Concepts de bases de la biomécanique en sport

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définition, grands domaines d'analyse, objectifs de la biomécanique du mouvement humain et en sport en particulier, systèmes de levies, plans et axes de mouvements, approches et moyens d'analyses

Publié le : mardi 21 juin 2011
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Université Alger3 Institut de l’éducation physique et sportive.  Cours synthèse de la biomécanique. Etudiants L5 : entraînement sportive. Année 2010/2011. Réalisé par le docteur : Hariti Hakim.  
Notions et concepts de base de la biomécani     Objectifs pour l’étudiant : 1. Définir la biomécanique ses domaines, ses outils et méthodes d’analyse ; 2. Reconnaître les plans anatomique et axes de mouvements ; 3. Les bases de la description d’un mouvement.    Sommaire  1. Définition de la biomécanique. 2. Grands domaines d’analyses  et d’application.  3. Les grands objectifs. 4. Modélisation biomécanique du corps humain 5. Plans et axes du mouvement 5.1. Plans anatomiques. 5.2. Axes de rotation. 5.3. Mouvements articulaires. 6. Les leviers. 7. Description du mouvement. 8. lois ou principes de la mécanique.  1. Définition de la biomécanique.  La biomécanique est considérée comme étant l'application de la physique à l'étude de tout organisme vivant, à l'étude des forces générées ou subies par l'organisme et de leurs effets sur son mouvement ou ses déformations . Approche de la structure et du fonctionnement des êtres vivants s’appuyant sur les lois de la mécanique et les méthodes du mécanicien ayant pour objectif de connaître et comprendre afin d’exploiter, d’améliorer ou de restaurer les capacités fonctionnelles de ces êtres  (voir Fig. N°1). Et la mécanique par définition est : Etude du comportement des corps solides, liquides ou gazeux lorsque différentes actions, appelées forces, s’exercent sur eux.  
 
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Propriétés mécaniques des tissus  
Propriétés neuromusculaires  
 D namique Statique Biomécanique y  
Cinématique Cinétique
Angulaire Linéaire  Figure N°1 : subdivision de la biomécanique en fonction des caractéristiques du corps humain.  * La statique La statique étudie les corps en équilibre (au repos ou en mouvement rectiligne uniforme). Cet état résulte de l'annulation des forces qui agissent sur les corps. * La dynamique La dynamique relie le mouvement des corps aux forces qui le produisent; ainsi que l’analyse de sa position, sa trajectoire, sa vitesse et son accélération    Lorsque l'on décrit le mouvement d'un point de vue spatio-temporel, on parle de cinématique. Dès lors que l'on inclut la masse dans l'analyse on parle de cinétique (cinématique + masse). Enfin, si l'on prend en compte les forces qui entrent en jeu dans le mouvement étudié, on parle de dynamique (cinétique + force).  2. Grand s domaines d’analyses et d’application  (voir Fig.N°2) . * En s ort c’est :
 
Compréhension du geste
 
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Amélioration de la performance   
 
 Adaptation du matériel  Tout en cherchant à trouver des éléments de réponses aux questionnements suivants : - Comment produire l e plus d’énergie mécanique possible? ; - Comment gérer la position du corps et des segments pour rester en équilibre?; - Comment engendrer des déplacements segmentaires tout en restant stable?; - Comment positionner les segments pour produire des rotations efficaces?; - Quelle position du corps et quelles actions segmentaires pour produire une trajectoire haute?  
 
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* En médecine c’est :
Compréhension des pathologies Optimisation des traitements Conception d’implants       Géométrie Propriétés des Analyse du Tribologie des organes matériaux mouvement   
 Dynamique du solide  
Dynamique des écoulements  
 Connaissance consolidée de la structure et du fonctionnement du corps humain
 Milieux continus  
    Confort et Médecine Sports Ergonomie Handicap Sécurité des   transports  Figure N°2 : les grands domaine d’analyse et d’application de la biomécanique   
 
 
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3. Les grands objectifs  (voir Fig. N°3) .   Pour l’amélioration de la performance  et la minimisation des risques de traumatismes , il est primordial de déterminer les limites du corps humain et particulièrement du système musculo-squelettique (os, muscles, ligaments,…).   * Connaissance cinématique du corps humain Détermine les limites physiologiques du mouvement du corps humain (amplitude maximale, vitesse maximale, …) ;  * Connaissance cinétique du corps humain Détermination des limites de contraintes admissibles par le corps humain -- Efforts musculaires - Efforts ligamentaires - Efforts osseux   Optimiser la performance : Préserver l’intégrité de la Réparer la structure et sport, travail, handicap  structure du corps humain : corriger le sport, sécurité, ergonomie  disfonctionnement : chirurgie ré aratrice, ortho édie.  Démarche : Démarche : Démarche :    Définir des critères de Analyser les circonstances Définir de critères performance ; réelles de survenue des fonctionnels ;  accidents, des pathologies ; Comparer la performance Développer des outils d’individus ; Définir des critères d’évaluation et d’aide  à la  mécaniques de blessure, de décision ; Identifier les facteurs de la fatigue, de gêne, d’inconfort ; performance ; Définir la population «  Définir expérimentalement normale » ; Hiérarchiser et quantifier leur des courbes de risque (liant influence ; critère mécanique et Caractériser l’écart par  probabilité de survenue des rapport à la normale ; Modéliser la performance ; dysfonctionnements ou des  dommages) ; Décider et appliquer une Développer et appliquer des stratégie corrective ; outils d’évaluation et d’aide à Caractériser la réponse la conception de tâches, mécanique aux sollicitations ; Évaluer les résultats de d’équipements, de formation.   l’action corrective.  Développer des outils  d’évaluation et d’aide à la conception de solutions de prévention.  Fig. N°3: les grands objectifs de la biomécanique « humaine ».  
 
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4. Modélisation biomécanique du corps humain  Pourquoi modéliser ? *    Pour faciliter l'étude du corps en mouvement, on réduit l'appareil squelettique, système d'une grande complexité, à un système de tiges articulées .  Ces tiges rigides, ou chaînons, sont constituées par la droite idéale qui relie les deux centres de rotation de chacun des segments osseux considérés. A chaque chaînon sont affectées les constantes biomécaniques (masse, position du centre de gravité, moment d'inertie et rayon de giration) du segment corporel correspondant, lequel est constitué du segment osseux et des tissus qui l'entourent.  
    
 
Chaînon corporel *   Cette réduction de la complexité du système anatomique à un système de tiges articulées implique que soient posées diverses hypothèses simplificatrices. Sans elles, l'analyse biomécanique serait impossible. On assimile ainsi :  * Chaque segment représente un membre, soit un ou des os recouverts de tissus « mou ».
 
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* Donc, chaque tige rigide inclue dans la modélisation représente un segment corporel. * Mais cette simplification implique trois (3) conditions : -Les os sont parfaitement rigides et n’amortissent aucune force exercée par les muscles impliqués. - Les segments sont symétriques  ةلثامتم ; la masse est donc répartie de façon constante. Ce qui implique que les muscles ne subissent aucun changement de forme, et maintiennent ainsi leur forme tout au long des contractions. - Toutes les articulations ont des axes de rotation immobile.  * Modèles   La reconsti tution en trois dimensions du mouvement d’un athlète nécessite l’utilisation d’un modèle anthropométrique. Nous avons recours à deux modèles distincts :  - le modèle de Winter (1979) qui considère le corps humain comme un système poly-articulé de 14 segments délimités par 20 marqueurs externes (figure N°4).  
 Figure N°4 : modélisation « en fil de fer » de Winter  -le modèle d’Hanavan (1964) qui considère le corps humain comme un système poly-articulé de 15 segments délimités par 33 marqueurs internes et externes (figure N°5).   
 
 
 Figure N°5 : modélisation « en volume » d’Hanavan  
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  La représentation la plus souvent utilisée lorsqu’il s’agit d’étudier mécaniquement le mouvement de l’athlète est décrite à la figure 4 qui définit le corps à l’aide de 14 segme nts : tête - cou, tronc, 2 avant-bras, 2 bras, 2 mains, 2cuisses, 2 jambes, 2 pieds, de masse mi, de centre de gravité Gi. Par hypothèse, les segments du corps sont considérés rigides compte tenue des difficultés actuelles, théoriques et expérimentales, de prendre en compte les déformations musculaires.    Au cours d’un geste, les mouvements des différents segments sont captés à l’aide de plusieurs caméras synchronisées ; des procédures de calcul spécifiques déterminent dans l’espace, à partir des positions des axes articulaires et de tables anthropométriques, les positions, les vitesses et les accélérations des centres de gravité segmentaires Gi et global G de l’athlète. On peut définir ainsi, les mouvements en 3D de chaque segment qui reflètent l’activité musculaire que nous analysons à l’aide des lois de la mécanique.     Les figures ci-après (6,7) illustrent une séance expérimentale pour l’étude du départ de sprint et le passage aux 30m, conformément au cahier des charges fixé par l’entraîneur.  
 Figures N° : 6,7 : Plate forme expérimentale 3D   Les dispositifs cinématographiques et les analyses effectuées ont pour objectifs de répondre aux questionnements des entraîneurs en leur apportant des images synchronisées favorisant une lecture du geste de plusieurs endroits simultanément, des paramètres quantifiés dont le but est d’apporter une explication mécanique des mécanismes mis en jeu. Les figures (8,9) suivantes, illustrent par exemple des résultats obtenus suite au départ de sprint et les premiers mètres qui suivent ce départ.   
 
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Figure N°8  
Figure N°9
 
 
   Comme consigne : Ne pas pousser dans les starting blocs mais jaillir c’est à dire communiquer les plus grandes quantités d’accélération aux segments libres pour générer la meilleure impulsion défin ie par l’aire sous la courbe ; Il s’agit par exemple de propulser la jambe arrière vers l’avant pour partir vite.    
 
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 * Chaîne articulée.   On appelle chaîne articulée ou cinétique, le système mécanique constitué de plusieurs articulations successives et des segments corporels qui les relient entre elles, c'est-à-dire de plusieurs chaînons .                                                                                                                                                                                         D'un point de vue général, on distingue deux types de chaînes articulées en se fondant sur l'importance relative des résistances extérieures :   - Les chaînes ouvertes , dont l'extrémité distale n'est soumise à aucune résistance extérieure appréciable qui limite ou empêche son mouvement (ex, flexion du coude effectuée sans charge ou oscillation du membre inférieur pendant la marche);  - Les chaînes fermées , dans le cas contraire (ex, flexion du coude empêchée par une résistance quelconque ou encore phase d'appui du membre inférieur dans la marche).   * Degré de liberté.    Le nombre de chaînons corporels par lequel on modélise le corps humain dépend, en règle générale, du cas particulier à étudier. On peut s'intéresser au mouvement du corps dans son ensemble ou, au contraire, ne s'intéresser au mouvement que d'un seul segment corporel . Dans le cas le plus simple, le chaînon considéré constitue la seule partie du corps qui soit mobile :    Le mouvement est dit mono-articulaire ,  voire mono-articulé comme dans la flexion du coude, si un seul de ses degrés de libertés est mis en jeu (c'est-à-dire un seul des mouvements possibles que l'on puisse faire au niveau de cette articulation est réalisé) ;    Il se peut également que le chaînon fasse partie d'une chaîne articulée constituée de plusieurs chaînons mobiles : le mouvement est alors pluri-articulaire , comme dans la marche.    
 
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5. Plans et axes du mouvement  (voir Fig. N°4).    
Plans ميمصت  Axes روحم  Exemples  Frontal ينيبج  Sagittal يمهس  Mouvement latéral du tronc  Sagittal يمهس  Transverse ةضرعتسم  Flexion du genou  Horizontal يقفأ  Vertical ou longitudinal يلوط  Rotation du tronc  Figure N°4 : Plans et axes de rotation.    5.1. Plans anatomiques.   L'étude du mouvement d'un corps quelconque ne peut s'envisager sans fixer des repères à partir desquels pourra faire tous les calculs et les analyses. On se base donc sur les outils déjà utilisés en anatomie et en mécanique.   On distingue 3 plans imaginaires perpendiculaires les uns par rapport aux autres, formant ainsi 3 axes se croisant au niveau de la deuxième vertèbre sacrée.   
                                
 
Ce sont les plans frontal, sagittal et horizontal .
 
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Les commentaires (4)
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mig_986

je vous remercie mr HARITI pour ces cours on attente d'une suite a tes connaissances inestimables

merci du fond du coeur

lundi 4 février 2013 - 00:08
naftimedbjia

enseignant de Biomécanique à l'Institut supérieur du sport et de l’éducation physique GAFSA/
Je trouve ces cours très instructif surtout pour les Stapsistes, j'aurai bien aimé qu'ils soient illustrés par des travaux dirigés prenant appui sur des actions motrices sportives...

dimanche 2 décembre 2012 - 13:06
ELAISSAOUY

C'est un cours très intéressant, mais difficilement téléchargeable pour ne pas dire impossible

mardi 16 octobre 2012 - 21:30
ELAISSAOUY

C'est un cours très intéressant, mais difficilement téléchargeable pour ne pas dire impossible

mardi 16 octobre 2012 - 21:30