Un matériel synonyme de performances

«Plus vie, Plus haut, Plus Fort !»

Cet adage cher à Pierre de Coubertin, le père des Jeux olympiques modernes, reste d’actualité dans un univers où les records tombent encore régulièrement. Bien sûr, les méthodes d’entraînement sans cesse plus pointues y sont pour quelque chose.
Toutefois, sans la progression du matériel et l’utilisation de matériaux composites souvent inédits, il y a fort à parier que les prouesses des athlètes ne seraient pas ce qu’elles sont actuellement.

Les matériaux composites stars du podium

Sports de raquette, cyclisme, escrime, sports nautiques ou de combat… la présence de ces disciplines aux Jeux olympiques d’été n’est pas leur seul point commun. Leur pratique nécessite en effet du matériel. Et celui-ci, aussi différent soit-il, est aujourd’hui très largement constitué de matériaux composites. 
Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles. Ce nouveau matériau ainsi obtenu dispose de propriétés que ses éléments constitutifs seuls ne possèdent pas. Il comprend une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique (fibres de carbone, d’aramide tissées) et une protection appelée matrice qui permet la cohésion de l’ensemble de la structure. Cette dernière est généralement une matière plastique : résine thermoplastique ou thermodurcissable. Ces matériaux composent plus de 80 % des équipements sportifs !

Pourquoi les composites se sont-ils taillés la part du lion ? La réponse est simple. Ils sont les seuls matériaux à pouvoir augmenter les performances et le confort des équipements de sport du fait de leur légèreté et de leur capacité d’amortissement des vibrations. Ces caractéristiques ont notamment révolutionné l’univers du cyclisme et du tennis. En outre, ces composites offrent des qualités de rigidité très appréciées des tireurs à l’arc et des perchistes. Enfin, leurs capacités de résistance augmentent considérablement la fiabilité des articles de sport : résistance mécanique et aux chocs pour les raquettes ; résistance à l’humidité pour les sports nautiques. Sans oublier leur faculté à épouser n’importe quel design grâce à un moulage parfaitement maîtrisé.

Quand la technique sportive s'adapte aux nouveaux matériaux

Prenons l’exemple du saut à la perche. De nos jours, les meilleurs sauteurs franchissent la barre des 6 mètres, soit un immeuble de deux étages ! Il faut savoir qu’à l’aube des années 1980, cette limite paraissait infranchissable. Les athlètes le disent haut et fort : sans l’évolution du matériel, liée à l’utilisation de matériaux dits exotiques, leurs performances ne seraient pas si élevées. Les perches ont, en une centaine d’années, connu différents stades de développement. Du bambou, elles sont passées à l’aluminium, puis à la fibre de verre et sont désormais composées d’un assemblage de fibre de verre et de carbone ainsi que de résines synthétiques de type époxy. Résultat : un matériau à la fois souple et assez rigide pour conserver la totalité de l’énergie cinétique du sauteur, ce qui permet à l’athlète de monter plus haut. Avouons tout de même que la perche ne fait pas tout ! Cela dit, les sauteurs ont dû modifier leur technique pour s’adapter à ces nouveaux matériaux et atteindre des sommets !

Des services à plus de 200 km/h

Ça va vite, très vite même. Avez-vous déjà assisté à un match de tennis professionnel ? C’est bien simple, on ne voit rien ! Mieux vaut en effet rester devant sa télé pour apprécier le coup droit de Roger Federer. Le responsable ? Encore le matériel et les matériaux composites ! Les premières raquettes graphite apparaissent dans les années 1980. Avec le carbone, elles deviennent plus rigides et, à l’instar des perches, transmettent mieux l’énergie. Problème : elles sont si rigides que les joueurs commencent à avoir des soucis articulaires sérieux au niveau du coude. Depuis, les fabricants ont résolu cette question en incorporant dans les raquettes des matériaux absorbeurs de chocs. Notons que l’on trouve sensiblement ce même type d’innovation pour les autres sports de raquette, le squash, le badminton…

Excès de vitesse ? 

Aujourd’hui, l’élite tennistique a mis au rencard les fibres de carbone. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont fait leur apparition pour des raquettes encore plus légères et surtout plus rigides puisqu’il s’agit à nouveau de perdre le moins d’énergie possible. Ces nouvelles raquettes se composent de tubes microscopiques d’un diamètre de l’ordre du nanomètre (1 nm = 1 milliardième de mètre), formés d’une ou de plusieurs feuilles de carbone arrangées en cylindres concentriques. Elles sont dix fois plus puissantes que celles en fibre de carbone. Là encore, les joueurs ont dû apprendre à maîtriser ces nouveaux « engins ». Service canon, jeu, set et match ! D’ailleurs, le public n’y trouve plus son compte et en vient à regretter les très longs échanges des années 1970. Un problème pris très au sérieux par les fédérations internationales et qui pourrait bien être un frein au développement de technologies encore plus efficaces…

Cyclisme : le carbone dans tous ses états

Sport mécanique par excellence, le cyclisme est certainement l’une des meilleures illustrations de l’évolution des matériaux. En 1903, lors du premier Tour de France, Maurice Garin effectua sa course à 25 km/h de moyenne sur un vélo de 20 kg. Cent ans après, Lance Armstrong établit une moyenne de 42 km/h sur une machine de 7,7 kg (poids minimum autorisé par l’Union cycliste internationale). Le carbone est à nouveau le principal constituant, et ses fibres sont intégrées à une résine de type époxy. Ces fibres de carbone jouent effectivement un rôle majeur du fait de leur solidité, résistance, légèreté et malléabilité. Grâce à cette dernière qualité, le fabricant choisit, lors de la confection d’un cadre, d’une fourche, d’une jante et même d’une selle, quelle orientation donner aux fibres. Ce faisant, il modifie les propriétés du produit final, de très rigide à très souple.

Il existe ainsi plusieurs combinaisons ou « recettes » possibles selon le but recherché. Citons le vélo de route Ascend conçu par la firme Delta 7 Sports et composé de fibres de carbone/kevlar tressées comme un panier d’osier. Ces fibres ainsi traitées sont dix fois plus rigides et résistantes que l’acier tout en restant considérablement plus légères que ce dernier. Ce qui prévaut ensuite dans un vélo, c’est l’ergonomie : il s’agit de trouver dans quelle position le cycliste aura le meilleur rendement énergétique. Les techniques de moulage des composites sont tellement maîtrisées qu’il est aisé pour les constructeurs de donner la forme idéale aux pièces fabriquées.  

La voile sportive au régime minceur

Dans tout sport mécanique, la véritable contrainte c’est le poids. La réponse à cette contrainte n’est pourtant pas à l’origine des bateaux en fibre de verre/polyester du début des années 1960… Nous étions alors en plein dans les Trente Glorieuses, et de nombreuses personnes découvraient les joies de la plaisance. Les commandes de bateaux encore construits en bois affluaient, et les chantiers avaient bien du mal à soutenir les cadences. Le moulage d’un composite fibre de verre/polyester apparut comme étant la solution la moins onéreuse et la plus simple à mettre en œuvre. Parfaitement étanche, ce matériau a toutes les qualités à l’exception d’une : son poids proche de celui du bois massif. Toutefois, pour des raisons de coût, il est encore très largement utilisé dans la fabrication de bateaux de plaisance, de canoës et de planches à voile.

L’émergence du carbone dans de nombreux sports donna des idées aux architectes qui, en collaboration avec les chantiers, fabriquèrent de façon quasi artisanale un nouveau type de coque en fibre de carbone dédiée à la haute compétition.

Le gain de poids a rendu les voiliers tellement plus véloces qu’ils sont capables d’effectuer le tour du monde en quarante-cinq jours.

La voile : une aile verticale 

Mais la véritable révolution reste l’utilisation de ces fibres dites exotiques dans les textiles (voiles et cordages). Dans les années 1950, le Nylon entrait déjà dans la composition des voiles. Cette matière avait certes l’avantage de sécher très vite mais aussi l’inconvénient de se déformer rapidement. Difficile donc d’obtenir une surface de voilure autorisant la performance… Dans les années 1980, les fibres aramides furent une première évolution, suivie quelques années plus tard par les polyéthylènes, les polyesters et les carbones. Ces matériaux très peu élastiques permettent aux voiles de garder une certaine raideur, à l’instar d’une aile d’avion, et donc de prendre le vent de façon optimale. Toujours grâce à leurs excellentes propriétés de résistance à la déformation, ces fibres sont présentes dans certains cordages, leur garantissant ainsi une durée de vie prolongée.

Pour aller encore plus loin, la voilerie North Sails a développé dans les années 1990 un nouveau système de fabrication de voiles par moulage. Celles-ci sont fabriquées à partir d’un moule sur lequel est appliqué un premier film de polyester. On dépose ensuite un fil de fibres de carbone, de polyéthylène ou de polyester suivant un tracé défini en fonction des caractéristiques attendues. Ces fibres constituent l’armature de la voile. Un second film de polyester est posé, et l’ensemble est cuit afin d’unifier la voile. Cette technique lui permet d’être 30 % plus légère qu’une voile traditionnelle. L’absence de coutures et sa forme légèrement cintrée donnent un profil aérodynamique parfait pour une performance accrue.