CHIV_Travail_Energie_Puissance
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ufrstaps TOULOUSE Biomécanique et Analyse du mouvement Master 1 – Sc2 Pierre MORETTO [email protected] UFR STAPS - Pôle Sport - Bureau 302 ufrstaps TOULOUSE Biomécanique et Analyse du mouvement Master 1 – Sc2 Dynamique Énergie, travail, puissance, impulsion, quantité de mouvement Travail et énergie : • En biomécanique, le travail quantifie l’activité développée par le système musculaire pour déplacer les segments corporels et/ou une autre charge quelconque. • En biomécanique, l’énergie est le résultat du travail Exemple : - Le travail fait pour déplacer une charge d’une hauteur de 30 cm a donné de l’énergie à la charge. - Une fois lancée, une balle possède de l’énergie. • L’énergie mécanique possède différentes formes : - Énergie potentielle - Énergie cinétique • Unité : Joule (J) Travail et énergie : Conservation de l’énergie mécanique totale, énergie potentielle et énergie cinétique. Travail et énergie : Pour des mouvements linéaires, le travail d’une force est égal au produit de cette force par le déplacement dans le sens de la force : W=F·d F est l’intensité de la force d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la force. Exemple : déplacement d’une charge Travail et énergie : Pour des mouvements angulaires, le travail d’un moment de force est égal au produit de ce moment par le déplacement angulaire : W=M·θ M est l’intensité du moment de force est la valeur du déplacement angulaire. Rappel : F Calcul du moment d’une force F appliquée en M par rapport à un point O : M / o ( F ) OM F M θ O d θ Travail et énergie : Notion de rendement : Rendement brut : Travail produit Rbrut Energie dépensée Rendement net : Travail produit Rnet Energie dépensée Energie de repos Rendement apparent : Rapp Travail produit Energie dépensée Energie vide Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Emet = VO2 Eqenerg O2 Eqenerg O2 = équivalent énergétique de l’O2 • C’est la quantité d’énergie libérée chaque fois qu’on « brûle » 1 litre d’O2. • L’équivalent énergétique de l’O2 varie en fonction du QR utilisation de tables du QR Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Contribution des substrats énergétiques: quotient respiratoire Quotient respiratoire (QR)= VCO2/VO2 • QR permet d’estimer la part relative d’utilisation des substrats glucidiques et lipidiques dans la production totale d’énergie • QR ne permet pas d’estimer l’énergie qui provient des protéines • QR permet d’estimer uniquement l’energie produite par oxydation • QR = 0,70 100% de l’énergie provient de l’oxydation des lipides • QR = 0,85 50% lipides / 50% glucides • QR = 1,00 100% de l’énergie provient de l’oxydation des glucides Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Équivalent énergétique de l’O2 Eqenerg O2 = 5,2 kCal / l = 21,7 kJ / l si QR = 1 (1kCal = 4,18 kJ) Eqenerg O2 = 5,086 kCal / l = 21,25 k J / l si QR = 0,9 Eqenerg O2 = 4,971 kCal / l = 20,77 kJ / l si QR = 0,8 Eqenerg O2 = 4,854 kCal / l = 20,29 kJ / l si QR = 0,7 Détermination de l’énergie métabolique : physiologie On mesure la VO2 par calorimétrie indirecte RESPIRATION CO2 Principe général O2 La consommation d’oxygène (VO2) lors de la respiration est proportionnelle à la quantité d’O2 utilisée pour la respiration cellulaire CO2 La respiration cellulaire correspond à l’oxydation des substrats énergétiques c’est à dire au métabolisme énergétique Circulation sanguine O2 Respiration cellulaire Substrat+O2énergie+CO2 Détermination de l’énergie métabolique : physiologie • Des analyseurs de gaz permettent de déterminer le pourcentage d ’O2 et de CO2 • Les volumes d’air sont enregistrés RQ: la température et la Pa sont des paramètres qui influencent les gaz (pv = nrt) Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Principe expérimental de mesure de la VO2 % O2 Air inspiré % CO2 20,9 0,0 16 4 (ambiant) Air expiré Différences entre les pourcentages d’O2 et de CO2 entre l’air ambiant et l’air expiré Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Principe expérimental de mesure de la VO2 Puissance : Notion de puissance : la puissance correspond à la quantité de travail fournie par unité de temps (unité, Watts (W)) : W P t W Pt Interprétation graphique de la relation travail / puissance : Le travail W correspond à l’aire sous la courbe de la puissance P(t). Puissance : Pour des mouvements linéaires, la puissance (d’une force) est égale au produit de l’intensité de cette force par la vitesse : P= F· v Pour des mouvement angulaires, la puissance (d’un moment de force) est égale au produit de l’intensité de ce moment par la vitesse angulaire : P= M · ω Puissance et mode de contraction musculaire : Puissance = 0 isométrique Puissance > 0 concentrique Puissance < 0 excentrique Relation entre Force, Vitesse, Puissance et Travail : Exemple : lancer au baseball Impulsion et quantité de mouvement : Impulsion linéaire (mouvement de translation) L’impulsion linéaire est la cause du mouvement de translation et le moment linéaire (quantité de mouvement linéaire) en est l’effet L’impulsion linéaire (Unité : Ns) est le produit de la force par sa durée d’application : F = m·a F·t = m·v 2e loi de Newton Mvt linéaire Impulsion = Moment linéaire (quantité de mouvement linéaire) Impulsion et quantité de mouvement : Conservation de la Q.M.L. : Ce principe est basé sur le fait que le moment linéaire demeure inchangé tant et aussi longtemps qu’aucune autre impulsion linéaire ne vient agir sur le corps. m2= 90 kg v2= 8.9 m/s m1·v1 = m2·v2 m1= 80 kg v1= 10 m/s Impulsion et quantité de mouvement : Impulsion angulaire (mouvement de rotation) L’impulsion angulaire est la cause du mouvement de rotation et le moment angulaire (quantité de mouvement angulaire) en est l’effet L’impulsion angulaire (Unité : Nms) est le produit du moment de force par sa durée d’application : M=I Fd = I 2e loi de Newton Mvt angulaire Fdt=I Impulsion angulaire = Moment angulaire (quantité de mouvement angulaire) Impulsion et quantité de mouvement : Conservation de la Q.M.A. (mouvements de rotation) : La quantité totale de mouvement angulaire (moment angulaire) entre deux positions demeure constante en absence de force externes M1t1 = M2t2 I11 = I22 Impulsion et quantité de mouvement : Conservation de la Q.M.A. : influence du moment d’inertie Moment d’inertie du corps. 12.6 kgm2 23.9 kgm2 56.4 kgm2 • Le corps humain n’est pas un corps rigide mouvements segmentaires • Ceci induit une distribution différente de la masse autour d’un axe de rotation; • Donc, le moment d’inertie varie autour de cet axe de rotation. Impulsion et quantité de mouvement : Conservation de la Q.M.A. : influence du moment d’inertie ω I Temps (s) Impulsion et quantité de mouvement : Transfert de la Q.M.A. Transfert du moment angulaire en saut en hauteur et gymnastique Impulsion et quantité de mouvement : Transfert de la Q.M.A. : principe de nutation Nutation ou transfert de la Q.M.A. d’un plan à l’autre ou d’un axe de rotation à l’autre.
