Si vous ou moi sautons dans les airs aussi haut que possible, nous pouvons rester au-dessus du sol pendant environ une demi-seconde. Michael Jordan pouvait rester en l'air pendant près d'une seconde. Bien qu'il existe de nombreux événements aux Jeux olympiques d'hiver qui présentent des athlètes exécutant des exploits d'athlétisme et de force en l'air, aucun ne brouille autant la frontière entre le saut et le vol que le saut à ski.

J'enseigne aux étudiants la physique du sport. Le saut à ski est peut-être l'un des événements les plus intrigants des Jeux d'hiver pour montrer la physique en action. Le gagnant est l'athlète qui voyage le plus loin et qui vole et atterrit avec le meilleur style. En transformant leurs skis et leur corps en ce qui est essentiellement une aile, les sauteurs à ski sont capables de lutter contre la gravité et de rester en l'air pendant cinq à sept secondes alors qu'ils se déplacent sur la longueur d'un terrain de football dans les airs. Alors, comment font-ils cela?

Comment voler

Trois grands concepts de la physique sont en jeu dans le saut à ski :la gravité, la portance et la traînée.

La gravité attire tout objet en vol vers le sol. La gravité agit sur tous les objets de la même manière et les athlètes ne peuvent rien faire pour atténuer ses effets. Mais les athlètes interagissent également avec l'air lorsqu'ils se déplacent. C'est cette interaction qui peut produire la portance, qui est une force ascendante produite par l'air poussant sur un objet. Si la force produite par la portance équilibre approximativement la force de gravité, un objet peut glisser ou voler.

Pour produire de la portance, un objet doit être en mouvement. Lorsque l'objet se déplace dans l'air, sa surface entre en collision avec des particules d'air et pousse ces particules hors de la trajectoire de l'objet. Lorsque les particules d'air sont poussées vers le bas, l'objet est poussé vers le haut selon la troisième loi du mouvement de Newton qui dit que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Les particules d'air poussant un objet vers le haut sont ce qui crée la portance. L'augmentation de la vitesse ainsi que l'augmentation de la surface augmenteront la portance. L'angle d'attaque - l'angle de l'objet par rapport à la direction du flux d'air - peut également affecter la portance. Trop raide et l'objet s'arrêtera, trop plat et il n'appuiera pas sur les particules d'air.

Bien que tout cela puisse sembler compliqué, sortir la main d'une fenêtre de voiture illustre parfaitement ces principes. Si vous tenez votre main parfaitement à plat, elle restera plus ou moins en place. Cependant, si vous inclinez votre main de manière à ce que le fond soit face à la direction du vent, votre main sera poussée vers le haut lorsque les particules d'air s'y heurteront. C'est l'ascenseur.

Les mêmes collisions entre un objet et l'air qui fournissent une portance produisent également une traînée. La traînée résiste au mouvement vers l'avant de tout objet et le ralentit. À mesure que la vitesse diminue, la portance diminue également, ce qui limite la durée du vol.

Pour les sauteurs à ski, l'objectif est d'utiliser un positionnement corporel prudent pour maximiser la portance tout en réduisant la traînée autant que possible.

Voler sur des skis

Les skieurs commencent en hauteur sur une pente puis descendent pour générer de la vitesse. Ils minimisent la traînée en s'accroupissant et se dirigent avec précaution pour réduire la friction entre les skis et la rampe. Au moment où ils atteignent la fin, ils peuvent rouler à 60 miles par heure (96 km/h).

La rampe se termine à un point de décollage qui, si vous regardez attentivement, est en fait à un léger angle vers le bas de 10 degrés. Juste avant que les athlètes n'atteignent le bout de la rampe, ils sautent. La pente d'atterrissage de ski est conçue pour imiter le chemin qu'un sauteur empruntera afin qu'il ne soit jamais à plus de 10 à 15 pieds au-dessus du sol.

Une fois que les athlètes sont dans les airs, la physique amusante commence.

Les sauteurs font tout ce qu'ils peuvent pour produire le plus de portance possible tout en minimisant la traînée. Les athlètes ne pourront jamais générer suffisamment de portance pour surmonter entièrement la gravité, mais plus ils génèrent de portance, plus ils tomberont lentement et plus ils descendront la colline.

Pour ce faire, les athlètes alignent leurs skis et leur corps presque parallèlement au sol et placent leurs skis en forme de V juste à l'extérieur de la forme du corps. Cette position augmente la surface qui génère la portance et les place dans l'angle d'attaque idéal qui maximisera également la portance.

Au fur et à mesure que la traînée réduit la vitesse du skieur, la portance diminue et la gravité continue de tirer sur le sauteur. Les athlètes commenceront à tomber de plus en plus vite jusqu'à ce qu'ils atterrissent.

Les règles suivent la physique

Avec autant de physique en jeu, il existe de nombreuses façons dont le vent, les choix d'équipement et même le propre corps des athlètes peuvent affecter jusqu'où un saut peut aller. Donc, pour que les choses restent équitables et sûres, il existe de nombreuses réglementations.

En regardant les événements, vous remarquerez peut-être que les officiels déplacent le point de départ vers le haut ou vers le bas de la pente. Cet ajustement est effectué en fonction de la vitesse du vent, car des vents contraires plus rapides produiront plus de portance et entraîneront des sauts plus longs qui pourraient dépasser la zone d'atterrissage en toute sécurité.

La longueur des skis est également réglementée et liée à la taille et au poids du skieur. Les skis peuvent mesurer au maximum 145 % de la taille du skieur et les skieurs ayant un indice de masse corporelle inférieur à 21 doivent avoir des skis plus courts. Les skis longs ne sont pas toujours les meilleurs car plus le ski est lourd, plus vous devez produire de portance pour rester en l'air. Enfin, les skieurs doivent porter des combinaisons ajustées pour s'assurer que les athlètes n'utiliseront pas leurs vêtements comme source supplémentaire de portance.

Alors que vous vous connectez aux Jeux olympiques pour vous émerveiller de la puissance physique des athlètes, prenez un moment pour considérer également leur maîtrise des concepts de la physique.