Biomechanics of Sport Sport and Exercise

Couverture du cours gratuit de la biomรฉcanique du sport

La biomรฉcanique est une science interdisciplinaire qui รฉtudie les concepts de la mรฉcanique appliquรฉs aux sciences du vivant. Elle รฉvolue ร  la frontiรจre entre la biologie et la mรฉcanique en sโ€™appropriant les connaissances dโ€™un grand nombre dโ€™autres disciplines scientifiques.

De nombreuses catรฉgories constituent la biomรฉcanique. Lโ€™une dโ€™entre elles est la biomรฉcanique du sport et de lโ€™exercice qui a pour but dโ€™รฉtudier principalement le mouvement du corps humain et son interaction avec le milieu dans lequel il รฉvolue. Cโ€™est un sujet trรจs complexe. Le corps humain est un systรจme articulรฉ dont les muscles sont les moteurs internes qui permettent le mouvement. Cette structure est dirigรฉe hiรฉrarchiquement par le cerveau et le systรจme nerveux. Voila pourquoi lโ€™utilisation des connaissances et des expรฉriences de diffรฉrentes disciplines scientifiques est nรฉcessaire ร  sa totale comprรฉhension.

Les applications de la biomรฉcanique se dรฉveloppent et sโ€™รฉlargissent constamment, car pratiquement toute lโ€™activitรฉ humaine est liรฉe ร  lโ€™interaction mรฉcanique entre le corps et le milieu dans lequel il รฉvolue. Parmi les diffรฉrentes applications de la biomรฉcanique, il est possible de citer lโ€™รฉtude de la locomotion, la conception de prothรจses et dโ€™orthรจses, lโ€™amรฉlioration de la performance sportive, la conception dโ€™รฉquipements sportifs, lโ€™รฉtude du vivant dans des interactions mรฉcaniques complexes comme dans des milieux aรฉriens, aquatiques, en apesanteur, les รฉtudes dโ€™interaction homme-machine, ainsi que la robotique, etc.

A travers diffรฉrents chapitres, le cours de Biomรฉcanique du Sport et de lโ€™exercice sโ€™attachera ร  vous expliquer les bases fondamentales quโ€™il est nรฉcessaire de maรฎtriser pour mieux apprรฉhender ensuite les performances du corps humain lors du mouvement et dโ€™exercices. Nโ€™hรฉsitez pas ร  consulter le site rรฉguliรจrement, le cours sera mis ร  jour, chapitre aprรจs chapitre.

I. Histoire et dรฉveloppement de la biomรฉcanique

A. L’Antiquitรฉ

Figure 1. Une gravure sur bois reprรฉsentant la rรฉduction dโ€™une รฉpaule luxรฉe avec un dispositif hippocratique.

Le dรฉveloppement de la biomรฉcanique est tout dโ€™abord nรฉ dโ€™un intรฉrรชt scientifique pour le corps humain et son anatomie. Les traces attestant dโ€™un tel intรฉrรชt se retrouvent dans des papyrus รฉgyptiens datรฉs de 1700-1600 av. J.-C., comme le papyrus Edwin Smith ou le papyrus Ebers. Ces connaissances devaient certainement รชtre nรฉcessaires aux techniques dโ€™embaumement, nรฉanmoins lโ€™anatomie en รฉtait encore ร  un stade peu avancรฉe. Aux environs du 4รจme siรจcle avant notre รจre, Hippocrate (460-377 av. J.-C.) fonde la mรฉdecine moderne, nรฉanmoins lโ€™interdiction de la dissection du corps humain limite les connaissances anatomiques et physiologiques. Cependant, Hippocrate se base sur la logique et la rรฉflexion pour soigner les maladies et les blessures articulaires (Fig. 1).

Dans le courant du 2รจme siรจcle, Claude Galien (130-201 ou 216), mรฉdecin de lโ€™empereur romain Marc Aurรจle, a contournรฉ lโ€™interdiction de dissection du corps humain en รฉtudiant lโ€™anatomie animale, et notamment celle du singe Magot. Ces connaissances anatomiques, souvent erronรฉes, resteront inchangรฉes plus de 1300 ans โ€“ jusquโ€™aux dissections humaines faites par le mรฉdecin flamand Andreas Vesalius (1514-1564) qui rรฉvolutionnera lโ€™anatomie et lโ€™รฉtude du corps humain.

B. La Renaissance est une des pรฉriodes les plus prospรจres pour la connaissance scientifique

Cependant, cโ€™est Leonard de Vinci (1452-1519) qui fut lโ€™un des premiers ร  dissรฉquer des รชtres humains. Nous lui devons notamment de nombreuses descriptions anatomiques des os, des articulations et des muscles. Dans son essai Codex Atlanticus, Leonard de Vinci rรฉalise les premiรจres descriptions approfondies de la mรฉcanique des mouvements humains dans les diffรฉrents plans de lโ€™espace (Fig. 2). Il souligne dโ€™ailleurs que “la science de la mรฉcanique est en cela si noble et utile en comparaison ร  toutes les autres sciences, quโ€™il se peut que tous les organismes vivants ayant la possibilitรฉ de se mouvoir soient rรฉgis selon ses lois”.

Figure 2. ร‰tude des mouvements du bras et de l’avant-bras.

La mรฉcanique devient une science ร  part entiรจre grรขce ร  Galilรฉe (1564-1642). En effet, celui-ci sโ€™intรฉresse trรจs jeune ร  la mรฉcanique et aux mouvements. Il รฉtudie la mรฉdecine et la physique, il confirme plusieurs thรฉorรจmes sur le centre de gravitรฉ et sโ€™intรฉresse ร  la chute des corps et aux pendules. Grรขce ร  ces รฉtudes, Galilรฉe utilise le pendule pour mesurer le pouls. Des expรฉrimentations et analyses de Galilรฉe sur la mรฉcanique des systรจmes vivants existent dans son ล“uvre รฉcrite en 1638 Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica e i movimenti locali.

Lโ€™un des premiers essais dโ€™analyse scientifique du mouvement dโ€™organismes vivants (i.e., la locomotion) dans lโ€™espace est de Giovanni Alfonso Borelli (1608โ€“1679). Pour cela, il sโ€™est appuyรฉ sur la thรฉorie de la mรฉcanique de Galilรฉe. Dans son ล“uvre De motu animalium (1679), il compare la locomotion de lโ€™homme avec le mouvement dโ€™une petite barque et de son rameur et constate les similitudes entre lโ€™appui du pied sur le sol et lโ€™appui de la pelle de la rame dans lโ€™eau. Dans la deuxiรจme partie de son livre, il sโ€™essaie ร  lโ€™explication des forces internes, c’est-ร -dire les contractions musculaires. Borelli a รฉtudiรฉ la locomotion sur terre, dans lโ€™eau et dans lโ€™air avec la marche des animaux, la nage des poissons et le vol des oiseaux.

C. Le XIXรจme siรจcle et lโ€™analyse scientifique du mouvement

La notion moderne de la locomotion englobe tous les dรฉplacements des organismes vivants dans les milieux rรฉels. Chez lโ€™homme, la marche est une locomotion terrestre trรจs complexe dans laquelle participe pratiquement tout le systรจme locomoteur โ€“ environ 200 os, 320 muscles squelettiques et de nombreuses articulations. Les premiรจres recherches expรฉrimentales de la locomotion humaine sont rรฉalisรฉes ร  Gรถttingen par les frรจres Wilhelm and Eduard Weber en 1836. Ils รฉtablissent que le centre de masse du corps en position debout se situe ร  environ 56.7 % de la hauteur du corps, mesurรฉ ร  partir du sol. Lors de la marche, ils mesurent la longueur et la frรฉquence des pas ร  diffรฉrentes vitesses. Ils constatent que :

Figure 3. Sรฉries de photographies reprรฉsentant le galop d’un cheval par Muybridge, 1887.
  • Le centre de gravitรฉ du corps sโ€™abaisse avec lโ€™augmentation de la vitesse de la marche.
  • Le temps du double appui (i.e., lorsque les deux pieds sont en appui au sol) diminue avec lโ€™augmentation de la vitesse de la marche.
  • Pendant la phase de dรฉplacement, lโ€™appui du pied au sol crรฉe un point de fixation qui permet un mouvement de pendule inversรฉ au membre infรฉrieur.

Lโ€™intรฉrรชt de la recherche sur la locomotion humaine sโ€™accroรฎt lorsquโ€™Eadweard Muybridge (1830-1904) rรฉalise les premiรจres photographies successives dโ€™un mouvement dans lโ€™espace. A lโ€™รฉpoque, une polรฉmique existait quant ร  savoir si lors dโ€™un galop, les quatre pattes du cheval pouvaient รชtre en lโ€™air simultanรฉment. En 1878, Muybridge dispose 12 appareils photographiques sur une ligne. Un cheval au galop sโ€™รฉlance et dรฉclenche chaque appareil en passant devant lui. Cette premiรจre suite de photographies prouve quโ€™il existe une phase oรน les 4 pattes du cheval sont en lโ€™air simultanรฉment (Fig. 3).

Intรฉressรฉ par les travaux de Muybridge, le scientifique franรงais ร‰tienne-Jules Marey (1830-1904) prend contact avec lui en 1881, il veut รฉtudier la mรฉcanique du vol des oiseaux. A cette รฉpoque, le pรดle d’influence de la recherche scientifique se trouve en France. Le leader est E.J. Marey โ€“ Professeur au Collรจge de France. Dans ce groupe, participent des scientifiques tels que CarletDemeny et Pages. Le groupe publie quelques รฉtudes importantes โ€“ Marey (1872), Carlet (1872), Marey (1873, 1874).

Figure 4. Le fusil photographique de Marey.

Adolf Fick (1860,1866) et Guillaume-Benjamin Duchenne (1867,1873) ont contribuรฉ de maniรจre significative ร  une meilleure comprรฉhension du fonctionnement des systรจmes musculaires et articulaires.

A partir de sa rencontre avec Muybridge, Marey crรฉe le fusil photographique en 1882 (Fig. 4). Cโ€™est un appareil portatif qui permet de prendre 12 clichรฉs sur une mรชme plaque grรขce ร  un obturateur rotatif. Il permet de dรฉcomposer et dโ€™รฉtudier facilement le mouvement. Sur la base du fusil, Marey invente le chronophotographe. Cโ€™est un appareil fixe qui fonctionne sur le mรชme principe que le fusil.

La mรชme annรฉe, Marey crรฉe la station physiologique du Parc des Princes, financรฉe par lโ€™รฉtat franรงais dans le but de soutenir lโ€™effort de guerre par la recherche scientifique. Dans ce but, il รฉtudie le mouvement humain (i.e., la marche, la course, le saut, etc.) en photographiant de profil les sujets sur un fond noir.

Chaque sujet portait une combinaison noire sur laquelle รฉtaient cousues des bandes blanches pour reprรฉsenter les segments corporels. Le rรฉsultat final obtenu est un kinogramme (Fig. 5). Cette mรฉthode est toujours utilisรฉe mรชme si les appareils numรฉriques remplacent dรฉsormais le chronophotographe, et des marqueurs rรฉflรฉchissants remplacent les bandes blanches.

Figure 5. Combinaison spรฉciale de Marey et kinogramme obtenu ร  l’aide de la chronophotographie pour l’analyse du mouvement.

Christian Wilhelm Braune (1831-1892) et Otto Fischer (1861โ€“1917) sโ€™inspirent fortement des travaux de Marey. Apres la mort de Braune, Fischer amรฉliore la technique dโ€™รฉtude du mouvement de Marey en utilisant quatre appareils chronophotographiques. Lors de lโ€™รฉtude de la marche, les expรฉrimentations et lโ€™analyse des donnรฉes sont plus prรฉcises, et les rรฉsultats plus significatifs. Il conclue que pendant la marche, le membre inferieur nโ€™a pas un pur comportement de pendule et que cela dรฉpend des forces musculaires. Ces conclusions contredisent celles des frรจres Weber.

D. Le XXรจme siรจcle : La biomรฉcanique comme science moderne

Figure 6. Cyclogramme du poignet lors d’un mouvement de forge au laboratoire de l’Institut Centrale du Travail, Russie.

Fils dโ€™Adolf Fick et รฉtudiant dโ€™Otto Fischer, Rudolf Fick est lโ€™auteur dโ€™un livre dโ€™anatomie publiรฉ au dรฉbut du 20รจme siรจcle intitulรฉ Manuel dโ€™anatomie et mรฉcanique des articulations. Dans les trois parties qui constituent le livre sont dรฉtaillรฉs prรฉcisรฉment chaque muscle et articulation.

A cette รฉpoque, les travaux de Jules Amar (1879-1935) prennent une importance significative en liant les thรฉories du mouvement articulaire ร  la physiologie humaine pour la rรฉรฉducation de patients amputรฉs qui nรฉcessitent des prothรจses. Pour cela, Amar invente le “trottoir dynamographique” qui permet de mesurer les forces appliquรฉes au sol par les patients, il lโ€™utilise pour adapter les prothรจses aux patients. Cet appareil est lโ€™ancรชtre de la plateforme de force quโ€™il est possible de retrouver quasiment dans chaque laboratoire de biomรฉcanique de nos jours. La premiรจre guerre mondiale est la cause dโ€™un grand nombre dโ€™amputations des membres infรฉrieurs et supรฉrieurs. De ce fait, lโ€™attention de nombreux chercheurs (e.g.Mommsen (1918), Shede (1918), Bloch (1919), Schmetz (1921), Verth (1927), etc.) sโ€™est portรฉe sur lโ€™รฉtude du mouvement et la rรฉalisation de prothรจses.

En Russie, le dรฉveloppement de la biomรฉcanique commence avec les travaux du physiologiste Ivan Sechenov (1829-1905) et du physicien et anatomiste Peter Lesgaft (1837-1909). Cependant, cโ€™est Nikolai Bernstein (1896-1966), neurophysiologiste mais ayant suivi une formation en mรฉcanique et mathรฉmatique, qui reprรฉsente la biomรฉcanique russe au niveau internationale. Ce scientifique et ces collaborateurs ont analysรฉ le mouvement humain, notamment pour optimiser la performance des ouvriers (Fig. 6). Cโ€™est Bernstein qui a nommรฉ le terme biomรฉcanique pour designer l’รฉtude du mouvement ร  travers l’application des principes mรฉcaniques.

Figure 7. 1รจre plateforme de force moderne, crรฉe par Elftman et publiรฉ dans Science en 1938.

En 1938, fut publiรฉ un livre fondamental sur la biomรฉcanique du sport intitulรฉ Les mouvements du corps humain รฉcrit par Michael Ivanitski (1895โ€“1969). Il fut lโ€™auteur de plus de 100 articles scientifiques basรฉs sur l’anatomie fonctionnelle du mouvement par rapport ร  la pratique de l’รฉducation physique et sportive. Des scientifiques russes de la moitiรฉ du 20รจme siรจcle, il faut considรฉrer Lev Nikolaev (1898-1954) dont lโ€™ouvrage Guide de la biomรฉcanique appliquรฉe ร  l’orthopรฉdie, la traumatologie et les prothรจses (1947-1950) montre son expรฉrience acquise lors de la seconde guerre mondiale.

Dans les annรฉes 1930, le scientifique allemand Basler travaille sur la locomotion. Il sโ€™intรฉresse notamment au centre de gravitรฉ du corps humain. Il conรงoit un dynamomรจtre spรฉcial qui lui permet dโ€™รฉtudier les forces de rรฉaction du pied sur le sol ร  la fois verticalement et horizontalement.

Les premiรจres utilisations de lโ€™รฉlectromyographie (i.e., lโ€™enregistrement de lโ€™activitรฉ รฉlectrique musculaire) ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes entre 1920 et 1930 par Wachholder et Altenbรผrger. En รฉtudiant lโ€™activitรฉ musculaire lors de diffรฉrents mouvements, ils dรฉmontrent que les muscles sont bien ร  lโ€™origine du mouvement des segments. Les travaux de ces auteurs auront une influence majeure dans le domaine de lโ€™apprentissage moteur et de la coordination musculaire.

Scherb, un scientifique suisse, publie dans les annรฉes 1940 ses travaux sur lโ€™activitรฉ musculaire. Il enregistre lโ€™activitรฉ รฉlectrique musculaire de diffรฉrents muscles lors de la marche sur tapis roulant. Il appelle sa mรฉthode, la myokinรฉsiologie. Il utilise ses rรฉsultats pour diagnostiquer dโ€™รฉventuels problรจmes musculaires et effectuer des contrรดles aprรจs transplantation musculaire. Il est un des premiers scientifiques ร  soutenir lโ€™idรฉe que pour des activitรฉs automatiques telle que la marche, la stratรฉgie neuromusculaire sโ€™apprend grรขce ร  lโ€™expรฉrience et sโ€™enregistre profondรฉment pour la vie entiรจre.

Entre 1938 et 1943, diffรฉrentes expรฉrimentations scientifiques menรฉes par le scientifique amรฉricain Elftman se sont dรฉroulรฉes dans une universitรฉ colombienne. Il รฉtudiait la rรฉpartition des masses au niveau des pieds, la fonction des bras pendant la marche, les rotations du corps, les forces de rรฉaction du sol pendant la marche, etc. Son nom est surtout liรฉ ร  la conception de la premiรจre plateforme de force moderne dont le fonctionnement fut dรฉcrit dans la cรฉlรจbre revue scientifique Science en 1938 (Fig. 7).

A la fin de la seconde guerre mondiale, la recherche expรฉrimentale en biomรฉcanique en Allemagne est pratiquement arrรชtรฉe et elle est fortement affaiblie dans le reste de lโ€™Europe. Pour des raisons รฉvidentes, sont financรฉs uniquement des travaux portant sur lโ€™aide aux millions dโ€™invalides par la construction de prothรจses, dโ€™orthรจses et de recherches en orthopรฉdie. Le pรดle dโ€™influence scientifique se dรฉplace alors en Amรฉrique du Nord. Cependant vers la fin du 20รจme siรจcle, les sciences d’analyse du mouvement se dรฉvelopperont de nouveaux en Europe et en Asie.

II. Description anatomique du mouvement

En biomรฉcanique du sport et de l’exercice, l’analyse descriptive d’une position ou d’un mouvement dans l’espace doit รชtre comprรฉhensible par tous. Pour cela, une codification du langage a รฉtรฉ mise en place afin que toutes les personnes dรฉsireuses de communiquer entre elles sur l’analyse du mouvement puissent se faire comprendre clairement. L’objectif de ce deuxiรจme chapitre est de vous fournir et de vous expliquer cette terminologie scientifique spรฉcifique utile ร  une bonne comprรฉhension de la description anatomique d’une position ou d’un mouvement.

Figure 8. Position anatomique de rรฉfรฉrence.

A. Plans et axes de rรฉfรฉrence

Pour dรฉcrire une position ou un mouvement, il est nรฉcessaire de pouvoir expliquer quelle est la situation du sujet par rapport ร  l’observateur (i.e., comment l’observateur voit le sujet : de face, de dos, de 3/4, latรฉralement, etc.) et de quelle maniรจre le sujet effectue son mouvement (e.g., le sujet effectue une rotation mais est-ce d’avant en arriรจre, de droite ร  gauche ?). Pour rรฉpondre ร  ces interrogations, nous allons nous servir des plans et des axes de rรฉfรฉrence qui sont dรฉfinis par rapport ร  la position standard anatomique humaine, position dite de Paul Poirier.

Cette position anatomique se dรฉcrit de la maniรจre suivante (Fig. 8) :

  • Le sujet est en position debout, face ร  l’observateur.
  • Le regard est droit, ร  l’horizontale, tournรฉ vers lโ€™avant, perpendiculaire au grand axe du corps.
  • les bras sont sur les cotรฉs, รฉtendus le long du corps.
  • Les paumes des mains sont tournรฉes vers lโ€™avant, c’est-ร -dire en supination.
  • Les pieds sont serrรฉs et parallรจles. Leurs pointes sont lรฉgรจrement รฉcartรฉes.

1. Les plans

ร€ partir de la position anatomique de rรฉfรฉrence, on dรฉcrit trois plans imaginaires en 2 dimensions qui passent par le centre de gravitรฉ 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. Ils sont reprรฉsentรฉs en Figure 9 et dรฉcrits ci-aprรจs. Le plan est une vue 2D d’un corps ou d’un objet.

a. Le plan sagittal

C’est un plan vertical qui passe par la ligne mรฉdiane du corps et le divise en deux parties symรฉtriques, droite et gauche (Fig. 9). Cโ€™est dans ce plan que des activitรฉs telles que la marche, la course ร  pied et le saut en longueur par exemple sont le plus souvent รฉtudiรฉes.

b. Le plan frontal

C’est un plan vertical perpendiculaire au plan sagittal qui divise le corps en deux parties symรฉtriques, antรฉrieure (ventrale) et postรฉrieure (dorsale) (Fig. 9). Cโ€™est dans ce plan que les mouvements de dรฉhanchement au cours de la marche et de la course ร  pied, l’aire projetรฉe des cyclistes ou la torsion des chevilles sont รฉtudiรฉs.

c. Le plan transversal

C’est un plan horizontal, parallรจle au sol, qui divise le corps en deux parties symรฉtriques, supรฉrieure (du cรดtรฉ de la tรชte) et infรฉrieure (du cรดtรฉ des pieds) (Fig. 9). Cโ€™est dans ce plan que les torsions des รฉpaules par rapport aux hanches seront observรฉes.

Figure 9. Les plans anatomiques de rรฉfรฉrence.

Pensez รฉgalement qu’en plus de ces 3 plans de rรฉfรฉrence, il existe une multitude de plans parallรจles ร  ceux-ci dans lesquels il est possible d’รฉtudier une partie du mouvement en isolant une fraction du corps. Les plans permettent la translation, c’est-ร -dire le dรฉplacement rectiligne d’un objet. Nous reviendrons plus tard dans le cours sur ces notions.

2. Les axes

Vous pouvez vous reprรฉsenter un axe comme une ligne imaginaire autour de laquelle sโ€™effectue une rotation ou bien comme une ligne qui reprรฉsente une direction que suit un objet. Prenons comme exemple une roue de bicyclette, au centre du moyeu de la roue se trouve l’axe de rotation (la roue tourne bien autour de cette axe) tandis que la roue dรฉcrit un plan perpendiculaire ร  lโ€™axe. Les axes peuvent รชtre dรฉfinis par lโ€™intersection de deux plans, par exemple, l’axe longitudinal est ร  l’intersection du plan sagittal et du plan frontal. Les axes anatomiques de rรฉfรฉrence sont au nombre de 3 : antรฉro-postรฉrieurtransversal et longitudinal (Fig. 10). Ils sont dรฉfinis perpendiculairement aux plans de que nous venons de dรฉcrire.

a. L’axe antรฉro-postรฉrieur

Il passe horizontalement d’arriรจre en avant et est formรฉ par l’intersection des plans sagittaux et transversaux. Il est perpendiculaire au plan frontal (Fig. 10). Lorsqu’une gymnaste effectue une roue, son corps tourne autour de cet axe.

b. L’axe transversal

Il passe horizontalement de gauche ร  droite et est formรฉ par lโ€™intersection des plans frontaux et transversaux. Il est perpendiculaire au plan sagittal (Fig. 10). Lors d’une roulade ou d’un salto, le corps tourne autour de cet axe.

c. L’axe longitudinal

Il passe verticalement de haut en bas et est formรฉ par l’intersection des plans sagittaux et frontaux. Il est perpendiculaire au plan transversal (Fig. 10). En danse classique, lors d’une pirouette, le corps tourne autour de cet axe.

Figure 10. Les axes anatomiques de rรฉfรฉrence.

3. Orientation dans l’espace

Les plans et les axes reprรฉsentent la structure globale de l’analyse descriptive d’une position ou d’un mouvement. Nรฉanmoins, il convient d’utiliser des termes qui permettent d’รชtre encore plus prรฉcis pour dรฉcrire selon quel point de vue nous observons un corps, mobile ou non. Tous les termes sont illustrรฉs en Figure 11.

a. Antรฉrieur vs. Postรฉrieur

Antรฉrieur (ou ventral) : Si vous regardez le corps humain dans le plan sagittal, le plan frontal ou l’axe longitudinal divise le corps en deux parties. Antรฉrieur correspond ร  la partie avant du corps (Fig. 11). Par exemple, le nez se situe sur la face antรฉrieure de la tรชte et les pectoraux sont sur la face antรฉrieure du corps humain.

Postรฉrieur (ou dorsal) : Si vous regardez le corps humain dans le plan sagittal, le plan frontal ou l’axe longitudinal divise le corps en deux parties. Postรฉrieur correspond ร  la partie arriรจre du corps (Fig. 11). Par exemple, les omoplates et les fesses se situent sur la face postรฉrieure du corps humain. Dorsal dรฉsigne aussi la face arriรจre de la main et la face supรฉrieure du pied.

b. Mรฉdial vs. Latรฉral

Mรฉdial : Lorsque vous observez le plan frontal, ce qui est mรฉdial est proche de l’axe longitudinal du corps humain (Fig. 11). Par exemple, dans le plan frontal, les yeux sont plus mรฉdians que les oreilles.

Latรฉral : Lorsque vous observez le plan frontal, ce qui est latรฉral est รฉloignรฉ de l’axe longitudinal du corps humain (Fig. 11). Par exemple, les oreilles sont latรฉrales par rapport aux yeux.

c. Infรฉrieur vs. Supรฉrieur

Supรฉrieur (ou Crรขnial) : Le corps humain est divisรฉ en deux parties par le plan transversal, la partie supรฉrieure correspond ร  la partie haute, c’est-ร -dire la portion la plus รฉloignรฉe des pieds en position debout (Fig. 11). Par exemple, la poitrine est supรฉrieure ร  l’abdomen.

Inferieur (ou Caudal): Le corps humain est divisรฉ en deux parties par le plan transversal, la partie infรฉrieure correspond ร  la partie basse, c’est-ร -dire la portion la plus รฉloignรฉe de la tรชte en position debout (Fig. 11). Par exemple, les jambes sont infรฉrieures aux cuisses.

d. Proximal vs. Distal

Proximal : Le terme proximal dรฉsigne ce qui est proche du point dโ€™attache au corps (Fig. 11). Par exemple, le coude est dit proximal par rapport au poignet. En effet, le coude est plus proche de l’articulation de l’รฉpaule (i.e., le point d’attache au corps) que ne l’est le poignet.

Distal : A l’inverse, distal dรฉsigne ce qui est รฉloignรฉ du point dโ€™attache au corps) (Fig. 11). Par exemple, la cheville est dit distale par rapport au genou. En effet, la cheville se trouve plus prรจs de l’extrรฉmitรฉ du membre infรฉrieur que le genou.

e. Superficiel vs. Profond

Superficiel (i.e., prรจs de la surface) : Cela correspond aux structures proches de la surface du corps. Par exemple, la peau est superficielle par rapport aux muscles.

Profond (i.e.,ร  lโ€™intรฉrieur) : Cela correspond aux structures รฉloignรฉes de la surface. Par exemple, les os sont profonds par rapport ร  la peau. Vous entendrez รฉgalement parler des muscles profonds, comme les muscles รฉrecteurs du rachis, par exemple.

B. Rรฉfรฉrences anatomiques corporelles

Pour l’analyse du geste sportif, il est possible de dรฉcomposer le corps en un ensemble de segments assemblรฉs les uns autres grรขce aux articulations. Il devient ainsi plus simple de dรฉcrire les mouvements effectuรฉs. Cette partie a essentiellement pour objectif de vous faire comprendre la modรฉlisation simple du corps humain afin de vous prรฉparer pour les parties suivantes. Quelques notions d’anatomie seront abordรฉes ici, mais elles seront dรฉveloppรฉes dans un cours dรฉdiรฉ.

1. Segments corporels et articulations

Bien qu’il soit une structure trรจs complexe, vous pouvez rรฉduire le corps humain a une structure basique composรฉ de segments. Ces segments sont reliรฉs entre eux par des articulations. Comme leur nom l’indique, les articulations servent ร  articuler les segments les uns par rapport aux autres. Elles permettent donc le mouvement.

Figure 12. Segments corporels et articulations principales du corps humain.
a. Segments corporels

Pour dรฉlimiter les segments corporels sur un sportif, les biomรฉcaniciens utilisent des repรจres anatomiques osseux prรฉcis, palpables sous la peau. C’est ainsi que sont mesurรฉs les segments corporels (Fig. 12). Voici la liste des segments corporels utilisรฉs en biomรฉcanique :

  • Tรชte et cou : Sommet du crรขne – Vertรจbres C7-T1
  • Tronc (Thorax, Abdomen et Bassin) : Acromion – Grand trochanter
  • Membres supรฉrieurs (reliรฉs entre eux par la ceinture scapulaire) :
  • Bras :ย Acromion – Olรฉcrane
  • Avant-bras :ย Olรฉcrane – Processus styloรฏde de l’Ulna
  • Main :ย Processus styloรฏde de l’Ulna – Bout des doigts
  • Membres infรฉrieurs (reliรฉs entre eux par la ceinture pelvienne) :
  • Cuisse :ย Grand trochanter – Condyle fรฉmoral externe
  • Jambe :ย Condyle fรฉmoral externe – Mallรฉole externe
  • Pied :ย Mallรฉole externe – Bout du pied
b. Articulations

Lors de l’analyse du mouvement, seules les principales articulations sont gรฉnรฉralement prises compte. Comme vous l’avez vu pour les segments corporels, sur une รฉtude global du corps, le tronc, la main et le pied sont considรฉrรฉs dans leur globalitรฉ. Bien sรปr, si vous ne devez รฉtudiez que le mouvement des doigts d’un pianiste, il faudra considรฉrer chaque phalange et chaque articulation de la main. Les articulations principales sont donc (Fig. 12):

  • Articulation du cou
  • Articulation de lโ€™รฉpaule
  • Articulation du coude
  • Articulation du poignet
  • Articulation de la hanche
  • Articulation du genou
  • Articulation de la cheville

Ces notions sont trรจs simples ร  retenir, et il est important que lorsque vous dรฉcriviez un mouvement, vous fassiez clairement la diffรฉrence entre membre supรฉrieur et bras, et membre infรฉrieur et jambe. En effet, “bras” et “jambe” sont des termes employรฉs par la plupart des gens pour dรฉsigner les membres infรฉrieurs et supรฉrieurs. Il vous faut noter รฉgalement qu’ici les articulations sont dรฉcrites de maniรจre simplifiรฉes. Nous verrons dans le cours consacrรฉ ร  l’anatomie que les dรฉnominations sont bien plus prรฉcises et qu’il existe beaucoup plus d’articulations dans le corps humain.

2. Type dโ€™articulation

Une articulation reprรฉsente le point oรน deux ou plusieurs os se rencontrent. Le corps humain comprend trois principaux types d’articulation. Chacune d’elles offre une mobilitรฉ diffรฉrente :

a. Articulation fibreuse

Dans ce type d’articulation, les os sont unis par du tissu fibreux. Ces articulations ne permettent aucune mobilitรฉ, on parle alors de synarthrose. Il existe 3 sous-catรฉgories :

  • Synarthrose : Les deux os sont unis par du tissu fibreux. Exemple : l’articulation tibio-fibulaire distale.
  • Suture : Le tissu fibreux qui unissait initialement les os se rรฉduit puis sโ€™ossifie. Seuls les os du crรขne sont unis par suture.
  • Gomphose : Articulation de la dent ร  la mรขchoire. Un ligament fixe la dent ร  l’os.
b. Articulation cartilagineuse

Ce sont des articulations composรฉes de cartilage hyalin ou de fibrocartilage et unissant ainsi les os. Ces articulations permettent une mobilitรฉ rรฉduite, on parle alors d’amphiarthrose. Il existe 2 sous-catรฉgories :

  • Articulation cartilagineuse primaire (ou synchondrose) : Les deux os sont unis par du tissu cartilagineux. Exemple : Articulation du sternum.
  • Articulation cartilagineuse secondaire (ou symphyse) : Les deux os sont unis par du fibro-cartilage. Exemple : Symphyse pubienne, disques intervertรฉbraux.
c. Articulation synoviale

Ce sont des articulations trรจs communes dans le corps humain. Ce sont elles qui unissent principalement les segments corporels. Les os sont solidement attachรฉs l’un ร  l’autre par des ligaments. Elle se caractรฉrise par la prรฉsence d’une capsule articulaire composรฉe d’une membrane fibreuse et d’une membrane synoviale, sรฉcrรฉtant un liquide particuliรจrement lubrifiant : la synovie. Ce liquide permet d’รฉviter l’usure prรฉcoce des cartilages articulaires prรฉsents sur chaque os. Ces articulations permettent une grande mobilitรฉ, on parle alors de diarthrose. L’amplitude de mouvement articulaire et les degrรฉs de libertรฉ possibles sont fonction de la forme gรฉomรฉtrique de l’articulation. Elles sont classรฉes en 6 types diffรฉrents (Fig. 13-18) :

Articulation sphรฉroรฏde ou รฉnarthrose (Fig. 13) : Une tรชte sphรฉrique convexe vient se loger dans une cavitรฉ sphรฉrique concave. Exemple : L’articulation coxo-fรฉmorale (i.e., la hanche) ou l’articulation scapulo-humรฉrale (i.e., l’รฉpaule). Ce type d’articulation permet 3 degrรฉs de libertรฉ et donc une trรจs grande mobilitรฉ : flexion / extensionabduction / adductionrotation externe / interne et circumduction.

Articulation en selle (Fig. 14) : Deux tรชtes concaves viennent s’emboiter perpendiculairement. Exemple : L’articulation trapezo-metacarpienne (i.e., le pouce). Ce type d’articulation permet 2 degrรฉs de libertรฉ : flexion / extension et abduction / adduction.

Articulation condylienne (Fig. 15) : Une tรชte ellipsoรฏdique convexe vient se loger dans une cavitรฉ ellipsoรฏdique concave. Exemple : L’articulation radio-carpiale (i.e., le poignet). Ce type d’articulation permet 2 degrรฉs de libertรฉ : flexion / extension et abduction / adduction.

Articulation trochlรฉenne ou ginglyme (Fig. 16) : L’articulation forme une charniรจre. Exemple : L’articulation olรฉcranienne (i.e., le coude) ou l’articulation fรฉmoro-patellaire (i.e., entre le fรฉmur et la patella). Ce type d’articulation ne permet qu’un seul degrรฉ de libertรฉ : flexion / extension.

Articulation trochoรฏde (Fig. 17) : Un cylindre convexe vient se loger dans un cylindre concave. Exemple : L’articulation radio-ulnaire (i.e., l’avant-bras). Ce type d’articulation ne permet qu’un seul degrรฉ de libertรฉ : rotation externe / interne.

Articulation plane ou arthrodie (Fig. 18) : Deux surfaces planes sont en contact. Exemple : Les articulations entre les os du carpe (i.e., de la main). Ce type permet 3 degrรฉs de libertรฉ mais avec trรจs peu d’amplitude.

C. Mouvements articulaires

Le corps possรจde une grande variรฉtรฉ de mouvements articulaires. Ceux-ci sont dรฉpendants de l’articulation et de sa forme anatomique comme vous venez de le lire dans la partie prรฉcรฉdente. Une bonne connaissance des mouvements anatomiques est nรฉcessaire pour rรฉaliser une analyse descriptive correcte des mouvements humains. Chaque mouvement anatomique est effectuรฉ dans un plan spรฉcifique autour d’un axe spรฉcifique. Avec ces connaissances, il est possible d’observer le geste sportif, et de le dรฉcomposer en plusieurs mouvements articulaires pour รฉvaluer l’influence du mouvement de lโ€™individu sur la performance.

1. Flexion / Extension

La flexion est un mouvement qui diminue l’angle au niveau de lโ€™articulation en mouvement en rapprochant les uns des autres les segments d’un membre. Tandis que l’extension augmente l’angle au niveau de l’articulation en mouvement en alignant les segments d’un membre. De nombreux types dโ€™articulations synoviales sont capables de flexion et d’extension. Cela comprend l’articulation de l’รฉpaule (Fig. 19), de la hanche (Fig. 20), du coude (Fig. 21), du poignet et du genou.

Attention cependant aux dรฉnominations des mouvements articulaires de l’รฉpaule et de la cheville. En effet, la flexion de l’รฉpaule est souvent appelรฉe antรฉpulsion, et l’extension de l’รฉpaule appelรฉe rรฉtropulsion. La fexion du pied sur la jambe (i.e., lorsque vous pointez les orteils vers le haut) est appelรฉe dorsiflexion. Mais l’extension de la cheville (i.e., lorsque vous tendez le pied pour l’aligner avec la jambe) est appelรฉe flexion plantaire.

2. Abduction / Adduction

Si on observe dans le plan frontal, le corps humain en position anatomique de rรฉfรฉrence, l’abduction correspond ร  une rotation latรฉrale d’un segment corporel qui s’รฉloigne du corps. A l’inverse, l’adduction correspond ร  une rotation mรฉdiale qui rapproche le segment corporel du corps. La Figure 15 illustre ce mouvement articulaire au niveau de l’รฉpaule et de la hanche.

3. Rotation externe / interne

La rotation est un mouvement dโ€™un os autour de son axe longitudinal et s’effectue dans le plan transversal. Lorsque la face antรฉrieure de l’os tourne et s’รฉloigne de la ligne mรฉdiane du corps, on parle de rotation externe. ร€ l’inverse, lorsque la face antรฉrieure de l’os tourne et se rapproche de la ligne mรฉdiane, c’est la rotation interne. Les articulations qui permettent les rotations externe et interne comprennent, entres autres, l’รฉpaule (Fig. 23) et la hanche.

4. Pronation / Supination

Au niveau de l’avant-bras, la supination et la pronation dรฉsignent la position relative du radius et de l’ulna (les deux os de l’avant-bras). En supination, position anatomique de rรฉfรฉrence, le radius est latรฉral par rapport ร  l’ulna, et la paume de la main est orientรฉe vers l’avant. En pronation, le radius passe en avant de l’ulna, et la main effectue une rotation interne, pour finalement que la paume soit orientรฉe vers l’arriรจre (Fig. 24).

Figure 25. Dรฉformation de l’articulation du genou.

5. Valgus / Varus

Varus et valgus caractรฉrisent l’รฉloignement ou le rapprochement de la partie distale d’un segment par rapport ร  l’axe longitudinal du corps. Dans le cas du genou, le varus correspond ร  une rotation externe du fรฉmur, ce qui รฉloigne latรฉralement l’articulation du genou se traduisant visuellement par des jambes arquรฉes. A l’opposรฉ, le valgus est une rotation interne du fรฉmur qui rapproche le genou de l’axe longitudinal, avec pour rรฉsultat des genoux dits “cagneux” ou “en X” (Fig. 25).

6. Inversion / Eversion

Ces deux termes sont spรฉcifiques ร  l’articulation de la cheville. L’รฉversion (Fig. 26) correspond ร  une rotation externe latรฉrale. Dans le cas de l’os du talon (le calcaneum), la plante de pied est orientรฉe latรฉralement. ร€ l’inverse, l’inversion (Fig. 27) est une rotation interne mรฉdiale. La plante de pied est orientรฉe mรฉdialement.

Vous avez sรปrement remarquรฉ que pour choisir une chaussure de sport, il est de plus en plus courant de parler de pieds “pronateurs”, “supinateurs” ou “universel”. Dans ce cas, la pronation correspond ร  une รฉversion du calcaneum, une dorsiflexion de la cheville et une abduction de l’avant du pied. Le dรฉroulรฉ du pied s’effectue principalement sur l’intรฉrieur du pied. Quant ร  la supination, elle comprend une inversion du calcaneum, une flexion plantaire de la cheville et une adduction de l’avant du pied. Le dรฉroulรฉ du pied s’effectue principalement sur l’extรฉrieur du pied.

7. Circumduction

La circumduction est un mouvement circulaire combinant les mouvement d’abduction, d’adduction, de flexion et dโ€™extension de lโ€™articulation. Par exemple, dessiner un cercle avec le membre supรฉrieur tendu reprรฉsente une circumduction (Fig. 28). On retrouve ce type de mouvement au niveau de l’รฉpaule et de la hanche.

D. Coordonnรฉes

Tout au long de ce chapitre, vous venez de comprendre que le geste sportif se rรฉalisait selon des mouvements articulaires prรฉcis qui s’effectuaient selon des plans et des axes spรฉcifiques. Or, pour une analyse descriptive du mouvement, il est possible d’รชtre encore plus prรฉcis en localisant dans l’espace la position d’un point ou d’un ensemble de point. Ces points peuvent reprรฉsenter des articulations et des segments.

En biomรฉcanique du sport et de l’exercice, la description du mouvement dโ€™un corps peut se faire dans un espace bidimensionnel (i.e., 2D), par exemple, lorsque vous observez une personne marcher dans le plan sagittal. Mais cettte รฉtude peut รฉgalement se faire dans un espace tridimensionnel (i.e., 3D). Dans ce cas, votre champ de vision permet de visualiser plusieurs plans dans l’espace. C’est pourquoi il est nรฉcessaire de dรฉfinir lโ€™espace dans lequel se produit le mouvement, c’est-ร -dire selon quel point de vue vous vous placez pour observer le geste sportif.

1. Coordonnรฉes 2D et 3D

Dans un espace bidimensionnel, c’est-ร -dire un plan, se trouvent deux axes perpendiculaires l’un ร  l’autre : un axe vertical (l’abscisse et un axe horizontal (l’ordonnรฉe). L’intersection de ces deux axes forme l’origine, c’est-ร -dire le point 0. Sur ce plan 2D, la position d’un point est dรฉcrite par 2 valeurs : une valeur horizontale et une valeur verticale. Ce sont ses coordonnรฉes (Fig. 29).

Un troisiรจme axe, lโ€™axe z est nรฉcessaire pour dรฉcrire le mouvement dans un espace tridimensionnel. Cet axe passe par lโ€™origine et est perpendiculaire aux axes X et Y dรฉcrits ci-dessus. La Figure 30 montre ce troisiรจme axe et les plans dรฉfinis par ces trois axes. Dans ce cas, la position d’un point sera dรฉcrite par 3 valeurs : une valeur horizontale, une valeur verticale et une valeur de profondeur.

Pour l’instant, retenez simplement que ces coordonnรฉes permettent de dรฉcrire la position prรฉcise d’un point ร  un temps donnรฉ. Le concept simple de coordonnรฉes horizontale et verticale doit รชtre clair car il sera rรฉutilisรฉ de nombreuses fois tout au long de ce cours. Mais ne vous inquiรฉtez pas, nous dรฉtaillerons dans d’autres chapitres, l’utilisation de ces coordonnรฉes.

2. Systรจmes de coordonnรฉes

Comme nous venons de l’expliquer, l’รฉtude d’un geste dรฉpend du point de vue de l’observateur. Selon sa position, l’analyse du mouvement sera soit bidimensionnelle, soit tridimensionnelle. Vous avez รฉgalement compris que chaque point dans l’espace observรฉ possรจde des coordonnรฉes. Cependant, ces coordonnรฉes nรฉcessitent un point d’origine. Il est donc nรฉcessaire de dรฉfinir un systรจme de coordonnรฉes pour dรฉcrire les mouvements observรฉs.

a. Systรจme de coordonnรฉes global

Le systรจme de coordonnรฉes global (รฉgalement connu sous le nom de rรฉfรฉrentiel galilรฉen ou inertiel) est utilisรฉ pour dรฉterminer la position d’un individu par rapport ร  la piรจce oรน il รฉvolue, par exemple. Cette position permet de dรฉcrire toutes les autres positions qui seront observรฉes au cours de l’analyse du mouvement de cet individu.

b. Systรจme de coordonnรฉes local

Quant au systรจme de coordonnรฉes local, il permet de dรฉcrire une positon par rapport au corps ou ร  un segment. Ce systรจme de coordonnes reste fixรฉ au corps ou au segment au cours du mouvement. Son origine est gรฉnรฉralement placรฉe au niveau du centre de gravitรฉ du corps ou sur le centre de masse du segment.

Figure 31. Reprรฉsentation des systรจmes de coordonnรฉes global et local.

La Figure 31 illustre la relation entre ces deux systรจmes de coordonnรฉes lors de l’analyse du mouvement en dรฉveloppรฉ couchรฉ. Le systรจme de coordonnรฉes global est immobile, tandis que le systรจme de coordonnรฉes local se dรฉplace avec le corps ou le segment auquel il est attachรฉ.

III. Quiz

Conversational Form (#20)

Le cours complet de la biomรฉcanique du sport et de l’exercice