Saut à la perche : bilan d'énergie
Analyse cinématique des mouvements d'une perchiste
Description détaillée
L'élève utilise le module d'analyse cinématique de FizziQ pour étudier en détail les phases successives d'un saut à la perche à partir d'une vidéo de la bibliothèque FizziQ. Il identifie les différentes étapes du mouvement, calcule les vitesses horizontale et verticale, et réalise un bilan énergétique complet mettant en évidence les transferts entre énergie cinétique, potentielle et élastique. L'outil de pointage vidéo de FizziQ calcule automatiquement les composantes de vitesse Vx et Vy à partir des positions pointées image par image, et le cahier d'expérience intégré permet d'y consigner graphiques, calculs et commentaires tout au long de l'analyse.
Objectifs pédagogiques
- Utiliser le module d'analyse cinématique de FizziQ pour pointer les positions d'un athlète
- Identifier les différentes phases d'un mouvement complexe
- Calculer les composantes horizontale et verticale de la vitesse
- Réaliser un bilan énergétique (énergie cinétique, potentielle, élastique)
- Analyser les transferts d'énergie et identifier le travail musculaire de l'athlète
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Module d'analyse vidéo (cinématique)
Fonctionnalités FizziQ
- Bibliothèque de vidéos — Fournit la vidéo "Saut à la perche" utilisée pour le pointage image par image, sans besoin de filmer soi-même.
- Cahier d'expérience — Sert à consigner la trajectoire, les vitesses Vx/Vy, le bilan énergétique ainsi que du texte et des photos d'analyse.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec FizziQ
- Vidéo "Saut à la perche" de la bibliothèque FizziQ
- Cahier d'expérience FizziQ
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'analyse vidéo comparable.
Protocole expérimental
Ouvre la vidéo Saut à la perche dans l'outil Cinématique de FizziQ.
Mets la vidéo à l'échelle en utilisant un repère de dimension connue, puis pointe les différentes positions de l'athlète image par image.
Quelle partie du corps as-tu choisi pour le pointage ? Explique pourquoi ce choix est important pour l'analyse.
Étudie la trajectoire de l'athlète dans ton cahier. Identifie les différentes étapes du mouvement : la butée, le retournement, le redressement, le lâcher et l'apogée.
Ajoute à ton cahier les vitesses Vx et Vy de l'athlète. Sur le graphique Vx, identifie le moment de la butée et celui du lâcher.
Sur le graphique Vy, détermine le moment de l'apogée (Vy = 0) et celui où la perche est complètement détendue. Indice : une fois la perche détendue, l'athlète n'est plus soumis qu'à son poids ; la courbe Vy devient alors une droite de pente −g ≈ −9,8 m/s².
Ajoute à ton cahier l'énergie potentielle et cinétique en supposant que l'athlète pèse 55 kg et que le poids de la perche est négligeable.
L'énergie mécanique est-elle conservée au cours du saut ? Où disparaît l'énergie manquante ?
Estime l'énergie maximale stockée dans la perche sous forme élastique.
En comparant l'énergie mécanique initiale et finale, détermine si une énergie supplémentaire a été ajoutée par l'athlète au système.
Quels mouvements de l'athlète ont pu fournir cette énergie additionnelle ? À quel moment du saut ?
Documente ton analyse complète en ajoutant du texte et des photos dans ton cahier d'expérience.
Résultats attendus
La trajectoire montre un mouvement complexe en plusieurs phases bien distinctes. La vitesse horizontale Vx diminue fortement à partir de la butée, tout au long de la flexion de la perche (de ~9 m/s à ~2 m/s en une seconde environ), puis reste quasi constante après le lâcher, puisque plus aucune force horizontale ne s'exerce sur l'athlète. La vitesse verticale Vy passe par zéro à l'apogée. L'énergie cinétique en fin de course d'élan vaut environ 2200 J (55 kg à 9 m/s). Pour le bilan, on compare l'énergie mécanique complète (Ec + Ep) en fin d'élan et à l'apogée, en gardant la même origine des altitudes : si les hauteurs sont mesurées depuis le sol, il ne faut pas oublier l'énergie potentielle initiale du centre de masse (situé vers 1 m, soit ≈ 550 J), ni la petite énergie cinétique restante à l'apogée (≈ 100 J pour Vx ≈ 2 m/s). Selon les pointages, l'excédent Em(apogée) − Em(fin d'élan) est de l'ordre de 500 à 700 J : il provient du travail musculaire de l'athlète, principalement pendant le retournement et le redressement. Le bruit de pointage peut introduire des fluctuations de ±5 % sur les vitesses calculées.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi le choix du point de pointage sur le corps de l'athlète influence-t-il les résultats ?
- D'où provient l'énergie supplémentaire observée entre le début et la fin du saut ?
- Quel rôle joue l'élasticité de la perche dans la performance ?
- Pourquoi l'énergie mécanique n'est-elle pas conservée malgré l'absence apparente de frottements importants ?
- Comment un athlète pourrait-il optimiser sa technique pour gagner quelques centimètres supplémentaires ?
Explications scientifiques
Le saut à la perche est l'un des mouvements sportifs les plus complexes, combinant course, conversion d'énergie cinétique en élastique, et mouvement gymnique. L'analyse cinématique révèle plusieurs phases distinctes : la course d'élan où l'athlète accumule de l'énergie cinétique horizontale (Ec = ½mv²), la butée où la perche est plantée dans le butoir, la flexion où la perche se plie en convertissant l'énergie cinétique en énergie potentielle élastique (que l'on peut estimer par Epe = ½kx² en modélisant la perche par un ressort — une perche fléchit en réalité comme une poutre, et cette formule n'est qu'une approximation), le retournement, la détente de la perche, le redressement et enfin le lâcher suivi de l'apogée. Sur le graphique de vitesse horizontale (Vx), la butée apparaît comme une décélération brutale, et le lâcher comme une stabilisation à faible vitesse. Sur le graphique de vitesse verticale (Vy), l'apogée correspond au moment où Vy = 0. Le bilan énergétique montre que l'énergie mécanique finale au moment du franchissement est généralement supérieure à l'énergie initiale en fin de course d'élan. Cette énergie additionnelle provient du travail musculaire de l'athlète pendant le saut, notamment lors du retournement et du redressement. À titre de comparaison avec la perchiste de 55 kg étudiée dans la vidéo, un sauteur élite masculin (environ 80 kg, courant perche en main à près de 10 m/s, comme Sergueï Bubka mesuré à 10,02 m/s) possède une énergie cinétique initiale d'environ 4000 J. La perche, d'une masse d'environ 2 kg, peut stocker de l'ordre de 1000 à 2000 J sous forme élastique, et l'athlète ajoute typiquement 400 à 700 J par son travail musculaire. La complexité technique de ce mouvement explique pourquoi cette discipline nécessite des années de formation spécifique. Cette analyse illustre la puissance de la physique pour comprendre et optimiser les performances sportives. Pour aller plus loin : « Étude énergétique du saut à la perche » (Culture Sciences Physique, ENS de Lyon) — l'analyse pas à pas de cette même vidéo sur le blog FizziQ, « Où est passée l'énergie ? » — et l'article « Using Smartphones to Perform Kinematic Analysis in the Sports Science Classroom » (The Physics Teacher).
Extensions possibles
- Comparer le saut à la perche avec un saut en hauteur pour analyser les différences de conversion énergétique
- Étudier l'influence de la vitesse de course d'élan sur la hauteur franchie
- Analyser un saut raté pour identifier les erreurs techniques
- Comparer les sauts masculins et féminins en termes de vitesse et d'énergie
Questions fréquentes
Comment choisir le point de pointage sur l'athlète ?
Le centre de masse est le point idéal, souvent approximé par le bassin ou la hanche. Le casque ou la tête sont plus visibles mais suivent des trajectoires légèrement différentes du centre de masse, surtout pendant le retournement.
Comment fonctionne le module d'analyse cinématique de FizziQ ?
Le module permet de pointer image par image la position d'un objet sur une vidéo. FizziQ calcule automatiquement la trajectoire, la vitesse et l'accélération, et génère les graphiques correspondants que l'on peut ajouter au cahier d'expérience.
Pourquoi l'énergie mécanique finale est-elle supérieure à l'énergie initiale ?
L'athlète fournit un travail musculaire supplémentaire pendant le saut, notamment lors du retournement et du redressement. Ce travail interne ajoute de l'énergie au système, ce qui explique que la hauteur franchie dépasse ce que permettrait la seule conversion de l'énergie cinétique initiale.
Quelles sont les principales sources d'erreur ?
Les erreurs proviennent principalement de la précision du pointage (±1 pixel), de l'étalonnage de l'échelle, des effets de perspective de la caméra, et du choix du point de suivi sur le corps de l'athlète.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.