«Monsieur, nous avons bien reçu votre candidature relative à un poste de professeur d’éducation physique et nous vous remercions de l’intérêt que vous portez à notre école. Malheureusement nous sommes au regret de ne pas pouvoir répondre favorablement à votre demande. Veuillez agréer, etc.». Ce refus poli, envoyé par une école où j’avais postulé pour enseigner la… physique, m’avait fait sourire: «Ils m’ont pris pour un prof de sport!».
Éducation physique, physique: rien à voir?[1]
Je n’avais plus repensé à cette anecdote pendant des années, et voilà que tout récemment, elle m’est revenue en tête. Car je me suis aperçu que, depuis des années, j’évoque beaucoup les sports en cours de sciences. Rares sont les séances où je ne parle pas à mes étudiant·e·s de course, de foot ou de natation. Réciproquement, presque chaque fois que je pratique une activité physique, je pense aux liens entre puissance, force, vitesse, protéines musculaires, cadence de respiration, température, etc. L’exercice physique constitue une formidable porte d’entrée vers les sciences, et finalement, la confusion amusante de cette direction d’école suggère de créer des liens intéressants entre éducation physique et physique!
La seule matière que nous aurons toujours sous la main: nous
Les scientifiques «interrogent la matière» pour tenter de répondre aux questions, vérifier des hypothèses, bâtir une théorie. Cette méthode, qu’on doit en grande partie à Galilée, a été utilisée avec succès dans toutes les branches des sciences de la nature: chimie, mécanique, électricité, biologie, etc. Au niveau de l’enseignement également, les apprentissages se font sans aucun doute plus efficacement en touchant, observant, mesurant, «interrogeant» la matière. Expérimenter sur la matière donc, très bien; mais… quelle matière? En cours de physique, on a recours à des poids, des cordes, des lampes, des générateurs électriques, divers instruments de mesure de force, de température ou de distance, etc. Bref, de la matière en dehors de nous. Mais, avant même d’observer cette matière extérieure, pourquoi ne pas utiliser les seuls atomes que nous aurons sous la main tout au long de notre vie, et que nous pourrons toujours «interroger» facilement? Cette matière qui ne coûte rien et reste disponible à tout moment, c’est notre corps, bien sûr! Siège de phénomènes variés - chimiques, électriques, mécaniques, thermiques -, le corps humain se révèle fabuleusement intéressant pour un physicien, surtout lorsqu’il est mis en mouvement par une activité physique. De plus, il se trouve déjà équipé de millions de splendides capteurs: chimiques (bouche et le nez), mécaniques et thermiques (muscles, ligaments, peau), analyseurs de vibrations électromagnétiques et acoustiques (yeux, oreilles). Notre corps peut donc être vu comme un formidable labo à lui tout seul, à la fois matière sur laquelle on expérimente, et outil de mesure.
Marche: chronométrer la montée
Nous pourrions ainsi dresser toute une liste de phénomènes physiques ayant une application directe dans une activité physique. Citons rapidement la balistique illustrée par le saut en hauteur, le lancer de poids ou les sports de ballon, ou l’hydrodynamique illustrée par la natation. Regarder un trapéziste nous fait réfléchir aux oscillations mécaniques. Quant au vélo, il permet d’aborder pratiquement toute la mécanique: frottement, rotation, principe d’inertie, énergie potentielle, démultiplication de forces, etc. La marche et la course à pied, activités les plus basiques en ce qu’elles ne requièrent que très peu de matériel, constituent peut-être le plus simple et le plus fascinant sujet d’étude scientifique pour aborder la mécanique. On peut par exemple filmer un marcheur et analyser l’amplitude des mouvements de balancier des jambes et des bras, et tenter de comprendre comment ces mouvements permettent d’obtenir une vitesse modérée et régulière sans faire de saut, ce qui fait de la marche un mode de transport peu gourmand en énergie. D’autres expériences sont possibles, comme l’analyse de la marche à différentes vitesses, jusqu’à la limite de la course. On peut aussi, en étudiant la montée d’un escalier, estimer assez facilement la puissance mécanique des muscles locomoteurs. Le chronométrage de la montée de six étages à pied par des étudiant·e·s, après estimation du dénivelé total de ce déplacement, permet d’aborder de façon simple et imagée les notions de puissances et d’énergie potentielle.
Le gaspillage de la course
La course à pied, par rapport à la marche, se caractérise par une trajectoire sautillante et non strictement horizontale: chaque foulée est un saut vers le haut, combiné à un déplacement vers l’avant, d’où il résulte une trajectoire en forme d’oscillation. Analysons le cycle de la course: d’abord la jambe propulse le corps vers le haut (poussée), ensuite le corps «vole» sans appui, puis reprend contact avec le sol (l’amortissement) avant une nouvelle poussée. Lors de cette phase de contact avec le sol, les jambes doivent d’abord faire cesser la chute (amortissement), puis relancer la vitesse vers le haut (poussée). L’amortissement correspond à une perte d’énergie mécanique, énergie transformée en chaleur au niveau des pieds et des articulations. La poussée correspond à une recréation d’énergie mécanique, obtenue en puisant dans les réserves de glucides de l’organisme. La course consiste donc en une série de cycles: «perte d’énergie mécanique et échauffement - recréation d’énergie mécanique en puisant dans les réserves». Il en résulte un «gaspillage» important, plus important que dans la marche à pied où ces cycles amortissement-poussée sont presque inexistants.
Merveilleux tendon d’Achille
Comment limiter ce gaspillage lié au cycle amortissement - poussée? Il faudrait un système permettant de stocker l’énergie pendant l’amortissement, et de la restituer à la poussée suivante. Par bonheur, de tels systèmes, qu’on appelle «systèmes élastiques», existent: ressort ou trampoline. Bien sûr, on ne court pas avec des ressorts aux pieds[2] et rarement sur un sol élastique[3] , mais l’humain possède un organe possédant exactement ce genre de propriétés: le tendon d’Achille. Pendant la pose du pied, il s’étire comme du caoutchouc, stockant donc de l’énergie, qu’il restitue sous forme de mouvement en se détendant lors de la propulsion. Mais pour que ce merveilleux système d’économie d’énergie fonctionne, il faut savoir s’en servir! Si on atterrit sur le talon comme le font de nombreux coureurs, le tendon d’Achille ne se tend pas et ne joue pas son rôle. Le reste du corps (genoux, dos) devra amortir la chute de façon non élastique au prix de diverses vibrations, ce qui, en plus d’être désagréable et énergétiquement dispendieux, se révèle bien souvent douloureux. Plutôt que sur le talon, il vaut donc mieux atterrir sur l’avant du pied pour étirer correctement le tendon. Un coureur utilisant efficacement ses tendons d’Achille se repère facilement: il se déplace presque silencieusement, une discrétion qui surprend souvent les passant·e·s. À l’inverse, une course avec amortissement sur les talons s’entend de loin: les chocs non élastiques font plus de bruit. Ainsi, filmer un·e étudiant·e courant (par exemple sur les talons, puis sur l’avant du pied) puis examiner les images au ralenti, ou demander ce qu’il/elle sent avec ses millions de capteurs personnels (tension du tendon d’Achille, échauffement, vibrations du corps, bruit de la course, rythme de la respiration, etc.), ou analyser la trajectoire de la tête du coureur, permet d’apprendre beaucoup de choses sur l’énergie potentielle, la transformation de mouvement en chaleur, les phénomènes de restitution d’énergie par élasticité,… peut-être plus efficacement qu’en étudiant des ressorts métalliques reliés à des masses comme on le fait généralement.
La formidable trouvaille de la transpiration
Enfin, la course à pied permet d’aborder une intéressante question de thermodynamique: pourquoi ne meurt-on pas de chaud lorsqu’on court un jour d’été? La question paraît stupide, mais elle ne l’est pas. Même avec l’astuce des tendons d’Achille, l’échauffement consécutif à la course reste considérable: de l’ordre de 4 à 800 000 calories par heure, voire plus pour une course soutenue. Combiné à une exposition à des températures élevées, ces calories devraient faire dangereusement monter la température interne de l’athlète au-dessus de 37°C, si un fabuleux mécanisme n’entrait en scène: la transpiration. En effet, pour évacuer la chaleur, l’évaporation de l’eau se révèle une des solutions physiques les plus efficaces, absorbant environ 600 000 calories par litre. On peut mettre en regard ce nombre avec les 4 à 800 000 calories que le corps doit absolument éliminer chaque heure pour ne pas finir le 10 000 m à 42°C. Autrement dit, pour que le coureur reste à bonne température, il faut que, chaque heure, environ un litre d’eau (et bien plus s’il fait chaud!) s’évapore sur son corps pour absorber la chaleur de l’effort. Mais comment donc, quand on est un animal, faire efficacement évaporer de l’eau sur soi? 
Chez la plupart des mammifères, la solution est le halètement: l’évaporation a lieu sur la langue, et c’est donc par là que la chaleur est évacuée. Mais chez l’humain, l’absence de pilosité et la grande densité des glandes sudoripares permettent à l’eau de s’évaporer sur presque tout le corps: c’est la transpiration. De plus, ce système fonctionne indépendamment de la cadence de respiration, alors que les autres mammifères doivent combiner halètement et respiration par le même organe, ce qui rend le halètement difficile, notamment au galop.
L’évaporation en-dehors de la bouche et sur tout le corps constitue donc, avec le tendon d’Achille et encore d’autres petites astuces évolutives, une des adaptations faisant de l’humain un mammifère exceptionnellement bien équipé pour la course de fond par temps chaud.
Ni le guépard, ni le chevreuil, ni l’antilope, ne peuvent courir un marathon: ces animaux, excellents sprinters, mourraient de chaud bien avant la ligne d’arrivée d’une course d’endurance. Voilà pourquoi certains scientifiques pensent que nos ancêtres lointains chassaient parfois «à l’épuisement», sans arme, en poursuivant une proie qui finissait par tomber en hyperthermie. La course à pied aurait donc été un avantage décisif pour notre espèce[4]. Voilà aussi pourquoi il ne faut surtout pas courir avec un k-way, qui empêche la libre évaporation de la transpiration: cette très mauvaise idée, un jour de juillet, pourrait bien nous mener dans une situation analogue à celle de l’antilope presque morte de chaud, attendant le coup de grâce du chasseur paléolithique.
Éducation physique pour apprendre la physique?
Ce passage par la course à pied, survolant plusieurs domaines de la mécanique et de la thermodynamique, nous montre que réfléchir à ce qui se passe dans un corps humain en mouvement constitue un passionnant moyen d’entrer dans les sciences, et la physique en particulier. Des expérimentations assez faciles à mettre en œuvre (filmer une course, mesurer une ascension d’escalier, analyser la position d’un pied, etc.) permettent de rentrer dans le sujet de façon ludique et incarnée. Au lieu de la marche et la course, on aurait aussi bien pu s’appesantir sur les intéressants problèmes de physique posés par le football ou le saut en longueur, pour lesquels les expérimentations éventuelles sont un peu plus délicates mais faisables. En somme, il serait intéressant d’imaginer des cours combinés d’éducation physique et de physique, deux disciplines un peu plus proches l’une de l’autre que ce que je m’imaginais en recevant ce courrier d’une direction d’école distraite.
François Chamaraux, docteur en physique, enseignant en sciences
[1] Le mot grec «physis» signifie «nature» et renvoie au corps humain (la matière du corps, par opposition à l’esprit) et à la physique, science de la nature. [2] Sauf certain·e·s coureur·se·s handicapé·e·s comme Oscar Pistorius qui, au lieu de jambes, possède des lames de carbone élastiques, de véritables «tendons d’Achille» artificiels. [3] Un sol forestier moelleux, par exemple, peut se révéler légèrement élastique. [4] La page Wikipedia «chasse à l’épuisement» renvoie à plusieurs articles académiques intéressants sur le sujet, encore controversé sur certains points.
