Biomeca Pied
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Etude biomécanique de la course à pied. Analyse détaillée des différentes étapes lors de la mise en place des contraintes mécaniques du mouvement. Intérêt dans la pathologie du coureur et les indications du traitement.
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tude biomcanique de la course piedF. Leboeuf, F. Achard de Leluardire, P. Lacouture, J. Duboy, F. Leplanquais, A. JunquaLtude biomcanique de la course pied fait toujours lobjet de nombreux travaux de recherche ; ces derniers, pour tre performants supposent lutilisation doutils techniques dobservation et de mesures de plus en plus perfectionns. Le mouvement est alors valu suivant les trois axes de lespace laide de plateaux techniques qui regroupent des systmes danalyse dimages pour la capture du mouvement, synchroniss des plates-formes de forces pour la mesure des efforts de contact ; ces dispositifs exprimentaux, associs aux lois de la dynamique des systmes multicorps, permettent dtudier, qualitativement et quantitativement, la gestuelle ralise par le sportif expertis dans son intgralit. Lapplication des modles dynamiques, et plus particulirement de la dmarche dite en dynamique inverse, offre par exemple la possibilit daccder des grandeurs non mesurables comme les efforts actionneurs articulaires. Ces derniers retent lactivit rsultante des muscles actionneurs du mouvement interprte comme une vritable signature du geste ralis par lathlte. En cela, ils valident et compltent les noncs techniques des entraneurs. Par ailleurs, la connaissance de ces efforts conduit tablir deux bilans nergtiques distincts, et en particulier celui qui rete au mieux le cot nergtique mcanique impos par le mouvement. La correspondance de ce bilan nergtique avec celui tabli par les approches physiologiques est un sujet de recherche trs vivant qui proccupe bon nombre de chercheurs. Ces travaux trouvent leur prolongement dans lamlioration des modles musculaires, qui constituent aussi un thme actuel de recherche. Dans un tout autre domaine, ltude biomcanique de la course pied contribue la mise au point des chaussures de course pied et llaboration de matriels sportifs tels que les sols. 2006 Elsevier SAS. Tous droits rservs.
Mots cls : Course ; Quantit de mouvement ; Moment cintique ; nergie mcanique ; Travaux des forces internes ; Chaussures et sols sportifs
Plan Introduction Rappel historique Appareils modernes de mesure et danalyse tude descriptive du mcanisme de la course Caractrisation dun cycle et dune foule Reprsentations par kinogrammes et trajectographie Activit des muscles actionneurs tude mcanique du dsquilibre permanent et contrl caractrisant la course tude des paramtres mcaniques de rotation lors dune course Chaque approche a ses propres qualits tat actuel de lvaluation de la dpense nergtique Modlisation multisegmentaire dun coureur Calcul du travail interne par lapproche globale Calcul du travail interne par lapproche locale Illustration des diffrents bilans nergtiques Vers un rapprochement des cots nergtique, mcanique et physiologique ?Podologie
1 2 2 3 3 4 4 4 7 7 8 9 10 11 11 11
propos de lvolution technique des chaussures et des sols sportifs Quelques aspects biomcaniques de linteraction pied-sol Conclusion
12 12 15
IntroductionLa course constitue pour lhomme le moyen le plus rapide pour se dplacer par une succession de foules bondissantes partir dappuis pdestres effectus alternativement sur chaque pied. Elle est caractrise, contrairement la marche, par une projection arienne du corps en translation, conscutive chacune des phases dappui unipodal, et ne comporte donc pas de phase de double appui. Malgr son caractre minemment naturel, ce type de dplacement fait toujours lobjet de nombreux travaux de recherche ncessitant des techniques dobservation et de mesure de plus en plus perfectionnes. La course reste dautre part un enjeu scientifique dans les trois aspects suivants : la coordination gestuelle quelle impose, loptimisa-
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A12 11 10
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C
13 12 11 10 9
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7
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BFigure 1. Appareillage dynamographique et graphique issu dune analyse chronophotographique. A. Plate-forme dynamographique. B. Inscription chronophotographique du mouvement. C, D. Semelles exploratrices de la pression.
Dtion de la dpense nergtique occasionne et trs rcemment les problmes de traumatologie lis une pratique intensive sportive et de loisirs. linscription chronophotographique du mouvement (Fig. 1B) permettant la dcomposition temporelle puis la mesure scientifique du mouvement. Le premier appareil tait dailleurs complt par des semelles exploratrices de la pression quipant les chaussures et donnant la dure de lappui du pied et la dure relative de lappui du talon et de la pointe (Fig. 1C, D).
Rappel historiqueLes premires reprsentations de la locomotion de lhomme et des animaux datent de la nuit des temps ainsi quen tmoignent certaines peintures rupestres et, plus prs de nous, les reprsentations des jeux du stade figurant sur des fresques ou des vases grecs ou trusques datant denviron 500 300 ans avant J.-C. Ce furent ensuite les reproductions des artistes du Moyen ge tels que Lonard de Vinci (1452-1519). Plus prs de nous, entre les annes 1880 et 1905, une vritable tude scientifique et exprimentale des mouvements du corps humain et en particulier de la course, fut ralise de faon extrmement complte par le physiologiste Etienne Jules Marey [1] et son collaborateur Georges Demeny. [2, 3] Ce sont eux qui les premiers mirent au point les deux outils de mesure et dobjectivation que furent, et sont toujours, sous une forme moderne, la plate-forme dynamographique (Fig. 1A) traduisant lintensit de la pression des pieds sur le sol et
Appareils modernes de mesure et danalyseEn ce qui concerne les appareils modernes de mesure dynamographique, nous donnerons lexemple de la plate-forme Kistler (Fig. 2) dont les caractristiques techniques sont dsormais classiques. Ce type de plate-forme se prsente sous la forme dun socle dacier denviron 80 mm dpaisseur lintrieur duquel sont insrs aux quatre coins, quatre capteurs pizolectriques triaxiaux relis un calculateur. La dformation mcanique par pression sur la plate-forme fournit une quantit dlectricit de quelques coulombs, qui, tout dabord traduite en diffrence de potentiel puis amplifie, est finalement convertie en valeurs numriques par un convertisseur analogique numrique, valeurs ensuite fournies unPodologie
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X FFx 4 Fy 4 Fz 4 a 3 b
4 a z
ay 1 O I 2 Y
ax
Z
Figure 2.
Schma dune plate-forme de force Kistler.
calculateur qui traitera ces donnes pour obtenir, in fine, la mesure de huit paramtres mcaniques ; il est alors possible dtudier le phnomne de course tant en translation quen rotation. Ces huit paramtres mesurs par multiplexage des frquences denviron 5 000 Hz sont les suivants : les trois composantes de la force (F) daction sur la plateforme, Fx, Fy, Fz ; les trois composantes du moment (M) de cette force, Mx, My, Mz ; les deux coordonnes horizontales ax et ay du centre de pression du pied sur la plate-forme (la troisime coordonne, verticale, az tant donne par construction). Les calculs dcoulant de la mesure de ces huit paramtres, tant en translation quen rotation, sont les suivants : partir de la rsultante des forces externes F, value par la mesure de la force daction sur la plate-forme, calcul de la variation de vitesse du centre de masse du systme tudi, DVG entre deux instants tinitial et tfinal ainsi que sa variation de dplacement DHG entre ces deux instants. partir de la mesure du moment rsultant des forces externes MG, calcul du moment cintique ou quantit de rotation globale LG du systme polyarticul constitu par lathlte. Le deuxime type dappareils concerne les systmes danalyse cinmatographique permettant de fournir des donnes numriques de positions partir des images : ce sont les systmes danalyse dimages en trois dimensions (3D) qui daprs Durey [4]: sont des systmes qui ralisent la prise de vue, le reprage des points et la mise en mmoire en temps rel. Ils sont moins adapts aux prises de vues en situation relle car ils sont lourds mettre en uvre et lorsquils utilisent la vido ne peuvent oprer que dans une certaine pnombre. Ils sont plus adapts aux investigations scientifiques quaux interventions sur le terrain. Par ailleurs, ils sont tous destins faire de lanalyse 3D. Cette technique suppose que chaque point du corps analys soit vu par au moins deux camras. Ce systme impose galement de travailler avec des cibles lumineuses fixes sur le corps
.1
.2
de lathlte car lanalyse automatique passe par une analyse du contraste des cibles par rapport au fond. En gnral pour augmenter ce contraste et ne pas tre trop gn par la lumire ambiante, la prise de vue se fait avec des camras infrarouges (IR) entoures de projecteurs IR. Les rflecteurs cibles sont alors vus par la camra IR, ils apparaissent blancs sur un fond quasiment noir. Le principe du marqueur passif (rflecteur IR) est utilis par la plupart des systmes existants (Saga, Elite, Vicon, Ariel). La prise de vue est suivie dun prtraitement de limage qui dtecte les cibles et leur position et qui ne mmorise que cela. Il ny a donc pas de mmorisation de limage dans son entier, ce qui limitait la frquence dacquisition du systme prcdent (magntoscope...). Ces systmes actuels ont des frquences qui ne dpassent pas 100 Hz, soit 10 ms entre deux prises de vues... . Aujourdhui, ces systmes IR peuvent enregistrer des prises de vues de plus de 1 million de pixels (contre 300 000 il y a 5 ans) la vitesse de 500 images par seconde. Mais, ils sont surtout srieusement concurrencs par les systmes vidographiques qui, grce aux nouvelles technologies numriques et aux nouveaux procds de transfert de donnes, atteignent les mmes performances tout en gardant les images en mmoire. Malheureusement, lanalyse ne se fait toujours pas en temps rel, elle ncessite mme un post-traitement relativement long. Ces systmes sont diffrents des outils danalyse vido que lon voit apparatre un peu partout et dont le plus connu est Dart-Trainer. Ce dernier propose de mesurer des angles intersegmentaires ou des distances partir dune seule prise de vue (2D), estime perpendiculaire au plan dans lequel est ralis le mouvement. La prcision des rsultats est alors trs critiquable car influence notamment par le placement de la camra. Ils ont surtout lavantage de permettre la superposition de squences vidos, procd trs recherch par les entraneurs.
tude descriptive du mcanisme de la courseLes appareillages danalyse dimage modernes trouvent ici une application clinique directe de leurs fonctions essentielles tant pour le milieu mdical que pour celui de lentranement sportif.
Caractrisation dun cycle et dune foule(Fig. 3A, B) La course allure rgulire peut tre caractrise par un cycle de jambes qui se rpte lidentique et est dfini par lintervalle de temps et despace sparant deux positions successives identiques tel que linstant de pose dun pied jusquau pos suivant de ce mme pied. Le cycle est donc caractris par sa longueur et sa dure et peut tre lui-mme dcompos en deux foules symtriques droite et gauche correspondant au passage de lappui dun pied sur lautre. Ainsi, la foule peut tre dfinie par la mesure sur le sol de la distance entre deux appuis successifs.
A BFigure 3. A. Kinogrammes dun cycle de course. B. Kinogrammes de chacune des deux foules.Podologie
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Tableau 1. Amplitude de la foule et du cycle de course.Noms Sangouma Quenherv Dias Laromanire Perrot Richard Foule gauchedroit en m 2,27 2,15 2,11 2,08 2,16 1,96 Foule droitgauche 2,27 2,15 2,08 1,99 2,24 1,99 Cycle en m 4,54 4,30 4,19 4,07 4,40 3,95
Tableau 3. Valeurs moyennes des caractristiques mcaniques de la foule pour cinq vitesses de dplacement.Vitesse (m s-1) 3,15 Largeur de la poulie (m) cart type (m) Coefficient de variation (%) Longueur de poulie/taille Longueur de poulie/taille de la jambe Dure dune enjambe (s) cart type (s) Coefficient de variation (%) Frquence de pas (Hz) cart type 2,27 0,13 5,7 1,26 2,36 3,35 2,39 0,14 5,9 1,33 2,48 3,57 2,53 0,15 5,9 1,41 2,64 3,83 2,68 0,15 5,6 1,49 2,79 4,12 2,85 0,16 5,6 1,59 2,97
0,723 0,716 0,710 0,703 0,694 0,043 0,042 0,042 0,042 0,041 6,0 1,38 0,08 5,9 1,40 0,08 5,9 1,41 0,08 6,0 1,42 0,09 5,9 1,44 0,09
La foule peut varier en amplitude (longueur) et en frquence (rptition) selon les allures de course et les caractristiques morphologiques des coureurs. Le Tableau 1(emprunt A. Durey), [4] montre les amplitudes compares des foules gauche et droite. La foule peut galement tre caractrise par le temps de contact correspondant au temps dappui sur un pied ainsi que par la dure de lenvol. titre dexemple, on peut prciser que le temps de contact dans une course de 800 m est peu prs gal au temps denvol pour tous les niveaux de comptition, mais chez les athltes nationaux ce temps de contact se ramne 47 % de la dure du cycle total, ce qui techniquement transforme lpreuve en un sprint long dans cette partie de la course [4] (Tableaux 2,3).
arrire ; ils sont sujets de frquentes blessures aux ischiojambiers car plus ils acclrent, plus les pieds montent en arrire. Par contre, les coureurs de demi-fond qui possdent un bon finish ont la facult de ne pas passer en cycle arrire dans la dernire ligne droite . Nous allons prsenter maintenant les bases dune tude que nous appellerons mcanique car elle fait bien appel aux lois de la mcanique, science des mouvements des objets et des causes de ces mouvements.
Reprsentations par kinogrammes et trajectographie (Fig. 4, 5)Les kinogrammes font apparatre les diffrentes attitudes corporelles et les positions des diffrents segments au cours des phases successives du cycle de course. Le suivi, image par image des marqueurs conduit alors la reconstitution de la trajectoire parcourue par les extrmits des segments mais aussi par leurs centres de masse dont la position est dtermine par calcul laide de tables anthropomtriques [5] indispensables ds que lon veut effectuer des calculs cinmatiques. Ainsi, le suivi de laxe de la cheville, axe des malloles tibiopronires, ou du centre de masse du pied tout au long du cycle de jambes, peut tre reconstitu sous la forme dun diagramme appel poulaine (Fig. 6) dont la forme est caractristique et personnalise la gestuelle de chaque coureur ; une comparaison entre les athltes en fonction de leur spcialit est alors possible ; elle met en vidence le type de cycle adopt, savoir, cycle antrieur ou cycle postrieur , comme le montre le diagramme (Fig. 6), emprunt J. Piasenta. [6] Ce mme J. Piasenta, entraneur rput dathltisme, sest pos la question : quel type de cycle de jambes privilgier ? Il constate que la grande majorit des jeunes dbutants courent en cycle postrieur, les sauteurs en longueur, dans leurs foules dapproche courent en cycle antrieur. Les grands sprinters modernes sont des adeptes du cycle antrieur (plus efficace) mais avec la fatigue, en fin de course, le sprinter voit son cycle de jambes se dformer pour tre de plus en plus postrieur. Malgr cela certains grands sprinters obtiennent des rsultats au plus haut niveau en courant en cycle
Activit des muscles actionneurs[7]
(Fig. 7, 8, 9)
.3
.4
Cavanag a repris un rsum des travaux raliss sur lactivit musculaire par lectromyographie (EMG) de surface, pour une vitesse de course moyenne autour de 3,8 m/s pour lensemble des auteurs cits ; les rsultats sont normaliss dans le temps pour un cycle complet : une phase dappui suivie de la phase arienne pendulaire. La Figure 8 montre la squence temporelle des activits des muscles agissant lors dune course, au niveau de larticulation du genou et la Figure 7 indique lamplitude de lactivit lectromyographique durant la phase dappui de la course. Il est vident que lamplitude du signal EMG ne reflte pas la force exerce par le coureur sur le sol laide de sa jambe dappui, mais simplement lintensit de lactivit musculaire.
tude mcanique du dsquilibre permanent et contrl caractrisant la courseLa course, comme tout dplacement du corps humain est une succession de dsquilibres matriss, rattraps, permettant dviter la chute. Ce dsquilibre, appel aussi quilibre dynamique , est la consquence de laction des diffrentes forces extrieures (Fig. 10) qui agissent sur le coureur et qui sont principalement son poids et la force de raction du sol R si on
Tableau 2. Comparaison des caractristiques des foules sur diffrentes distances de course.Distance (m) 100 400 800 1500 5000 10 000 Marathon Temps 9,9 s 43,8 s 1 min 43,4 s 3 min 32,2 s 13 min 12,9 s 27 min 30,5 s 2 h 8 min 33,6 s Vitesse (m s-1) 10,10 9,10 7,72 7,07 6,31 6,06 5,44 Amplitude (m) 2,25 2,20 2,10 2,00 1,80 1,75 1,60 Frquence (Hz) 4,40 4,13 3,67 3,53 3,50 3,46 3,47 Nombre de foules 44,4 181,8 380,9 750 2777,7 5714,2 26371,8
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Podologie
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Figure 4. A. Kinogramme photo. B. Kinogrammes styliss.
BFigure 5. Exemple de trajectographie 3D sur tapis roulant (systme Biogesta SAGA 3).
Figure 6.
Poulaine caractrisant le cycle de jambe.
nglige en premire approximation la force de pntration dans lair. Il est noter que la force de raction du sol soppose chaque instant la force daction F de lathlte sur le sol, soit : R=F. Conscients de ce problme fondamental, les biomcaniciens utilisent prfrentiellement lautre approche, cinmatique celleci, partir danalyses 3D. On peut parler de complmentarit entre lapproche dynamique sur plate-forme de forces et lapproche cinmatique en observant lapplication faite de la 2e loi de Newton, dans les deux cas. Le CG global dont la position par rapport lorigine dun repre fixe (ou mieux inertiel) nest que le barycentre des diffrents CGi des segments utiliss dans le modle reprsentatif tel qu un instant t quelconque on peut crire : MOG =14DA
VI
VE
Rfrences Mann et Hagy, 1980 a
.5
BC
Mann et Hagy, 1980 b Nilson et al, 1985 Brandell, 1973 Schwab et al, 1983 Macintyre et al, 1987
SM/ST
0 PP
10
.6
20 Ap
30
40 DP
50
60
70 Osc
80
90
100 PP
miOGi
i=1
Figure 7. Squence des activits musculaires au niveau de larticulation du genou lors de la course. PP : pose du pied ; DP : dcollage du pied ; Ap : appui ; Osc : oscillation, balanc ; DA : droit antrieur ; VI : vaste interne ; VE : vaste externe ; SM/ST : semi-membraneux/semi-tendineux ; BC : biceps crural.
Podologie
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Points essentiels
-40
0
40
80
120
160
200
240
Temps (ms)
Figure 8. Amplitude de lactivit lectromyographique (EMG) lors de la phase dappui de la course. Lintensit de lombre indique laugmentation relative de lactivit.
1 1 2 7 2 9 10 5 11 16 12 17 9 12 13 10 13 15 14 1 1 8
Figure 9. Modle mcanique du corps humain.
3 3 4 5 6
6
8 7
20 14
18 19
M est la masse totale et mi la masse de chacun des 14 segments ou celle de chacun des 5 membres (vidos) du modle utilis. Une premire drivation conduit : dOG dt14
M
=i=1 14 i=1
mi
dOGi dt
,
ou encore,
MmG=
mimGi
.7
.8
La quantit de mouvement globale au CG, MmG, nest que la , apportes par les consquence des diffrentes contributions mivGi segments mis en mouvement par des forces internes au corps de lathlte sous laction des muscles ; ces muscles sont appels, juste raison, les actionneurs du mouvement. Lamplitude instantane de MVG, dans sa composante antropostrieure est bien le rsultat dune synergie personnalise pour chaque athlte. Il nous faut lever une ambigut qui consiste dire que cest la somme des forces R+P qui cre le mouvement. En fait, une deuxime drivation conduit crire :2 d OG 14 2 d OGi
Cest limpulsion de ces forces extrieures en translation (quantit de mouvement), et limpulsion de leur moment pour ce qui concerne la rotation (quantit de rotation ou moment cintique) qui permettent dexpliquer la gestion du dsquilibre caractrisant ce mode de dplacement. tude en translation des paramtres mcaniques de la course. [8] Deux pralables : le corps du coureur doit tout dabord tre dni comme un systme mcanique articul, tant du point de vue des longueurs segmentaires que des masses segmentaires, si on utilise lapproche cinmatographique (Fig. 9) ; [8] un bilan des forces extrieures et leurs mesures, en particulier celle de la force de raction sont indispensables pour lapproche dynamographique. Complmentarit des deux approches Le but est de calculer la vitesse et le dplacement du centre de gravit (CG) du corps du coureur. Limpulsion des forces extrieures durant la phase dappui rend compte de la variation de vitesse correspondant lallure recherche par le coureur. Classiquement cette variation de vitesse correspond chaque instant laire emprisonne entre la courbe de la force de raction Rz et le poids W pour la vitesse verticale, entre la courbe de la force de raction Rx et laxe pour la vitesse horizontale (encore faut-il connatre la vitesse linstant initial du calcul). Le mme principe de calcul (aires comprises cette fois entre la courbe de chaque composante de la vitesse et laxe des abscisses) donne accs au dplacement du CG en fonction du temps, au cours de la phase dappui comme pendant la phase arienne, phase o le corps nest soumis qu son propre poids W. Les reprsentations graphiques suivantes (Fig. 11) montrent la liation entre les courbes de force, vitesse et dplacement verticaux et horizontaux du CG, pendant les phases dappui et denvol lors dun cycle de course (Fig. 11, 12). En rsum, une tude du pas de course sur plate-forme de force ne rend compte que de lacclration du CG puis (aprs une premire intgration), de la vitesse du CG (encore faut-il connatre, rappelons-le, cette vitesse du CG lentre sur la plate-forme), puis du dplacement du CG (ici encore la position initiale est indispensable). Une plateforme ne peut rendre compte elle seule, contrairement aux ides reues, de la coordination gestuelle, cest--dire de lapport individuel de chaque segment de masse du systme articul.
M.9
dt
2
=i=1
mi
dt
2
.10
La synergie personnalise des acclrations segmentaires cre chaque instant lacclration totale rsultante, mais, 2 2 Md OG dt =R+P, selon la deuxime loi de Newton.
Ce sont donc les quantits dacclration segmentaires qui crent la force de raction R qui permet le dplacement de lindividu et non le contraire ! Les Figures 12A et B [8] illustrent le dplacement du CG, consquence de celui des diffrents CGi des segments selon les axes X transverse et Y vertical. En rsum, une analyse cinmatique 3D conduit quantifier la relation qui existe entre lactivit segmentaire des diffrentes parties du corps et lvolution du CG en mettant bien en vidence la gestion de la quantit de mouvement segmentaire ainsi que limportance de la coordination gestuelle et le rle jou par les parties du corps apparemment non concernes par laction en cours (segments appels segments libres). Cette dmarche est fondamentale si lon veut comprendre un peu mieux lquilibre dynamique de la course.Podologie
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tude biomcanique de la course pied 27-020-A-20
Figure 10. Bilan des forces extrieures (les forces arodynamiques sont ngliges).
de rotation calcule dans le repre li au CG du corps et rsultant dun produit vectoriel (rKm V ). Comme prcdemment pour la translation, le moment cintique global calcul au CG est gal la somme des moments cintiques segmentaires, calculs eux aussi au CG, soit :14 i Gi
LG =Rzi=1
LGi
W
Ry Rx
tude des paramtres mcaniques de rotation lors dune courseLa Figure 13 permet dillustrer lalgorithme de calcul de la quantit de rotation (ou moment angulaire, ou encore moment cintique) de chaque segment du corps calcul par rapport au centre de masse global du corps ; nous considrons dans ce cas lapproche cinmatographique des calculs. Lexpression du moment cintique de chaque segment fait apparatre une quantit de rotation locale (Ix) et une quantit
La Figure 14 due Hinrichs [8] illustre bien la variation des moments cintiques partiels alors que le moment cintique global fluctue autour dune valeur nulle, limitant de ce fait les effets pervers des dsquilibres de rotation segmentaires. Remarque importante : comme dans le cas de la translation, la plate-forme savre un instrument de mesure assez insuffisant car il ne peut rendre compte que de la variation globale du moment cintique, DLG partir du calcul du moment de la force de raction, condition de connatre LG linstant initial des calculs. On a souvent oppos une littrature empirique, celle des entraneurs sportifs par exemple, base sur la description du phnomne global de la course et donc sur lobservation, avec une littrature plus scientifique, base sur la mesure de paramtres et ladoption de concepts de cette discipline spcifique de ltude du mouvement : la mcanique.
Chaque approche a ses propres qualitsLes entraneurs doivent ragir sur-le-champ partir de relations simples de cause effet qui ont prouv leur efficacit. La seconde approche, celle des biomcaniciens vient complter a posteriori et confirmer le plus souvent le bien-fond de telles observations ; de plus, elle apporte des lments tangiblesFigure 11. Variations en fonction du temps lors dun appui dans la course, des composantes:
Rz et Ry de la force de raction au sol. Vz et Vy de la vitesse du CG. Hz et Hy du dplacement du CG.
Podologie
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Composante relative selon l'axe transverse X du centre de masse (m) 0,02
Composante relative selon l'axe longitudinal Y du centre de masse (m) 1,545
0,01
Bras
1,540
0,00 Corps -0,01
1,535
Bras
1,530 Corps sans bras Corps 1,525 Corps sans bras
Figure 12. A. Contribution de la masse des bras au dplacement transverse du centre de masse global du corps. B. Contribution de la masse des bras au dplacement longitudinal du centre de masse global du corps. PPG : pose du pied gauche ; DPG : dcollage du pied gauche (les orteils du pied gauche quittent le sol) ; PPD : pose du pied droit ; DPD : dcollage du pied droit (les orteils du pied droit quittent le sol).
-0,02
-0,03
1,520
-0,04 0 20 40 60 80 100
1,515 0 20 40 60 80 100
Temps (% cycle)
Temps (% cycle)
PPG
DPG
PPD
DPD
PPG
PPG
DPG
PPD
DPD
PPG
A
B
Point importantz
En rsum, analyser lquilibre dynamique dun coureur ncessite de mettre en vidence la gestion du moment cintique ralis par chaque individu en ajustant et en coordonnant les diffrents moments cintiques segmentaires.x Z w
G y
sur la comprhension de deux problmes essentiels qui agitent le monde mdical et paramdical mais aussi celui des entraneurs, savoir lefficacit du geste de la course du point de vue nergtique et la traumatologie lie la pratique. Nous allons tenter daborder ces deux problmes par lintermdiaire de ltude mcanique des systmes polyarticuls.
r
C
r
tat actuel de lvaluation de la dpense nergtiqueComme nous venons de le voir, les entraneurs de course pied font souvent rfrence au geste du champion pour se faire une opinion sur lefficacit technique de leurs athltes ; cette opinion est tablie partir de simples observations visuelles quils ont maintenant lhabitude de confronter avec des mesures scientifiques. La plupart des entraneurs ont ainsi recours des indices comme la forme de la poulaine, le rapport amplitude/ frquence des foules ou encore des mesures dites de puissance du coureur ; en observant leurs volutions au cours du temps, ils se font une opinion sur la notion dconomie de mouvement et par consquent dnergie dpense. Pour les mdecins et les physiologistes, le cot nergtique dun mouvement, not aussi nergie mtabolique, est calcul systmatiquement par la mesure du volume doxygne inspir. Les informations ainsi obtenues rendent compte des qualitsX
Y L = I + r mvFigure 13. Algorithme de calcul du moment angulaire H dun segment du corps par rapport au centre de masse G du corps tout entier. [I] : matrice dinertie du segment. Cet oprateur dcrit la distribution de la masse du segment par rapport son propre centre de gravit. : vecteur de vitesse angulaire du segment. r : vecteur position du centre de masse C du segment par rapport au centre de masse G global du corps. v : vecteur vitesse linaire du centre de masse C du segment par rapport au rfrentiel galilen. (G, x, y, z) : rfrentiel associ au centre de masse G global du corps. L = [I] + r K m v (le sigle K correspond au produit vectoriel). [I] : terme local qui caractrise le moment angulaire du segment par rapport son propre centre de masse. r K m v : terme orbital qui caractrise le moment angulaire du centre de masse du segment par rapport au centre de masse du corps tout entier.Podologie
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tude biomcanique de la course pied 27-020-A-20
Composante relative selon l'axe longitudinal du moment angulaire (Ns) 4,5
Composante relative selon l'axe longitudinal du moment angulaire exprim (Ns) 15,0
Moment angulaire selon l'axe vertical exprim en 10-3 units/s 15,0
3,0 Bras droit 1,5
10,0
Tte et tronc
10,0
Bras
5,0
5,0
Tte et tronc
0,0 Deux bras -1,5
0,0 Bras corps - 5,0
0,0 Corps - 5,0
-3,0 Bras gauche -4,5 0 20 40 60 80 100
-10,0 Jambes -15,0 0 20 40 60 80 100
-10,0 Jambes -15,0 0 20 40 60 80 100
Temps (% cycle)
Temps (% cycle)
Temps (% cycle)
PPG
DPG
PPD
DPD
PPG
PPG
DPG
PPD
DPD
PPG
PPG
DPG
PPD
DPD
PPG
A
B
C
Figure 14. Composantes du moment cintique relatif de certains segments. A. Moyenne des courbes de la composante antropostrieure (longitudinale) du moment angulaire des bras pour une course de 3,8 m/s. B. Moyenne des courbes de la composante antropostrieure (longitudinale) du moment angulaire des segments et du corps pour une course de 3,8 m/s. C. Moyenne des courbes de la composante verticale du moment angulaire des segments et du corps pour une course de 4,5 m/s (pour faciliter la comparaison entre les sujets, le moment angulaire absolu, exprim en kg.m2.s-2 a t normalis en le divisant par la masse du sujet en kg et par le carr de la taille en mtre. Comme les valeurs obtenues sont plutt faibles, elles sont exprimes en 10-3 ou 0,001/s). PPG : pose du pied gauche ; DPG : dcollage du pied gauche (les orteils du pied gauche quittent le sol) ; PPD : pose du pied droit ; DPD : dcollage du pied droit (les orteils du pied droit quittent le sol).
O2 inspir
nergie mtabolique
Travail isomtrique Maintien de la Lutte contre la gravit chaleur nergie mcanique Tension musculaire Chaleur de concentration dclenchement, contraction isomtrique, tension musculaire interne, raccourcissement sous une charge Dperdition cause par la coordination ou par l'absorption musculaire au niveau d'une autre articulation
Augmentation de l'nergie des segments
Travail externe
Figure 15. Flux de lnergie du niveau mtabolique jusquau travail mcanique interne. La chaleur est dgrade en chaleur associe au processus contractile ou par insuffisance la suite de sa conversion en nergie mcanique (daprs D.A. Winter).
CO2 expir
Wphysiologiques de lathlte mais elles ne peuvent valuer la qualit et la performance du mouvement. En effet, il sagit dune mesure globale qui ne permet pas dtudier les diffrentes contributions segmentaires. Pour cela, des analyses mcaniques bases sur la quantification des mouvements segmentaires de lathlte, sont ncessaires ; ceci est impossible avec pour seul outil de mesure, une plate-forme de forces : ltre humain se trouve alors rduit un point matriel, son centre de gravit, et seul peut tre calcul le travail mcanique externe mais certainement pas lnergie mcanique totale dpense, car nest pas comptabilise lnergie cintique interne relative aux diffrents mouvements segmentaires (Fig. 15). En revanche, les analyses mcaniques ralises partir des systmes danalyse cinmatographiques associes des modlisations multisegmentaires du corps humain conduisent bien aux rsultats escompts ; diffrentes modalits sont proposes ; la formulation la plus courante est celle qui sappuie sur le thorme de lnergie mcanique, on la qualifie dapproche globale. Une autre approche plus complte, dite locale, reposePodologie
sur la dtermination des efforts actionneurs sollicitant les articulations du corps en mouvement. Cette dernire approche peut conduire pourtant, selon les modalits de calcul choisies, des bilans nergtiques trs diffrents, objet de la discussion suivante, reposant sur une modlisation spcifique dun coureur.
Modlisation multisegmentaire dun coureurLe mouvement de course est une succession de phases dappui unipodal et de phases ariennes. La cinmatique du corps humain en mouvement sapparente celle dun systme articul, arborescent, ouvert (un seul segment est en contact avec le sol) et compos de segments rigides (Fig. 16). Ce modle plan arborescent est compos de 14 corps segmentaires dont les configurations articulaires sont dcrites par les angles absolus qi= X0,Xi . Ces angles sont issus de la cinmatique des centres articulaires Oi, enregistre au moyen dun systme danalyse dimages.
9
27-020-A-20 tude biomcanique de la course pied
X10 O11
S11(m11,G11)-bras X4
Figure 16. Modlisation gomtrique du coureur (G : centre de gravit du coureur ; I : centre de pression).
S10(m10,G10)-avant-bras O10
O5 X7 S5(m5,G5)-bras O8 O6 G X5 P (poids du coureur) O4 S3(m3,G3)-cuisse X2 O3 X1 S2(m2,G2)-jambe O2 S1(m1,G1)-pied O1 R0 Z0 + X0 O7 X6 S7(m7,G7)-main
S9(m9,G9)-main
X9
O9 X8
S4(m4,G4)-ensemble tte-tronc X3
S6(m6,G6)-avant-bras
S15(m15,G15)-cuisse
S14(m14,G14)-jambe X12 O13 S13(m13,G13)-pied O12 I O14
X13
R (raction du sol)
Le modle dynamique du mouvement repose sur lintroduction dans les quations de Newton-Euler ou de Lagrange, des grandeurs cinmatiques et de leurs drives premires et secondes par rapport au temps qi,qi,qi , des grandeurs biomtriques (masses, inerties et position des centres de gravit segmentaires). Il conduit la formulation du systme diffrentiel suivant :a C = F q, q, q
est le centre de gravit global G du systme entier. Les deux premiers membres de cette quation correspondent lnergie de gesticulation appele aussi nergie cintique interne (Junqua et al. [11]). Parmi les efforts extrieurs, seuls ceux relatifs la gravit et aux forces arodynamiques sont actifs. En effet, les forces de contact avec le sol ne travaillent pas en labsence de glissement du point dapplication. On peut ainsi crire : P Fext = d dt Ep t P Fac (2)
o Ca reprsente le vecteur des couples actionneurs Lapproche quil convient de mener sappuie sur une dmarche dite en dynamique inverse . Celle-ci consiste dterminer les efforts actionneurs articulaires partir de la mesure des paramtres cinmatiques. Ces efforts permettent dvaluer la stratgie articulaire adopte par lathlte ainsi que le niveau de sollicitation des articulations. En cela, ces efforts constituent une vritable signature de la technique de lathlte. Selon Winter [9] et Zajac et al., [10] ils refltent galement la rsultante de lactivit musculaire mise en jeu.
o Ep(t) est lnergie potentielle et P(Fac) reprsente la puissance des actions de contacts actifs. Les relations (1) et (2) conduisent lexpression de la puissance des efforts internes : P Fint = d dt Ec t + Ep t P Fac (3)
Calcul du travail interne par lapproche globaleDaprs le thorme de lnergie mcanique : la drive par rapport au temps de lnergie cintique dans le rfrentiel galilen 0 est gale la puissance calcule dans des efforts extrieurs et intrieurs agissant sur le systme mcanique : d dt Ec t = P Fint + P Fext (1)
Ce bilan reprsente la variation dnergie mcanique totale entre le dbut (to) et la fin (tf) dun mouvement. Or, si les deux positions de repos du sujet sont identiques to et tf, le calcul aboutit un bilan nul ; le travail qui a t ralis pour produire le geste nest donc pas correctement dtermin. Une solution consiste cumuler les valeurs absolues des puissances calcules chaque instant. Le travail mcanique des efforts internes scrit alors de la manire suivante : W0 Fint =t1 t0
d dt
Ec t + Ep t
dt + Wext
(4)
Lnergie cintique Ec(t) du systme multicorps S reprsentatif de la course sexprime au moyen de la relation suivante :14
o Wext=
t1 t0
|P Fac |dt est le travail produit au niveau des contacts
Ec t =i=1
Ii q i +
2
1 2
14
mVGi ti=1
* +
1 2
mVG t
0
o VGi t * est la vitesse des centres de gravit segmentaires * exprime dans le repre colinaire au repre et dont lorigine
extrieurs. Remarque : on retrouve ce type de formulation chez Martin et al. [12] et Leplanquais. [13] Ces auteurs montrrent que lanalyse de la course sur tapis roulant ncessite la prise en compte de lapport nergtique du tapis roulant lindividu travers le calcul du travail des efforts de contact pied-sol ; dans ce cas en effet, le point de contact pied-sol, transport par le tapis, glisse.Podologie
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tude biomcanique de la course pied 27-020-A-20
2 000 1 900 1 800 1 700 1 600 1 500 Dpense nergie mcanique (J) 1 400 1 300 1 200 1 100 1 000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Temps (s) 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 quation 5 (approche globale) quation 7 (approche locale) quation 8 (approche locale)
Figure 17. Comparaison des bilans nergtiques obtenus lors de lanalyse dun appui pris 40 m de la ligne de dpart dun 100 m plat.
Wb2
Wa2
W1
Sur piste, si on nglige les forces arodynamiques, la puissance des forces actives est nulle (la force de raction ne travaille pas), lexpression (4) est naturellement rduite : W1 Fint =t1 t0
W2 Fint =
a
t1 t0
n i=1
Pi t dt
t1 t0
n i=1
Ci1,i t Xi,i1 t dt
a
(7)
d dt
Ec t + Ep t
dt
(5)
W2 Fint =
b
t1 t0
n i=1
Pi t dt
t1 t0
n i=1
Ci1,i t Xi,i1 t dt
a
(8)
La plupart des travaux de recherche mens sur la course utilisent cette dernire formulation (Williams et Cavanagh [14]; Kaneko [15]; Cavagna et al. [16]). Cependant, la similitude des bilans nergtiques W0 ou W1 nest jamais retrouve et il est souvent mentionn des transferts dnergie entre les segments thoriquement inconcevables. Pour autant, il semble quil y ait un consensus sur le fait que le travail mcanique des efforts internes par lapproche globale est sous-valu car les contributions motrices et frnatrices du mouvement ne sont pas dissocies (Robertsone et Winter [17]; Willems et al. [18]). Cest pourquoi la mthode dite locale qui rsout, nous allons le voir, ce problme est de plus en plus utilise.
Le dernier bilan peut par ailleurs admettre lcriture suivante : W2 Fint o W =+ t1 t0 + b
=W +W
+
t1 t0
P t dt est le travail des efforts moteurs et W =
P
t dt, le travail des efforts frnateurs. Une telle criture repose sur lhypothse quun effort moteur est aussi coteux en nergie mtabolique quun effort rsistant (Winter [9]).
Illustration des diffrents bilans nergtiquesLa Figure 17 illustre lvolution des divers bilans nergtiques a b (W1, W2, W2) obtenus lors de ltude dun appui pris par lun des meilleurs sprinters franais (spcialiste sur 100 m plat) 40 m de la ligne de dpart. Il courait plus de 10,5 m.s1 (coureur de la vido 1). Malgr les incertitudes inhrentes chaque mode de calcul, il existe une excellente corrlation entre les courbes reprsentaa tives de W1 et W2 ; nous validons ainsi les processus de calcul et confirmons la prcision des donnes cinmatiques. Nous b pouvons galement remarquer que le bilan total W2 slve, en a fin dappui au triple des bilans partiels (550 J pour W1 et W2 et b 1800 J pour W2).
Calcul du travail interne par lapproche localeLapproche locale repose sur la dtermination en dynamique inverse des efforts actionneurs articulaires et de leur puissance mcanique comme suit : Pi t = Ci1,i t Xi,i1 t o Xi,i1 reprsente le vecteur taux de rotation du segment Si par rapport au segment Si-1. Elle conduit lexpression suivante de la puissance des efforts internes :14 a
Vers un rapprochement des cots nergtique, mcanique et physiologique ?La prochaine tape de ce type de recherche consiste dvelopper ces calculs en trois dimensions. plus long terme, il sagit de rapprocher les donnes mcaniques de celles des physiologistes dans le but destimer le rendement de la machine humaine en mouvement. Le rapprochement des cots nergtiques, mcaniques et physiologiques est une thmatique sduisante laquelle beaucoup dauteurs participent ; actuellement, malheureusement, ils aboutissent tous un constat dchec ;
P Fint =i=1
Pi t
(6)
et amne considrer deux bilans nergtiques distincts :Podologie
11
27-020-A-20 tude biomcanique de la course pied
Ce quil faut retenir
Tous les bilans nergtiques ont t formuls en valeurs absolues ; une simple sommation en valeurs relatives ne peut pas tre reprsentative du travail effectif des efforts actionneurs. En effet, pour le cas dun mouvement effectu sur support xe entre deux positions de repos identiques, les bilans obtenus sont nuls, et ne reprsentent en rien le travail mcanique raliser pour produire le mouvement. a Lgalit entre les bilans W1 et W2 nest que trs rarement mentionne dans la littrature. Or, elle permet dvaluer la qualit des mesures cinmatiques et de valider les calculs. a Les bilans W1 et W2 peuvent tre considrs comme des indicateurs de lconomie du mouvement, mais ils ne sont que des sous-valuations du cot nergtique et b mcanique du geste. Le seul bilan retenir, est le bilan W2 car il permet dvaluer la vritable performance nergtique du mouvement en cumulant les travaux moteurs et frnateurs. Comme Fregly et Zajac [19] ou Purkiss et al., [20] nous recommandons de dterminer les capacits physiques b dun athlte travers lvaluation du bilan W2. Pour autant, les calculs quelle implique sont plus dlicats mettre en uvre. En effet, des gestes tels que la course ncessitent la formulation de deux modles dynamiques considrant pour lun la phase dappui et pour lautre la phase arienne.
reprsentes sur la Figure 18A. Labord au niveau du talon est le plus frquent (a), puis labord mdioplantaire (b), enfin labord sur lavant-pied (c). Mais, pendant ce temps, la cheville bouge dans le plan transversal. Les positions relatives de la jambe, de larrire-pied et du sol sont dtermines par la mesure de trois angles reprsents sur la Figure 18B sur un pied droit vu de larrire : il sagit de langle que fait laxe du tibia avec lhorizontale (a), de langle b entre cet axe et laxe du contrefort de la chaussure (ou du talon si le pied est nu), enfin de langle que fait laxe du contrefort avec le sol (c). Les variations possibles de ces angles sont reprsentes, toujours sur un pied droit, en C. Lorsque la partie interne de la semelle et de la vote plantaire est crase il y a pronation, dans le cas contraire, lorsque la partie extrieure de la semelle et le bord externe du pied sont aplatis, il y a supination. La forme de la semelle intervient pour corriger une pronation ou une supination. La Figure 19 reprsente diffrents moyens permettant de corriger une pronation sur un pied droit semelle asymtrique plus paisse lintrieur qu lextrieur, semelle htrogne fabrique avec un matriau plus dur vers lintrieur du pied, insertion dune cale sur le ct interne de pied. Dans ce dernier cas, la position B, plus recule, est plus efficace que la position A. Mais les asymtries de la semelle peuvent aller lencontre du but recherch si un coureur mal conseill porte une chaussure qui exagre sa tendance naturelle.
Comment contrecarrer le choc initial lors dun appui ? (Fig. 20)Les forces exerces sur le sol au cours du droulement du pas de course dpendent de facteurs individuels (poids, morphologie du pied par exemple) et de la chaussure utilise. Ces forces sont testes sur des appareils appels plates-formes deffort. Lathlte que lon veut tudier court sur une piste dans laquelle la plate-forme est incluse. La Figure 20 permet de montrer lefficacit de la chaussure. La courbe a correspond un pas de course effectu pieds nus. La vitesse de dplacement est de 12 km/h, la frquence du pas de 160 Hz, soit une longueur de 125 cm pour chaque pas, le poids du coureur tant de 72 kg (72 dcaNewtons [daN]). La force verticale exerce sur la plateforme crot rapidement pour atteindre un premier maximum gal plus de deux fois le poids du corps (< 175 daN ici), elle passe ensuite par une phase de dcroissance avant de saccrotre nouveau dans la phase dappui sur lavant-pied qui correspond la relance vers lavant du pas suivant. Un accident sur cette premire dcroissance de la courbe deffort correspond au contact de lavant-pied sur le sol. La dure totale de la phase de contact avec le sol est de 230 millisecondes (145 pour la phase arienne). Dans des conditions identiques, une chaussure de course semelle paisse lastique et amortissante va transformer profondment lenregistrement (courbe b). Le premier pic deffort est retard et sa valeur maximale diminue denviron 20 % il englobe et masque compltement le second pic li au choc de lavant-pied. Si lon analyse la vitesse de variation de leffort exerc sur le sol aprs le choc du talon, elle est modifie par un facteur cinq ! Des modifications de mme nature seront provoques par un sol sportif dou de proprits lastiques et amortissantes.
parmi eux, Van Ingen Schenau, [21] Unnithan et al. [22] ou Neptune et al. [23] estiment mme que la recherche dune relation biunivoque est irraliste si la modlisation du corps est simplement squelettique, et non musculosquelettique ; les processus numriques devraient donc se complexifier ; pour le moment, aucune modlisation ne rend compte de lintgralit du corps humain, condition pourtant indispensable une analyse exhaustive de la course pied.
propos de lvolution technique des chaussures et des sols sportifsDans un article paru en 1987 dans la revue La Recherche et intitul Les chaussures de sport , C. Got, [24] professeur danatomie pathologique crivait : Courir pieds nus sur un sol dur est une preuve pnible non seulement pour les pieds mais aussi pour lensemble du corps. Les acclrations et les dclrations qui accompagnent le pas de course se transmettent tout au long de la colonne vertbrale et sont ressenties jusquau sommet du crne. Les chaussures de sport sont l pour amortir les chocs, faciliter la relance du pied et prvenir les accidents. Mais pour fabriquer de bonnes chaussures, il ne suffit pas de tenir compte des caractristiques physiques des matriaux, il faut en premier lieu avoir une connaissance approfondie de la biomcanique du pas de course.
Droulement du pied, la vritable signature dun coureur (Fig. 21)Les plates-formes deffort permettent de mesurer les forces qui sexercent au cours du droulement du pas de course. Quand le pied aborde par son talon la partie postrieure du plateau deffort, ce sont les capteurs situs larrire qui enregistrent leffort le plus important, linverse se produisant au moment o le pied va dcoller. Les donnes des capteurs permettent dobtenir le trac du dplacement du point par lequel passe la rsultante de lensemble des forces appliques sur le plateau. Ce point, appel centre de pousse, est un rsum de ces forces. Pour la majorit des coureurs de fond (abord du talon ou abord mdioplantaire), le centre de pousse se dplace rapidement vers lavant dans le sens de la course (Fig. 21A, B) alors que les coureurs qui abordent le sol par lavant-pied ne dplacent quePodologie
Quelques aspects biomcaniques de linteraction pied-solNous allons emprunter les diagrammes proposs par C. Got, et surtout leurs commentaires, pour montrer comment des conseils pourraient tre donns pour choisir des chaussures de course adaptes chaque individu.
Pronation ou supination ? (Fig. 18)Dans la course de fond ou de demi-fond, labord du sol dans le sens antropostrieur peut se faire de plusieurs faons
12
tude biomcanique de la course pied 27-020-A-20
a
1 2
c a b
A
3
BFigure 18. Diffrentes poses du pied. A. a. Abord au niveau du talon ; b. abord mdioplantaire ; c. abord sur lavantpied. B. 1. Horizontale ; 2. axe du tibia ; 3. axe du calcanus (pied nu) ou axe du contrefort (pied chauss). C. a. Pronation ; b. neutre ; c. supination.
Intrieur du pied
Extrieur du pied
a
b
c
C
c
Figure 19. Semelles correctrices. 1. Matriau dur ; 2. matriau mou ; a : intrieur ; b : extrieur ; c : avant ; d : arrire.
A a b a b a b
B 2 1 2 d
trs peu leur centre de pousse dans ce plan (Fig. 21C). Variable dun individu lautre, le trac est constant pour un athlte donn qui utilise la mme paire de chaussures. Il dessine parfois de curieuses inflexions, voire des retours en arrire (Fig. 21D), tmoignant ainsi de la complexit anatomique et physiologique du pied. Mais le centre de pousse que C. Got dsigne comme le rsum des forces, cest--dire le point dapplication de la rsultante des forces de raction au sol, ne constitue quune donne globale (Fig. 22) ; avec un treillis de capteurs trs rapprochs (Tableau 4), les services de recherche des principaux manufacturiers sont capables depuis quelques annes dePodologie
montrer la distribution des pressions sur la surface dinteraction pied-sol au cours du temps. De telles mesures ont donn lieu des constructions de chaussures adaptes en fonction de chaque catgorie dindividus (Fig. 23).
Progrs rcents concernant les matriaux entrant dans la composition des chaussures et des sols sportifsC. Got nous indique aussi : Laugmentation de lpaisseur de la semelle de la chaussure (ou celle du sol) a un double intrt : dune part, elle rduit les efforts qui se rpercutent tout le long du corps ;
13
27-020-A-20 tude biomcanique de la course pied
Effort vertical : chelle 10 daN 170 150 130 110 90 70 50 30 10 20 60 100 140 180 220 260 300 temps : chelle 20 ms a b pied droit nu pied droit chauss
Sens du mouvement
Fz
Fy Fx Mx 0 Fy My Fz Sens positif conventionnel des forces et des moments Fx
Figure 20. Rduction du choc initial pied-sol apporte par une chaussure ou un sol sportif.
A
Boucle
AFigure 21.
B
C
D
Signature dun coureur et notion de centre de pousse.
dautre part, elle allonge le temps ncessaire pour que la force maximale exerce par le pied soit atteinte (Fig. 20), autrement dit, elle minimise les -coups. Les matriaux qui entrent dans la composition des sols et des chaussures ont chacun leurs caractristiques mcaniques, ils sont plus ou moins durs, plus ou moins lastiques, plus ou moins amortissants. Les fabricants doivent les utiliser avec art et le rsultat de leurs efforts associe bien souvent plusieurs matriaux. Problme spcifique des qualits sportives des sols Les fabricants de sols sportifs sont galement soumis des exigences concernant laspect extrieur de leurs produits (possibilit de coloration, stabilit des couleurs), leur rsistance lusure et aux produits de nettoyage leurs coefficients de friction sec ou en prsence deau. Limportance de la dflexion (cest--dire lenfoncement en fonction de leffort) de leur surface selon la pression exerce. Les tudes menes dans ce domaine en France par Lacouture [25, 26] comme ltranger (Nigg [27, 28] ), mettent en vidence les problmes lis linteraction pied-sol. En effet, lorsquun athlte court, saute, tombe sur un sol, la variation en fonction du temps de la composante verticale de la force de raction au sol prsente deux phases successives. [13] Une premire phase. Appele phase passive, elle survient un moment o le systme musculaire ne peut pas modifier son activit. Ce temps de raction est connu sous le nom d arc rflexe . Durant ce choc, lindividu ne peut pas sopposer cette surcharge qui peut, pour des mouvements extrmes (rception sur le sol aprs ralisation dun saut vertical) tendre vers 8 10 fois le poids de lathlte. La consquence immdiate dune telle situation est le risque daccidents sur lappareil musculaire tendineux, allant des microtraumatismes aux fractures de fatigue ; le sol doit donc tre scurisant, lorsque lathlte est soumis, au cours des premires millisecondes qui suivent limpact du pied sur le sol, des contraintes importantes. Une deuxime phase. Au cours de la seconde phase, intervient lactivit musculaire ; la force est donc active. Au cours de cette phase, la qualit damortissement du matriau nintervientZ
2 000
1 000
100 X 100 100 Y
100
BFigure 22. Composantes de la force de raction au sol lors dun appui.
pratiquement pas. Seule reste prpondrante son aptitude restituer de lnergie. Ces tudes biomcaniques de linteraction pied-sol ont permis de mettre au point une mthode de caractrisation mcanique des sols sportifs intrieurs et une comparaison aise entre les diffrents matriaux. Le mode opratoire, bas sur la mthode acclromtrique, est dcrit dans les normes AFNOR (P90-203 et P90-104). [29] Il sagit de mesurer la dclration au cours du choc, subie par une masse de 8 kg, chutant sur le sol test dune hauteur gale successivement 4, 7 et 10 cm. Les quatre critres fondamentaux dgags par ce test normatif franais, actuellement reconnus par lensemble de la communaut scientifique, dterminent les qualits sportives (Tableau 4).Podologie
14
tude biomcanique de la course pied 27-020-A-20
Tableau 4.Vitesse de course (m s-1) Course Fukunaga et al. (1978) Cavagna et al. (1977) Normal et al. (1976) Gregor et Kirkendall (1978) Luhtanen et Komi (1978) Luhtanen et Komi (2000) Marche Winter (1976) Pierrynowski et al. (1980) Zarrugh (1981) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,9 3,9 1,4 1,5 1,5 Puissance mcanique (W) 343 556 172 172 931 650 147 166 71 Mthode Calcul partir du centre de masse seul (CM) Calcul partir du CM + mouvement des membres relatifs au CM valuation du pseudotravail TPW la somme pour chaque segment des valeurs absolues des variations de lnergie potentielle, de lnergie cintique de translation et de lnergie cintique de rotation Analyse segmentaire en considrant les notions de transfert dnergie Analyse segmentaire
Coureur spcialiste du 10 000 m Pieds nus Vitesse 3,5 ms Avec chaussures de course Vitesse 6 ms
16 m/s
16 m/s
49 m/s
49 m/s
81 m/s
81 m/s
131 m/s
131 m/s
180 m/s
180 m/s
lobjet de discussions normatives aprs lavis des experts mdicaux des plus importantes fdrations. Souplesse : synonyme de confort et de sret des appuis, elle est mesure par lenfoncement maximal exprim en millimtres. Il convient de distinguer : les sols dformation ponctuelle, cest--dire localise sous les appuis. Pour cette catgorie de revtement, la dformation doit tre limite pour favoriser le pivotement des appuis ; les sols dformation surfacique, pour lesquels la valeur de lenfoncement maximal peut tre plus grande. lasticit : synonyme de la performance, elle est caractrise par le paramtre Vf, vitesse de rebond de la masse, exprime en m/s. Plus cette valeur est grande, et plus le sol est performant. Glissance : synonyme de scurit des appuis, elle permet une pratique rgulire de lactivit sportive (AFNOR, [29] Norme NF P 90-106). Mais C. Got nous indique avec quelle prudence ces considrations normatives doivent tre considres : En fait, il est extrmement difficile de reproduire le comportement dun ensemble pied-jambe-cuisse-tronc qui va entrer en contact avec le sol par lintermdiaire dun talon dformable, lensemble de la structure reposant sur ce talon tant elle-mme dformable. Pourtant malgr les critiques qui peuvent tre formules sur la reprsentativit biomcanique de ces essais, il est indispensable de disposer de renseignements mesurables permettant de comparer entre eux les matriaux employs et de connatre leur coefficient dabsorption et llasticit. Grce ces mesures, on admet aujourdhui lintrt de diminuer la svrit des chocs subis par les membres infrieurs lors du passage du pas en ralisant des sols moins durs ou des semelles paisses et dformables. En revanche, il est plus difficile de prciser si on doit privilgier les matriaux amortissants aux dpens de ceux qui conservent une certaine lasticit.
229 m/s
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ConclusionLapproche mcanique applique ltre humain considr comme un solide polyarticul donne accs la mesure des paramtres mcaniques rendant compte du mouvement tant en translation quen rotation, illustrant ainsi la mise en jeu des forces externes par lindividu qui cre lui-mme de la sorte sa propre locomotion. La coordination gestuelle des individus et la dpense nergtique lors de la course (mais ceci reste valable pour tout tre humain) peuvent tre abordes par les donnes cinmatiques issues des systmes modernes danalyse 3D ; ces dispositifs sont aujourdhui beaucoup plus sophistiqus quauparavant. Pour autant, ils doivent encore gagner en prcision pour permettre de rpondre une autre attente, celle de calculer avec prcision les efforts articulaires intersegmentaires (Achard de Leluardire. [30]) Le recours une plate-forme de forces, totalement inefficace pour individualiser les effets segmentaires, est toujours aussi judicieux pour rendre compte des chocs engendrs lors de linteraction pied-sol. La complmentarit des deux mthodes danalyse par dynamographie et par cinmatographie trouve sa pleine efficacit
278 m/s
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327 m/sFigure 23.
327 m/sComparaison de mesures pieds nus et pieds chausss.
Il sagit pour les sols intrieurs des critres suivants : amortissement, souplesse, lasticit et glissance du sol. Amortissement : synonyme de la scurit, ce critre, quantifi par la valeur de la dclration maximale, est exprim en nombre de fois lacclration de la pesanteur (g = 9,81 m/s2). Plus cette grandeur est faible et plus le sol est amortissant. Actuellement, le fait de ramener de 100 80 g la valeur de la dclration maximale (pour 10 cm de hauteur de chute), estPodologie
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27-020-A-20 tude biomcanique de la course pied
dans la mise au point des chaussures personnalises car, comme le dit C. Got, ...des comparaisons fondes sur les simples caractristiques physiques des matriaux ne sont pas suffisantes, mais [qu]il faut galement tenir compte des performances sportives et des tudes de prvention. Il apparat donc tout fait ncessaire de dvelopper des liens entre le monde de la mesure et le monde de la mdecine sportive. Le pied, la jambe et la chaussure forment un ensemble dont les dformations sont complexes et trs variables dun individu lautre. Les sols sportifs sont galement soumis de telles analyses. La mcanique de la course apparaissant ds lors comme le rsultat de linteraction complexe du sportif avec son environnement matriel de pratique dont aucune des composantes ne doit tre nglige..
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F. Leboeuf, Docteur en biomcanique et bio-ingnierie. UMR 6610 CNRS, quipe mcanique du geste sportif, universit de Poitiers (www-lms.univ-poitiers.fr). F. Achard de Leluardire, Ingnieur dtudes, docteur en biomcanique et bio-ingnierie. UMR 6610 CNRS, quipe mcanique du geste sportif, universit de Poitiers (www-lms.univ-poitiers.fr). CAIPS (Centre dAnalyse dImages et Performance Sportive), CREPS Poitou-Charentes (www.creps.interpc.fr). P. Lacouture, Professeur des Universits et directeur dquipe ([email protected]). J. Duboy, Matre de confrences. UMR 6610 CNRS, quipe mcanique du geste sportif, universit de Poitiers (www-lms.univ-poitiers.fr). F. Leplanquais, Directeur scientique du CRITT. CRITT Sport-loisirs Poitou-Charentes (www.critt-sl.com). A. Junqua, Professeur mrite. CAIPS (Centre dAnalyse dImages et Performance Sportive), CREPS Poitou-Charentes (www.creps.interpc.fr). Toute rfrence cet article doit porter la mention : Leboeuf F., Achard de Leluardire F., Lacouture P., Duboy J., Leplanquais F., Junqua A. tude biomcanique de la course pied. EMC (Elsevier SAS, Paris), Podologie, 27-020-A-20, 2006.
Disponibles sur www.emc-consulte.comArbres dcisionnels Iconographies supplmentaires Vidos / Animations Documents lgaux Information au patient Informations supplmentaires Autovaluations
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Podologie
