26/11/2019

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Claude HERTOGH, MCUUFR STAPS

Université Antilles

L3 E&M12hCM + 8hTD

Cf. www.univ-ag.fr/uag/staps

M à j. sept 18

BIOMÉCANIQUE 1

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A / DEFINITION

BiologieAnatomie descriptive

Anatomie fonctionnellePhysiologie

MécaniqueMath / physiqueGéométrie

CinématiqueDynamiqueRhéologie

Nouveau regard sur le corps humain… 2

A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux

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• Explorer des propriétés mécaniques des organismes vivant - Analyser les principes

d'ingénerie faisant fonctionner les systèmes biologiques c'est à dire :

Etudier le corps humain et ses fonctions avec l'œil de l'ingénieur

Nouveau regard …≠ anatomie B/ Histoire de la Biomécanique

D'après son objet, la biomécanique est une mécanique appliquée, ses méthodes de recherche sont dérivées de celles de la mécanique. Mais elle ne s'est pas développée dans le sein de la mécanique. Elle est le produit d'autres disciplines sci :

• anatomie, physiologie, sci. du sport, ergonomie…

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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux

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B1/ Qq. dates

• Léonard DE VINCI (1452-1519) s'est intéressé aux mvtsdu corps sous l'angle des lois de la mécanique

• 17e s - BORELLI, médecin et mathématicien italien, fut le 1ier qui détermina expérimentalt la position c de g (loi de borelli chez Kiné)

• En Allemagne, W. et E. WEBER (physiologistes) : étude expérimentale de la marche "Une mécanique de l'appareil humain de la marche" 1836. Théorie d'un mvt pendulaire pur qui fut réfutée par la suite

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Qq. dates (suite)• MAREY mérite notre attention.

Dès 1880, mise au point la chrono-cyclo-photographe et un générateur dynamographique à base pneumatique (Cf. précurseurs)

• début XXe s, DRAUNE et FISCHER étudient la marche. Nouvelle méthode de détermination du c de g.

• En // en URSS, mise au point grand nombre de dynamographes spéciaux destinés à des mesures biologiques sportives (ABALAKOV, test de détente)

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B2/ Les précurseurs

Etienne-Jules Marey & Georges Demenÿ

1ers à avoir une démarche scientifique

Demeny (assistant de Marey) = grand oubliédes inventeurs cinéma. Passionné de sport,

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EJ Marey

Étienne-Jules Marey (1830-1904) physiologiste Fr, considéré a son époque comme un touche-à-tout

atypique = pionnier de la photographie et précurseur du cinéma

8de la photo au mouvement…

En 100 ans..

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Les précurseurs1ière Approche dynamique & cinématique

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Générateur dynamographique à base pneumatique

Chronophotographie

MOUVEMENT conséquence des forces

FORCE cause du mouvement

Trajectoireparabolique Vo et angle

d'envol

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2 époques importantes

1. Révolution indus. ( XIXes ) : physiologie du travail et l'industrie = ERGONOMIE

• Ford : W à la chaîne• Réflexion sur "postes

de travail" qui deviennent + répétitifs

• Amélioration des postes de W / Efficacité de production

Qq. dates (suite)

Qq. dates (suite)

2. Rénovation des Jeux Olympiques : Sport / Politique

Résultats aux JO / représentation de la Nation

ä intérêt de l'amélioration de la technique sportive =

utilisation rationnelle des lois mécaniques appliquées aux APS

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2 époques importantes

C/ ObjectifsTraite des principes de construction du

corps et relations structures / fonctions

• Comprendre les lois de la mécanique etformuler les principes biomécaniquessous-jacents au mouvement

• Identifier facteurs physiologiques qui influencent les fonctions motrices et facteurs limitant

• Améliorer les fonctions motrices, à tous les niveaux, les performances accomplies par ces fonctions

3 orientations

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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux

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D/ Méthodologie

• Techniques de mesures, acquisition et traitement des données =

Biomécanique instrumentale

On définit les moyens suivants

• Théorie & procédures de modélisation : modélisation, simulation, optimisation =Biomécanique théorique

Vidéo..13

A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux

D1/ Biomécanique théorique

La complexité des systèmes réels nous contraint le + souvent à les simplifier afin d’être en mesure de répondre aux questions et aux problèmes qu’ils

soulèvent

Pour cela, on substitue au système réel une représentation physique plus simple que l’on

appelle modèle

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D1/ Notion de modèle

• Modèle empirico statistique : identifier et évaluer les paramètres biomécaniques qui influencent la performance, • basé sur données (cinématiques, cinétiques,

anthropométriques) • et utilisant les statistiques à déterminer

relations entre paramètres choisis et performance (ex. diam cuisse et détente)

D1/ Notion de modèle

• Modèle théorique : Basé sur les connaissances théoriques des structures et fonctions mécaniques du corps humain • modèle simple : corps = CdeG,• modèle mécanique, • modèle musculo-mécanique, • modèle neuro-musculo-squelettique

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D2/ Biomécanique instrumentaleMarey Précurseur &Machine à marcher

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D2/ Biomécanique instrumentaleMéthodes de mesure & traitement des données

= base de tout W sci

1/ Cinésiologie : étude du mvt par ¹ dispositifs • appareils de prise de vues, caméras cinématographiques à vitesse

normale ou élevée, les caméras vidéo, les goniomètres...

• Goniomètres (mesure d'angles entre 2 segments)

• Accéléromètres (Cf. capteurs de force)

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• Prise de vue : de 12 à 4000 images/s à pellicule, VHS, 8mm… numérique

(cout en baisse, utilisation + facile)

• Systèmes optoélectroniquesà Capture du Mvt - données spatio-temporelles en 2 ou 3D

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Capture du mouvement(motion capture en anglais)

de MAREY...

… à aujourd'hui

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Capture du mouvement

…

• Nouvelles méthodes non invasivesscanner, IRM à reconstructions 3D des structures internes

• Spectro-RMN (mesure densité H+ ds l'organisme) :évaluer en temps réel le pH sans prélèvement (promise à un bel avenir ex. en physio. : lactate….)

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2/ Anthropométrie

3/ Électromyographie = entrée neurale du muscle = indicateur indirect de la tension ou de la force musculaire. EMG = paramètre de contrôle de 1ière

importance pour la modélisation du système neuro-musculo-squelettique dynamique (HATZE, 1981)

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4/ Analyse dynamique du mvtLes Mesure des forces

• Les systèmes matriciels de mesure des pressions dans les contacts = dispositifs constitués d'un grd nbrede capteurs de pression disposés sous forme matricielle (éventuellement disposés à l'intérieur d'une chaussure) (Cf. film)

• Les plates-formes à 6 composantes(3F & 3M). Mesure des forces et moments de forces appliqués sur son plateau supérieur

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Plate-forme de forces2 structures rigides indéformables (A & B) reliées

par des capteurs de forces (C)

• La structure inf encastrée tient lieu de cadre rigide (B)• Le plateau (A) sert de support aux appuis. Il restitue

intégralement et sans retard les forces aux capteurs (C), éléments essentiels des plates-formes de forces

Plate-forme de forces. A, le plateau; B, le cadre et C

les capteurs

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Éléments de RDM

Fcontrainte

Poutreencastrée

DEFORMATION

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Éléments de RDM

Poutreencastrée

Fcontrainte

Fibre neutre

craquement

plissement

DEFORMATION

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Éléments de RDM

Poutreencastrée Lg fibre >

Lg Fibre <

DEFORMATION

Fibre de même lg

Jauge decontrainte

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Les capteursGENERALITES Capteur = instrument destiné à transformer une grandeur physique en une grandeur électrique, en vue d'une mesure ou d'une régulation. Grdes qualités (précision, fidélité) et souplesse d'emploi

PRINCIPESPrincipes dérivent des ≠ phénomènes connus de l'électricité (Effets photoélectriques, Piézo-élec., Magnéto-électricité, Inductance mutuelle...)

Capteur = Dispositif mécanique qui, sous l'influence du phénomène à étudier, subit des déformations. Le corps d'épreuve soumis à la mesurande étudiée F à 1ière traduction en une grandeur physique que la jauge d'extensomètrie traduit en grandeur électrique (ASCH G, 1982)

Jauge d'extensomètrie (de contrainte) : théorie = fil subit mêmes déformations que tendu par ses extrémités. Résistance R est proportionnelle à sa longueur / section (l/s):

R = r.l/s r = résistivité29

Capteurs : principes de fonctionnemt

Dispositifs provoque déformation du corps d'épreuve. Ex : F exercée sur barre qui entraîne une déformation DL/L mesurable par variation DR/R de la résistance de la jauge

Connaissant :Relation entre F exercée & déformation du corps d'épreuve

et Relation entre déformation du corps d'épreuve et variation

électrique

On peut connaitre Relation entre F exercée et signal électrique recueilliLe signal obtenu est donc lié à la grandeur physique

recherchéeOn peut ajouter ou retrancher les effets séparés de jauges. (Eliminés phénomènes parasites)30

Éléments de RDM

Pout

re e

ncas

trée

SENS FORCE

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SENS FORCE

SENS FORCE

Avec plusieurs jauges de contrainte on peut trouver la direction et le sens de la contrainte de force …?

Éléments de RDM

32

Une plate-forme de forces peut enregistrer les contraintes (des Forces) dans les 3 directions de l'espace (en X,

Y et Z) et des moments de forces autours de ces 3 directions à on parle

de plateforme de forces a 6 composantes

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Mesure d’efforts extérieurs

Effort d'impulsion

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7

(s)

(N)

Application des capteurs à la mesure de la puissance mécanique explosive P=FV (Panaémax)

et

donc

et

Acc = dérivée vitvit =intégration de acc

Force = masse x accélération NEWTON

accélération = dérivée de la vitesse

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Capteurs (suite RDM)

Attention : si déformations trop importantes et/ou trop permanentes àrisquent d'altérer performance du capteurà déformations non linéaires "phénomène de fluage"

Définition : limite élastique…

Capteurs (suite RDM)Vrai aussi pour muscles, tendons…

Contraintede F

Allongement L

Rupture

0

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Non linéaire

DL

b) phase plastique

b

linéa

ire

a

a) phase élastique

Relation entre contrainte et déformation d'un objet

En biomécanique on ne travaille qu'à 1/100 de la limite élastique pour éviter le fluage

Lim

ite é

last

ique

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Accéléromètres

Utilisent les caractéristiques des capteurs de forces et des jauges de contrainte

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Déformation due à la gravité et à

l'inertie de la sphère

déplacement

E/ ENJEUX de la Biomécanique : Transferer les résultats

biomécaniques fondamentaux vers la pratique, l'entraînement...

Nécessite attention particulière – à la transmission des résultats aux sujets et à l'équipe praticien (entraîneur)– à la fiabilité des mesures p/r paramètres de performance

Condition préalable= Collaboration biomécanicien / praticien

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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux