Savez-vous que la biomécanique permet aux athlètes de booster leur performance grâce à l'application des lois de la mécanique aux êtres vivants ?
Dans cet article nous proposons 5 expériences à réaliser en classe ou à la maison avec son smartphone pour comprendre ce qu'est la biomécanique avec des activités scientifiques motivantes pour chacun.
Table des matières
Qu'est ce que la biomécanique ? - Utiliser un smartphone en biomécanique - #1 Mesurer un parcours journalier - #2 Où se trouve le centre de gravité d'un plongeur ? - #3 Analyser mon rythme cardiaque - #4 Comment une perchiste monte-t-elle plus haut ? - #5 Vaut-il mieux courir pied nu ou avec des baskets ?
Qu'est-ce que la biomécanique ?
La biomécanique est une branche de la science qui étudie les mouvements et les forces qui agissent sur les organismes vivants, en utilisant des principes de la physique, de la mécanique et de la biologie.
La biomécanique est utilisée dans le domaine de la santé, par exemple pour aider les personnes âgées à améliorer leur autonomie, ou les personnes souffrant d'un handicap physique. Elle est également utilisée dans le sport pour améliorer les performances des athlètes.
Pour mener à bien ses études, le chercheur en biomécanique utilise avant tout son intuition et son étude des sujets. Comme le dit Léonard de Vinci, le premier biomécanicien :
« Le bon peintre doit principalement peindre deux choses, la personne et son état d’esprit. La première est facile, la seconde difficile, car il faut la représenter à travers les gestes et les mouvements des membres »
Le biomécanicien moderne utilise également tous les instruments scientifiques disponibles pour analyser les déplacements de chaque partie du corps. Par exemple des accéléromètres, des gyroscopes, des dynamomètres peuvent être attachés à certaines parties du corps pour mesurer les efforts ou les mouvements.
Il utilise également un nombre d'instruments qui lui permet d'analyser le fonctionnement des muscles et tendons et leur capacité à créer du mouvement et transformer l'énergie. Par exemple l'électromyogramme (EMG) permet de mesurer les efforts musculaires, le mécanomyogramme (MMG) permet de mesurer l’activité vibratoire du muscle lors d’une contraction. Ces instruments permettent d’obtenir l’effort global du muscle lors d’une contraction.
Une des grandes innovations en biomécanique a été l'utilisation de caméra à haute vitesse qui permet par analyse cinématique de mesurer les déplacement des chaque partie du corps lors d'un mouvement. On peut utiliser la chronophotographie, qui consiste à prendre des images successives à haute vitesse, ou la vidéo.
En savoir plus sur la biomécanique :
Utiliser un smartphone en biomécanique ?
Tout le monde peut faire des analyses de biomécanique avec un instrument que l'on a dans sa poche : le smartphone.
Il y a trois types de données qui peuvent être utilisées dans ces analyses :
Les données des capteurs du smartphone
L'analyse de vidéos prises avec la caméra
La connection de capteurs externes
Les smartphones intègrent de nombreux capteurs tels que des accéléromètres, des gyroscopes, des magnétomètres, qui permettent de connaître la position d'un corps ou d'une partie d'un corps avec précision. La fréquence d'acquisition des données de ces capteurs est de plus de 150 données par secondes, donc suffisant pour faire des analyses fines.
On peut également utiliser la caméra du smartphone pour enregistrer des vidéos d'un mouvement puis réaliser une analyse image par image. Le module cinématique de FizziQ permet de faire ce type d'analyse directement avec son téléphone portable. La plupart des téléphones également peuvent filmer au ralenti, parfois jusqu'à 240 images par secondes, ce qui permet à l'étudiant d'obtenir des mesures encore plus précises.
Finalement on peut aussi connecter des capteurs externes, moins encombrants, sur les parties de l'athlète que l'on souhaité étudier. Dans le cadre scolaire ou universitaire, on peut facilement utiliser des micro-controlleurs comme Arduino, Micro:Bit ou M5 Stack. Ces appareils enregistreront les données qui pourront être transmises à un appareil d'acquisition comme FizziQ.
Expérience 1 - Comment un smartphone calcule-t-il mon parcours journalier ?
Vous êtes vous déjà posé la question de comment votre smartphone mesure les distances que vous avez parcouru en marchant ?
Dans FizziQ, utilisez l'accéléromètre pour mesurer l'accélération absolue (aussi appelée accélération avec g), lancer l'enregistrement et mettez votre smartphone dans votre poche. Marchez quelques pas et arrêtez l'enregistrement.
Vous constatez des pics qui correspondent à chaque pas. En effet, quand vous posez le pied sur le sol, le smartphone qui est dans votre poche subit un brusque arrêt dans son mouvement, et l'accélération augment brusquement. Si le logiciel compte le nombre de pics, il pourra compter le nombre de pas.
Comment passe-t-on du nombre de pas à la distance ? Votre smartphone vous a demandé votre taille quand vous l'avez initialisé. A partir de la taille, le logiciel déduit la longueur de pas typique pour le propriétaire du smartphone puis une distance avec le nombre de pas.
Cette méthode de mesure est en fait très précise. C'est ainsi que procédaient les égyptiens et grecs des temps anciens pour mesurer les distances. Les bématistes, ou arpenteurs, étaient réputés pour avoir un pas régulier et une bonne mémoire pour ne pas oublier les comptes. On a vérifié que les mesures de distances qu'ils effectuaient étaient souvent d'une précision inférieures à 1% par rapport aux calculs modernes pour des distances de 500 km et plus !
En étudiant plus précisément le graphique vous pourrez également déceler les différentes phases du mouvement de votre jambe. Par exemple à quel mouvement correspond le plateau au milieu des deux pics ? Peut-on détecter une régularité du mouvement ? Pourrait-on détecter que l'on boite uniquement en étudiant le graphique ? Comment le smartphone calcule-t-il aussi les escaliers que l'on monte ?
Pour réaliser cette expérience sur FizziQ, rendez-vous sur notre activité : "Un kilomètre à pied" https://www.fizziq.org/team/un-kilomètre-à-pied
Expérience 2 - Où se trouve le centre de gravité d'un plongeur ?
On sait que si on lance une balle en l'air et que l'on néglige les frottements, elle décrira une parabole. Mais qu'en est-il pour une plongeuse qui effectue un saut périlleux ? Son centre de gravité décrit-il vraiment une parabole ?
Pour étudier cette question on peut aller à la piscine et filmer une athlète en train de plonger. Si on a pas de piscine à côté de chez soi, on peut utiliser la vidéo du plongeur de la bibliothèque de vidéos cinématique.
Etudions la vidéo dans le module cinématique de FizziQ. L'utilisation de ce module est décrite dans ce tutoriel.
Après avoir téléchargé la vidéo dans le module cinématique de FizziQ, nous réalisons plusieurs pointages, dans le premier nous pointerons sur la tête de l'athlète. Sur un deuxième nous pointerons sur ses pieds. Si l'on trace dans le cahier d'expérience des courbes, on voit que ces courbes sont extrêmement différentes. Du point de vue physique il est très difficile de modéliser ces mouvements.
Les lois de la mécanique nous affirment par contre que la trajectoire décrite par le centre de gravité d'un corps en chute libre sans frottement est une parabole. Si on est capable de pointer le centre de gravité pour chaque image, on devrait obtenir une courbe résultante qui est une parabole. Parfois il se situe en dehors du corps de l'athlète. Saurez-vous le trouver sur chaque image ?
Expérience 3 - Un accéléromètre peut-il mesurer le rythme cardiaque ?
Un coeur qui bat crée des pressions régulières sur la cage thoracique, mais ces petits chocs sont-ils suffisamment importants pour être détectés par l'accéléromètre d'un smartphone ? Que peut-on déduire de l'analyse ?
Allongeons nous, puis sélectionnons l'accélération linéaire transversale dans l'application FizziQ, appuyons sur le bouton d'enregistrement, et plaçons le portable sur notre coeur.
Après 5 secondes, arrêtons l'enregistrement et étudions le graphique. Pour voir les battements, on peut recalibrer le graphique en appuyant sur le bouton d'échelle. On voit nettement les différents battements et on peut mesurer avec la loupe leur fréquence, le rythme cardiaque.
On peut également étudier la régularité de ce rythme. Il faut bien sûr consulter un médecin si le rythme est irrégulier !
On constate enfin que l'accéléromètre est capable de détecter bien d'autres éléments comme par exemple l'onde T qui est le deuxième pic et qui apparaît au premier tiers de la durée du battement. Cette pulsation correspond à la "repolarisation des ventricules", autrement dit, les myocytes ventriculaires « se relâchent » et se rechargent afin de pouvoir se dépolariser de nouveau.
Le coeur est une machine complexe mais il est impressionnant que même avec un appareil du commerce, nous puissions conduire des analyses sur notre santé et mieux comprendre le fonctionnement de nos organes !
Pour en savoir plus vous pouvez consulter notre article sur la photopléthysmographie (utilisation de la lumière verte pour l'analyse médicale), et le défi de La Fondation La main à la pâte sur la fréquence cardiaque.
Expérience 4 - Comment une perchiste monte-t-elle plus haut ?
On pourrait à croire que le saut à la perche est une simple transformation de l'énergie cinétique en énergie potentielle, mais la réalité est toute autre : par un mouvement de rotation puis de poussée, le perchiste apporte plus d'un tiers d'énergie en plus, qui lui permet d'aller significativement plus haut.
Pour prouver cette affirmation, nous conduisons une analyse cinématique sur la vidéo de la perchiste qui se trouve dans la bibliothèque de vidéos.
L'analyse fine du bilan énergétique, que l'on trouvera dans notre article dédié au saut à la perche, montre qu'il y a trois phases d'apport d'énergie qui vont se transformer progressivement en énergie potentielle : l'énergie cinétique de la course avant le décollage due à la course, le retournement vers 1,3 s dans laquelle l'athlète utilise ses abdominaux pour effectuer une rotation et le redressement vers 1,8 s où il s'étend à la verticale.
Chacune de ces actions procure une énergie supplémentaire pour que l'athlète aille plus haut. Si l'on néglige les pertes, on peut estimer l'énergie élastique au point de compression maximale : c'est la différence entre l'énergie mécanique initiale et l'énergie mécanique en ce point, soit environ 1300 J. L'énergie potentielle nécessaire pour passer du point de retournement à l'apogée étant d'environ 2000 J, on calcule un apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol d'au moins 700 J, soit l'équivalent d'un gain de hauteur d'au moins 1,30m !
La complexité du mouvement du saut à la perche tient au fait que la performance nécessite à la fois la bonne transformation de la course en énergie élastique et sa restitution en énergie potentielle, mais également d'apporter un supplément d'énergie lors de la phase de vol pour gagner encore plus d'un mètre ! Belle coordination !!
Expérience 5 - Faut-il mieux courir avec des baskets ou pieds nus ?
Certains athlètes courent pieds nus mais les orthopédistes ne recommandent pas cette pratique, pourquoi ?
Pour le savoir, utilisons l'accéléromètre de notre smartphone, que nous pouvons glisser dans notre poche. On sélectionne l'accélération absolue, on lance l'enregistrement et sur une route, ou une piste, on court pieds nus d'une foulée régulière pendant une dizaine de secondes. Après avoir ajouté les données au cahier d'expérience on recommence avec des baskets.
L'analyse des données et la comparaison entre les deux graphiques de données montre plusieurs éléments intéressants, dont le premier est que la course est un exercice très éprouvant pour les genoux.
En effet, les accélérations maximales sont environ de 5 fois l'accélération de la pesanteur, cela veut dire que les genoux encaissent 5 fois notre poids à chaque foulée, parfois jusqu'à 7 fois. Si on pèse 75 kg, cela peut faire une de demi-tonne ! N'est-il pas incroyable que notre corps puisse résister à de tels efforts de façon continue ?
Si, à présent, nous comparons les deux graphiques, on constate que les valeurs maximales des accélérations quand on porte des baskets sont en moyenne 15% inférieures à celles de la course pied nu. Il y a donc un avantage significatif à utiliser des chaussures qui amortissent bien les chocs pour préserver la santé de nos articulations !
En conclusion
La biomécanique, ou science des mouvements et les forces qui agissent sur les organismes vivants, est une branche passionnante de la physique. Des expériences simples qui peuvent être proposées aux élèves dès le collège permettent d'aborder des sujets du programme ou d'ouvrir le champ de réflexion des élèves par l'expérimentation et la méthode d'investigation scientifique.
Avec l'approche des Jeux Olympiques, voici un outil de plus pour intéresser les élèves à la science !