Etude comparative des tests d'évaluation mécanique du saut vertical

Description

èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001474ETUDE COMPARATIVE DES TESTS D'EVALUATION MECANIQUE DUSAUT VERTICAL(a,c) (b) (b) (a,b)Bertrand BARBEDETTE , Bruno BEAUNE , Arnaud MERRIEN , Ridha JEDDI et Jean-Pierre(a)MARIOT(a) Institut d'Acoustique et de Mécanique, Groupe Composites et Systèmes Mécaniques(b)Equipe de Physiologie et Biomécanique de l'Appareil Locomoteur(c)Centre de l'Arche, Centre Hospitalier Spécialisé en Rééducation et Réadaptation FonctionnellesAvenue Olivier Messiaen, 72085 Le Mans Cedex 09Résumé :Cet article porte sur la comparaison des tests pratiqués dans l’évaluation mécanique du saut vertical aveccontre mouvement : test de Sargent, test de Lewis et analyse mécanique du mouvement. L'analyse expérimentalea été menée à l'aide d'un système de mesure de trajectoire tridimensionnelle et d'une plate-forme de forces. Lesvariables mécaniques telles que la détente, la vitesse verticale au décollage, la puissance de Lewis, la flexion dugenou avant décollage ont été mesurés. Le test de Sargent se révèle majorant de la détente pour plus de 80% dessujets. Les détentes calculées par trajectométrie et par la dynamométrie sont identiques à 6% près.Abstract :This paper deals with the comparison ot the tests used for the mechanical evaluation of a vertical counter-movement jump with the aid of characteristic mechanical variables. The experimental analysis has been doneusing a three-dimensional trajectory measurement device and a ...

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XV

ème

Congrès Français de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

1

474

E

TUDE COMPARATIVE DES TESTS D

'

EVALUATION MECANIQUE DU

SAUT VERTICAL

Bertrand BARBEDETTE

(a,c)

, Bruno BEAUNE

(b)

, Arnaud MERRIEN

(b)

, Ridha JEDDI

(a,b)

et Jean-Pierre

MARIOT

(a)

(a)

Institut d'Acoustique et de Mécanique, Groupe Composites et Systèmes Mécaniques

(b)

Equipe de Physiologie et Biomécanique de l'Appareil Locomoteur

(c)

Centre de l'Arche, Centre Hospitalier Spécialisé en Rééducation et Réadaptation Fonctionnelles

Avenue Olivier Messiaen, 72085 Le Mans Cedex 09

Résumé :

Cet article porte sur la comparaison des tests pratiqués dans l’évaluation mécanique du saut vertical avec

contre mouvement : test de Sargent, test de Lewis et analyse mécanique du mouvement. L'analyse expérimentale

a été menée à l'aide d'un système de mesure de trajectoire tridimensionnelle et d'une plate-forme de forces. Les

variables mécaniques telles que la détente, la vitesse verticale au décollage, la puissance de Lewis, la flexion du

genou avant décollage ont été mesurés. Le test de Sargent se révèle majorant de la détente pour plus de 80% des

sujets. Les détentes calculées par trajectométrie et par la dynamométrie sont identiques à 6% près.

Abstract :

This paper deals with the comparison ot the tests used for the mechanical evaluation of a vertical counter-

movement jump with the aid of characteristic mechanical variables. The experimental analysis has been done

using a three-dimensional trajectory measurement device and a force platform. Mechanical variables such as

vertical jump height, impulse, Lewis power and knee flexion before takeoff are measured. The Sargent test

reveals a majoration of the measured height for 80% of the subjects. The calculated heights obtained by

trajectometry or dynamometry reveal to be the same within a 6% error.

Mots clés :

Biomécanique du mouvement, saut vertical, détente, test de Lewis

1 Introduction

Le saut est un geste que l'on retrouve dans la plupart des sports. Il n'est pas étonnant que

ce geste soit pris comme la base d'une évaluation de l'appareil locomoteur. De plus, sa mise

en pratique est simple et son effet est rapidement quantifiable. En effet, on imagine sans mal

pouvoir mesurer une détente (saut en hauteur) ou une distance parcourue (saut en longueur).

Dans les tests d'aptitude physique, le test de Sargent est couramment utilisé. Il permet

d'évaluer le saut vertical en mesurant la détente. Il s'effectue le long d'une origine graduée

(toise ou mur) et consiste à mesurer la différence de hauteur entre une marque de départ

(membre supérieur vertical et tendu) et le point le plus haut atteint par la main lors du saut. Le

test est validé si le sujet retombe à proximité de la position initiale. La valeur de la détente

donne une appréciation sur la performance, cotée de 1 à 5.

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Dans le test de Lewis, l’approche est une approche point matériel qui consiste à calculer la

puissance moyenne du poids

mg

de l’individu au cours du saut de détente

d

et de durée

t

défini entre le décollage et l’apogée. Cette puissance s’écrit

2

2

/

3

d

mg

mgv

t

d

mg

P

moy

=

=

=

(1)

et est simplement le produit du poids par la vitesse moyenne

moy

v

au cours du saut.

Compte tenu de la trajectoire parabolique du mouvement, la vitesse évolue linéairement et en

conséquence cette vitesse moyenne correspond à la demi-vitesse d’envol. Cette expression de

la puissance, d’après Lewis, sert à évaluer la puissance anaérobique alactique.

Par ailleurs la vitesse verticale au décollage, constituant une condition initiale de la phase

aérienne, est la seule variable mécanique caractéristique de la détente (Duboy

et al

., 1994,

Allard

et al

. 2000).

L'objectif de cette étude est de comparer les tests précédents et de faire le point sur les

variables mécaniques caractéristiques de l’évaluation mécanique du saut vertical à l’aide d’un

dispositif de mesure composé d'une plate-forme de force et d'un système d'analyse du

mouvement tridimensionnel.

2 Système expérimental et protocole

L'ensemble expérimental est géré par un système d'analyse du mouvement Vicon 250. Ce

système optoélectronique comporte 5 caméras sensibles aux infrarouges réfléchis par des

balises collées sur les sujets. Le système mesure les trajectoires tridimensionnelles de ces

balises avec une fréquence d’échantillonnage de 50 Hz. Dans cette étude, l’erreur résiduelle

de mesure maximale est de 0,65 mm. Est associé à ce système, une plate-forme de force

(ORI6-1000 AMTI) mesurant la force résultante des pressions développées par les pieds du

sujet dans les trois directions orthogonales x antéro-postérieure, y latérale et z verticale. La

fréquence d'échantillonnage est de 1000 Hz et les signaux sont enregistrés via une carte de

numérisation intégrée au Vicon 250. La résolution de mesure sur la plate-forme est de 2,85 N.

Onze balises ont été collées sur le sujet au niveau du sacrum, des épines iliaques antério-

supérieures, des grands trochanters, des faces externes du genou (condyles latéraux), des

malléoles externes, et des faces dorsales du pied (entre le deuxième et troisième doigt sur la

ligne articulaire métatarso-phalangienne). L'ensemble de ce système ainsi que des données

brutes est présenté dans la figure 1.

Le protocole a été réalisé avec six sujets âgés de 20 à 35 ans. Tous ont une pratique

usuelle du sport mais aucun n'est expert dans la tâche effectuée. Le sujet peut initier le saut

vertical en pompant avec les membres inférieurs et supérieurs, appelé aussi contre-

mouvement. Le mouvement du sujet comporte six phases: i) statique et sans contact avec la

plate-forme de force, ii) statique sur la plate-forme de force iii) impulsion avec les bras libres

iv) phase aérienne v) réception et vi) retrait de la plate-forme de force. La tâche est répétée 13

fois avec une pause de deux minutes entre chaque saut permettant une récupération totale de

l’effort. Si la procédure n'est pas respectée lors de l'essai, il est rejeté. En fonction des critères

de rejet expérimental ou protocolaire, il peut y avoir perte d’un essai ou deux. Par conséquent,

les 10 premiers essais validés sont gardés pour l'exploitation. Un test de Sargent avec une

toise a ensuite été effectué sur 3 sauts.

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3 Méthode

3.1 Cinématique

Le système d'analyse du mouvement donne la trajectoire tridimensionnelle de chaque

balise. Il se peut que certaines d'entre elles soient discontinues quand une balise n’est vue que

par une seule caméra ou lorsque l'algorithme de reconnaissance ne peut pas mettre en

correspondance la balise entre deux images. Pour remédier à ces discontinuités, une

interpolation par spline a été introduite (Coussi, 1997). Toutefois pour appliquer

l'interpolation, il faut que l'interruption ne dure pas plus de 5 images et que 95% de la

trajectoire soit présente dans le temps d'acquisition. Cette interpolation permet aussi de sur-

échantillonner les mesures pour atteindre la fréquence d’acquisition de la plate-forme de force

à 1000 Hz.

3.2 Dynamométrie

A chaque réception de saut, le choc perpétré peut engendrer un décalage systématique des

tensions à vide. Ce décalage éventuel est pris en compte lors du traitement des données par un

recalage sur la valeur moyenne du signal de la plate-forme à vide. D’une façon identique, le

poids du sujet est mesuré lors de la phase statique sur la plate-forme.

Lors du mouvement de l’individu, la cote

z

G

du centre de masse est obtenue par double

intégration de l’accélération verticale donnée par le principe fondamental de la dynamique.

Compte tenu des faibles vitesses mesurées, la résistance de l’air peut être raisonnablement

négligée. Le calcul correct de

z

G

exige la connaissance des conditions initiales de vitesse et de

Statique Statique sur PF

Impulsion

Ph. aérienne

Réception

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

1000

Plate-forme

3000

4000

5000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

600

800

1000

1200

1400

1600

Temps (s)

balise

Caméras

Balises

Plate-forme

Fz (N)

Position suivant z (mm) de la balise SACRUM

FIG. 1

: Système expérimental à gauche et résultats à droite : force verticale (N) et

déplacement vertical de la balise SACRUM (mm)

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position du centre de masse G. La difficulté de mesure de ces conditions impose des

contraintes: en particulier il est demandé à l’individu de maintenir une position quasi-statique

avant le saut.

Trois instants ont été systématiquement recherchés à l'aide du composante verticale de la

force mesurée: le premier contact avec la plate-forme, l'instant du décollage et de la réception.

4 Résultats

4.1 Détente verticale

La détente verticale a été déterminée à l’aide de quatre méthodes suivantes : i)

dynamométrie, ii) position du barycentre des trois balises du bassin, iii) position du

barycentre des deux balises de la face dorsale des pieds et iv) test de Sargent.

Les résultats sont présentés dans la figure 2a pour les six sujets. Le test de Sargent se

révèle majorant de la détente pour plus de 80% des sujets, ce qu’on peut attribuer i) à la non

prise en compte du décollement des talons dans le test, et ii) à la non simultanéité de ces

mesures avec le système d’analyse du mouvement. Les détentes calculées par la

dynamométrie et la trajectométrie sont concordantes à 6% près à l’exception du sujet 5.

4.2 Comparaison entre puissance, masse, détente et vitesse verticale de décollage

La figure 2b donne la comparaison normée inter sujets entre les variables, puissance (test

de Lewis) et masse de l’individu d’une part, et d’autre part la racine carrée de la détente

verticale et la vitesse verticale de décollage obtenue par dynamométrie.

La puissance définie par la relation (1) a été calculée à l’aide de la détente déduite de la

dynamométrie. Les résultats expérimentaux montrent que, pour les six sujets, la puissance est

l’image de la masse du sujet. Ceci est révélateur de l’homogénéité du groupe.

La comparaison normée entre la racine carrée de la détente et la vitesse verticale de

décollage montre un faible écart, ce qui indique une intégration numérique satisfaisante.

4.3 Autres résultats

Compte tenu des faibles efforts d’adhérence, le vecteur vitesse initiale est difficilement

intégrable à l’aide de la dynamométrie. En conséquence le vecteur vitesse est calculé à l’aide

de la trajectoire des balises sur le bassin. Ceci permet d’obtenir l'angle d'élévation qui varie,

pour tous les sujets, entre 85° et 88°. Cet écart de 3° est sensiblement équivalent à une

variation de détente de 3mm pour un individu de 70kg dans un saut usuel et peut ainsi être

négligée.

La flexion du genou a aussi été mesurée par l'intermédiaire de l'angle décrit par les balises

situées sur le grand trochanter, la face extérieure du genou et la malléole externe. Cette

variable se révèle être peu adéquate car les erreurs de mesures engendrées par le geste sont

trop conséquentes. En effet, un angle de 90 degrés est le plus commun dans la flexion du

genou, or à cette amplitude, les mouvements de peau et des masses molles sont trop

importants.

5 Discussion et conclusion

Comme attendu, c’est la vitesse initiale au décollage qui est l’image de la détente

verticale. L’angle d’élévation proche de 90° à 5° degrés près n’a pas d’influence sensible sur

la détente verticale.

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Pour les différents tests envisagés, le test de Sargent surévalue cette détente ce qui est dû

à la non prise en compte du mouvement des talons lors du décollage.

Pour caractériser plus finement les variables mécaniques, deux études futures sont

envisagées. Une première consiste à développer un modèle mécanique polyarticulé permettant

de simuler le comportement dynamique. Ce modèle sera ensuite utilisé dans une approche de

dynamique inverse pour calculer les énergies mécaniques internes et externes. Une deuxième

étude sera expérimentale et les individus observés auront des aptitudes physiques connues,

permettant ainsi de valider les variables mécaniques.

Références

Allard, P., et Blanchi, J.-P. 2000 Analyse du mouvement humain par la biomécanique,

2

ème

édition Décarie éditeur

Coussi, O. 1997 De l'observation cinématique à l'étude dynamique et énergétique des

mouvements humains,

Université de Poitiers

.

Duboy, J., Junqua, A. et Lacouture, P. 1994 Mécanique humaine,

Éditions Revue E.P.S.

Mouahid, A.-I. 1992 Analyse dynamique et cinématique des sauts verticaux; Aspects

théoriques et difficultés de la mesure.

Université de Poitiers

.

FIG. 2a :

Comparaison des détentes

FIG. 2b :

Comparaison normée entre puissance

par sujet

du test de Lewis, masse, détente et vitesse

verticale de décollage

1

2

3

4

5

6

0

100

200

300

400

500

600

sujet

détente (mm)

PF

Bassin

Orteil

Sargent

1

2

3

4

5

6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

P. Lewis

Masse

sqrt(d)

vo