La course à pied facilitée par les mathématiques

Comment courir pour améliorer sa performance, son poids et sa forme ? Amandine Aftalion (université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines) et Frédéric Bonnans (École polytechnique) ont créé un modèle mathématique d'optimisation de la course qui pourrait conduire à un programme d'entraînement personnalisé selon l'état physiologique de chacun.

Il confirme en outre un fait bien connu des sportifs : varier sa vitessevitesse permet de mieux dépenser son énergieénergie et de courir plus longtemps. Les mathématiques offrent ainsi l'opportunité aux coureurs de passer de simples outils de mesure statistique au conseil sportif personnalisé. Ces travaux, disponibles sur l'archive ouverte HAL, seront publiés dans la revue SIAM Journal on Applied Mathematics.

Varier la vitesse pour courir plus longtemps

Ce modèle mathématique prend tout d'abord en compte l'énergie du coureur, notamment sa consommation maximale d'oxygène (VO₂ max) et son stock d'énergie anaérobie, en les faisant intervenir dans un système d'équationséquations différentielles reliant la vitesse, l'accélération, la force de propulsion et les forces de frottement. Ce système est couplé à des conditions initiales de départ de la course, vitesse nulle et quantité d'énergie donnée, et des contraintes : l'énergie et la force de propulsion doivent être positives (le coureur ne peut pas reculer). Les chercheurs sont capables avec ce modèle de prédire le comportement que doit avoir le sportif tout au long de sa course au moyen d'un bilan instantané déterminant au plus près la vitesse optimale du coureur et l'énergie dépensée depuis le départ.

Les mathématiques de la course à pied semblent simples : c’est celui qui parcourt la distance en un minimum de temps qui est le plus rapide. Mais à l’aide d’algorithmes complexes, le joggeur dispose d’un nouveau moyen de s’entraîner dans le but de progresser à la vitesse adaptée. © Wallpoper, Wikimédia Commons, DP

Leur résultat principal montre ainsi que varier sa vitesse permet de dépenser moins d'énergie et de courir plus longtemps. De plus, en comparant ces résultats avec ceux d'athlètes professionnels, les auteurs peuvent également préciser quels paramètres physiologiques les coureurs doivent développer pour s'améliorer en répondant par exemple aux questions suivantes : quels seront les résultats d'un champion s'il avait le poids et la consommation maximale d'oxygène d'un coureur amateur ? Quels sont alors les paramètres que le sportif amateur peut améliorer pour s'approcher des résultats habituels du champion ? Doit-il améliorer sa capacité respiratoire ou son énergie anaérobie ?

Les mathématiques s’invitent aussi chez les cyclistes et les nageurs

Les applicationsapplications de ce modèle concernent deux types de publics. Dans le cas des coureurs « semi-professionnels » qui n'ont pas l'opportunité de travailler avec un entraîneur de sport ou dans le cadre de cours d'éducation physiquephysique et sportive à l'école, les chercheurs souhaiteraient développer un logiciellogiciel capable de créer des programmes d'entraînements personnalisés qui indiqueraient les paramètres physiologiques à développer en priorité et de réaliser des stratégies précisant les vitesses optimales à atteindre à chaque moment de la course.

Le système d'équations étant adaptable à toutes les variables intéressantes pour le sportif (et pas seulement la vitesse), les « coureurs du dimanche » pourraient, par exemple, connaître instantanément le nombre exact de calories perdues lors de la course (et non une simple moyenne comme pour les outils existant actuellement) afin d'améliorer leur perte de poids.

Les chercheurs souhaitent désormais parfaire leur modèle mathématique en intégrant au système d'équations de nouveaux paramètres comme l'altitude ou l'effet du ventvent, et l'appliquer à d'autres sports d'endurance comme le cyclisme, la natation ou le canoë-kayak.