Biomécanique

La biomécanique étudie les mouvements et les forces qui s’exercent sur les organismes vivants, en appliquant les principes de la physique et de la mécanique. Elle trouve ses applications dans la santé et le sport : compréhension des blessures, performances athlétiques, conception de dispositifs médicaux.

Observer expérimentalement la biomécanique

L’application FizziQ transforme le smartphone en capteur porté sur le corps : accéléromètre, gyroscope et analyse vidéo permettent de quantifier un mouvement humain sans matériel de laboratoire.

Étapes :

• Fixer le smartphone au plus près du centre de masse (ceinture, bas du dos) : c’est la position qui donne le signal le plus représentatif du mouvement global du corps.
• Sélectionner l’accélération linéaire (sans g) et lancer l’enregistrement, puis effectuer le geste étudié : marche, course, squat, saut vertical.
• Repérer sur la courbe les phases du mouvement : élan, appui, envol, réception. Chaque phase se traduit par un motif d’accélération caractéristique.
• Pour un saut vertical, mesurer la durée du vol entre le décollage et la réception, quand l’accélération linéaire est proche de zéro, et en déduire la hauteur.
• Filmer le même geste de côté, puis utiliser le module d’analyse vidéo de FizziQ pour pointer une articulation image par image et obtenir sa trajectoire.
• Comparer les enregistrements de plusieurs élèves : la dispersion entre individus est bien plus grande que la dispersion entre deux essais d’un même élève.

Activités scientifiques sur ce thème

Les smartphones sont des outils extrêmement utiles comme instruments de mesure pour la biomécanique. Les scientifiques peuvent utiliser les différents capteurs pour recueillir des informations détaillées sur la position, la rotation, la vitesse du corps, mais ils peuvent également enregistrer des vidéos détaillées ou des chronophotographies de mouvements avec la caméra qui peuvent être analysées avec des logiciels comme FizziQ.

Vous trouverez ci-dessous un certain nombre d’expériences sur la physique et le sport à réaliser avec FizziQ :

• Trajectoire parabolique d’un ballon de basket
• Vitesse d’un skieur pendant les jeux olympiques
• Centre de gravité d’un plongeur
• Déterminations des phases du saut à la perche
• Mesurer sa fréquence cardiaque avec l’accéléromètre (accélérocardiogramme)
• Photopléthysmographie du doigt : détecter le pouls avec la caméra
• Podomètre et détection de pas dans le signal d’accélération

En savoir plus

Une histoire qui commence à la Renaissance

Les débuts de la biomécanique remontent à la Renaissance italienne, où Léonard de Vinci (1452-1519) a étudié l’anatomie humaine et les mouvements du corps, notamment dans sa célèbre étude de l’homme de Vitruve. Mais le véritable acte de naissance de la discipline est le traité De Motu Animalium, publié en 1680 par Giovanni Alfonso Borelli, élève de Galilée : il y applique pour la première fois la statique et la théorie des leviers aux muscles et aux articulations, et calcule les forces musculaires nécessaires à la marche, à la course et au vol des oiseaux. Au XIXe siècle, le chirurgien allemand Julius Wolff (1836-1902) énonce en 1892 la « loi de Wolff » : l’os vivant se remodèle en fonction des contraintes mécaniques qu’il subit. C’est l’un des principes fondateurs de la biomécanique des tissus, toujours étudié aujourd’hui.

La mesure du mouvement

À la fin du XIXe siècle, le physiologiste français Étienne-Jules Marey et le photographe britannique Eadweard Muybridge inventent la chronophotographie et rendent le mouvement humain et animal mesurable image par image. Marey construit aussi les premières plateformes de force. Dans les années 1950 et 1960, caméras rapides, plateformes de force et électromyographie font de la biomécanique une discipline expérimentale à part entière. Un smartphone équipé d’un accéléromètre et d’une caméra reprend aujourd’hui, dans une poche, ces deux instruments historiques.

Le corps n’est pas un solide rigide

C’est le point qui distingue la biomécanique de la mécanique du point. Un corps humain se modélise comme une chaîne cinématique : une quinzaine de segments considérés comme rigides (pied, jambe, cuisse, tronc, bras, avant-bras, main, tête), reliés par des articulations qui autorisent chacune un ou plusieurs degrés de liberté. Le centre de masse du corps n’est donc pas un point fixe du corps : il se déplace quand on change de posture, et il peut même se situer hors du corps, par exemple à l’extérieur du dos d’un sauteur en hauteur qui franchit la barre en position arquée. C’est ce qui permet au centre de masse de passer sous la barre pendant que le corps passe au-dessus.

Les forces internes dépassent largement le poids

Une conception erronée fréquente consiste à croire qu’un muscle exerce une force du même ordre que la charge soulevée. C’est faux, à cause des bras de levier. Dans l’avant-bras, le biceps s’insère à environ 4 cm de l’axe du coude, alors que la charge tenue dans la main est à environ 32 cm. L’équilibre des moments impose donc au biceps une force environ 8 fois supérieure à la charge : tenir 5 kg dans la main demande au biceps une force de l’ordre de 400 N, soit l’équivalent de 40 kg. Le corps est presque partout un système de leviers défavorables, qui privilégie l’amplitude et la vitesse du geste au détriment de la force. C’est aussi pourquoi les contraintes sur les articulations et les tendons sont bien supérieures au poids soulevé, et pourquoi les blessures y surviennent.

La biomécanique du sport

La biomécanique est utilisée pour améliorer les performances sportives, notamment en aidant les athlètes à s’entraîner plus efficacement, à améliorer leurs performances et à éviter les blessures. Par exemple :

1. Course à pied : La biomécanique est utilisée pour analyser les mouvements des coureurs et identifier les facteurs qui peuvent affecter leur performance. Les chercheurs en biomécanique peuvent étudier la position des pieds et des jambes des coureurs pendant la course pour déterminer la meilleure technique de course et minimiser le risque de blessure.

2. Natation : La biomécanique est utilisée pour améliorer la technique de nage des nageurs en analysant leur position, leur mouvement et leur force dans l’eau. Les chercheurs peuvent étudier les angles de glissement, l’efficacité de la propulsion et la trajectoire des mouvements des bras et des jambes pour aider les nageurs à améliorer leur performance.

3. Sauts : Les sauts tels que le saut en hauteur, le saut à la perche et le saut en longueur nécessitent une technique précise pour maximiser la hauteur ou la distance du saut. Les chercheurs en biomécanique peuvent étudier les mouvements du corps pendant le saut pour optimiser la technique de saut et minimiser le risque de blessure.

4. Lancer : Les épreuves de lancer, comme le lancer de poids et le lancer de javelot, dépendent de la technique de lancer pour maximiser la distance du lancer. La biomécanique peut être utilisée pour analyser la position, la force et la trajectoire du lancer pour améliorer la technique et maximiser la distance.

Ordres de grandeur

Force du biceps pour tenir 5 kg à bout de bras fléchi : environ 400 N. Force de réaction du sol à la marche : environ 1,1 à 1,2 fois le poids. À la course : 2 à 3 fois le poids. À la réception d’un saut : 4 à 6 fois le poids, voire davantage sur talons raides. Puissance mécanique développée lors d’un saut vertical : 1000 à 3000 W pendant quelques dixièmes de seconde. Hauteur d’un saut vertical sans élan : 0,3 à 0,4 m pour un élève, jusqu’à 0,8 m pour un athlète. Cadence de marche : 100 à 120 pas par minute.

Formule

L’équilibre d’un segment articulé s’écrit comme une égalité des moments par rapport à l’axe de l’articulation :

F_muscle × d_muscle = F_charge × d_charge

où :

• F_muscle : force développée par le muscle (N)
• d_muscle : distance de l’insertion du muscle à l’axe de l’articulation, le bras de levier (m)
• F_charge : force exercée par la charge, ici son poids (N)
• d_charge : distance de la charge à l’axe de l’articulation (m)

La hauteur d’un saut vertical se déduit de la durée du vol, mesurée entre le décollage et la réception :

h = g × t_vol² / 8

où :

• h : hauteur d’élévation du centre de masse (m)
• g : accélération de la pesanteur, 9,81 m/s²
• t_vol : durée totale du vol (s)

La puissance mécanique moyenne développée pendant la phase d’impulsion vaut :

P = m × g × h / Δt

où :

• P : puissance mécanique moyenne (W)
• m : masse du sauteur (kg)
• Δt : durée de la phase d’impulsion (s)

Exemples d’application

• Un biceps s’insère à 4 cm du coude et soutient une charge de 5 kg placée à 32 cm : la force musculaire vaut 50 × 32 / 4 = 400 N, soit 8 fois le poids de la charge

• Un saut vertical dont le temps de vol mesuré vaut 0,50 s correspond à une élévation du centre de masse de 9,81 × 0,25 / 8 ≈ 0,31 m

• Un coureur de 70 kg subit à chaque appui une force de réaction du sol d’environ 2000 N, soit près de trois fois son poids

• L’analyse vidéo d’un lancer de javelot permet de mesurer l’angle et la vitesse de sortie, les deux paramètres qui fixent la portée

• La conception d’une prothèse de hanche impose de connaître les contraintes réelles subies par l’articulation, qui atteignent 3 à 4 fois le poids du corps à la marche

• L’étude de la course chez un patient rééduqué permet de détecter une asymétrie entre les deux appuis avant qu’elle ne provoque une blessure

FAQ

Q : Pourquoi le smartphone doit-il être placé près du bas du dos ? R : Parce que le centre de masse du corps se situe approximativement au niveau des vertèbres lombaires, un peu au-dessus du bassin. Un capteur placé là mesure le mouvement global du corps. Placé au poignet ou dans une poche de veste, il enregistre surtout le balancement du membre, pas le déplacement du corps.

Q : Pourquoi le biceps doit-il exercer une force bien supérieure au poids soulevé ? R : Parce que son bras de levier est très court, environ 4 cm, alors que la charge est à plus de 30 cm de l’articulation. L’équilibre des moments impose alors une force musculaire environ huit fois plus grande. En contrepartie, une faible contraction du muscle produit un grand déplacement rapide de la main.

Q : Peut-on traiter le corps humain comme un solide rigide ? R : Non, sauf sur des durées très courtes ou pour un mouvement où le corps reste figé. Le corps est une chaîne de segments articulés, et c’est justement la mobilité relative de ces segments qui produit le mouvement. On peut en revanche modéliser chaque segment séparément comme un solide rigide.

Q : Pourquoi le centre de masse peut-il se trouver en dehors du corps ? R : Le centre de masse est un point moyen pondéré par la répartition des masses, il n’appartient pas nécessairement à la matière. Quand le corps s’arque fortement, comme un sauteur en hauteur au-dessus de la barre, ce point moyen se situe dans le vide, sous le dos du sauteur.

Q : Pourquoi les blessures surviennent-elles surtout à la réception d’un saut ? R : Parce que la décélération y est très brutale. La quantité de mouvement acquise pendant la chute doit être annulée en quelques centièmes de seconde, ce qui produit des forces de plusieurs fois le poids du corps. Fléchir les genoux allonge la durée de l’impact et réduit d’autant la force subie.

Concepts liés

Centre de gravité - Moment d’une force - Bras de levier - Accéléromètre - Énergie cinétique - Physiologie humaine - Podomètre - Analyse vidéo - Chronophotographie