La biomécanique est une science interdisciplinaire qui étudie les concepts de la mécanique appliqués aux sciences du vivant. De nombreuses catégories constituent la biomécanique. L’une d’entre elles est la biomécanique du sport et de l’exercice qui a pour but d’étudier principalement le mouvement du corps humain et son interaction avec le milieu dans lequel il évolue. C’est un sujet très complexe. Le corps humain est un système articulé dont les muscles sont les moteurs internes qui permettent le mouvement. Cette structure est dirigée hiérarchiquement par le cerveau et le système nerveux. Les applications de la biomécanique se développent et s’élargissent constamment, car pratiquement toute l’activité humaine est liée à l’interaction mécanique entre le corps et le milieu dans lequel il évolue. La biomécanique du mouvement est une branche des sciences qui se concentre sur l'analyse des mouvements humains et des forces qui les produisent. En intégrant les principes de la physique et de la mécanique, la biomécanique aide à comprendre comment notre corps se déplace dans différents contextes. Cette discipline est cruciale pour améliorer les performances sportives, prévenir les blessures et optimiser l'entraînement physique.
Évolution historique et fondements scientifiques de l'analyse du mouvement
Le développement de la biomécanique est tout d’abord né d’un intérêt scientifique pour le corps humain et son anatomie. Les traces attestant d’un tel intérêt se retrouvent dans des papyrus égyptiens datés de 1700-1600 av. J.-C., comme le papyrus Edwin Smith ou le papyrus Ebers. Ces connaissances devaient certainement être nécessaires aux techniques d’embaumement, néanmoins l’anatomie en était encore à un stade peu avancée. Aux environs du 4ème siècle avant notre ère, Hippocrate (460-377 av. J.-C.) fonde la médecine moderne, néanmoins l’interdiction de la dissection du corps humain limite les connaissances anatomiques et physiologiques. Cependant, Hippocrate se base sur la logique et la réflexion pour soigner les maladies et les blessures articulaires. Aristote (384-322 av. J.-C.), philosophe grec, s'intéresse aux notions de temps et de durée, et s'intéresse aux causes des mouvements. Plus tard, Archimède (287-212 av. J.-C.), mathématicien et savant grec, pose les bases sur le centre de gravité.
Dans le courant du 2ème siècle, Claude Galien (130-201 ou 216), médecin de l’empereur romain Marc Aurèle, a contourné l’interdiction de dissection du corps humain en étudiant l’anatomie animale, et notamment celle du singe Magot. Cependant, c’est Leonard de Vinci (1452-1519) qui fut l’un des premiers à disséquer des êtres humains. Nous lui devons notamment de nombreuses descriptions anatomiques des os, des articulations et des muscles. Dans son essai Codex Atlanticus, Leonard de Vinci réalise les premières descriptions approfondies de la mécanique des mouvements humains dans les différents plans de l’espace. La mécanique devient une science à part entière grâce à Galilée (1564-1642). En effet, celui-ci s’intéresse très jeune à la mécanique et aux mouvements. Il étudie la médecine et la physique, il confirme plusieurs théorèmes sur le centre de gravité et s’intéresse à la chute des corps et aux pendules.
L’un des premiers essais d’analyse scientifique du mouvement d’organismes vivants (i.e., la locomotion) dans l’espace est de Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679). Pour cela, il s’est appuyé sur la théorie de la mécanique de Galilée. Dans son œuvre De motu animalium (1679), il compare la locomotion de l’homme avec le mouvement d’une petite barque et de son rameur et constate les similitudes entre l’appui du pied sur le sol et l’appui de la pelle de la rame dans l’eau. Dans la deuxième partie de son livre, il s’essaie à l’explication des forces internes, c’est-à-dire les contractions musculaires. Plus tard, Isaac Newton (1642-1727) établit les lois du mouvement et le principe d'action/réaction, devenant ainsi le père de la mécanique classique.
Analyse descriptive : plans, axes et terminologie anatomique de référence
En biomécanique du sport et de l’exercice, l’analyse descriptive d’une position ou d’un mouvement dans l’espace doit être compréhensible par tous. Pour décrire une position ou un mouvement, il est nécessaire de pouvoir expliquer quelle est la situation du sujet par rapport à l’observateur et de quelle manière le sujet effectue son mouvement. Cette position anatomique de référence est la condition première à la modélisation du corps. Les pieds sont serrés et parallèles. À partir de cette position, on décrit trois plans imaginaires en 2 dimensions qui passent par le centre de gravité du corps humain et qui sont perpendiculaires les uns par rapport aux autres. On distingue le plan sagittal, le plan frontal et le plan transversal.
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Le plan sagittal est un plan vertical qui passe par la ligne médiane du corps et le divise en deux parties symétriques, droite et gauche. Le plan frontal est un plan vertical perpendiculaire au plan sagittal qui divise le corps en deux parties symétriques, antérieure (ventrale) et postérieure (dorsale). Enfin, le plan transversal est un plan horizontal, parallèle au sol, qui divise le corps en deux parties symétriques, supérieure (du côté de la tête) et inférieure (du côté des pieds). Pensez également qu’en plus de ces 3 plans de référence, il existe une multitude de plans parallèles à ceux-ci dans lesquels il est possible d’étudier une partie du mouvement en isolant une fraction du corps. Les plans permettent la translation, c’est-à-dire le déplacement rectiligne d’un objet.
Vous pouvez vous représenter un axe comme une ligne imaginaire autour de laquelle s’effectue une rotation. Les axes anatomiques de référence sont au nombre de 3 : antéro-postérieur, transversal et longitudinal. L’axe antéro-postérieur passe horizontalement d’arrière en avant et est formé par l’intersection des plans sagittaux et transversaux. L’axe transversal passe horizontalement de gauche à droite et est formé par l’intersection des plans frontaux et transversaux. L’axe longitudinal passe verticalement de haut en bas et est formé par l’intersection des plans sagittaux et frontaux. Il est perpendiculaire au plan transversal.
Il convient d’utiliser des termes précis : antérieur (ou ventral) correspond à la partie avant du corps, tandis que postérieur (ou dorsal) correspond à la partie arrière. Médial signifie proche de l’axe longitudinal, alors que latéral signifie éloigné de cet axe. Le terme proximal désigne ce qui est proche du point d’attache au corps, et distal ce qui en est éloigné. Par exemple, le coude est dit proximal par rapport au poignet, et la cheville est dite distale par rapport au genou. Enfin, superficiel s'oppose à profond pour les structures éloignées de la surface cutanée.
Dynamique et cinématique : les forces régissant le mouvement du kitesurfeur
La biomécanique scientifique est l’application des lois de la mécanique - telles que Newton, l’énergie, la force, et le moment de force - à l’étude du corps humain. La force est ce qui modifie ou tend à modifier l'état d'un corps, sa direction ou le déformer. Elle est caractérisée par son intensité, sa direction et son sens. Un point d'application (par exemple l'insertion musculaire) permet de stabiliser ou de mouvoir les segments. La biomécanique se concentre sur deux aspects principaux : comment les forces agissent sur le corps humain et comment le corps réagit à ces forces. Ces forces peuvent être internes comme celles générées par les muscles, les os et les ligaments, ou externes comme la gravité et la friction.
Le moment de force (ou torque) est produit par une force appliquée à une certaine distance de l'axe de rotation. Il rend compte de "l'efficacité" de la force en rotation. Le centre de masse (ou centre de gravité) est le point théorique où toute la masse du corps est considérée comme concentrée ; il est crucial pour l'équilibre pendant le mouvement. Les premières recherches expérimentales ont établi que le centre de masse du corps en position debout se situe à environ 56.7 % de la hauteur du corps, mesuré à partir du sol.
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Dans l'analyse du mouvement, on distingue la cinématique et la cinétique. La cinématique est l'étude des mouvements sous l'angle de la géométrie du mouvement (vitesse, accélération, trajectoire) sans considérer les causes. La cinétique concerne les forces qui causent les mouvements, telles que la force musculaire et la friction. Par exemple, lors d'un saut en kitesurf, le corps subit une accélération gravitationnelle (g soit 9,81 m/s2) dirigée vers le bas, tandis que l'aile génère une force de traction vers le haut et l'avant. L'accélération est provoquée par l'inertie au mouvement d'une masse en déplacement. Chaque mouvement du corps humain est un équilibre subtil entre force, équilibre et timing.
Mécanique de la locomotion et modèle de la "bille à ressort"
La notion moderne de la locomotion englobe tous les déplacements des organismes vivants dans les milieux réels. Pour comprendre les facteurs qui contribuent à la réalisation d'un geste technique, un athlète en mouvement peut être amalgamé à une bille lancée à plus ou moins grande vitesse. À chaque fois qu’il touche le milieu (eau ou sol), le corps se comporte comme un ressort capable de recevoir et de restituer de l’énergie. L'énergie dont nous parlons provient du produit de la masse par la vitesse au carré : l'énergie cinétique. Parce que l'athlète est en mouvement et qu'il a une certaine masse, il envoie de l'énergie à son support à chaque appui.
Dans l'analyse chronologique d'un appui, on distingue plusieurs phases. L’amortissement débute à l’instant où le contact se fait et se termine au moment où la projection verticale du centre de gravité coïncide avec la verticale de l’appui. Pendant la durée de cette phase, la force de réaction est orientée dans le sens inverse du déplacement. On a longtemps considéré ce moment comme un handicap, mais l'amortissement n'est pas si négatif qu'on le pense : il devient la base du renvoi. Il permet une réorientation du centre de gravité. La phase de soutien correspond au moment où le centre de gravité est à l’aplomb de l’appui. Enfin, la poussée est le moment moteur par excellence, où la composante des forces est orientée dans le sens du déplacement.
Le corps humain est un système articulé dont les muscles travaillent toujours en synergie. Lors d’une action dynamique, la réaction du milieu génère une force égale et opposée à l’impact. Le ressort subit une pression qui tend à le comprimer. L’action des muscles, notamment par une mise en tension avec augmentation de longueur des fibres (contraction excentrique), permet de contrecarrer la tendance à l’affaissement. Cette énergie reçue tend à "aplatir" l'athlète, mais grâce aux structures élastiques, elle peut être emmagasinée.
Énergie chimique et énergie élastique : le concept d'énergie gratuite
Vous serez peut-être surpris d'apprendre que si votre "style" respecte certains principes mécaniques, vous pouvez parcourir une partie de votre trajet "gratuitement", sans dépenser la moindre once d'énergie physiologique. La performance utilise deux types d'énergies : une énergie payante et une énergie gratuite. L'énergie chimique est le fait des transformations se déroulant au sein du muscle, qui coûtent chères en réserves énergétiques et en transport d'oxygène. Heureusement, une partie de l'énergie transformée en mouvement peut être recouvrée.
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Certaines structures corporelles sont capables de récupérer une partie de l'énergie cinétique transmise au corps. Nous pouvons assimiler l'énergie chimique à l'énergie qui coûte et l'énergie élastique à l'énergie gratuite. Cette dernière provient de la récupération d'énergie cinétique dans les structures élastiques du corps, comme les tendons. Hill a classé les composantes élastiques en trois catégories : les composants musculaires séries et parallèles et les composantes tendineuses. Pareils à l'élastique, ces structures s'étendent avant de renvoyer l'énergie. Ce mécanisme suit la loi de Starling laquelle stipule qu'un muscle préalablement étiré se raccourcit plus efficacement.
Pour la course et les sauts, le tendon d'Achille est l'élastique principal de notre corps. Il restitue au moment du renvoi environ 90% de l'énergie stockée. Le deuxième élastique semble être la voûte plantaire. Le kangourou, par exemple, dépense moins d'énergie à 30 km/h qu'à 20 km/h car il sait tirer profit du principe de l'élastique avec un tendon d'Achille démesuré. Les athlètes d'élite sont plus "kangourous" que les autres. L'élasticité augmenterait l'efficacité de la conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique de 25 à 40%. Pour mettre cette énergie en réserve, il convient que les élastiques se trouvent en pré-tension au moment de l'impact, ce que les techniciens appellent parfois "mise en tension de placement" ou "avance à l'allumage".
Technologies et instrumentation pour l'analyse du mouvement humain
La biomécanique moderne s’appuie sur une panoplie d’outils technologiques avancés qui permettent d’analyser le mouvement avec une précision incroyable. La capture du mouvement en 3D est l’un des outils les plus utilisés. Des caméras à haute vitesse capturent les mouvements (entre 100 et 500 images par seconde) pour une analyse détaillée. La chronophotographie, inventée par Étienne-Jules Marey sur la base de ses travaux avec Muybridge, permettait déjà de décomposer le mouvement en clichés successifs. Aujourd'hui, les caméras numériques offrent une capacité de stockage accrue et une utilisation instantanée.
L’électromyographie (EMG) est l'enregistrement de l'activité électrique musculaire. Les premières utilisations ont été réalisées entre 1920 et 1930 par Wachholder et Altenbürger, démontrant que les muscles sont bien à l’origine du mouvement des segments. L’EMG représente ou indique l’entrée neurale du muscle. Scherb a appelé sa méthode de diagnostic la myokinésiologie. Cependant, l'interprétation de l'EMG dans les cas dynamiques reste parfois incertaine.
Les plates-formes de force mesurent les forces de réaction du sol ou du support. Jules Amar inventa l’ancêtre de cet appareil, le “trottoir dynamographique”, pour la rééducation. La première plateforme de force moderne fut décrite par Elftman dans la revue Science en 1938. Elle se compose souvent de capteurs de force (jauges d'extensométrie) reliant des plateaux rigides. Ces capteurs traduisent la déformation du métal en grandeur électrique selon les règles de la résistance des matériaux (R.D.M.). On utilise souvent un pont de Wheatstone pour mesurer ces variations de résistance. Les capteurs IMU (inertiels) sont également de plus en plus courants car ils permettent de recueillir des données en temps réel en dehors des contraintes d'un laboratoire.
Modélisation et optimisation de la performance technique
La modélisation est le noyau théorique de la biomécanique. Elle permet d'évaluer les paramètres qui influencent la performance et d'identifier d'éventuelles relations entre les variables choisies. Pour l’analyse du geste sportif, il est possible de décomposer le corps en un ensemble de segments assemblés les uns aux autres grâce aux articulations. Ce système articulé permet de simplifier la description des mouvements effectués. L'amélioration de la performance n'est possible que si le corps reste intact et résistant aux blessures.
Dans des sports comme le kitesurf ou le volley-ball, l'analyse biomécanique permet de détecter des désalignements segmentaires qui entraînent une perte de force ou un risque accru de blessure. Par exemple, l'étude de la dynamique inverse permet de déterminer les forces internes nécessaires pour produire un mouvement donné, basé sur les lois de Newton. La force totale peut être exprimée par la formule F = m × (g + a). En EPS ou en entraînement de haut niveau, la biomécanique joue un rôle pédagogique essentiel : expliquer comment fléchir les genoux, positionner le tronc et balancer les bras pour transformer le geste quotidien en geste optimal.
L'analyse de la technique consiste à identifier les aspects des mouvements pouvant être ajustés pour augmenter l'efficacité énergétique. La biomécanique permet de réduire l’énergie perdue pendant le mouvement. En natation, on analyse les forces hydrodynamiques ; en saut en longueur, on ajuste l'angle de décollage de 15 degrés pour maximiser la portée. On ne peut pas améliorer ce qu’on ne mesure pas. La biomécanique est la science qui révèle l’invisible du mouvement, transformant chaque geste sportif en science et chaque performance en art.
Biomécanique articulaire : complexité et spécificité des segments
Le corps humain est une structure complexe dont chaque articulation possède ses propres propriétés mécaniques. L'os est un matériau vivant, en perpétuel renouvellement grâce aux ostéoblastes, tandis que les ostéoclastes le détruisent. Le cartilage est un élément amortisseur élastique à la surface excessivement lisse. Les articulations les plus sollicitées, comme la hanche, le genou et la cheville, supportent le poids du corps. La structure de l'articulation détermine l'amplitude possible du mouvement.
Au niveau du genou, l'évasement supérieur du tibia (plateau tibial) et la forme des condyles permettent de répartir les contraintes importantes. La stabilité est augmentée lorsque les ligaments latéraux sont tendus. Le pied, quant à lui, est un amortisseur de corps complexe, avec sa voûte plantaire agissant comme un second élastique limité. On distingue différentes formes de pieds : égyptien (premier orteil plus grand), grec ou carré. La main est un outil multiprise et adaptatif, dont la structure permet la préhension mais présente des risques d'arthrose sous contraintes répétées.
Le tronc et le bassin jouent un rôle crucial dans la posture, qui raconte l'histoire d'un individu. Le mouvement de nutation réduit l'hyperlordose et facilite certains processus physiologiques. La colonne vertébrale doit allier rigidité pour le soutien et mobilité pour le mouvement. Les muscles agonistes produisent le mouvement, tandis que les antagonistes s'y opposent pour offrir stabilité et contrôle. Cette synergie musculaire est l'interaction coordonnée de plusieurs muscles pour accomplir une tâche motrice spécifique.