Biomécanique

Biomécanique
Introduction
Licence 2 STAPS
Définition
La biomécanique est l'exploration des propriétés mécaniques des
organismes vivants ainsi que l'analyse des principes d'ingénierie
faisant fonctionner les systèmes biologiques
Elle traite des relations existantes entre les structures et les
fonctions à tous les niveaux d’organisation du vivant à partir des
molécules, comme le collagène ou l’élastine, aux tissus et
organes
La biomécanique caractérise les réponses spatio-temporelles des
matériaux biologiques, qu'ils soient solides, fluides ou
viscoélastiques, à un système imposé de forces et de contraintes
internes et externes
Science pluridisciplinaire
La biomécanique est la mécanique physique appliquée au vivant.
Cela concerne :
La mécanique des fluides pour l'étude de la circulation sanguine,
ou de la respiration
La rhéologie pour l'étude du comportement visqueux du sang ou
du comportement viscoélastique des muscles
La mécanique du solide pour l'analyse du mouvement du corps
humain sous forme de modèles multi corps rigides
La résistance des matériaux pour l’étude des solides déformables
et la modélisation des contraintes (traumatologie) à l’intérieur des
segments ou des articulations (conception de prothèses)
Echelle d’étude
La biomécanique est présente à tous les niveaux de l'étude du vivant :
La cellule : échange, transformations, pathologie...
Le tissu : croissance, résistance, vieillissement, réparation...
L'organe : fonctionnement, pathologie, remplacement...
Le système : relations entre les organes au sein d'un système,
organisation vis-à-vis des propriétés physiques du milieu extérieur
(par exemple, adaptation de l'appareil cardiovasculaire à la
gravité)
Le corps dans son ensemble : déambulation, posture, ergonomie
La biomécanique a des nombreuses applications pratiques,
notamment en médecine et en sport
Biomécanique et métiers du sport
La biomécanique est présente dans de nombreux domaines d’étude lié à
la pratique des activités physiques et sportives :
Dans les métiers de l’entraînement ou de la préparation sportive, pour l’analyse et
l’amélioration de la performance
Dans les métiers de l’ingénierie sportive, pour la conception de matériel sportif
Dans le biomédical, pour le développement de prothèse ou d’orthèse
Dans les Activités Physiques Adaptées, pour la réhabilitation de déficiences
organiques
Dans les métiers de la recherche, pour le développement de nouveaux modèles ou
de nouvelles techniques
Analyse du mouvement
Elle permet à partir de la reconstruction de la cinématique du
sportif et de la mesure des efforts extérieurs d’améliorer
qualitativement le mouvement du sportif
Elle repose sur des modèles multi corps rigides du squelette
humain où chaque segment corporel est représenté par un solide
indéformable dont les paramètres de masse et d’inertie sont
fournis par des tables anthropométriques
A partir des mesures et de modèles, les paramètres mécaniques
décrivant le mouvement peuvent être calculés
Paramètres de la performance
Ils peuvent être classé en plusieurs thèmes :
Cinématique : position, angle, vitesse, accélération
Cinétique : quantité de mouvement, quantité de vitesse de rotation
Dynamique : force, moment
Energétique : énergie cinétique, énergie potentielle
Pour chaque activité étudié, il convient de déterminer quels
sont les paramètres pertinents
Ingénierie du sport
La biomécanique est une des sciences d’appui de l’ingénierie du matériel
sportif qui consiste en la conception de nouveaux matériels ou en
l’amélioration de matériels existants
Les critères d’optimisation peuvent être de deux types :
Performance (sport de haut niveau)
Confort (sport pour tous)
Suite aux travaux des designers, le développement du produit nécessite
plusieurs étapes :
Ergonomie
Analyse mécanique
Réalisation de prototypes
Essais de validation et de certification en laboratoire
Industrialisation du produit
Amélioration de matériel
Les études industrielles visant à l’amélioration d’un matériel
existant ont un schéma d’intervention commun :
Caractérisation du matériel existant
Modélisation numérique
Optimisation numérique
-
Prototypage
Essai en laboratoire ou sur le terrain
+
Industrialisation
Prothèses
Une prothèse est un dispositif artificiel destiné à remplacer un membre,
un organe ou une articulation
En pratique orthopédique, les prothèses sont de plus en plus courantes, il
est posé 80 000 prothèses de la hanche par an en France, et 45 000
prothèses du genou
Il existe plusieurs types de prothèses :
Prothèses internes ou endo-prothèses
Les prothèses «externes» ou exo-prothèses (substitution d'un membre
amputé)
Les orthèses (remplacement d’une fonction absente)
Les attelles (système de contention soutenant un membre déficient)
Conception
L'élaboration d'une prothèse pose les problèmes :
De la manière dont elle va simuler l'action de la partie remplacée
(anatomie descriptive et fonctionnelle, mécanique, ergonomie)
De la tolérance de l'organisme vis-à-vis de ce corps étranger
(biocompatibilité)
De la dégradation chimique du matériau dans le corps humain
De l’usure mécanique sous un faible débattement, avec accumulation des
produits d'usure au niveau de la surface de contact
De l'esthétique : l'esthétique d'une exo-prothèse est un problème qui
préoccupe les amputés, spécialement pour les membres supérieurs
Modèles musco-squelettique du
corps humain
En parallèle des modèles squelettiques du corps humain, des
nombreuses études sont réalisées sur les lois de comportement
musculaires
Ces travaux ont permis de développer des modèles musco-squelettique
complet du corps humain compilés dans de puissant logiciel de
simulation
Ces modèles très réalistes sont constitués des 206 os, des 117
articulations et de 344 muscles que comportent le corps humain
Ils permettent de simuler les mouvements du corps ainsi que les activités
musculaires à l’origine de ces mouvements
Notions de base
Ce sont les notions de base de la biomécanique au
sens mécanique du mouvement humain :
Position, vecteur, angle
Vitesse
Force, poids
Energie
Il est fondamentale de maîtriser les unités de ces
différents paramètres