Biomécanique 1A (PDF)

(addendum : ne fait pas partir de la matière d’examen) L’univers est-il en mouvement et si oui, d’où vient ce mouvement ? Si l’Univers était statique et infini dans toutes les directions, chaque axe de vision aboutirait à une étoile brillante et le ciel serait donc aussi lumineux que le soleil, de...

(addendum : ne fait pas partir de la matière d’examen) L’univers est-il en mouvement et si oui, d’où vient ce mouvement ? Si l’Univers était statique et infini dans toutes les directions, chaque axe de vision aboutirait à une étoile brillante et le ciel serait donc aussi lumineux que le soleil, de jour comme de nuit. Hubble observe dans les années 1920 que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance depuis la terre et il en conclu que les « nébuleuses » comme on les appelait alors, accélèrent. Il se trompait mais n’en démordra pas jusqu’à la fin de sa vie. Il calcule que le taux d’expansion de l’univers est fixé par une constante, la constante de Hubble. Plus tard, c’est Einstein qui précisera que les galaxies ne se déplacent pas mais que c’est l’espace- temps qui se dilate et que donc tous ce qu’il contient s’écarte. Dans l’état actuel des Sciences on peut considérer que nous vivons donc dans un univers en expansion. En visionnant le film à l’envers, on peut retracer l’histoire jusqu’à un moment où toute la matière était concentrée en 1 seul point, la température aurait été infinie. On estime la densité de ce point à 1076 kg par cm3. (la masse du soleil est de 2 x 1030 kg). Ce point est qualifié de « singularité ». La théorie du Big-bang (Lemaitre, Belgique) qui prévaut actuellement explique cette expansion à partir d’un instant précis que l’on situe à 13,7 milliards d’année mais ne nous informe pas sur ce qu’il y avait avant. Deux théories sont à l’épreuve pour proposer un « avant », il s’agit de la théorie des supercordes et la gravitation quantique à boucle. Tout ceci dépasse largement le cadre de ce cours. La gravitation (ou plus exactement la distorsion de l’espace-temps…) résiste aujourd’hui à la compréhension fine mais elle est à l’origine de toutes les formes de mouvements macroscopiques dans l’univers comme sur la terre, depuis le premier organisme unicellulaire jusqu’à l’homme. Cette théorie fut expliquée pour la première fois par Newton en 1687et son cadre théorique suffit largement à ce cours. Et l’homme dans tout ça ? Le corps humain est le système le plus complexe que nous connaissions actuellement. On s’accorde à dire que la vie serait apparue il y a 4,5 milliards d’années au hasard de collisions entre atomes. On est certain que l’ADN, support de toute vie terrestre, existe depuis 3,5 milliards d’années, il a été découvert qu’en 1953 par Crick et Watson. Cet ADN sert à transférer des informations d’une génération à une autre. 11 Au hasard des mutations, l’ADN a évolué et est devenu de plus en plus complexe il a donc été capable de transmettre de plus en plus d’informations. On a pu montrer que pendant les deux premiers milliards d’années le taux d’accroissement de cette complexité était de 1 bit par cent ans et lors des deux derniers millions d’années il est de 1 bit par an soit 100 fois plus. Mais un phénomène majeur a fait exploser ce taux d’accroissement depuis 6000 ans : l’invention de l’écriture. Aujourd’hui le taux de renouvellement de l’information par les livres correspond à 1 million de bits par seconde… La théorie en vigueur pour parler d’évolution reste celle de Darwin qui date de 1858 L’homme se met debout. Le passage à la position debout a pour but de favoriser et contrôler les autres mouvements. Le développement du cerveau est lié à ce passage à la position debout. L’évolution a cessé depuis des milliers d’années et le progrès dans le contrôle du mouvement se fait par paliers de plus en plus petits. Si on tient compte que cette évolution a duré 40 millions d’années, cette optimisation n’est pas spectaculaire : -Moins 40M : collecte de nourriture -Moins 4,4M : l’Australopithèque se redresse -Moins 1,5M : Homo-sapiens marche debout et agit sur son environnement. Fin de l’addendum 1.3- Historique ( ! fait partie de la matière d’examen) Il est généralement admis que le grec Aristote (350 av JC) fut le premier à étudier le mouvement humain systématiquement, il dit : « L’animal qui bouge exerce une pression sur ce qui se trouve sous lui » Historiquement, les bases de cette nouvelle science naissent en 1500 avec Léonard de Vinci qui dissèque pour comprendre le mouvement afin de mieux peindre et sculpter. (Par ailleurs, en 1511, Michel-Ange peint des situations de saut et de vol (la création d’Adam) sans aucun support empirique.) Mais c’est à André Vésale que l’on doit la véritable création de l’anatomie en 1543 Les travaux de Galilée (1600) vont révolutionner les connaissances de l’époque ; Il se base sur l’observation et donne naissance à la méthode expérimentale. Pour expliquer le mouvement d’un corps il décompose ce mouvement horizontalement et verticalement et il postule que les deux mouvements sont différents. Il invente : « la trajectographie. » 12 Ses émules, Kepler et Descartes, tenteront d’expliquer ce que perçoivent nos sens alors que le plus grand physicien de tous les temps, Isaac Newton, découvre et explique la cause du mouvement. ll publie en 1687 : « PRINCIPIA » et introduit un mot nouveau : FORCE. Il inventera le calcul différentiel (en même temps que Leibnitz en Allemagne) pour poser sa deuxième loi : « F = m a » La suite des découvertes qui serviront à la biomécanique peuvent être résumées dans le tableau qui suit : - 1616 : HARVEY se passionne pour l’anatomie expérimentale. Il décrit la pompe cardiaque et la circulation sanguine. Il pose les bases de la contraction musculaire. - 1750 : GALVANI découvre accidentellement que la cuisse d’une grenouille se contracte au contact d’un scalpel électrisé. - 1743 : Borelli publie « de motu animalium » il discute de l’application d’une force sur un système biologique 13 - 1873 : Marey, médecin de formation, il sera considéré comme le Père de l’analyse du mouvement. Il conteste la théorie du vitalisme en vogue à l’époque (la vie est une force spéciale qui ne peut se réduire à de la physique et de la chimie) On le sait peu mais il invente le cardiographe, le myographe, le pneumographe et le chronophotographe (voir illustration). https://youtu.be/Q02SAf_eUmU Ce dernier appareillage permet de dépasser les limites de la vision. Il permet de prendre 12 images en 1 seconde. Il découvre que la course n’est pas une succession de mouvements paraboliques mais bien une chute contrôlée. Il introduit un accessoire important dans l’analyse : le marqueur cinématique. Il filme donc à 12Hz et calcule des forces. Ce système sera perfectionné par Braune et Fischer (voir plus bas). à l’aide de senseurs pneumatiques, il mesure l’accélération de la tête et le déplacement du bassin pendant la marche. Historiquement, les analyses du mouvement ont été nombreuses, mais grâce à la naissance du cinématographe, les véritables précurseurs ont été Marey, Demeny et Muybridge (voir plus bas). Marey laisse une importante iconographie aussi variée que des analyses de scènes de combat, des gravures (3D) du vol d’un oiseau. Comme beaucoup, il met son œuvre scientifique au service de l’art. 1883 : Muybridge décompose le trot du cheval à l’aide d’appareils photos disposés à intervalles réguliers. 1894 : Braune et Fischer perfectionnent l’analyse de Marey. Ils utilisent des ampoules lumineuses…c’est le début des marqueurs actifs. Ils introduisent le calcul différentiel et résolvent les équations des mouvements segmentaires en les considérants comme des « corps libres » ou « free rigid bodies ». ils décrivent les phases de la marche. Il fallait, à l’époque, 12 heures pour calculer un mouvement et trois mois pour une analyse complète 14 1898 : Sherrington observe le tonus exagéré des membres inférieurs chez le chat décérébré, 40 ans plus tard il développera le modèle du fonctionnement intégratif du réseau neuronal et de la hiérarchie dans le contrôle du mvt humain et obtiendra le prix Nobel de Médecine. 1911 : Fick publie la première revue biomécanique des ligaments 1922 : Hill étudie les propriétés thermodynamiques de la contraction musculaire. Il développe l’équation « Force – Vitesse » de forme hyperbolique. Nobel de Médecine également 1950 : Wilkie vérifie les prédictions de Hill à l’aide du premier dynamomètre isocinétique 1955 : Lissner introduit la biomécanique auprès des « physio-kinés » 1961 : Dempsey introduit le « diagramme des corps libres » pour l’analyse des mouvements humains 1962 : Basmajian utilise l’emg pour étudier le muscle vivant in situ 1967 : Perry et Hislop proposent une terminologie pour décrire la marche 1981 : Inman propose le calcul du coût énergétique 1987 : Winter décrit les forces en 3D aux articulations en fonction de l’activité musculaire Le langage scientifique est sujet à des changements continuels. Lorsqu’une nouvelle branche de la science se développe on lui donne un nom. Au 17e siècle, on pouvait être mathématicien – philosophe. On entendait par philosophie, la philosophie naturelle. La physique était réservée aux astronomes, lesquels étaient également astrologues (Kepler). Au début, le terme de kinésiologie était appliqué à l’ensemble des sciences traitant de la structure et de la fonction du système articulaire et musculaire humain. Quant à l’analyse du mouvement, en entrant dans ce vocable, elle le rendait obsolète. Plusieurs nouveaux termes virent le jour et finalement celui qui obtint le plus de faveurs fut : la biomécanique. Il a été défini de diverses façons : base mécanique de l’activité biologique et étude des principes et des rapports relatifs à ceux- ci (1961) application des lois mécaniques aux structures vivantes, plus spécialement au système locomoteur humain (1965) la biomécanique est la science qui examine les forces intérieures et extérieures agissant sur le corps humain et les effets produits par celles-ci. Mais finalement un consensus est obtenu sur le sens de ce mot en 1999 (voir définition plus haut). 15