l3 ue51a optimisation des transferts optimisation de la
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L3 UE51A. Optimisation de la marche et de la
course
• La marche
• La course
http://robin.candau.free.fr
Optimisation des transferts d’énergie lors de la marche
Transfert maximal d’énergie cinétique à potentiel
http://upload.wikimedia.org/wikipediahttp://iris-bleu.i.r.pic.centerblog.net/o/6cb97232.jpg
Optimisation des transferts d’énergie lors de la marche
Transfert maximal d’énergie cinétique à potentiel
• Les sujets souffrants de coxarthrose présentent une réduction de moitié de la qualité de leurs transferts d’énergie � coût énergétique 2 fois supérieur � marche pénible
• Il est possible d’améliorer l’efficacité mécanique de la marche en optimisant les transferts d’énergie
Transfert d’énergie
JE Marey. 1899. La Chronophotographie
Le père de la biomécanique
Marey, 1874
Les transferts d’énergie au galop avaient été pressentis
déjà à l’époque
Mouvements de bascules
Transfert d’énergie
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Modèle du pendule inversé pour le pas
Le pas est associé à des transferts
d’énergie d’un type d’énergie à l’autre
JE Marey, 1899. La Chronophotographie
Modèle du pogo
stick pour le trot
Pour le trot, les énergies sont en phase, les
transferts sont impossibles, c’est la
récupération de l’énergie élastique qui prévaut ici
JE Marey, 1899. La Chronophotographie
Stockage Restitution
Modèle du double pogo stick pour le galop
Le galop est un mixte des 2 phénomènes de récupération d’énergie :1. Transfert d’énergie2. Récupération
d’énergie élastique
Srinivasan et al., 2008
JE Marey 1899. La chronophotographie
Récupération d’énergie et économie de déplacement
Timothy et al.Nature 408, 929(2000)
Chez l’hommeCavagna and Margaria 1966
Vitesse (km/h)Coû
t méc
aniq
ue (k
cal/k
g/km
)
Les transferts d’énergie sont optimums
Le coût mécanique est optimal
entre 3 et 5 km/h :
Le coût énergétique est optimal
3 et 5 km/h = vitesse spontanément sélectionnée
Les transferts d’énergie sont optimums vers 4 km/h
Les transferts d’énergie sont
optimums vers 4 km/hEnergie
potentielle
Energiecinétique
Energietotale
Cavagna and Margaria 1966Temps (s)
Ene
rgie
(cal
orie
)
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Optimisation des transferts d’énergie
Heglund groupe Cavagna, Nature 1995
Ene
rgie
(J)
Temps (s)
La femme africaine est capable d’optimiser les
transferts d’énergie et le travail mécanique est
moindre sous la charge
Heglund groupe Cavagna, Nature 1995Masse totale / Masse corporelle
Coû
t méc
aniq
ue (
J.kg
-1.m
-1)
Réc
upér
atio
n d’
éner
gie
(%)
La femme africaine développe une stratégie de récupération d’énergie pour
s’économiser sous la charge
Économie d’énergie
Heglund groupe Cavagna, Nature 1995
La dépense énergétique est minimisée sous la charge chez
la femme africaine
Rap
port
de
l’Ene
rgie
con
som
mée
ave
c et
san
s ch
arge
Masse totale / Masse corporelle
Chez les premiers hominidés
Lucy une vraie bipède plus efficace que les grands singes
Sellers et al., 2005
Marche pattes fléchies
Elisabeth Daynès, sculptrice d'hominidés
Robot / Pendule inversé
• capable de se déplacer sur le mode d’une pendule inversé en consommant peu d’énergie
• Validation du modèle
http://www.aist.go.jp/MEL/mainlab/
« Ceci n’est pas un œuf » (Magritte)
Sutherland, 1981
« L’œuf qui roule »
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Synthèse
Donelan, équipe de Kram (2002)
Double pogo stick :
1/ de la récupération d’énergie dans la phase de pendule (inversée)
2/ de la phase d’amortissement au début du contact du pied au sol et de la poussée concomitante de la jambe opposée
Pendule inversé VS.
modèle masse ressort
1.Le pendule est optimal à faible vitesse notamment grâce à un mécanisme de transfert d’énergie
2.La course devient plus efficace à vitesse élevée grâce au stockage restitution d’énergie élastique
Pendule inversé
Masse-ressort
Les muscles extenseurs subissent de brusques étirements avant qu’ils ne se raccourcissent
JE Marey. 1899. La Chronophotographie
http://dev.europeana.eu/
L3 UE51A. Optimisation de la marche et de la
course
• La marche
• La course
http://robin.candau.free.fr
Un bon timing dans l’action motrice
Augmentation amplitude oscillationEconomie d’énergiepour une amplitude donnée
Fréquence de forçage en phase avec la fréquence naturelle:
résonance
Mouvement amorti
Force externe(positive nécessaire pour maintenir le mvt)
↑ Performance
Facteur de qualité de la résonance
Plus l ’amortissement, b, est faible, meilleure est la qualité de la résonance (Q) :
En course à pied : minimiser l ’amortissement et augmenter la raideur mais attention aux contraintesmécaniques!
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(Dalleau et al., 1998)
Une grande raideur (V=18km/h) :
Raideur
Coû
t éne
rgét
ique
Ne pas confondre souplesse et raideur
La souplesse dépend de la compliance passive des complexes muscles –tendons, alors que la raideur dépend du nombre de ponts actine myosine formés
Régulation de la raideur
• La raideur est régulée à un niveau plus élevé chez les meilleurs sprinters
Chelly et Denis (2001) Chelly et Denis (2001)
L’accélération initiale étant indépendante de la raideur (pts noirs) et essentiellement liée
à la puissance de l’athlète (pts blcs)
Relation entre le coût énergétique et la qualité de la résonance :
Dalleau et al., 1998
Lorsque la régulation de la raideur est optimale, la fréquence naturelle
est en adéquation avec la fréquence d’enjambée et le coût énergétique
est optimisé.
Effet de l’entraînement et de sprints répétés
35 m, récup 30s
Clark, 2010
Travail excentrique
Stabilité des articulations
Raideur
Travail élastique
Performance
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Entraînement en endurance
1. L’endurance augmente la raideur des membres inf
2. Le genou et la cheville encaissent les plus grands moments de force
3. Le genou et la hanche absorbent le plus d’énergie (amortissement)
Hobara et al., 2010
Synthèse
Le stockage - restitution d’énergie élastiquepermet d’améliorer :
– la performance du muscle car la puissance estfournie aussi par les éléments élastiques
– Moins d’énergie nécessaire pour courir à unevitesse donnée ; les éléments élastiqueseffectuent une partie du travail. L’économie de déplacement est optimisée
Réponse mécanique : Sprint vs.Course de fond
• Dans le sprint, délai électro-mécanique de 50 ms => potentiation de la contraction dans la phase de poussée
• Dans la couse de fond, délai de 50 ms relativement court par rapport à la phase de freinage (100 à 180 ms), => augmentation de la raideur dans la phase excentrique
Sport et vie
Noir, k surf=533 kN/mHachuré, k surf=21 kN/m
Simulation: distorsion
Une régulation de la raideur est nécessaire
Ferris et al., 1999
L’homme, comme l’animal, s’adapte remarquablement bien à un environnement instable. Grâce à quels
ajustements?
Facteur essentiel de contrôle : la raideur
L’athlète s’organise en ajustant la raideur : augmentation compensatoire sur terrain meuble afin de maintenir des forces de réaction au sol a peu près constantes
Ferris et al., 1999
Surface meuble dure
Surface dure
Surface Meuble
Variabilité des forces de réactions au sol après réparation du ligament croisé antérieur
Hackeney et al., 2010
∆For
ce d
e ré
actio
n au
sol
(N
/kg)
Chaussures avec semelles molles ajoutées
Difficulté à maintenir stables les forces de
réaction au sol en raison d’une absence
d’ajustement des fonctions
d’amortissement et de raideur
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Franchissement d’une marche
La raideur est diminuée de telle sorte que la
trajectoire du centre de masse soit la moins
possible perturbée Muller et al., 2010