bases de mécanique partie 1

1
L1 UE 22 A. Bases de mécanique :
application au mouvement humain
2010
robin.cand[email protected]
Support de cours : http://robin.candau.free.fr
Bibliographie conseillée
1/ Lamendin H,et Couteix D. In: Masson, ed. Biologie et pratiques .
sportives. Paris : Masson, 1995, pp 24-42
2/ di prampero P., Chapitre sur les locomotions humaines, dirigé par
Rieux, PUF, Bioénergétique exercice musculaire 1988
3/ http://www4.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/
Objectif : Comprendre le mouvement humain pour
pouvoir l’optimiser
20 h CM cours magistraux (3h pendant le stage puis le jeudi)
Plan
Introduction
• Conversion de l’énergie chimique en mécanique et
définitions
• Travail contre les forces de friction
• Travail potentiel
• Travail cinétique
• Conservation d’énergie
• Travail et fatigue
Records du monde dans divers
modes de locomotion
Records du monde
0
20
40
60
80
0 20000 40000 60000
Distance (m)
Vitesse (km/h)
Marche
Course
Patinage
Cyclisme
Les vitesses maintenues sont éminemment différentes
entre les modes de locomotion.
Or
Les aptitudes énergétiques des athlètes de l ’élite sont
similaires quelque soit le mode de locomotion.
Donc
Le coût énergétique (C) est très différent d ’un mode
de locomotion à l ’autre.
Coût énergétique et
Performance
Records du m onde
0
20
40
60
80
0 20000 40000 60000
Distance (m)
Vitesse (km /h)
Marche
Course
Patinage
Cyclisme
Coût énergétique ≈consommation d ’essence pour
100 km
Le coût énergétique définit l ’économie de
déplacement dans la locomotion
Il représente la quantité d ’énergie consommée pour
parcourir 1 m et transporter 1 kg de masse
corporelle
Coût énergétique et
Performance

2
C
E
V& =
Performance
en m.s-1
Coût
énergétique en
J.kg-1 .m-1
Puissance
métabolique en
J.s-1.kg-1
Coût énergétique et
Performance
C
E
V& =
Performance
en m.min-1
Coût
énergétique en
mlO2.m-1 .kg-1
Puissance
consommée
en mlO2.min-
1.kg-1
Parce qu’il existe une équivalence entre les ml O2et
les J (1ml ∼20,9 J), alors les facteurs de la
performance peuvent être exprimés de la façon
suivantes :
Vue Synthétique
C
E
V& =
W aéro
Locomotion
à htes
vitesses
Natation
W friction
Locomotions
appareillées
W potentiel
Locomotions en
côte Locomotions pédestres et
sprints
W cinétique
Où la fréquence
est grande
W interne
Un honnête homo stapiens sapiens possède une consommation
maximale d’oxygène de 55 mlO2.min -1.kg-1 (VO2max).
Sachant que :
• son métabolisme de base est de 5 mlO2.min-1.kg-1
• qu ’il est capable de courir pendant 7 min en maintenant
100% de sa VO2max, et
• Son coût énergétique est 0.20 ml.m -1.kg -1
quelle est sa vitesse maximale sur une épreuve de 7 min ?
C
OVOV
C
E
V
repos2max2
&&
&−
==
En condition aérobie
11
.15min.250
20,0 555
−−
==
−
=hkmm
Chez des athlètes de niveau
homogène
C
E
V& =
Varie
peu
Varie plus
Le coût énergétique et ses facteurs
mécaniques sont des éléments essentiels de
la performance

3
Performance ?
Deux coureurs disposent des mêmes aptitudes énergétiques
(VO2max = 55 ml/min/kg). Marcel possède un coût
énergétique de 0.20 ml/kg/m et René le second un de 0.15
ml/kg/m, quelles sont leurs vitesses respectives maintenues
sur 7 min?
)..( ).min.(
min)/(
11
11
2max2 −−
−−
−
=mkgmlC kgmlVV mV
baseOO
&&
C
E
V& =
En appliquant l ’équation 1 pour Marcel :
En remplaçant chacun des termes par sa valeur :
min)/(250
)..(20.0 ).min.(555
11
11
m
mkgml kgml =
−
=
−−
−−
hkmhkmV /15
1000 60*250
)/( ==
En remplaçant chacun des termes pour René
min)/(333
)..(15.0 ).min.(555
11
11
m
mkgml kgml
V=
−
=
−−
−−
hkmhkmV /20
100060*333
)/( ==
Bilan
Pour de mêmes aptitudes énergétiques, le
coureur le plus économique est le plus
performant
Le coût énergétique et ses facteurs
mécaniques représentent des éléments
essentiels de la performance
Avec l ’entraînement ?
C
E
V& =
?
?
Dépense d ’énergie par unité de temps
Vitesse (m/s)
4 ans d’entraînement
C
E
V& =
Varie
beaucoup
Varie
modestement
Avec l ’entraînement ?

4
Avec l ’entraînement
C
E
V& =
Varie
lentement
Varie plus
facilement
Les gains de performance dépendent
principalement du coût énergétique et
de ses facteurs mécaniques
Avec
l ’entraînement
C
E
V& =
W aéro W friction W potentiel W cinétique W interne
Les gains de performance dépendent
principalement du coût énergétique et de ses
facteurs mécaniques
Le quiz
Les performances lors des records du monde sont différentes d'un
mode de locomotion à l'autre parce que :
1. les aptitudes énergétiques sont fondamentalement différentes entre les
athlètes de l ’élite
2. le coût énergétique et ses facteurs mécaniques sont différents entre
modes de locomotion
3. la fatigue musculaire augmente en fonction de la distance parcourue
4. le coût énergétique et les facteurs mécaniques représentent les
éléments essentiels ?
La performance dans les locomotions humaines
dépend :
5. Du coût énergétique ?
6. Des aptitudes énergétiques de l'athlète ?
7. Du rapport du coût énergétique sur les aptitudes
énergétiques de l'athlète ?
8. D'une multitude de facteurs et le rapport des
aptitudes énergétiques sur le coût de la locomotion
n'explique en réalité qu'une faible partie de la
performance ?
C
E
V& =
Waérody Wroule Wpotentiel Wcinétique Winterne
Quels sont les 5 principaux facteurs
mécaniques de la performance dans la
locomotion humaine ?
Quiz
C
E
V& =
Waérody roulement W potentiel W cinétique W interne
Quel est le principal facteur mécanique de la
performance en cyclisme sur terrain plat ?
Quiz

5
C
E
V& =
aérodynamique roulement W potentiel W cinétique W interne
Quel sont les principaux facteurs mécaniques de la
performance en course à pied (1/2 fond et fond) ?
Quiz
C
E
V& =
aérodynamique roulement W potentiel W cinétique W interne
Quel est le principal facteur mécanique de la
performance en côte ?
Quiz
Plan
Introduction
• Conversion Energie chimique en mécanique et
définitions
• Travail contre les forces de friction
• Travail potentiel
• Travail cinétique
• Conservation d’énergie
• Travail et fatigue
Conversion de l ’énergie
chimique en mécanique
• principes généraux de thermodynamique
• conversion de l ’énergie chez l’homme
• définitions
• rendement musculaire
– Quantification de l ’énergie chimique
– Rendement de la synthèse d’ATP
– Rendement thermodynamique E substrats
E mécanique
Chaleur
E ATP
Chaleur η
ηη
ηsynthèse ATP
η
ηη
ηthermodynamique
η
ηη
η
musculaire
30%
Principes de
thermodynamique
– Energie chimique
– Energie mécanique
– Energie thermique
– Etc.
• Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme
• Transformation d ’un type d ’énergie en un autre
s ’accompagne par la production d ’énergie thermique
Conversion d’énergie chez l’homme
E substrats
E ATP
E
Thermique
η
ηη
ηsynthèse ATP
60%
Déplacement
C
η
ηη
η
musculaire
30%
E
mécanique
η
ηη
ηthermodynamique
50%
E
Thermique
Coût mécanique
E
Thermique