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Etude comparative des tests d'évaluation mécanique du saut vertical

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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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2
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