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L3 UE51A. Optimisation de la marche et de la

course

• La marche

• La course

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Optimisation des transferts d’énergie lors de la marche

Transfert maximal d’énergie cinétique à potentiel

http://upload.wikimedia.org/wikipediahttp://iris-bleu.i.r.pic.centerblog.net/o/6cb97232.jpg

Optimisation des transferts d’énergie lors de la marche

Transfert maximal d’énergie cinétique à potentiel

• Les sujets souffrants de coxarthrose présentent une réduction de moitié de la qualité de leurs transferts d’énergie � coût énergétique 2 fois supérieur � marche pénible

• Il est possible d’améliorer l’efficacité mécanique de la marche en optimisant les transferts d’énergie

Transfert d’énergie

JE Marey. 1899. La Chronophotographie

Le père de la biomécanique

Marey, 1874

Les transferts d’énergie au galop avaient été pressentis

déjà à l’époque

Mouvements de bascules

Transfert d’énergie

2

Modèle du pendule inversé pour le pas

Le pas est associé à des transferts

d’énergie d’un type d’énergie à l’autre

JE Marey, 1899. La Chronophotographie

Modèle du pogo

stick pour le trot

Pour le trot, les énergies sont en phase, les

transferts sont impossibles, c’est la

récupération de l’énergie élastique qui prévaut ici

JE Marey, 1899. La Chronophotographie

Stockage Restitution

Modèle du double pogo stick pour le galop

Le galop est un mixte des 2 phénomènes de récupération d’énergie :1. Transfert d’énergie2. Récupération

d’énergie élastique

Srinivasan et al., 2008

JE Marey 1899. La chronophotographie

Récupération d’énergie et économie de déplacement

Timothy et al.Nature 408, 929(2000)

Chez l’hommeCavagna and Margaria 1966

Vitesse (km/h)Coû

t méc

aniq

ue (k

cal/k

g/km

)

Les transferts d’énergie sont optimums

Le coût mécanique est optimal

entre 3 et 5 km/h :

Le coût énergétique est optimal

3 et 5 km/h = vitesse spontanément sélectionnée

Les transferts d’énergie sont optimums vers 4 km/h

Les transferts d’énergie sont

optimums vers 4 km/hEnergie

potentielle

Energiecinétique

Energietotale

Cavagna and Margaria 1966Temps (s)

Ene

rgie

(cal

orie

)

3

Optimisation des transferts d’énergie

Heglund groupe Cavagna, Nature 1995

Ene

rgie

(J)

Temps (s)

La femme africaine est capable d’optimiser les

transferts d’énergie et le travail mécanique est

moindre sous la charge

Heglund groupe Cavagna, Nature 1995Masse totale / Masse corporelle

Coû

t méc

aniq

ue (

J.kg

-1.m

-1)

Réc

upér

atio

n d’

éner

gie

(%)

La femme africaine développe une stratégie de récupération d’énergie pour

s’économiser sous la charge

Économie d’énergie

Heglund groupe Cavagna, Nature 1995

La dépense énergétique est minimisée sous la charge chez

la femme africaine

Rap

port

de

l’Ene

rgie

con

som

mée

ave

c et

san

s ch

arge

Masse totale / Masse corporelle

Chez les premiers hominidés

Lucy une vraie bipède plus efficace que les grands singes

Sellers et al., 2005

Marche pattes fléchies

Elisabeth Daynès, sculptrice d'hominidés

Robot / Pendule inversé

• capable de se déplacer sur le mode d’une pendule inversé en consommant peu d’énergie

• Validation du modèle

http://www.aist.go.jp/MEL/mainlab/

« Ceci n’est pas un œuf » (Magritte)

Sutherland, 1981

« L’œuf qui roule »

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Synthèse

Donelan, équipe de Kram (2002)

Double pogo stick :

1/ de la récupération d’énergie dans la phase de pendule (inversée)

2/ de la phase d’amortissement au début du contact du pied au sol et de la poussée concomitante de la jambe opposée

Pendule inversé VS.

modèle masse ressort

1.Le pendule est optimal à faible vitesse notamment grâce à un mécanisme de transfert d’énergie

2.La course devient plus efficace à vitesse élevée grâce au stockage restitution d’énergie élastique

Pendule inversé

Masse-ressort

Les muscles extenseurs subissent de brusques étirements avant qu’ils ne se raccourcissent

JE Marey. 1899. La Chronophotographie

http://dev.europeana.eu/

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course

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Un bon timing dans l’action motrice

Augmentation amplitude oscillationEconomie d’énergiepour une amplitude donnée

Fréquence de forçage en phase avec la fréquence naturelle:

résonance

Mouvement amorti

Force externe(positive nécessaire pour maintenir le mvt)

↑ Performance

Facteur de qualité de la résonance

Plus l ’amortissement, b, est faible, meilleure est la qualité de la résonance (Q) :

En course à pied : minimiser l ’amortissement et augmenter la raideur mais attention aux contraintesmécaniques!

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(Dalleau et al., 1998)

Une grande raideur (V=18km/h) :

Raideur

Coû

t éne

rgét

ique

Ne pas confondre souplesse et raideur

La souplesse dépend de la compliance passive des complexes muscles –tendons, alors que la raideur dépend du nombre de ponts actine myosine formés

Régulation de la raideur

• La raideur est régulée à un niveau plus élevé chez les meilleurs sprinters

Chelly et Denis (2001) Chelly et Denis (2001)

L’accélération initiale étant indépendante de la raideur (pts noirs) et essentiellement liée

à la puissance de l’athlète (pts blcs)

Relation entre le coût énergétique et la qualité de la résonance :

Dalleau et al., 1998

Lorsque la régulation de la raideur est optimale, la fréquence naturelle

est en adéquation avec la fréquence d’enjambée et le coût énergétique

est optimisé.

Effet de l’entraînement et de sprints répétés

35 m, récup 30s

Clark, 2010

Travail excentrique

Stabilité des articulations

Raideur

Travail élastique

Performance

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Entraînement en endurance

1. L’endurance augmente la raideur des membres inf

2. Le genou et la cheville encaissent les plus grands moments de force

3. Le genou et la hanche absorbent le plus d’énergie (amortissement)

Hobara et al., 2010

Synthèse

Le stockage - restitution d’énergie élastiquepermet d’améliorer :

– la performance du muscle car la puissance estfournie aussi par les éléments élastiques

– Moins d’énergie nécessaire pour courir à unevitesse donnée ; les éléments élastiqueseffectuent une partie du travail. L’économie de déplacement est optimisée

Réponse mécanique : Sprint vs.Course de fond

• Dans le sprint, délai électro-mécanique de 50 ms => potentiation de la contraction dans la phase de poussée

• Dans la couse de fond, délai de 50 ms relativement court par rapport à la phase de freinage (100 à 180 ms), => augmentation de la raideur dans la phase excentrique

Sport et vie

Noir, k surf=533 kN/mHachuré, k surf=21 kN/m

Simulation: distorsion

Une régulation de la raideur est nécessaire

Ferris et al., 1999

L’homme, comme l’animal, s’adapte remarquablement bien à un environnement instable. Grâce à quels

ajustements?

Facteur essentiel de contrôle : la raideur

L’athlète s’organise en ajustant la raideur : augmentation compensatoire sur terrain meuble afin de maintenir des forces de réaction au sol a peu près constantes

Ferris et al., 1999

Surface meuble dure

Surface dure

Surface Meuble

Variabilité des forces de réactions au sol après réparation du ligament croisé antérieur

Hackeney et al., 2010

∆For

ce d

e ré

actio

n au

sol

(N

/kg)

Chaussures avec semelles molles ajoutées

Difficulté à maintenir stables les forces de

réaction au sol en raison d’une absence

d’ajustement des fonctions

d’amortissement et de raideur

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Franchissement d’une marche

La raideur est diminuée de telle sorte que la

trajectoire du centre de masse soit la moins

possible perturbée Muller et al., 2010