Restitution d'énergie élastique et locomotion (REEL) : une approche adimensionnelle

par David Villeger

Thèse de doctorat en Performance motrice, adaptation et sports

Sous la direction de Pierre Moretto et de Bruno Watier.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .

mots clés

• Similitude dynamique
• Masse montée sur ressort (spring mass model)
• Modèle poly-articulé
• Transfert d'énergie
• Biomécanique
• Locomotion humaine
• Transfert d'énergie
• Biomécanique

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Titre traduit

Elastic energy restitution and locomotion : a dimensionless approach

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Résumé

L'objectif de ce travail est de développer une approche adimensionnelle de la locomotion humaine, et plus précisément de la marche et de la course. En d'autres termes, le principal enjeu de cette thèse est d'induire des similitudes locomotrices entre des hommes de tailles différentes. Ces similitudes locomotrices attendues entre des individus de différentes tailles sont les mêmes que celles que les physiciens recherchent lors de l'élaboration de prototype à partir de maquette. Dans l'approche que nous tentons de développer tout au long de ce document, nous considérons qu'un individu petit est le modèle réduit d'un plus grand. Notre approche est au croisement des champs de la physique, de la modélisation et de la biomécanique. L'application de l'analyse dimensionnelle aux modèles simples de locomotion permet de mettre en avant l'intérêt des nombres adimensionnels de Froude (vitesse adimensionnelle) et Strouhal (fréquence adimensionnelle) pour étudier la locomotion humaine. Ces modèles simples de locomotion simplifient le corps humain à la masse du corps concentrée au centre de gravité oscillant à l'extrémité d'un ressort. Ils prennent en compte une composante élastique et mettent en avant des transferts se réalisant au centre de gravité entre les énergies cinétique, potentielle de pesanteur et potentielle élastique. Le rapport de ces énergies est appelé Modela. Modela possède deux variantes, une pour la marche et l'autre pour la course, et est dépendant de Froude et Strouhal. Dans un premier temps, les conditions expérimentales de vitesse de déplacement (à partir de Froude) et de fréquence de pas (à partir de Strouhal), toutes deux relatives à l'anthropométrie des individus, ont permis d'engendrer des similitudes locomotrices pour la marche et la course chez des individus de tailles différentes. Ces résultats révèlent tout l'intérêt d'une approche adimensionnelle de la locomotion en montrant qu'exprimés indépendamment de l'anthropométrie des individus, leurs comportements adimensionnels est le même. Utiliser cette approche pour comparer des locomotions au sein même de l'espèce humaine a un grand intérêt pour étudier des comportements déviants d'un comportement standard. Aussi, cette approche peut être un moyen de mettre en avant des organisations du mouvement communes à différentes espèces. Dans un second temps, l'accent est mis sur la comparaison entre le modèle simple et le modèle complexe du corps humain. D'un coté, le modèle simple du corps humain prend en compte une composante élastique et ne s'intéresse qu'au centre de gravité. De l'autre coté, le corps humain peut être modélisé comme un ensemble de segments corporels articulés entre eux. Ici, un lien est fait entre le mouvement global du centre de gravité et les coordinations des segments poly-articulés, lors du mouvement, et tout ce que cela engendre en termes de transfert d'énergie. Le rapprochement des deux modèles explique comment un individu peut se comporter comme une masse bondissante lors de la marche et la course ou comment les expérimentations futures pourront investir le champ de l'élasticité humaine et de l'économie d'énergie.