mouvement de type lancer oblige le corps du joueur à bouger avant son bras, le bras supérieur à passer avant l'avant-bras, l'avant-bras pour passer devant la main, et la main pour se déplacer avant les doigts.

Le poignet s'incline vers l'avant. La raquette se déplace le plus rapidement lorsque les jambes sont déjà étendues et que le haut du bras a cessé d'avancer.

Lorsque nous utilisons ce modèle de lancer, une grande partie de l'énergie générée par les muscles des jambes et des épaules au début du mouvement est transférée à l'avant-bras, puis la main.

C'est parce que l'avant-bras et la main bougent toujours à la fin du service et qu'une grande partie de l'énergie qui se trouvait dans le corps se déplace vers eux pendant l'action de service. La main est beaucoup plus petite que le corps entier, ou tout le bras. Mais il a beaucoup d'énergie, donc ça bouge incroyablement vite.

La différence de temps entre les mouvements du bas et du haut du corps permet également des tissus élastiques, comme les tendons, pour stocker de l'énergie. Ces tissus reculent rapidement plus tard dans le service lorsque le bras bascule vers l'avant, libérant l'énergie stockée à des vitesses beaucoup plus rapides que les muscles ne peuvent se contracter.

C'est ce mouvement de lancer - plutôt que la force brute - qui fait que la main et la raquette se déplacent à des vitesses beaucoup plus élevées que nos muscles ne pourraient le permettre.

Alors pour servir au mieux, vous devez lancer votre raquette d'une manière qui projette la balle à grande vitesse - mais ajoutez un peu d'effet. C'est de la physique simple.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.