BIOMECHANIQUE DU CORPS HUMAIN: MEMBRE INFERIEUR

1) Introduction - Terminologie

LA BIOMECHANIQUE c'est

"L'application des principes de la mécanique au corps humain.".

o Lorsqu'une personne ramasse un objet, lorsqu'il marche, ou lorsqu'il se tient debout, il est possible d'étudier les forces: la gravité , les forces musculaires agissant sur le corps humain.

La Biomécanique est important en orthopédie. Elle permet:

-de comprendre la répartition des pressions dans l'emboîture

-d'aligner correctement la prothèse.

La biomécanique permet aussi de comprendre les notions de pression et la relation existant entre l'alignement et la pression.

Une force est ce qui permet de déplacer un objet dans une direction donnée.

FORCE

- La main pousse le livre sur la table, elle exerce une force sur ce livre.

- Lorsqu'une personne s'appuie sur un mur, elle exerce une force sur ce mur.

- Le poids d'une personne applique une force sur le sol.

- Le poids de l'amputé applique une force sur la prothèse.

Définition

Exemples:

C'est aussi une attraction ou répulsion exercée par un corps sur un autre corps.

LES CARACTERISTIQUES D'UNE FORCE

une force est définie par 4 caractéristiques:

1) Sa taille ou sa magnitude ( représentée par la longueur de la flèche)

2) Sa ligne d'action

3) Sa direction ( représenté par le sens de la flèche).

4) Son point d'application

FORCE OPPOSEE

- Si l'on exerce une force sur un livre reposantsur une table, le livre est déplacé car il n'exercepas de force opposée.

-Lorsqu'une personne s'appuie contre un mur, le mur (s'il est assez solide) applique une force opposée à celle appliquée par la personne, il n'y a donc pas de déplacement.

Pour chaque force ne créant pas de mouvement , il existe une force opposée dont la magnitude est égale.

Exemples:

Définition

F

REACTION DU SOL:

C'est une force égale et opposée à une autre force crée par un objet ou par un corps humain..

-Quand une personne est debout sur le sol , elle applique sur le sol une force égale à son poids. En retour le sol va exercer une force égale et opposée sur la personne. - si le sol est ferme ( ciment) le personne ne laisse pas de trace sur le sol.- si le sol est plus souple ( terre humide) , la personne va laisser des empreintes de pas- si le sol est mou , sable ou neige , la personne va s'enfoncer

Dans le cas d'un équilibre une force ( poussée) doit être égale à la force opposée :

- La force exercée par la personne A est donc égale à la force exercée par la personne B.

- Les deux forces sont opposées en direction

Définition

Exemples:

A B

F1 F2

FORCE OPPOSEE où REACTION

L'emboîture de la prothèse ( zones d'appui) exerce sur le moignon des forces opposées à la force exercée par le moignon ( = poids du patient).

La somme de ces forces est égale au poids du patient produite par l'emboîture.

Forces Opposées= R1, R2 … P = poids du patient

R1R2R3R4R5

R6

R8R7

R9R10

P = R1 +R2+R3+R4+R5 +R6+R7+R8+R9+R10

FORCE DE REACTION DU SOL

La force de réaction du sol a la même ligne d'action et la taille que celle du pied exercée par le pied sur le sol. Mais elle lui est opposée en direction.

R R R

P P P

Cette force est la plus grande lors du contact au sol par le talon et lors de la phase d'élan que lors de la phase d'appui. Cela est du au moment crée par le corps humain.

. La force exercée par la canne et appelée " F".

FF

R R

. La réaction du sol est appelé "R".

Le sol et le mur exercent des forces de réactions ( W, F1,F2)qui viennent stabiliser le fauteuil roulant lorsque le patient va s'asseoir.

La réaction du sol "R" apparaît aussi sur le dessin.

LA GRAVITE

- La gravité est une force qui attire un objet vers le centre d'un objet plus gros. La terre étant la plus grosse, tous les objets sont attirés par la terre.

-La gravité est une force dirigée vers le entre de la terre.

- La gravité est la force qui nous "colle " à la terre.

- La gravité est la force qui fait tomber les objet au sol.

Définition

HORIZONTAL

Le fil à plomb représente la direction de la ligne de gravité.

Cette direction est verticale.

VERTICAL

la ligne que nous pouvons observer sur la mer est appelé horizon.

L'horizon est par définition horizontal

CENTRE DE GRAVITE

Le centre de gravité est représenté par un point se trouvant au centrede la masse de l'objet. C'est le point que nous utilisons quand nous étudions les forces.

Exemple :

- Pour un objet cubique ou cylindrique pour lequel la masse est symétrique, le centre de gravité se trouve au centre de l'objet.

Centre de gravité

Dans le cas d'un objet de forme non symétrique , le centre de gravitése trouve plus près de la partie le plus volumineuse et lourde.

G

Le centre de gravité du corps humain : se trouve au niveau du pelvis (L2).

NB: la personne se tient:- debout-les bras tendus placé le long du corps- les jambes en extension..

Centre de gravité

LA STABILITE.

La position du centre de gravité d'un objet et la surface de sa base d'appui sont les deux facteurs déterminant de la stabilité.

Plus le centre de gravité d'un objet est proche de la base d'appui, plus l'objet sera stable.

Pour qu'un objet soit stable , il est nécessaire que le centre de gravité soit placé au dessus de sa base d'appui.

Centre de gravité

B

d 2

L'objet B sera plus stable parce que:

- la base d'appui de B > A - d2 < d1.

Plus la base d'appui sera grande , plus l'objet sera stable.

Centre de gravité

A

d 1

LA STABILITE: exemples.

Centre de gravité

C C

Centre de gravité

D

Centre de gravité

D

L'objet C est dans une position instable mais la projection de son centre

de gravité se trouve encore au dessus de sa base d'appui, cet objet reprendra sa position

verticale initiale

La projection du centre de gravité de l'objet D n'est plus au dessus de la base d'appui. donc l'objet va basculer vers une position plus stable.

La stabilité de la personne augmente en fonction de l'augmentation de la surface d'appui.

La position des pieds "b" et "c" détermine la surface de la base d'appui ou polygone de sustentation. Comme montré sur le dessin "c" , il est possible d'augmenter la surface de la base d'appui par l'utilisation d'une canne.

L'augmentation de cette surface va augmenter la stabilité.

Canne

La stabilité d'une personne augmente.en fonction de la superficiede sa base d'appui ou polygone se sustentation.

La position des pieds détermine la superficie de la base d'appui ou du polygone de sustentation .

Lorsque le patient écarte les pieds, il augmente cette surface ( photo B).

S'il utilise une canne, il l'augmente encore plus donc il augmente donc sa stabilité.

Photo BPhoto A

Photo C

- La stabilité est donc liée à la taille de la surface d'appui.

-Les dessins "A" et "B" montre que lorsque la base d'appui est plus grande, la position de la personne est plus stable. - Le dessin "C" montre une base d'appui beaucoup plus réduite: cette position est donc beaucoup moins stable que les positions "A" et "B".

La répartition des pressions que reçoit le moignon dans l'emboîtureest un facteur déterminant du confort d'une prothèse.

LA PRESSION :

La pression est proportionnelle à la force appliquée sur une surface.Elle est définie par la formule suivante:

PRESSION = FORCE / SURFACE

Cela veut dire que si l'on applique une force identique sur deux surfaces différentes en taille, la pression reçue par une petite surface est beaucoupplus importante que sur une grande surface.

A B

Exemple: pour une force identique , 20 kg la pression reçue par la base de support "A" est plus importante que celle de la base "B".

FORCES PARALLELE ET MOMENTS

Plusieurs forces parallèles appliquées sur un même objet vont normalement faire plier l'objet.

Les Forces B et C vont produire autour d'un axe "A" un effet de rotation:-dans un sens inverse des aiguilles d'une montre pour "B"-dans le sens des aiguilles d'une montres pour "C".

CB

A

L'effet giratoire d'une force autour d'un point est appelé MOMENT.

Le moment d'une force autour d'un point est égalà la somme de force multipliée par la distance perpendiculaire au point d'action de cette force par rapport au point de rotation.

UN MOMENT est le produit d'une force par une distance.

M = F x D

M = moment

F = force

D = Distance perpendiculaire au point d'action de la force.

UN MOMENT

Définition

. Lorsque l'enfant s'écarte du centre articulaire,

Le poids de l'enfant n'est pas modifié mais le moment de la forceautour de l'axe de rotation est augmenté, car le bras de levier "d' " est plus grand dans la figure "2" .

Le Moment de la figure "2" M = A x d' est donc plus grand que le moment de la figure "1" M = A x d

Figure 2Figure 1

Il y a toujours une proportionnalité entre les distances et les poids pour un moment donné. Dans cet exemple:

- figure "b", le poids est divisé par 2 , donc la distance "d" entre le poids W/2 et l'axe de rotation est multipliée par 2. - figure "c", le poids est divisé par 3 , donc la distance "d" entre le poids W/3 et l'axe de rotation est multipliée par 3.

Figure a

Figure b

Figure c

Application au corps humain :

Des forces parallèles génèrent assez souvent une rotation d'un segment du corps humain par rapport un axe anatomique.

Les muscles et la gravité interviennent pour provoquer ces moments.

. Exemple 1 : un système de forces parallèles agissant au niveau de l'avant bras:

- W = Poids de la main , dirigée vers le bas.

- G = Gravité agissant sur l'avant bras dirigée vers le bas.

- B = Force créer par le biceps dirigée vers le haut.

- R = force crée par l'humérus sur le cubitus au niveau de l'articulation du coude.

- R' = force égale et opposée à R du cubitus sur l'humérus.

Exemple 2 : l'articulation de la cheville durant la phase d'élan:

-La force de réaction du sol " G" crée un mouvement contraire autour de la cheville. Ce moment tend à faire la dorsi-flexionde cheville.

- La force "T" exercée par le tendon d'Achille crée un mouvement dans le sens des aiguilles d'une montre autour du centre , l'articulationde la cheville" A".

La force "W" crée un mouvement dans le sens inverses des aiguilles d'une montre autour de l'articulation du genou "K" qui tend à faire fléchir le genou.

- le bras de levier "L1" est plus grand le bras de levier "L2". - Le moment qui tend a faire fléchir le genou est donc supérieur fig1 que fig 2.

-Au niveau de l'articulation de la cheville : les moments sont similaires car D1 = D2 et la réaction du sol est équivalente.

Étude sur les surfaces inclinées

L'inclinaison des surfaces recevant les pressions sont inclinées a une grande importance sur la répartition des pressions sur le moignon.

la charge :est de 200 kg

Les 2 piliers sont verticaux Le poids est réparti de façon égale sur chaque pilier, soit 100kg

les surfaces supportant le poids sont horizontales.

Exemple: 1

Exemple 2:

La charge est la même soit 200kg, mais les piliers sont maintenantinclinés à 30 °. Les forces supportant le poids sont alors inclinée à 30°.

La résolution de cette force en une force verticale et horizontale , montre que la force nécessaire à supporter la charge, est supérieure de 15 % au poids appliqué.

Dans ce cas , seule la composante verticale de la force est efficace pour supporter le poids. Cela signifie que la force nécessaire doit être plus grande que lorsque les piliers sont verticaux.

La charge est la même, mais les piliers sont maintenant inclinés à 70 °.

La résolution de cette force en une verticale horizontale et verticalemontre que la force nécessaire pour supporter cette charge est de 292 KG.Soit trois fois la force nécessaire lorsque les piliers sont verticaux.

-Les surfaces supportant la charges sont aussi inclinées à 70 °.

- C'est toujours la composant verticale qui agit pour supporter la charge.

Exemple: 3

- Pour supporter le poids, les surfaces horizontales sont les plus appropriées.

-Pour les emboîtures Tibiales, cela reste difficile à faire, mais pour créer des surfaces d'appui efficaces, on doit faire:

- Positionner l'emboîture en légère flexion.

- Créer un bon appui sous rotulien.

EN CONCLUSION

LES PLANS

SAGITTAL / LATERAL

FRONTAL / CORONAL

HORIZONTAL

Le plan "FRONTAL" divise le corps humain en deux parties: partie avant et partie arrière.

Le plan HORIZONTALest parallèle au sol.

Le plan SAGITTAL plane divise le corps humain en deux parties "droite" et "gauche".