Sauter

Le saut est une forme de locomotion ou de mouvement dans laquelle un organisme ou un système mécanique non vivant (par exemple, un robot ) se propulse dans l'air le long d'une trajectoire balistique. Le saut se distingue de la course, du galop et d'autres allures où le corps entier est temporairement en l'air, par la durée relativement longue de la phase aérienne et l'angle élevé du lancement initial.

Certains animaux, comme le kangourou , utilisent le saut comme principal moyen de locomotion , tandis que d'autres, comme les grenouilles , ne l'utilisent que pour échapper aux prédateurs. Le saut est également une caractéristique essentielle de diverses activités et sports, notamment le saut en longueur , le saut en hauteur et le saut d'obstacles .

Tout saut implique l'application d'une force contre un substrat, qui génère à son tour une force réactive qui propulse le sauteur loin du substrat. Tout solide ou liquide capable de produire une force opposée peut servir de substrat, y compris le sol ou l'eau. Parmi ces derniers, on peut citer les dauphins effectuant des sauts en déplacement et les grenouilles indiennes effectuant des sauts debout depuis l'eau.

Les organismes sauteurs sont rarement soumis à des forces aérodynamiques importantes et, par conséquent, leurs sauts sont régis par les lois physiques de base des trajectoires balistiques . Par conséquent, même si un oiseau peut sauter dans les airs pour amorcer son vol , aucun mouvement qu'il effectue une fois en vol n'est considéré comme un saut, car les conditions initiales du saut ne dictent plus sa trajectoire de vol.

Après le moment du lancement (c'est-à-dire la perte initiale de contact avec le substrat), un sauteur parcourt une trajectoire parabolique. L'angle de lancement et la vitesse de lancement initiale déterminent la distance de déplacement, la durée et la hauteur du saut. La distance de déplacement horizontale maximale possible pour un projectile se produit à un angle de lancement de 45°, mais tout angle de lancement compris entre 35° et 55° entraînera 90 % de la distance maximale possible. Cependant, l'angle de saut pour les humains qui maximise la distance horizontale parcourue est plus faible, à environ 23-26° (voir la section Mécanique du saut en longueur sans élan ci-dessous).

Les muscles (ou d'autres actionneurs dans les systèmes non vivants) effectuent un travail physique, ajoutant de l'énergie cinétique au corps du sauteur au cours de la phase propulsive d'un saut. Il en résulte une énergie cinétique au lancement qui est proportionnelle au carré de la vitesse du sauteur. Plus les muscles travaillent, plus la vitesse de lancement est élevée et donc plus l'accélération est importante et plus l'intervalle de temps de la phase propulsive du saut est court.

La puissance mécanique (travail par unité de temps) et la distance sur laquelle cette puissance est appliquée (par exemple, la longueur des jambes) sont les principaux déterminants de la distance et de la hauteur du saut. En conséquence, de nombreux animaux sauteurs ont de longues jambes et des muscles optimisés pour une puissance maximale en fonction de la relation force-vitesse des muscles . La puissance maximale produite par les muscles est toutefois limitée. Pour contourner cette limitation, de nombreuses espèces sauteurs pré-étirent lentement les éléments élastiques, tels que les tendons ou les apodèmes , pour stocker le travail sous forme d'énergie de déformation. Ces éléments élastiques peuvent libérer de l'énergie à un rythme beaucoup plus élevé (puissance plus élevée) que la masse musculaire équivalente, augmentant ainsi l'énergie de lancement à des niveaux dépassant ce que les muscles seuls sont capables de produire.

Un sauteur peut être soit immobile, soit en mouvement lorsqu'il amorce un saut. Dans un saut à partir d'une position immobile (c'est-à-dire un saut debout ), tout le travail nécessaire pour accélérer le corps jusqu'au lancement est effectué en un seul mouvement. Dans un saut en mouvement ou un saut en courant , le sauteur introduit une vitesse verticale supplémentaire au lancement tout en conservant autant d'élan horizontal que possible. Contrairement aux sauts stationnaires, dans lesquels l'énergie cinétique du sauteur au lancement est uniquement due au mouvement de saut, les sauts en mouvement ont une énergie plus élevée qui résulte de l'inclusion de la vitesse horizontale précédant le saut. Par conséquent, les sauteurs sont capables de sauter sur de plus grandes distances lorsqu'ils démarrent en courant.

Les animaux utilisent une grande variété d'adaptations anatomiques pour sauter. Ces adaptations concernent exclusivement le lancement, car toute méthode post-lancement pour étendre la portée ou contrôler le saut doit utiliser des forces aérodynamiques, et est donc considérée comme du vol plané ou du parachutisme .

Les espèces aquatiques présentent rarement des spécialisations particulières pour le saut. Les bons sauteurs sont généralement principalement adaptés à la vitesse et exécutent des sauts en mouvement en nageant simplement vers la surface à grande vitesse. Quelques espèces principalement aquatiques qui peuvent sauter sur terre, comme les poissons-sauteurs de boue , le font d'un mouvement de queue.

Chez les animaux terrestres, les pattes constituent la principale structure propulsive, même si quelques espèces utilisent leur queue. Les caractéristiques typiques des espèces sauteuses comprennent de longues pattes, de gros muscles et des éléments de membres supplémentaires.

Les pattes longues augmentent le temps et la distance pendant lesquels un animal sauteur peut pousser contre le substrat, ce qui lui permet d'avoir plus de puissance et de sauter plus vite et plus loin. Les gros muscles des pattes peuvent générer une plus grande force, ce qui améliore les performances de saut. En plus des éléments de pattes allongés, de nombreux animaux sauteurs ont des os de pied et de cheville modifiés qui sont allongés et possèdent des articulations supplémentaires, ce qui ajoute effectivement plus de segments au membre et encore plus de longueur.

Les grenouilles sont un excellent exemple de ces trois tendances : les pattes des grenouilles peuvent mesurer près de deux fois la longueur du corps, les muscles des pattes peuvent représenter jusqu'à vingt pour cent du poids du corps, et elles ont non seulement allongé le pied, le tibia et la cuisse, mais elles ont également étendu les os de la cheville dans une autre articulation du membre et ont également étendu les os de la hanche et gagné en mobilité au niveau du sacrum pour une deuxième « articulation supplémentaire ». En conséquence, les grenouilles sont les championnes incontestées des sauteurs parmi les vertébrés, sautant sur plus de cinquante longueurs de corps, soit une distance de plus de huit pieds.

Les sauterelles utilisent le stockage d'énergie élastique pour augmenter la distance de saut. Bien que la puissance de sortie soit un déterminant principal de la distance de saut (comme indiqué ci-dessus), les contraintes physiologiques limitent la puissance musculaire à environ 375 watts par kilogramme de muscle. Pour surmonter cette limitation, les sauterelles ancrent leurs pattes via un « mécanisme de capture » interne tandis que leurs muscles étirent un apodème élastique (semblable à un tendon de vertébré ). Lorsque le mécanisme de capture est relâché, l'apodeme libère rapidement son énergie. Comme l'apodeme libère de l'énergie plus rapidement que le muscle, sa puissance de sortie dépasse celle du muscle qui a produit l'énergie.

C'est un peu comme si un être humain lançait une flèche à la main plutôt qu'à l'arc ; l'utilisation d'un stockage élastique (l'arc) permet aux muscles de fonctionner plus près de l'isométrie sur la courbe force-vitesse . Cela permet aux muscles de travailler sur une plus longue période et donc de produire plus d'énergie qu'ils ne le pourraient autrement, tandis que l'élément élastique libère ce travail plus rapidement que les muscles. L'utilisation du stockage d'énergie élastique a été constatée chez les mammifères sauteurs ainsi que chez les grenouilles, avec des augmentations proportionnelles de puissance allant de deux à sept fois celle d'une masse musculaire équivalente.

Une façon de classer les sauts est d'utiliser la manière de transférer le pied. Dans ce système de classification, on distingue cinq formes de saut de base :

• Saut – sauter et atterrir sur deux pieds
• Hop – sauter d’un pied et atterrir sur le même pied
• Saut – sauter d’un pied et atterrir sur l’autre pied
• Assemblé – sauter d’un pied et atterrir sur les deux pieds
• Sissonne – sauter sur deux pieds et atterrir sur un pied

Les allures de saut, qui sont distinctes des allures de course (voir Locomotion ), comprennent le galop , le galop et le saut périlleux. Certaines sources distinguent également le bondissement comme un mouvement cyclique de sauts répétés, utilisé pour maintenir l'énergie d'un saut à l'autre.

L'angle de décollage optimal pour un saut en longueur sans élan (effectué par un humain) a été théoriquement calculé à environ 22,6°, nettement inférieur à l'angle de décollage optimal pour un projectile (c'est-à-dire 45°). Cela est dû au fait que la vitesse de décollage diminue avec l'angle de décollage en raison de la configuration du corps du sauteur. Il a été démontré que les athlètes expérimentés de parkour utilisent un angle de décollage d'environ 25,6°, tandis que les traceurs débutants utilisent un angle d'environ 34°. Les athlètes expérimentés balancent également leurs bras dans une plus grande mesure et se balancent vers l'arrière avant de décoller. Ces facteurs aident les athlètes de parkour à effectuer des sauts en longueur sans élan plus longs que les débutants.

Le record du monde (officiel) du saut en longueur sans élan masculin est de 371 cm et le record féminin de 292 cm (tous deux en juin 2023). Ces records ont été réalisés respectivement par Arne Tvervaag et Annelin Mannes. Les distances du saut en longueur sans élan varient entre 146,2 cm et 219,8 cm (du 10e au 90e percentile) pour les hommes de 18 ans et entre 100 cm et 157 cm pour les femmes de 18 ans.

La hauteur d'un saut peut être augmentée en utilisant un trampoline ou en convertissant la vitesse horizontale en vitesse verticale à l'aide d'un dispositif tel qu'un half-pipe .

Différents exercices peuvent être utilisés pour augmenter la hauteur de saut verticale d'un athlète. Une catégorie de ces exercices, la pliométrie , utilise la répétition de mouvements discrets liés au saut pour augmenter la vitesse, l'agilité et la puissance.

Des recherches ont montré que les enfants qui sont plus actifs physiquement affichent des sauts plus efficaces (ainsi que d’autres compétences motrices de base).

Il est également à noter que le développement du saut chez les enfants est directement lié à l'âge. À mesure que les enfants grandissent, on constate que leurs capacités de saut sous toutes leurs formes augmentent également. Le développement du saut est plus facilement identifiable chez les enfants que chez les adultes en raison du fait qu'il y a moins de différences physiques à un plus jeune âge. Les adultes du même âge peuvent être très différents en termes de physique et d'athlétisme, ce qui rend difficile de voir comment l'âge affecte la capacité de saut.

En 2021, des chercheurs ont intégré des cliquets dans la conception d'un robot et ont créé un robot capable de sauter à plus de trente mètres verticalement.