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BIOMECANIQUE ET COUT METABOLIQUE DE LA MARCHE : EFFETS AIGUS DU PORT DE MASSES
La marche
Définition générale
La marche est un mode de locomotion consistant en un déplacement debout en appuis simultanés et alternatifs sur les membres inférieurs. En opposition à la course, qui forme avec elle les deux principaux modes de locomotion bipède non assistée de l’être humain, elle est caractérisée par la présence constante d’au moins un pied sur le sol. Des points de vue physiologique et biomécanique, la marche est considérée comme une orchestration complexe de commandes neuromusculaires, de forces musculaires et de mouvements articulaires qui ont pour but de faire progresser le corps dans l’espace en minimisant les dépenses en énergies mécaniques et métaboliques (Cavagna et al. 1977, McNeill Alexander 2002, Minetti et al. 2003, Zajac et al. 2003, Peyrot 2009).
Biomécanique de la marche
Cinématique : pattern spatio-temporel
La marche est une suite d’actions mécaniques qui implique en particulier les membres inférieurs. Elle est caractérisée par une alternance de phases d’appui et de balancement des membres inférieurs qui sont observées et décrites par le cycle de marche.
Le cycle de marche peut être défini comme la période débutant à la pose du talon du membre inférieur situé en avant du corps et continuant jusqu’à la pose suivante de ce même talon. Il correspond donc à deux pas, soit une foulée. Chaque cycle de marche se compose d’une phase d’appui (ou contact) et d’une phase de balancement d’un même membre inférieur. La phase d’appui comprend elle-même trois sous-phases, à savoir deux phases de double contact (deux pieds au sol) et une phase d’appui monopodal (un pied au sol). La durée de l’appui monopodal d’un membre inférieur correspond à la durée de balancement du membre inférieur controlatéral. Le membre inférieur en appui va alors agir comme un levier pour permettre au membre inférieur controlatéral d’effectuer un balancement et d’aller se placer en avant du corps.
Le pattern spatio-temporel de la marche est caractérisé par la durée (ou la fréquence) du cycle et par le déplacement réalisé par le membre inférieur, donc indirectement par le centre de masse (CM), au cours de celui-ci. Les différentes phases du cycle, communément exprimées en pourcentage de sa durée totale , sont également des indices servant à caractériser le pattern spatio-temporel ou à observer son évolution sous l’effet de facteurs tels que la vitesse ou le port de masses.
Cinétique : forces et travail mécanique
D’après les lois fondamentales de la dynamique proposées par Isaac Newton au XVIIème siècle, la capacité d’un individu à mettre son corps en mouvement et à le maintenir dans cet état (autrement dit, à l’accélérer) dépend des forces que ce dernier exerce sur son environnement. Pendant la marche, l’individu applique ainsi des forces sur le sol, via le système musculo-squelettique de ses membres inférieurs, pour accélérer son CM et donc de se déplacer. Par ailleurs, ses membres se déplacent relativement à son CM (accélération des bras et des jambes), ce qui nécessite également une participation de son système musculo-squelettique. Ainsi, comme le niveau d’énergie du CM fluctue et que le corps est en mouvement, on considère que les muscles actifs réalisent un travail mécanique.
Le travail mécanique musculaire peut être quantifié de deux façons principales lors de la marche : Une première approche par « dynamique inverse » consiste à calculer les moments de force au niveau des articulations des membres pour estimer le travail réalisé par les muscles environnant ces articulations. Elle nécessite l’utilisation combinée de données cinématiques (vidéo), cinétiques (plateforme de force) et anthropométriques (mesure ou estimation via des tables), et s’utilise en laboratoire. Par ailleurs, cette méthode demande une identification précise des segments et articulations, et une connaissance de leurs masses exactes. Elle est donc difficile à mettre en place, en particulier lorsque les conditions de marche impliquent un port de vêtements ou d’équipements.
Une seconde approche consiste à faire la somme du travail mécanique externe réalisé par les muscles pour déplacer le CM (Wext : accélération et élévation du CM ; Cavagna et al. 1963), et du travail mécanique interne réalisé par les muscles mais ne participant pas au déplacement du CM (Wint : accélération des membres relativement au CM, étirement des muscles et tendons, et lutte contre les frictions internes, la viscosité et les actions musculaires antagonistes ; Fenn 1930, Cavagna et al. 1964). Le calcul de Wext est associé à un modèle biomécanique simple de «pendule inversé » proposé par Cavagna et al. (1963, 1976), et nécessite des données accélérométriques et/ou cinétiques (Cavagna 1975). Le calcul de Wint utilise en revanche un modèle multisegmentaire plus complexe (Willems et al. 1995), et nécessite des données cinématiques. Aussi, il est à noter que le calcul de Wint ne rend généralement compte que du travail cinétique des muscles nécessaire à l’accélération les membres relativement au CM (Cavagna & Kaneko 1977, Minetti & Saibene 1992).
Pendule inversé et travail mécanique externe
Le modèle du pendule inversé considère l’individu comme un système global représenté par son CM (masse du pendule) et fixé sur un membre inférieur rigide en contact avec le sol lors de l’appui monopodal (tige du pendule agissant comme levier, Figure 5). Dans ce modèle, les forces extérieures de gravité et de réaction du sol agissent sur le CM et permettent son déplacement. Le niveau d’énergie mécanique totale du CM (Etot) est considéré comme identique aux exacts débuts et fins de chaque cycle de marche (Cavagna et al. 1963). Cependant, au cours du cycle, le CM de l’individu accélère, décélère, oscille verticalement et se déplace horizontalement. Etot et ses composantes cinétique totale (Ecin) et potentielle (Epot) varient donc constamment. Aussi, un transfert d’énergie va s’opérer entre Ecin et Epot pour réduire les besoins en énergie externe (Margaria & Cavagna 1965, Cavagna & Margaria 1966, Cavagna et al. 1976, Cavagna et al. 1977), cette énergie externe étant fournie par le travail des muscles (Wext) et entraînant des dépenses métaboliques. D’après le modèle du pendule inversé, les transferts d’énergies s’effectuent lors des oscillations verticales du CM. Ainsi, pendant la première moitié de la phase d’appui monopodal, le CM de l’individu ralentit et s’élève grâce au transfert de l’énergie cinétique en énergie potentielle, et un transfert d’énergie inverse (i.e. potentielle en cinétique) a lieu pendant la seconde partie de l’appui monopodal (Cavagna et al. 1963).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Partie I – Biomécanique et coût métabolique de la marche : effets aigus du port de masses
1. La marche
1.1. Définition générale
1.2. Biomécanique de la marche
1.2.1. Cinématique : pattern spatio-temporel
1.2.2. Cinétique : forces et travail mécanique
1.3. Coût métabolique de la marche et relation avec les paramètres biomécaniques
1.3.1. Définition et expressions du coût métabolique de la marche
1.3.2. Relation entre coût métabolique de la marche et paramètres biomécaniques
2. Effet du port de masses sur la biomécanique de la marche
2.1. En fonction de la masse portée
2.2. En fonction de sa distribution sur le corps
2.3. Le cas particulier du fantassin
3. Effet du port de masses sur le coût métabolique de la marche
3.1. En fonction de la masse portée
3.2. En fonction de sa distribution sur le corps
3.3. Le cas particulier du fantassin
Partie II – Fatigue neuromusculaire à l’exercice : effet du port de masses, durée d’effort extrême, et conséquences locomotrices
1. La fatigue
1.1. Définition générale
1.2. Fatigue neuromusculaire
1.2.1. Origines centrales de la fatigue neuromusculaire
1.2.2. Origines périphériques de la fatigue neuromusculaire
1.3. Aspects subjectifs de la fatigue
1.3.1. Fatigue ressentie et perception de l’effort
1.3.2. Évaluation de la fatigue ressentie et de la perception de l’effort
2. Fatigue neuromusculaire à l’exercice avec port de masses
3. Fatigue neuromusculaire à l’exercice de durée extrême
4. Conséquences de la fatigue sur la marche et interaction avec la masse
4.1. Effets de la fatigue sur la biomécanique et le coût métabolique de la marche
4.2. Interaction de la fatigue et de la masse sur les caractéristiques de la marche
OBJECTIFS & HYPOTHESES
METHODOLOGIE GENERALE
1. Considérations éthiques
2. Sujets
3. Outils et méthodes
3.1. Caractérisation des sujets
3.1.1. Paramètres anthropométriques
3.1.2. Paramètres cardio-respiratoires
3.2. Analyse de la marche
3.2.1. Biomécanique de la marche
3.2.2. Coût métabolique de la marche
3.3. Évaluation de la fatigue
3.3.1. Fonction neuromusculaire
3.3.2. Perception subjective de l’effort et de la fatigue
4. Système fantassin et configurations
CONCLUSION GENERALE
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