Pour mon grand oral, j'ai proposé un sujet sur cette association originale et j'ai pu découvrir l'apport de la physique-chimie, ma spécialité de terminale au football, mon sport. Si vous êtes curieux je vous conseille de lire cette présentation, elle n'est pas très longue et vous expliquera ce qu'il se passe lors d'une frappe et ce que l'on peut déterminer grâce à la science physique.
Aujourd’hui, on est en constante évolution dans le milieu du football… Les ballons se font légers, les chaussures sont moulées aux pieds des joueurs, les trajectoires des buts sont décryptées et les footballeurs sont équipés de capteurs. Cette année lors de la coupe d’Europe, les joueurs auront même un ballon équipé de capteurs censés aider les joueurs mais aussi l’arbitrage. Les entraîneurs se fient aux statistiques et grâce à des données scientifiques, les footballeurs bénéficient désormais de moyens adaptés et de nouvelles technologies améliorant leur performance. Depuis quelques années, la science est entrée dans le monde du football : biomécaniciens, mathématiciens, physiciens, tous décryptent le terrain ! Comment les scientifiques améliorent-ils les performances des joueurs ? Peut-on fabriquer des « génies du foot » grâce à la physique ? Lors de cette présentation, nous essayerons de comprendre comment la physique-chimie permet l’étude d’un sportif comme le footballeur et conduit à l’amélioration de ses performances ? Cette science permet à un joueur d’étudier ses mouvements, mais aussi les mouvements du ballon. Premièrement, nous étudierons dans cet oral, un type de frappe qui se déroule la plupart du temps lors d’un coup-franc. Ensuite, nous nous intéresserons à un autre type de frappe qui cette fois se déroule surtout lors d’un pénalty. Si vous êtes curieux d’en apprendre plus sur certaines techniques utilisées par vos joueurs favoris alors cet oral est pour vous. Il y a énormément d’applications de la physique permettant d’approfondir l’étude des performances d’un joueur, c’est pourquoi je n’aborderai que certaines d’entre elles qui montrent tout de même que cette science est une des clés permettant à un footballeur ou un sportif de s’améliorer et de mieux comprendre ses gestes et déplacements.
Tout d’abord, la physique nous permet par exemple, à partir de certaines mesures de connaître la puissance de frappe d’un joueur mais aussi d’apprendre comment et où frapper le ballon pour lui donner une certaine trajectoire. En effet, dans le football il existe plusieurs « effets » ou trajectoires que l’on peut donner au ballon. Prenons l’exemple d’un tir brossé, c’est un tir qui déstabilise le gardien car le ballon semble d’abord partir d’un côté puis il part de l’autre côté. Cette technique est essentiellement utilisée lors de la frappe d’un coup franc. Lorsqu’un joueur commet une faute, c’est-à-dire un geste qui n’est pas autorisé et qui pourrait blesser un autre joueur, l’arbitre siffle cette faute et elle donne lieu à un coup-franc. Le coup-franc a lieu lorsqu’on arrête le ballon à l’endroit de la faute et, quand l’arbitre siffle à nouveau, on peut tirer ou faire une passe avec le ballon. Un coup-franc peut avoir lieu sur toutes les zones du terrain mais s’il est dans la surface du gardien adverse il y a pénalty pour son équipe. Ainsi, on peut décider de faire un tir brossé lors d’un coup-franc. Si le ballon a cette trajectoire c’est à cause de ce que l’on appelle l’effet Magnus. L’effet Magnus se produit lorsqu’une sphère comme le ballon de foot tourne sur lui-même, le déplacement de l’air autour crée une trajectoire curviligne. En effet, lorsque le ballon se déplace dans l’air, des filets d’air passent autour du ballon. Si le mouvement est rectiligne (sa trajectoire est une droite) et qu’il ne tourne pas sur lui-même, ces filets d’air ayant la même direction ont aussi la même vitesse en dessous et au-dessus. Maintenant, si le ballon tourne sur lui-même, cela modifie la vitesse de l’air se déplaçant au-dessus et en dessous. Les filets d’air en dessous du ballon vont avoir une vitesse plus importante puisque la rotation du ballon est dans le même sens que ce filet. A l’inverse, les filets d’air qui passent au-dessus du ballon ont une vitesse moins importante comme la rotation est dans le sens contraire à celui du déplacement d’air. L’augmentation de la vitesse s’accompagne selon Bernoulli d’une baisse de pression, on a donc en dessous du ballon une pression plus faible et au-dessus une pression plus forte. Avec cette différence de pression entre le haut et le bas, le ballon change de direction et décrit une courbe. C’est ce qu’on appelle l’effet Magnus. On a pu confirmer cette hypothèse grâce à des simulations hydrauliques qui montrent les filets d’air passant autour de la sphère. Grâce à une application plus poussée de la physique et à la compréhension de l’effet Magnus, on peut même déterminer où et comment placer son pied pour lui donner cette trajectoire, puisqu’il s’agit donc de le faire tourner sur lui-même avec une puissance suffisante, c’est aussi pour cela que cette frappe nécessite de l’entrainement.
Cette partie est un peu plus difficile à comprendre pour ceux qui ne font pas ou plus de physique. Si vous vous sentez perdu, sautez ce paragraphe et allez lire la conclusion. ;)
Pour cette deuxième partie, nous arrivons à un type de frappe totalement différent. Cette fois-ci, on prend le cas d’une frappe en cloche, l’utilisation de la deuxième loi de Newton peut permettre de connaitre l’endroit où le ballon retombe, de savoir s’il entrera dans le but… Pour illustrer cette utilisation de la deuxième loi de Newton dans le cadre du football nous nous intéresserons à une technique pour tirer un pénalty appelée la « Panenka ». C’est le nom du footballeur tchécoslovaque qui l’a rendu célèbre en la réalisant lors d’une coupe d’Europe en 1976 qui a permis à son équipe de gagner face à l’Allemagne. Pour réaliser une « panenka », au lieu de frapper en force, il faut frapper doucement le ballon qui prend alors une trajectoire en « cloche ». Lors d’un match de football, un joueur doit tirer un pénalty et décide de tenter une « Panenka ». Pour réussir cette technique le joueur doit d’abord réussir à « feinter le gardien » c’est-à-dire à lui faire croire qu’il veut frapper dans une direction alors que ce n’est pas là qu’il veut frapper. Il doit aussi réussir à envoyer le ballon suffisamment en cloche mais pas trop, nous nous intéresserons à cet aspect de la Panenka. Le joueur dépose le ballon au point de pénalty O, pris comme origine du repère. Le joueur frappe le ballon en direction du centre du but avec une vitesse initiale v0 et avec une direction qui fait un angle α avec l’horizontale. On prend en compte la masse du ballon et le fait qu’on étudie le mouvement du centre d’inertie G du ballon en négligeant les forces de frottement de l’air sur le ballon ainsi que la poussée d’Archimède. Notre but est de déterminer si le pénalty est réussi grâce à la physique. Pour mieux comprendre notre problème, l’utilisation d’un schéma est très utile, on représente dans un repère orthonormé (Ox, Oy), la situation du pénalty, sans souci d’échelle. L’application de cette situation est un peu longue mais on peut tout de même expliquer brièvement ce qu’il faut faire pour montrer que le pénalty est réussi. On doit d’abord réfléchir aux conditions pour que le ballon entre dans le but : il faut qu’il franchisse la ligne mais aussi qu’il passe en dessous de la transversale (barre horizontale) du but. On traduit cela par le fait que x doit être supérieur à 11m la distance du point de pénalty à la ligne de but et que y doit être inférieure à 2,44m. On applique ensuite la 2e loi de Newton pour exprimer le vecteur accélération. On primitive les coordonnées du vecteur accélération pour obtenir celles du vecteur vitesse. Puis, on primitive les coordonnées du vecteur vitesse pour obtenir celles du vecteur position soit les équations horaires avec x(t) et y(t). Pour obtenir l’équation de la trajectoire y(x) du ballon, on isole le temps t de x(t) et on reporte l’expression de t dans y(t). On calcule y pour x = 11m la distance du point de pénalty au but en faisant l’application numérique et on vérifie que y, la hauteur du ballon lorsqu’il franchit la ligne de but soit en dessous de la transversale c’est à dire inférieure à 2,44m. On remarque tout de même qu’on a légèrement simplifié le problème. En réalité, au foot, si le ballon ne franchit pas la ligne entièrement il n’y a pas but et s’il touche la barre il ne rentrera peut-être pas dans le but. Cependant, pour que notre problème reflète la réalité il suffit juste de connaitre le rayon du ballon utilisé et de le rajouter à la distance de la ligne au point de pénalty et de le déduire à la hauteur de la transversale par rapport au sol. On peut avec cette méthode déterminer si le pénalty est réussi. Il est aussi possible d’étudier énergétiquement le mouvement du ballon et même de retrouver la valeur de y, la hauteur à laquelle est passé le ballon dans le but. Ainsi, la physique à bien des égards est un véritable outil dans l’étude dynamique du mouvement du ballon par exemple. Elle permet donc au joueur de comprendre ces mouvements et grâce à cela de les reproduire en connaissant et en appliquant les conditions nécessaires pour donner au ballon une certaine trajectoire, une certaine puissance… La physique permet d’étudier les mouvements du ballon de football mais aussi celui du joueur et ainsi de lui apporter des données qui lui indiquent comment réaliser son geste le plus efficacement possible.
Pour conclure, la physique-chimie à bien des égards permet à un sportif et à un footballeur de s’améliorer. En effet, étudier certains mouvements des footballeurs ou du ballon permet aux joueurs de mieux exécuter leur geste de savoir ce qu’ils doivent faire pour le réaliser de la meilleure façon. Bien sûr, nous n’avons vu qu’une infime partie de ce que peut faire la physique-chimie dans le domaine du football car il existe énormément d’applications de cette science au football. Pour réaliser cet oral, j’ai fait appel à plusieurs sources comme mes cours de cette année, mais aussi … J’ai choisi de vous présenter cette question car le football est un sport qui me passionne et j’ai aimé établir ce rapport entre mon sport et ma spécialité : physique-chimie. De plus, j’ai découvert cette année que je ne souhaitais pas poursuivre mes études dans le domaine de la physique-chimie mais comme on a pu le démontrer aujourd’hui j’utiliserai certains de ses principes tout au long de mes activités.