L1 UE 11. Anatomie et Biomécanique
robin.candau@umontpellier.fr Support de cours : http://robin.candau.free.fr
2017-18 1
Objectifs
• Comprendre le mouvement humain
• Etre capable de l’optimiser
http://theredlist.fr/media/.cache/database/muses/icon/
sport/atletism_running/2720563929-017-atletism- running-theredlist.png
2
Compétences visées
Comprendre et être capable d’optimiser
1. Les forces qui retardent le mouvement (résistances aérodynamiques, la force due à la gravité, la force d’inertie),
2. Les transformations et conservations d’énergie d’énergie
http://theredlist.fr/media/.cache/database/muses/icon/
sport/atletism_running/2720563929-017-atletism-
running-theredlist.png 3
QCM Examen terminal
1. Questions de cours
2. Questions sur les articles à lire
3. Application des notions essentielles dans le mouvement 4. Applications numériques
5. Carnet d’entraînement intelligent avec quantification automatisée des charges
4
Carnet d’entraînement intelligent
Quantification des charges de travail et des puissances soutenues en fonction :
1. de la distance parcourue et du mode de locomotion 2. la gravité (locomotion en côte, bondissement, muscu, ...) 3. la force d'inertie (sprint, accélération, changement de
direction en sport)
5
Travail personnel
• Chapitres de livre qui détaillent et complètent le contenu des cours,
• Articles Sport & Vie à télécharger
• Applications numériques et exercices plus ceux de TD
• Carnet d’entraînement intelligent
2 heures pour 2 heures de cours magistraux
http://theredlist.fr/media/.cache/database/muses/icon/
6
Méthode de travail
1. Lire le support de cours avant d’assister au cours 2. Prendre des notes sur les supports proposés
3. Travailler le cours, apprendre le plan du cours, puis approfondir chaque partie,
4. Refaire seuls les applications numériques du cours et des TD 5. Lire les chapitres et les articles à télécharger
6. S’entraîner sur les annales et correction en petit groupe avec le cours 7. Poser des questions
8. Révision finale
7
Liste de lecture
1. di Prampero P., Chapitre sur la locomotion humaine, ouvrage dirigé par Rieux, PUF, Bioénergétique exercice musculaire 1988 2. Candau R., Chapitre sur la locomotion humaine, ouvrage dirigé par
Lamendin H, et Couteix D. In: Masson, ed. Biologie et pratiques sportives. Paris : Masson, 1995, pp 24-42
3. Millet G. et Candau R. Coût énergétique 2002 pdf
4. Giancoli Physique. Générale 1. Mécanique et thermodynamique : De Boeck
http://theredlist.fr/media/.cache/database/muses/icon
8
Articles avec QCM
•
Calorie (2008)
•
Du poids du vélo (2011)
•
Pédalez calculez comparez (2008)
•
Thys (1972), La fameuse expérience
9
A télécharger
Pbm de discipline
1.
Suspension temporaire de la fac
2.
Mesures pédagogiques de sauvegarde sous la responsabilité de l’enseignant
3.
Commission disciplinaire de l’U (jusqu’à une impossibilité d’inscription à l’université en France)
10
Plan
1. Introduction
2. Energie, force, travail, puissance 5. Travail cinétique
6. Travail potentiel 7. Travail interne 8. Travail élastique
9. Travail contre les forces de friction
(aérodynamique, roulement…)
10. Conversion Energie chimique en mécanique 11. Travail et fatigue (non-traité en 2015 et 16)
11
Records du monde
0 20 40 60 80
0 20000 40000 60000 Distance (m)
Vitesse (km/h)
Marche Course Patinage Cyclisme
Vitesse de déplacement et modes de locomotion
12
Les vitesses maintenues sont éminemment différentes entre les modes de locomotion.
Or
Les aptitudes énergétiques des athlètes de l ’élite sont similaires quelque soit le mode de locomotion.
Donc
Le coût énergétique (C) est très différent d ’un mode de locomotion à l ’autre.
Coût énergétique et Performance
13 0
20 40 60
0 20000 40000 60000 Distance (m)
Vitesse (km Course
Patinage Cyclisme
•
Coût énergétique ≈ consommation d ’essence pour 100 km
•
Le coût énergétique définit l ’économie de déplacement dans la locomotion
•
Il représente la quantité d ’énergie consommée pour parcourir 1 m et transporter 1 kg de masse corporelle
Coût énergétique et Performance
14
Economie et mode de locomotion
Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer.
15
Vitesse (m.s-1) Coût énergétique (J.kg-1.m-1)
Sk = skipping, r = running, w = walking, ccs cross country skiing, speed skating
Impossi ble d'affich er l'image.
Votre I
m p o
Performance en m.s-1
Coût énergétique en
J.kg-1 .m-1
Impossi ble d'affiche r l'image.
Votre
Puissance anaérobie +
aérobie en J.s-1.kg-1
Coût énergétique et Performance
I
16
Vue Synthétique
V=E! C
W aéro
Locomotion à htes vitesses
Natation
W friction
Locomotions appareillées
W potentiel
Locomotions en côte
Locomotions pédestres et sprints
W cinétique
Où la fréquence est grande
W interne
17 V- = vitesse moyenne , E’= puissance du métabolisme aérobie
et anaérobie, C = coût énergétique, W = travail (Work)
C V E!
=
Méthode quantification de la dépense d ’énergie aérobie
La mesure de l'énergie libérée lors de la dégradation des substrats peut-être réalisée avec précision en l'absence d'oxydation de protéine et dans des conditions strictement aérobies.
E Substrats → E Mécanique
O
2Helmut Newton
CO
2Candau et al. (2008) Ca lorie
à télécharger à QCM
Equivalent énergétique du mlO
2(EqO
2)
21,3J consommés → E Mécanique 1ml O2
(i) Glucide
19,6 J consommés → E Mécanique 1ml O2
(ii) Lipide
EqO2 lipide = 19,6 J . mlO2-1 Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être
EqO2 glucide = 21,3 J . mlO2-1
Systèmes portables
Mesure de la concentration d’O
2et de C0
2dans les gaz expirés et évaluation du débit ventilatoire grâce à une turbine
O
2CO
2O
2CO
2C V E!
Performance =
en m.min-1
Coût énergétique en mlO2.m-1 .kg-1 Puissance consommée en mlO2.min-1.kg-1
Parce qu’il existe une équivalence entre les Joules et les ml O
2et (1mlO
2∼ 20,9 J), alors les facteurs de la performance peuvent être exprimés de la façon suivantes :
21
En pratique
• son métabolisme de base est de
5 mlO
2.min
-1.kg
-1• qu ’il est capable de courir pendant 7 min en maintenant 100% de sa V’O2max, et
• Son coût énergétique est 0,20 ml.m -1.kg -1
Quelle est sa vitesse maximale sur une épreuve de 7 min ?
V!
Un honnête homo stapiens sapiens possède une consommation maximale d’oxygène de 55 mlO2.min
-1.kg-1 (V’O2max). Sachant que :
22
C O V O
V C
V E ! !
2max− !
2repos=
=
En condition aérobie :
1
1 15 .
min . 20 250
, 0
5
55 − −
=
− =
= m km h
23 V- = vitesse moyenne , E’= puissance du métabolisme aérobie et anaérobie, C = coût énergétique, V’O2max = consommation maximale en O2, V’O2repos = consommation d’O2 de repos
Travail personnel
A partir de la vitesse que vous êtes capable de maintenir sur 7 min (ou demi Cooper, interpolation V3000m et V1500m) estimez votre V’O2max en utilisant une valeur de coût énergétique de 0,22 mlO2.m-1.kg-1 et comparez vous au podium ci-dessous.
24 85-90 ml/kg/mn
62-85 ml/kg/mn 60-85 ml/kg/mn
Chez des athlètes de niveau homogène
C V E!
=
Varie assez peu
Varie
significativement
Le coût énergétique et ses facteurs
mécaniques sont des éléments essentiels de
la performance
25Pourquoi les coureurs éthiopiens et kenyans dominent-ils?
C V E !
= ?
?
26
Travail personnel
Deux coureurs disposent des mêmes aptitudes énergétiques (VO2max = 55 ml/min/kg). Marcel possède un coût énergétique de 0,20 ml/kg/m et Haile le second un de 0,15 ml/kg/m, quelles sont leurs vitesses respectives maintenues sur 7 min?
27 Gebreselassi
V- = vitesse moyenne , E’= puissance du métabolisme aérobie et anaérobie, C = coût énergétique, V’O2max = consommation maximale en O2, V’O2repos = consommation d’O2 de repos
) . . (
) . min . min) (
/
( = 2max − 2 −1 −1 −1 −1
m kg ml C
kg ml
V m V
V !O !O base
C V E !
=
En appliquant l ’équation 1 pour Marcel :
En remplaçant chacun des termes par sa valeur :
min) / ( ) 250 . . ( 20 . 0
) . min . ( 5 55
1 1
1 1
m m kg ml
kg
ml =
= − − −
−
−
h km h
km
V 15 /
1000 60
* ) 250 /
( = =
28
En remplaçant chacun des termes pour Haile
min) / ( ) 333 . . ( 15 . 0
) . min . ( 5 55
1 1
1 1
m m kg ml
kg
V − ml =
= − −
−
−
h km h
km
V 20 /
1000 60
* ) 333 /
( = =
29
Bilan
Pour de mêmes aptitudes énergétiques, le coureur le plus économique est le plus performant
Le coût énergétique et ses facteurs mécaniques représentent des éléments essentiels de la performance
30
Avec l ’entraînement ?
C V E !
=
?
?
31
Dépense d ’énergie par unité de temps, (équivalent métabolisme de repos)
Vitesse (m/s) 4 ans d’entraînement
Avec l ’entraînement ?
32 E
Avec l ’entraînement
C V E !
=
Varie lentement
Varie plus facilement
Les gains de performance dépendent principalement du coût énergétique et de ses facteurs mécaniques
33
Avec l ’entraînement
C V E !
=
W aéro W friction W potentiel W cinétique W interne
Les gains de performance dépendent principalement du coût énergétique et de ses facteurs mécaniques
34 V- = vitesse moyenne , E’= puissance du métabolisme aérobie
et anaérobie, C = coût énergétique, W = travail (Work)
C V E !
=
Waéro Wroulet Wpotentiel Wcinétique Winterne
Quel sont les 3 principaux facteurs mécaniques de la performance en cyclisme sur terrain plat ?
Quiz
35
1 2 3
C V E !
=
aérodynamique roulement W potentiel W cinétique W interne
Quel est le principal facteur mécanique de la performance en côte ?
Quiz
36
C V E !
=
aérodynamique roulement W potentiel W cinétique W interne
Quels sont les facteurs mécaniques à optimiser en course à pied (1/2 fond et fond) ?
Quiz
37
Quiz
Les performances lors des records du monde sont différentes d'un mode de locomotion à l'autre parce que :
1. les aptitudes énergétiques sont fondamentalement différentes entre les athlètes de l ’élite
2. le coût énergétique et ses facteurs mécaniques sont différents entre modes de locomotion
3. la fatigue musculaire augmente en fonction de la distance parcourue
4. le coût énergétique et les facteurs mécaniques représentent les éléments essentiels ?
38
La performance dans les locomotions humaines dépend :
5. Du coût énergétique ?
6. Des aptitudes énergétiques de l'athlète ? 7. Du rapport du coût énergétique sur les aptitudes
énergétiques de l'athlète ?
8. D'une multitude de facteurs et le rapport des aptitudes énergétiques sur le coût de la locomotion n'explique en réalité qu'une faible partie de la performance ?
39
Plan
1. Introduction
2. Energie, force, travail, puissance 5. Travail cinétique
6. Travail potentiel 7. Travail interne 8. Travail élastique
9. Travail contre les forces de friction
(aérodynamique, roulement…)
10. Conversion Energie chimique en mécanique 11. Travail et fatigue (non-traité en 2015)
40
Energie
– Energie chimique
– Energie mécanique
•
Energie cinétique = ½ m v²
•
Énergie potentielle = m g H
– Energie thermique – Energie électrique – Etc.
1. Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme 2. La transformation d ’un type d ’énergie en un autre
s ’accompagne par la production d ’énergie thermique 41 Lavoisier fondateur de la chimie moderne, né à Paris le 7 août 1743, mort sur l'échafaud à Paris le 8 mars 1794
Travail et énergie mécanique
W = F d
(F en N et d en m) (1)W = Δ E
(E en J) (2)Unité : J (le plus souvent normalisé par rapport à la masse corporelle : J.kg-1)
42 W = travail (Work), F = force en Newton, d = distance en mètre,
Δ E = différence de niveau d’énergie
Travail
Force développée au départ du sprint de 400 N sur 1s avec une distance parcourue de 4 m : quel est le travail fourni ?
43
W = F d = 400 * 4 = 1600 J
F = 400 N5 grands types de travaux C
V E !
=
W aéro
Locomotion à htes vitesses
Natation
W friction
Locomotions appareillées
W potentiel
Locomotions en côte
Locomotions pédestres et sprints
W cinétique
Où la fréquence est grande
W interne
44 V- = vitesse moyenne , E’= puissance
du métabolisme aérobie et anaérobie, C
= coût énergétique, W = travail (Work)
Force?
• Sprinter de 100 kg qui sort des starting- blocks à une vitesse de 4m/s en 1 s
45
F = m a = 100*4/1 = 400 N
F=Force en Newton, m=masse en kg, a=accélération en m/s/s
Force et résistance
A vitesse constante, la force motrice et les forces qui retardent (R
Totales) le mvt sont à l’équilibre :
F
motrice+ R
totales = 0F
motriceR
Totales44,247 km, Oscar Egg 1919 46 F=Force, R=Résistance
Force et résistance
• En phase d’accélération : Fmotrice > R
TF
motrice= F
inertie+ R
TF
motrice= m a + R
TF
motriceF
inertie+ R
TF = m a
47
F=Force, RT=Résistance totale, m = masse, a = accélération
Travail et Puissance
• Quel est le travail fourni par cette jeune coureuse de 50kg qui avale un dénivelé de 200 m en 16min40s (1000 s) :
Wpot = m g ΔH = 50 *10* 200 = 100 kJ
• Une puissance (W’, en J/s ou watt) représente un travail divisé par un temps (T) :
W’ = W/T
W’ = 100 000 / 1000 = 100 W
48
Wpot = travail potentiel en J, m = masse en kg, g=gravité en m/s/s et ΔH variation de hauteur en m
Puissance
• Une puissance (W’) représente force (F) par une vitesse (V° :
W’ = F V
• Les résistances aérodynamiques sont de 30N et la vitesse est de 50,4 km/h (14m/s), quelle est la puissance développée?
W’ = 30 * 14 = 420 W
49
Quiz
Les facteurs mécaniques du coût énergétique sont :
•
Le travail fourni contre la gravité
•
Le travail systémique
•
Le travail cinétique
•
Le travail fourni contre les résistances aérodynamiques
+1 -3 +1 +1
50
Résistance
Une résistance possède la dimension :
• D’un travail négatif et s’exprime en J
• D’une force et s’exprime en N
• D’une accélération négative et s’exprime en m.s
-2• D’une vitesse négative
-1 +3 -1
-1
51
Puissance
Une puissance représente :
• Le produit d’une force par une distance
• Un travail divisé par un temps
• Le produit d’un travail par un temps
• Le produit d’une force par une distance et s’exprime en W
-1
-1 -1 +3
3 pts = faible, 4,5=la moyenne, 8=très bon
52
Plan
1.
Introduction
2.
Energie, force, travail, puissance
3.Travail cinétique
4.
Travail potentiel
5.Travail interne
6.Travail élastique
7.Travail et fatigue
8.
Travail contre les forces de friction
(aérodynamique, roulement…)
9.
Conversion Energie chimique en mécanique
53
Travail cinétique
• Travail cinétique de translation
• Travail cinétique de rotation
54
Travail et puissance cinétique d’Usain Bolt
43,2 km/h (12 m/s) atteint en 4s. Quelle est sa puissance cinétique développée sachant que que sa masse est de 88 kg?
Wcin = 1/2 m (Vmax² - Vmin²)
Wcin = Ecinmax- Ecin min différence de niveau d’énergie
Ecin = 1/2 m V² énergie cinétique
Wcin = 1/2 m Vmax² - 1/2 m Vmin² travail cinétique
55
W
cin=
1/2m (V
max² - V
min²)
=
½88 (12² - 0²) = 6336 J W’cin = Wcin / T
= 6336 /4
= 1584 W
uniquement pour accélérer son centre masse!!Et les autres autres sources de dépense d’énergie ?
56
Types de travaux (W)
C V E !
=
W aéro
W friction W potentiel W cinétique W interne1 2
4 3
1. Phase d’accélération de 0 à 50m ici, la puissance libérée est maximale (puissance cinétique) 2. Phase de course pseudo stabilisée
du 50 au 80ème m, la puissance développée est essentiellement orientée pour faire face aux micro accélérations et accélérations à chaque foulée
Trois phases dans le sprint
Carl Lewis à Tokyo en 1991 3. Phase de décélération en raison de la diminution de puissance , [PCr] et
glycolyse diminuent
Accélération Stabilisation Décélération
58
59
Encore plus simple et moins coûteux
Smartphone + Sensor kinetics
60
a verticale
a horizontale
Travail cinétique même à V pseudo stabilisée
Temps (s)
Vitesse max Vitesse max
Vitesse min
Phase de freinage Phase de poussée
Wcin = 1/2 m (Vmax² - Vmin²)
61
Wcin?
• Quel est le travail cinétique de ce coureur sachant que sa vitesse maximale est de 4 m/s et celle minimale est de 3 m/
s et que sa masse est de 100 kg ? Quelle est sa puissance cinétique sachant qu’il effectue 2 enjambées à la seconde ?
Wcin = ½ m (Vmax²– Vmin²)
=0.5 100 ( 4² - 3²) = 350 J W’cin = 350 . f = 350 1/t
= 700 W
(f = 1 / t)
62Applications en course à pied
•
Faible masse corporelle
•
Réduire les phases de freinage et donc le travail
– Attaque du pied à plat– Buste en avant
– Fréquence de foulée importante (compromis avec Wint) – Durées du contact au sol et durée du freinage les plus
courtes possibles
Wcin = 1/2 m (Vmax² - Vmin²)
63
Quelle puissance?
•
V
max249 km/h
•
Durée service : 0,1s
•
Masse balle de tennis : 60 g
Andy Roddick
Wcin = ½ m Vmax^2 – Vmin^2=
0,5*0,06*(249/3,6)^2 - 0 = 144J W’cin = 144/0,1 =1445 W
Quelle puissance?
•
Vmax : 200 km/h
•
Durée swing : 0,1s
•
Masse balle de golf : 46 g
Plan
1. Introduction
2. Energie, force, travail, puissance 5. Travail cinétique
6. Travail potentiel 7. Travail interne 8. Travail élastique
9. Travail contre les forces de friction
(aérodynamique, roulement…)
10. Conversion Energie chimique en mécanique 11. Travail et fatigue (non-traité en 2015)
66
5 grands types de travaux (W)
C V E !
=
W aéro
Locomotion à htes vitesses
Natation
Locomotions pédestres et sprints
W cinétique
Où la fréquence est grande
W interne W friction
Locomotions appareillées
W potentiel
Locomotions en côte
67
Travail potentiel
1. Locomotion sur le plat
2. Coût énergétique en côte et en descente
3. Locomotion appareillée en descente
68
Δ h
Wpotentiel = masse gravité Δh
W’potentiel = Wpotentiel / tfoulée
Sur terrain plat
Epot = m g h W = Emax – E minWpotentiel = masse gravité (h max - h min)
69
Wpot ?
Un coureur de 100 kg court à 12 km/h avec une fréquence d’enjambée de 2Hz. A chaque foulée son centre de masse subit des variations de 10 cm dans le plan vertical. Quel est le travail accompli pour élever son centre de masse ?
Wpot = m g Δh
(J = kg m.s
-2m)
= 100 . 10 . 0.1 = 100 J
70
Puissance?
W’ = W/T
f = 1/ T d’où T = 1/f W’ = W f
W’
pot= 100 . 2 = 200 W
71
W’ = puissance en watt, W’pot = puissance potentielle W=Travail en J, T= Temps en s
Ascension de l’Empire state building du 1/2/11
Paramètre Valeur Unité
T 00:10:10 sexa
T 610 s
1576 marches
dénivelet 381 m
dénivelet 2 249 m/h
étage 86
Wpot 3
738 J/kg
Ppot 6 J/kg/s E
26 W/kg
VO2 76,9 ml/min/kg
72
Travail potentiel
1. Locomotion sur le plat
2. Locomotion pédestre en côte et en descente
3. Locomotion en descente
73
Article Poids du vélo à télécharger à QCM
1. la course coûte 2 x plus chère que la marche
2. C augmente linéairement avec la pente 3. l'écart entre marche et course s'estompe 4. pente optimale pour dénivelé maximal
= + 25% avec une vitesse de 2 km/h donc 0.6 km/h dans le plan vertical 5. pente optimale pour coût énergétique
minimal = -10% avec une vitesse de marche de 5.4 km/h et 1.3 km/h dans le plan vertical
Course Marche
En montée et en descente
pente
pente
74
Réduction des forces de freinage avec la pente
Time (s) 75 Force de réaction au sol antéro postérieure (Body weight)
Hoogkamer et al., 2014 Sinus (slope)
Dépense d’énergie en côte pour différentes formes de déplacement
76 Praz et al., 2016
Pente optimale
77 Praz et al., 2016
Les forces en présence
m a =
m
g sinα - C
fm g - 1/2SCx
ρ v² m g sin
α
RA R fri
ction ne ige F motrice
R fri ction ne
ige
R aérodyna mique
Pour un descendeur il faut donc une masse élevée, un petit coeff de traînée aérodynamique (SCx) et et un petit coeff de friction sur la neige (Cf)
78 m=masse, a = accélération, g=accélération gravité, α=pente, -Cf =coeff friction ski-neige, SCx = coeff traînée aérodynamique,ρ=densité de l’air, v=vitesse du skieur
Dans un triangle rectangle, le sinus d'un angle est égal au rapport du coté opposé sur l'hypoténuse :
Sin α = coté opposé / hypoténuse sin α = a / g
=> a = g * sin α
Travail personnel : Accélération du skieur
α
Hypoténuse Côté opposé
79
a
g α
En l’absence de friction, la force motrice (F = m a) vaut alors : m a = m g sin α = 50 * 9,81* sin (30) = 245 N
m = 50kg
La chute des corps
Chacun voit bien que les corps lourds tombent plus vite que les corps légers. Ce constant empirique dicte une loi de la chute des corps apparemment indiscutable. Pour autant, en 1604, un certain Galilée est venu la contester, expliquant qu’à rebours des observations ordinaires tous les corps tombent en réalité avec rigoureusement la même vitesse, quelle que soit leur masse. D’où vient le fait que nous ne voyons pas les choses se dérouler ainsi? De ce que la gravité n’est pas la seule force en présence dès lors que l’expérimentation ne se déroule pas dans le vide : s’ajoutent à elle des effets liés à la résistance de l’air, laquelle n’agit pas sur les corps lourds comme elle agit sur les corps légers. Voilà pourquoi les boules de pétanques n’ont justement pas l’air de tomber comme des balles de tennis.
La véritable loi de la chute des corps est…
Hors du spectacle
80 Klein et Salkow, 2011Vue Synthétique
C V E !
=
aérodynamique roulement W potentiel W cinétique W interne
81
Transfert d’énergie
http://www.europeana.eu/portal/
Le Saut à la perche, MAREY Jules Etienne ; Beaune, 1830 ; Paris, 1904 Description: Chronophotographie sur plaque fixe. Copie positive sur verre au bromure d'argent.
82
Transfert d’énergie cinétique à potentielle
http://frathousesports.com/
Kinetic Energie Potential Energy Total Energie
83
Pose de la perche ds le sautoir
Record du Monde vieux de plus de 20 ans…
Sergueï Bubka, le 6,14 m le 31 juillet 1994 à Sestrières (situé à 2 000 mètres d'altitude)
Depuis on a limité la longueur des taquets qui stabilisent la barre, le temps de préparation des perchistes, la taille des perches et même la largeur du ruban adhésif entouré autour de la perche par les athlètes pour une meilleure prise en main. Autant d'avantages dont avait bénéficié Bubka.
84
Travail potentiel record du monde saut à la perche
85
Wpot = m g ΔH = 70*9,81*(6,16-1) = 3542 J Puissance développée dans le dernier appui (0,2s) ? W’ = Wpot /t = 3542 /0,2 = 17710 W!!!
Impossible è le travail est fourni pendant la prise d’élan 4s :
W’ = 3542/4 = 886 W
Renaud Lavillenie
Transfert d ’énergie
86
Principe
• Energies potentielle et cinétique en antiphase déterminent un transfert d'énergie de 100%
• Energie potentielle et cinétique en phase détermine une absence de transfert d'énergie
87
Mouvement « perpétuel », pendule de Newton
Wikipédia
Pas possible sur terre mais dans le vide parfait oui pour s’affranchir des résistances de friction
88
La marche
JE Marey 1899 Chronophotographie
Les oscillations harmonieuses du centre de masse étaient déjà admirablement bien décrites en 1899
89
Modèle pour la marche
Srinivasan et Ruina 2006 Nature
90
1880
91
Transferts d’énergie cinétique – potentielle + amortissement
Cas de la marche
Décalage de phase pas optimal
=> 60% de l ’énergie est récupérée
=> mode de locomotion économique
92
Vitesse optimale de marche
93
Cette vitesse correspond aussi avec un optimum sur les transferts d’énergie cinétique- potentielle
Paradoxe de la femme africaine
Sans charge
Avec charge
94
Index de transfert d’énergie
–
de meilleure qualité chez les sujets jeunes et actifs
–altéré chez les sujets agés et sédentaires
–
très altéré chez les sujets atteints d’une déficience sur l’appareil locomoteur
Problèmes moteurs et efficience motrice
95 JE Marey?
Fréquence de résonance et transport de charge
96
Le porteur adapte sa fréquence de pas en fonction de la fréquence naturelle de
la charge transportée
Charge
Porteur Castillo et al., 2014
Transport de charge économique
Est de l’Asie
William Froude (1810- 1878) ingénieur naval
α=39° 97
Transfert d’énergie cinétique à potentielle
l g Fr v
= ⋅
2
Le nombre de Froud (Fr) est un nombre sans dimension qui caractérise dans un fluide l'importance relative de l'énergie cinétique de ses particules par rapport à leur énergie potentielle. Il s'exprime par un rapport entre la vitesse et la force de pesanteur :
Fr < 1 : régime fluvial, avec une forte
hauteur d'eau et une faible vitesse Fr > 1 : régime torrentiel, avec une faible hauteur d'eau et une forte vitesse
William Froude (1810- 1878) ingénieur naval
Bourrelet liquide =>
vague d’étrave
α=39°
98
Transfert d’énergie cinétique à potentielle et traînée de vague
l g Fr v
= ⋅
2
Une équation formulée dès le XIXème siècle
l g Fr v
= ⋅
2 Energie cinétique
Energie Potentielle
Minetti, 2001 Nature
99
Echange d’énergie cinétique-potentielle
l g Fr v
= ⋅
2 Minetti, 2001 Nature
100
l
Plus le navire est long, plus il glisse ! moins il transforme d’énergie cinétique en vague c’est à dire en énergie potentielle
Energie cinétique Energie potentielle
v,
l
Plus les membres supérieurs sont longs, plus la brachiation est efficace! et plus la vitesse de déplacement est élevée
Plus les jambes sont longues ! et plus la vitesse de déplacement est importante
La vitesse optimale de marche-
…Intervient à 0,25 Froude
l g Fr v
= ⋅
2 Vitesse
Longueur des pattes Minetti, 2001 Nature 101
La transition marche-course
…Intervient à 0,50 Froude
l g Fr v
= ⋅
2 Vitesse
Longueur des pattes Minetti, 2001 Nature 102
Walking on others planetes
Minetti, 2001 Nature 103
l g Fr v
= ⋅
2
Cas de la course
• Absence de transfert d ’énergie cinétique- potentielle gravitationnelle
• Un autre mécanisme de récupération d ’énergie prévaut
104
Et à l’origine de l’évolution?
Reilly et al., 2006
Les tétrapodes présentaient déjà un mécanismes de récupération d’énergie
105
Même les crocodiles savent galoper!
Reilly et al., 2006
106
• Index de transfert d’énergie
• Index de récupération d’énergie élastique
• Coût énergétique
• Coût mécanique
• Variabilité cycle à cycle
• Asymétrie
Descripteurs de l ’efficacité du geste sportif
107
Index de transfert d’énergie
• 26% chez la salamandre (tétrapodes les premiers sur terre)
• 34% chez le tuataras
• 32% chez la grenouille
• 25% chez le lézard
• 20% Chez le crocodile
• 30% chez le singe
• 60% chez l’homme
108
Transition assis - debout
109 Coût activité électrique musculaire (%)
A hautes puissances passage assis- debout
à minimiser le coût et la fatigue musculaire
Coste et al., 2017
Récupération d’énergie élastique
Présente pour le galop et le trot chez les animaux d’une masse > 5kg
https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?
110
Coût mécanique et orientation des forces
111
Avec 8 pattes le coût mécanique est encore plus faible!
112
Les pattes des araignées plus légères que celles des vertébrés
Cinterne faible même avec 8 pattes C mécanique = 0.52 J kg–1 m–1, 2
fois plus économique que le reste du règne animal Gde récupération d’énergie cin - pot
Faibles oscillations verticales Faibles variations de vitesses
Locomotion particulièrement efficace
Blancardi, Minetti, 2011
Coût mécanique
Coût énergétique et Coût mécanique
E substrats
E mécanique
Chaleur
E ATP
Chaleur
Déplacemen t
Coût Energétique
Chaleur
113
Coût mécanique
C M = W’ méca / (m v)
J/kg/m= (J/s) / (kg . m/s)
C
Mest un descripteur spécifique de l'efficacité technique du geste sportif
114
Travail personnel
Quelle est la meilleure technique ?
•
Sophie et Marie (m=60kg) courent à une vitesse de 18 km/h. Sophie développe une puissance mécanique de 600 W tandis qu‘Marie développe une puissance de 400 W.
Qui possède la meilleure technique ? C
M= W’
méca/ (m v)
J/kg/m= (J/s) / (kg . m/s)
1. C
M Sophie= 600/ (60*(18/3,6)) = 2 J/kg/m 2. C
M Marie= 400 / (60*(18/3,6)) = 1,34 J/kg/m
115
•
augmente avec la vitesse de déplacement
•
augmente avec la fatigue
•
plus faible chez les experts
•
marquée chez le débutant
•
variabilité corrélée avec le coût énergétique
Variabilité cycle à cycle
Longueur d’enjambée, oscillation verticale
Belli et al., 1995 116
50% de la variabilité cycle à cycle est due à une asymétrie – latélarisation liée à une spécialisation des tâches
– critère pour recouvrement des aptitudes après une atteinte unilatérale (reprise de l’entraînement à partir de 70% de la valeur d’asymétrie pré-blessure et la compétition à partir de 95%, la récurrence des blessures aux ischio-jambiers passait de 31,7% à 0%, Heiser et al., 2002)
– Prévention pour des asymétries >15% ou altération subite à muscu unilatérale et/
ou réduction des charges (Miyaguchi et Demura, 2010) – plus faible chez les athlètes
– diminution associée à des gains de perf
Asymétrie
117
Longueur d’enjambée, déplacement vertical, (ou accélération)
Méthodes de mesure du Travail mécanique
1. M du centre de masse
(Fenn, 1930)2. M de la somme des énergies propres à chaque segment
(Winter 1975)3. M des puissances articulaires
(Alenshinsky, 1986)
Comparaison des 3 méthodes
118La méthode du centre de masse
• Le principe
(Fenn, 1930) :– Élévation du centre de masse contre la gravité (énergie potentielle)
– variations de vitesse du Centre de Masse ( i.e. énergie cinétique).
• Seule la puissance mécanique externe est quantifiée
119
Méthode de la somme des énergies segmentaires
13 segments rigides articulés entre eux (Winter, 1975).
Trois types d’énergie sont considérés pour chacun des segments du corps humain :
– l’énergie potentielle
– l’énergie cinétique de translation – l’énergie cinétique de rotation
120
Limites de la méthode de Winter
• une simple somme des variations des énergies propres à chacun des segments n’est pas possible en raison des multiples possibilités de transfert d’énergie cinétique à potentielle pour un même segment mais aussi entre segments adjacents (existence de muscles bi articulaires)
• des erreurs de localisation des centres de rotation des articulations lors de l’analyse d’image,
• la fréquence d’acquisition avec la vidéo est généralement limitée
121
Fin groupe 1 2017
Méthode des puissances articulaires
• Principe : mesurer à proximité du site où la puissance est développée pour pouvoir la quantifier avec précision
• La puissance de chaque articulation est le produit du moment de force articulaire et la vitesse angulaire.
• Limite : Difficulté à estimer le moment de force spécifique à chaque articulationà partir des forces de réaction au sol.
122
Quelle est la méthode la plus appropriée?
(Martin et al., 1993)
–
La meilleure corrélation entre V’O
2et puissance mécanique a été obtenue avec la méthode du centre de masse.
–
Les deux méthodes les plus complexes étaient associées avec des résultats aberrants car la puissance mécanique pouvait même diminuer avec la vitesse !
123
Techniques de mesures
• Plateforme de force
• Tapis roulant avec capteurs de forces
• Bras cinématique
• Analyse d’images
• Accéléromètre
• Radar pour la mesur des vitesses instantanées
124
Plate-forme de force
• Principe
–
ex : saut vertical
–ex : haltérophilie
–formalisme
mathématiqmue
• Domaine d ’application
125
Principe
(WWW.kistler.com)
∫ = ∫ −
= m
g m a F
v .
∫
= v H W ' = F.v
g m a m F = . + .
m g m a F− .
=
126
F = m.a
(1)(2) (3)
(4)
(5)
(6)
Tapis avec capteurs de force
127
Signaux de force du tapis instrumenté
Plan vertical Plan latéral
Plan antéro-postérieur
128
Course à 20 km.h
-1Borrani et al., 2001 129
Phase de : Freinage Poussée
Willems et al.
G D
Puissance mécanique?
600 700 800 900 1000
2 2.25 2.5 2.75 3
Time (s)
Energy (J)
E cinétique
∫
=∫
= m
a F v
E Potentielle
∫
= v H
Ecin max
= 920 J Ecin min
= 820 J
Epot min
= 670 J Epot max
= 710 J
f= 3 Hz
130
Puissance mécanique externe?
600 700 800 900 1000
2 2.25 Time (s)2.5 2.75 3
Energy (J)
Rappel :
Travail = différence de niveau d ’énergie
W
cin= 920 - 820 = 100 J W’
cin= W
cinf = 100 . 3 = 300 W
W
pot= 710 - 670 = 40 J W’
pot= W
potf = 40 . 3 = 120 W
W’
ext= W’
pot+ W’
cin= 300 +120 = 420 W
131
Travail personnel
Locomotion chez les sujets atteints d ’une déficience motrice
20minutes.fr
132
Δ H Wpotentiel = masse gravité ΔH
Bras cinématique
Δ V à Wcin = ½ m (Vmax² - Vmin²)
V tapis
V = Vtapis + Vbras
133
Bras cinématique
• Avantages :
–
Facile à mettre en œuvre
–utilisable aussi sur le terrain
–peu coûteux
• Limites :
–
vibrations des segments du bras cinématique
–hypothèse d ’une localisation constante du
centre de masse plutôt grossière
134
Analyse d ’image
Avantages :
ü analyse technique du geste sportif facilitée ü possibilité de recueillir un grand nombre de
cycle Limites :
ü faible précision
ü pbm des transferts d ’énergie
ü dispositif coûteux
1355 grands types de travaux (W)
C V E !
=
W aéro
Locomotion à htes vitesses
Locomotions pédestres et sprints
W cinétique
Où la fréquence est grande
W interne W friction
Locomotions appareillées
W potentiel
Locomotions en côte
136
Wext
Travail interne
40 min marathon et capable d’effectuer des pointes à 70 km/h. D’où lui viennent ces étonnantes facultés?
Des pattes longues et légères
W interne minimisé
137 http://www.scienceinschool.org/
Masses musculaires proximales
W élastique majoré Longs tendons
Digitigrade vs. plantigrade
138 Chez les oiseaux, l’os entre la cheville et les orteils, le tarsométatarse, est plus long que chez les humains, et sert d’équivalent fonctionnel à notre tibia.
Schaller and Minh, 2012
Coût mécanique interne
Fréquence d ’enjambée
Vitesse de déplacement
Temps de contact sur la période du cycle
Minetti, 1998
⇒ Cinterne augmente avec la fréquence et la vitesse
⇒ Équation valable pour la marche comme la course
Cste caractéristiques anthropométriques
C
int= 0.1 f v (1+(d/(1-d))²)
139
Validité de la méthode
Cint ≅ 0,4 J/kg/m, Cext ≅ 1,5 J/kg/m, Ctot =Cint + Cext = 1,9 J/kg/m, Cint ≅ 21% Ctot
140
Cint = 0.1 f v (1+(d/(1-d))²)
Coût interne?
141
Quelle est le travail/mètre parcouru par Gabriele pour mouvoir ses segments par rapport à son centre de masse lorsqu’il traverse un haut plateau à une vitesse de 18km/h (5 m/s), avec une fréquence d’enjambée de 3 Hz et un rapport temps de contact sur la période du cycle de 0,1 sous le regard impassible d’un troupeau zèbres
C
int= 0,1 f v (1+(d/(1-d))²)
= 0,1*3* 5* (1+(0,1/(1-0,1))^2) = 1,52 J/kg/m
Travail personnel
C V E !
=
W cinétique W interne
W aéro
W friction W potentielPourquoi les coureurs éthiopiens et kenyans dominent-ils?
V’O2max f
142
? ? ? ? ?
Modèle explicatif
Membres longs et fins C interne minimiséCM minimisé Fréquence
optimale augmentée
Performance optimisée
Snyder and Farley, 2011
Cinterne CM
143
Modèle explicatif
Membres longs et fins C interneminimisé
CM minimisé Fréquence
optimale augmentée
Performance optimisée
Snyder and Farley, 2011
CM
144
Dépense d’énergie liée au Travail interne diminuée
Fréquence d’enjambée qui optimise la dépense d’énergie augmentée La dépense d’énergie liée aux décélérations
est minimisée
V’O2max f
C V E !
=
W cinétique W interne
W aéro
W potentielPourquoi les coureurs éthiopiens et kenyans dominent-ils?
145 Stable pour f
Pourquoi les sprinters noirs dominent ?
1. extrémités plus légère, (Rahmani et al EJAP 2004; 91: 399-405) sauf pour Christophe Lemaitre dont le tour de cheville se range en haut de la fourchette des sprinters noirs (données Lacour)
2. Egalement de leur rapport Longueur des M Inf/Taille plus élevé, ce qui réduit le nombre des foulées (c'est également le cas de Lemaitre).
3. plus grande aptitude au travail élastique (mesurée pendant le hopping).
4. Orientation de leurs fibres, plus parallèles à l'axe du muscle (Kumagai et al. 2000), à vitesse de la contraction,
5. Plus de fibres rapides ? (mis en évidence uniquement chez des femmes américaines d'âge moyen, non-sprinteuses)
146
Plan
1. Introduction
2. Energie, force, travail, puissance 5. Travail cinétique
6. Travail potentiel 7. Travail interne 8. Travail élastique
9. Travail contre les forces de friction
(aérodynamique, roulement…)
10. Conversion Energie chimique en mécanique 11. Travail et fatigue (non-traité en 2015)
147
Travail des composantes élastiques
•
Evidences expérimentales
•
Modèle masse ressort
– mouvement harmonique simple – mouvement harmonique amorti•
Modèle mécanique du muscle
•
Définition du cycle étirement-raccourcissement
•
Raideur et coût énergétique
•
Implication dans le domaine de l ’entraînement
148
Expérience de Thys et al., 1972
149 moyenne
6min de No Rebond avec 20 flexion- extension/min et repos en bas
6min de Rebond avec 20 flexion-extension/
min et repos en haut
Rendement = E méca / E chimique
Article de Thys à téléchargeràQCM
Modèle masse-ressort
+ modèle simple qui décrit le travail élastique des complexes muscles-tendons
- mouvement perpétuel incapable d’expliquer la dépense d’énergie dans la locomotion
Mouvement harmonique simple
150
Travail élastique
151 https://www.youtube.com/watch?
feature=player_detailpage&v=BJGh9CO6wzU
Fréquence naturelle
fn = 1 2 π
k m
La fréquence naturelle (fn) d ’un système oscillant dépend de sa raideur (k) et de sa masse (m) :
http://www.examiner.com 152
Lorsque la fréquence de forçage se rapproche de la fréquence naturelle :
⇒ l'amplitude s'accroît
⇒ économie d’énergie pour une amplitude d’oscillation donnée.
⇒ Résonance entre la fréquence de vibration naturelle du système et la fréquence de forçage
Fréquence de forçage et résonance
http://img.over-blog.com
153 https:///wikipedia
Fin ici avec le groupe 1
Si l’on accroît ou décroît la fréquence de forçage, on augmente alors la dépense d’énergie et on vérifie effectivement le phénomène de résonance.
F enjambée (Hz) V’O2(ml/
min/kg)
F optimale
154
Résonance des objets
Le célèbre ténor Enrico Carusio pouvait casser des verres en chantant à pleine voix à une certaine fréquence (très proche de la fn du verre).
La résonance joue un rôle important dans toute forme
de situation en raison de l'élasticité de la plupart des objets.http://www.hodiho.fr/2011/11/un-garcon-casse-un-verre-avec-sa-voix.html 155
•
C'est d'ailleurs pour éviter une catastrophe similaire que les soldats rompent le pas lorsqu'ils passent sur un pont…
•
L'effondrement du pont de Tacoma en 1940 serait dû en partie à un phénomène de résonance.
• Un pont de chemin de fer s'est écroulé à cause d’une simple encoche dans une des roues du train…
156
Mouvement
harmonique amorti
• Différents types d ’amortissement
• Fréquence naturelle
• Phénomène de résonance – application numérique
http://www.u-run.fr/
157
Facteur de qualité de la résonance
b m m k Q =
Plus l ’amortissement est faible, meilleure est la qualité de la résonance :
amortissement raideur
En course à pied : minimiser l ’amortissement et augmenter la raideur mais attention aux contraintes
mécaniques!
158Fonction de raideur et d’amortissement
-500,00 - 500,00 1 000,00 1 500,00 2 000,00 2 500,00
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Force verticale (N)
T (s)
Fonction de raideur et d'amortissement lors de la course
Fraid = k. x Famor (b, v)
Fmesurée Fmodélisée (raideur + amortissement)
159
Oscillation amortie
L'amplitude de n'importe quel ressort ou pendule réel en mouvement diminue de façon progressive jusqu'à ce que les oscillations cessent
x
t
160
Oscillation harmonique amortie
x
t
F = F
rappel+ F
amortissementF = k x - b v
Ce type d ’oscillateur comporte une fonction de raideur et une d ’amortissement :
161
3 types d ’amortissement
x
t
Sous critique critique
Sur critique
162