Quelle est la première chose qui vous vient à l’esprit quand vous pensez au sport et aux mathématiques ? Très probablement, la craie et le fromage, non ?
Croyez-le ou non, une recherche récente, menée par les mathématiciens français Amandine Aftalion (Laboratoire de Mathématiques de Versailles) et Frédéric Bonnans (École Polytechnique), a montré comment le sport pouvait grandement bénéficier des apports des mathématiques.
Lorsqu’on l’interroge sur la motivation derrière cette étude, Amandine Aftalion dit que son amour pour les mathématiques et le sport (elle pratique régulièrement la natation) l’a convaincue qu’on pouvait utiliser des équations mathématiques pour améliorer la physiologie humaine et atteindre une performance athlétique optimale !
Atteindre une performance athlétique optimale !
Afin de mener à bien leur étude, les mathématiciens ont choisi un sport relativement simple, la course à pied. Ils modélisent mathématiquement une course à l’aide d’équations différentielles, les résolvent et ainsi prédisent une stratégie optimale pour courir une distance donnée en un minimum de temps. Leur modèle prend en compte des paramètres physiologiques du coureur, tels que la consommation maximale d’oxygène et l’énergie totale anaérobie disponible, et implique plusieurs équations différentielles couplant les variables externes au coureur : la vitesse, la force de propulsion, les forces de frottement, et l’énergie anaérobie que le corps utilise en cas de déficit d’oxygène.
Ce modèle est construit sur un ancien modèle développé par le célèbre mathématicien Joseph Keller il y a près de quarante ans. Keller, coureur passionné lui-même, a d’ailleurs reçu le prix Ig Nobel en 2010, pour sa contribution mathématique sur la question de savoir pourquoi la queue de cheval d’un coureur balance de droite à gauche alors que sa tête va de haut en bas !
Le modèle de Keller faisait l’hypothèse que lors d’une course, un athlète devait maintenir sa vitesse constante pour atteindre des performances optimales. Le modèle d’A. Aftalion et F. Bonnans, lui, suppose la vitesse variable. C’est un fait bien connu des sportifs : faire varier sa vitesse permet de mieux dépenser son énergie et de courir plus longtemps.
Maintenant, comment les scientifiques résolvent-ils un système non-linéaire d’équations différentielles ? Évidemment, comme les équations font intervenir plusieurs paramètres et sont couplées, ce n’est pas exactement le type d’équation que vous avez appris à l’école. Mais l’utilisation d’un « solveur » de contrôle optimal développé par une équipe de l’INRIA (Institut français de recherche en informatique et automatique) a permis d’obtenir une solution numérique complète. En particulier, cela donne accès à la vitesse et à la dépense énergétique à chaque instant de la course.
De plus, il est maintenant possible d’identifier les paramètres physiologiques grâce à des mesures prises à distances régulières dans la course, dès qu’on a une bonne estimation de la consommation maximale d’oxygène. Cela est suffisant pour faire fonctionner le programme et pour prévoir une course idéale. L’outil peut prédire comment une amélioration de l’absorption maximale d’oxygène ou d’énergie anaérobie totale peut améliorer ou modifier la vitesse, les temps intermédiaires et le nombre de calories perdues dans la course. Il peut également donner des indications pour mieux courir en montée, en descente ou contre le vent. Les prédictions correspondent étroitement aux stratégies réelles utilisées par les athlètes professionnels. Cet outil, combiné à la technologie moderne, pourra être utile aussi bien à un semi-professionnel, pour l’aider à améliorer sa performance, qu’à un coureur amateur, qui n’a pas de coach mais qui a besoin de conseils sportifs personnalisés, mais aussi à un coureur du dimanche, qui veut connaître le nombre exact de calories dépensées dans la course pour optimiser sa perte de poids.
L’étude a commencé avec des stratégies de course à pied, mais l’objectif d’Amandine Aftalion et de Frédéric Bonnans est d’adapter le modèle à d’autres sports d’endurance, comme le cyclisme, la natation, le triathlon ou le ski de fond.
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