Notions de base de la biomécanique Mme Aida TAIEB 1ème année Licence STAPS 2011 - 2012

Plan Général I. Généralités Définition de la biomécanique. Grands domaines d’analyses et d’application. Les grands objectifs. II. Modélisation biomécanique du corps humain III. Plans et axes du mouvement Plans anatomiques. Mouvements articulaires. IV. Notions de leviers V. Description du mouvement VI. Principes de la mécanique 26/04/2017 2

Biomécanique du mouvement et APS par Blanchi , Jean-Pierre Références bibliographiques générales Biomécanique du mouvement et APS   par Blanchi , Jean-Pierre   Paris , Vigot - 2000         Anatomie, physiologie, biomécanique en STAPS   par Delamarche , Paul   Multon , Franck   Perlemuter , Léon   Dufour , Michel   Paris , Masson - DL 2002   Traité de biomécanique : mécanique articulaire et tissulaire   par Dalleau , Georges   Allard , Paul   Paris , PUF -impr. 2009     Biomécanique du sport et de l'exercice   par Grimshaw , Paul   Burden , Adrian   Pradel , Simon   Cretual , Armel   Bruxelles , De Boeck DL 2010 26/04/2017

Définition de la biomécanique 1/2 La biomécanique est l’application des lois de la mécanique aux systèmes biologiques . Elle cherche à décrire et à expliquer le fonctionnement de ces systèmes biologiques. La mécanique est définie comme étant l’étude du comportement des corps solides, liquides ou gazeux lorsque différentes actions, appelées forces, s’exercent sur eux. 26/04/2017 4

Définition de la biomécanique 2/2 subdivision de la biomécanique en fonction des caractéristiques du corps humain. 26/04/2017 5

Grands domaines d’analyses et d’application 1/4 Domaine d’analyses et d’application en sport Compréhension du geste 26/04/2017 6

Grands domaines d’analyses et d’application 2/4 Domaine d’analyses et d’application en sport Amélioration de la performance Adaptation du matériel 26/04/2017 7

Grands domaines d’analyses et d’application 3/4 Domaine d’analyses et d’application en médecine Compréhension des pathologies Conception d’implants Optimisation des traitements 26/04/2017 8

Grands domaines d’analyses et d’application 4/4 26/04/2017 9

Les grands objectifs Optimiser la performance : sport, travail, handicap Préserver l’intégrité de la structure du corps humain : sport, sécurité, ergonomie Réparer la structure et corriger le dysfonctionnement : chirurgie réparatrice, orthopédie. 26/04/2017 10

Modélisation biomécanique du corps humain Pourquoi modéliser ? Chainon corporel 26/04/2017

Modélisation biomécanique du corps humain Modèles Pourquoi modéliser ? Chainon corporel 26/04/2017

Modélisation biomécanique du corps humain Modèle de Winter : modélisation « en fil de fer » de Winter 26/04/2017

Modélisation biomécanique du corps humain Modèle d’Hanavan: modélisation « en volume » d’Hanavan 26/04/2017

Modélisation biomécanique du corps humain Plateforme expérimentale 3D 26/04/2017

26/04/2017

Modélisation biomécanique du corps humain Des notions de modélisation Chaine articulée : Les chaines ouvertes Les chaines fermés Degré de liberté : Le mouvement mono-articulaire Le mouvement pluri-articulaire 26/04/2017

Plans et axes du mouvement Plans anatomiques 26/04/2017

Plans et axes du mouvement Plans anatomiques 26/04/2017

Plans et axes du mouvement Plans anatomiques 26/04/2017

Plans et axes du mouvement Plans anatomiques 26/04/2017

Plans et axes du mouvement Adductions / Abductions Mouvements articulaires Flexion / Extension Rotations Adductions / Abductions 26/04/2017

Le fonctionnement des muscles fait intervenir un système de leviers. Notions de leviers Le fonctionnement des muscles fait intervenir un système de leviers. Levier : barre rigide se déplaçant autour d’un point fixe (= point d’appui ou pivot) et soumise à une force ; la force permet de vaincre la résistance créée par une charge. 26/04/2017

Notions de leviers Au niveau du corps humain : A = articulation (centre de rotation) F = force liée à la contraction musculaire R = poids du segment (+ charge) Le type de levier et la longueur du bras de levier influencent la force nécessaire pour soulever une charge (avantage / désavantage mécanique) 26/04/2017

désavantage mécanique Notions de leviers 3 types de leviers : Levier du 1er genre ou inter appui : Force – Point d’appui – Charge A:occipito-atloïdienne désavantage mécanique (AR>AF) avantage mécanique (AF>AR) 26/04/2017

Notions de leviers Levier du 2ème genre ou inter résistant : Point d’appui – Charge – Force Appui sur l’avant pied Avantage mécanique 26/04/2017

Désavantage mécanique Notions de leviers Levier du 3ème genre ou inter puissant : Point d’appui – Force – Charge Flexion de l’avant bras Désavantage mécanique 26/04/2017

les modes de contraction 3 principaux modes de contraction musculaire isométrique (statique) : absence de mouvement ; la longueur du muscle reste la même (= mode isométrique) concentrique (dynamique) : le muscle se contracte en se raccourcissant excentrique (dynamique) : le muscle se contracte en s’allongeant 26/04/2017

Interactions musculaires 4 groupes fonctionnels agonistes : muscles qui sont les principaux responsables du mouvement (ex : flexion du coude : biceps brachial) antagonistes : muscles qui s’opposent au mouvement (ex : flexion du coude : triceps brachial) synergistes : muscles qui aident les agonistes en rajoutant de la force et en réduisant les mouvements inutiles liés à la contraction des agonistes fixateurs : muscles synergiques qui immobilisent un os (ex : muscles fixateurs de l’épaule qui immobilisent la scapula) 26/04/2017

Description du mouvement En cinématique, le corps humain (ou tout autre objet) peut être considéré comme un point matériel (ex : son centre de gravité) et les situations sont généralement simplifiées pour faciliter les calculs. Les 2 principales simplifications sont les suivantes : - On néglige les frottements, qui, en temps normal, peuvent influencer les caractéristiques du mouvement - On néglige les actions individuelles des membres du corps (bras et jambes), qui, en temps normal, peuvent également influencer les caractéristiques du mouvement. 26/04/2017

Description du mouvement Les principales variables en cinématique sont les suivantes : Position (déplacement par rapport à un référentiel donné) vitesse (variation temporelle de déplacement) accélération (taux de variation de vitesse par rapport au temps) Elles sont liées entre elles par des relations mathématiques à première vue compliquées (dérivées, intégrales) mais qui peuvent, dans certaines situations simplifiées, être calculées graphiquement, de manière simple. 26/04/2017

Description du mouvement Approches mathématiques et graphiques 26/04/2017

Description du mouvement Les notions de vitesse et d’accélération peuvent être instantanées (à un instant précis du mouvement) ou moyennes (entre deux instants t au cours du mouvement). De manière générale, la vitesse et l’accélération moyenne se calculent de la manière suivante : Vitesse moyenne = distance parcourue/temps du mouvement Accélération moyenne = variation de vitesse/variation de temps 26/04/2017

Description du mouvement Exercices d’application Exercice 1 : Un déplacement rectiligne x(t) est schématisé ci-contre en 2 phases (0,10) et (10,15). Déterminer les vitesses v1 et v2 dans chacune des phases ainsi que la vitesse moyenne Vm du déplacement total. 26/04/2017

Description du mouvement Ce graphique présente l’évolution de la position en fonction du temps. Sachant que la vitesse s’obtient en dérivant la position par rapport au temps (version mathématique), ce qui revient à calculer la pente de la courbe X(t). Ici, on remarque que le graphique présente 2 droites, une entre 0 et 10 s et l’autre entre 10 et 15s. On est donc en présence de 2 pentes, soit 2 vitesses différentes. V1 = variation de position/variation de temps = (80-0)/(10-0) = 8m.s-1 V2 = variation de position/variation de temps = (100-80)/(15-10)=4m.s-1 Vmoy = distance parcourue/temps total = (100-0)/(15-0) = 6,7m.s-1 26/04/2017

Description du mouvement Exercices d’application Exercice 2 Sur une phase de course rectiligne on a relevé la vitesse toutes les 2 secondes. Donner les caractéristiques de l'accélération du mouvement. Données numériques de la vitesse v (m.s-1) : 2 - 2,5 - 3 - 3,5 - 4 - 4,5. Donner les caractéristiques du mouvement revient à déterminer si une accélération existe, si oui, quelle est la valeur et enfin à établir si cette valeur est constante ou non. 26/04/2017

Description du mouvement Dans cet exemple, la vitesse augmente de 0,5 m.s-1 à chaque mesure. De plus, l’énoncé nous dit que les mesures ont été réalisées à intervalle régulier de 2 s, donc si on cherche à calculer l’accélération : a = variation de vitesse/variation de temps la variation de vitesse entre 2 mesures consécutives est toujours de 0,5m.s-1 la variation de temps entre 2 mesures consécutives est toujours de 2s donc a = 0,5/2 = 0,25m.s-2 et elle reste constante pendant la totalité du mouvement analysé. En conséquence, on peut dire que le mouvement est un Mouvement Rectiligne Uniformément Accéléré ou Uniformément Varié (MRUA ou MRUV). Si la vitesse avait été constante (Si v=cste, alors la variation de vitesse=0 et a=0), l’accélération aurait été nulle et dans ce cas le mouvement aurait été un Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU) 26/04/2017

Description du mouvement Représentation scalaire et vectorielle En biomécanique, nous utilisons couramment des quantités scalaires et des quantités vectorielles. Un scalaire est d’un point de vue physique un nombre. Un vecteur est défini par quatre paramètres tels que sa magnitude (intensité), sa ligne d’action, sa direction (sens) et son point d’application. Comme exemple : on distingue la rapidité (vélocité) et la vitesse : la rapidité est l’intensité du vecteur vitesse , sans tenir compte du changement de direction. 26/04/2017

Description du mouvement Les unités mécaniques La seconde (s) ; unité de temps pour mesurer des durées. Le mètre (m) ; unité de longueur pour mesurer des positions Le mètre par seconde (m/s) ; unité de vitesse pour mesurer l’accroissement de position par seconde Le mètre par seconde par seconde (m/s²) ; unité d’accélération pour mesurer l’accroissement de vitesse par seconde Le kilogramme (kg) ; unité de masse Le newton (N) ; unité de force Le joule (J) ; unité de travail et d’énergie (1 J = 1 N.m) Le watt (W) ; unité de puissance (1W = 1J/s). 26/04/2017

Lois ou principes de la mécanique Lois de Newton 1ère loi de Newton : principe fondamental de la statique Tout corps reste immobile où conserve un mouvement rectiligne uniforme aussi longtemps qu’aucune force extérieure ne vient modifier son état . 26/04/2017

Lois ou principes de la mécanique Lois de Newton 2ème loi de Newton : principe fondamental de la dynamique la dérivée de la quantité de mouvement d’un point matériel par rapport au temps est égale à la somme des forces qu’il subit. Ou Fi désigne les forces exercées sur l'objet, p = mv est la quantité de mouvement. 26/04/2017

Lois ou principes de la mécanique Lois de Newton 3ème loi de Newton : principe de l’action et de la réaction Chaque fois qu’un objet exerce une force sur un second objet, celui-ci exerce en retour une force égale mais opposée. A chaque action correspond une réaction égale mais opposée. 26/04/2017