biomécanique et course à pied

Equipement en course à pied &
Biomécanique
1
1. Baskets de running amortissantes ?
2
Bases
Force action - réaction
Propulsive
Réception - Amortie
3
Bases
Décomposer la force de réaction en 3
composantes sur chacun des axes
Verticale
Antéro-postérieure
Les 3 ont de
l’importance pour la
gestion de l’amortie
Médio-latérale
4
Composante Verticale lors de la marche
5
Composante Verticale lors de la course
Pic passif
Pic actif
6
Composante Verticale lors de la course
Décomposer en deux composantes (identifiables par pression plantaire et
PPF) :
- Composante B de force au talon due au choc du talon au sol. Explique le
pic passif : 3 fois poids de corps, très court (30 ms) et très violent, grosse
décélération, montée en force élevée..).
- Composante A de force au niveau de l’avant
pied. Explique le pic actif : 2 fois poids de corps
et assez long. Donc plus long moins élevé.
7
Deux points néfastes mesurés par PF de force :
Pic passif (impact peak)
~ 2-3 BW
Taux de charge (loading rate)
~ 50 BW/s
Lieberman et al. (2010)
Conséquences négatives de ce choc :
Thèse M. Giandolini | 20 février 2014
• fracture de fatigue
3
• Dégénérescence du cartilage
• Arthrose
8
Un point néfaste mesuré par accélérométrie :
Attention, pas lien direct
intensité du pic et décélération
(timing, montée en force …)
Pic de décélération à
l’impact (8-10g)
9
(Nigg 1980)
Il existe une atténuation naturelle du choc et des vibrations par le systè
squelettiques afin de préserver les fonctions centrales (vision, fonction vesti
Pas de panique, votre corps va réduire cette onde de choc …
8
Tibia
Sacrum
6
(Radin et al. 1973, Paul et al. 1978,
Valiant 1989, Nigg 2001)
Accélération (g)
Mécanismes passifs/naturels
4
2
0
Facteurs
d’atténuation
Disques
-2
Tête 2g
de l’onde de choc
intervertébraux
-4
Flexion du genou
Os
Pronation du pied
Visco-élasticité muscle
Activatio
Os sous-chondral
Activation muscles
Os (déformation)
Disques vertébraux
Attaque du pied au sol (talon vs. pointe)
10
La chaussure …Heel pad
SOLUTION 1 : proposer une chaussure amortissante en
gardant une attaque du sol talon
è En jouant sur l’énergie emmagasinée dans la déformation
des matériaux du talon
è En jouant sur la durée de la phase de décélération à
l’impact
11
Energie emmagasinée :
Ep = ½ k.Δx2
avec Ep énergie mécanique potentielle maximale stockée dans,
F I A= N / m 2 = P a *
le matériel (J)
Q T O g C C
Raideur k : facteur qui affecte le niveau de force nécessaire pour produire un
certain niveau de déformation x. Donc résistance à une déformation
élastique d’un corps.
o f t r v o e l a s t i cm a t e r i a l su ' i t h d i f f e r e n t
F i g u r e3 . 2 0 .S c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n
m e c h a n j c abi e h a v i o rd u r i n g d e i o r m a t i o n .
K = F/Δx
avec F en N, Δx en m, K en N.m-1.
l
;
r
y
l
-
I
I
t
t
l
t u l
Energie stockée dépend de Δx et de k !!
FF*pptied
12
Energie stockée dépend de k et de Δx !!
Trouver des mousses optimales à
comportements visco-élastiques,
qui durent dans le temps,
légères… … (cellules ouvertes
type PU ; cellules fermées type
EVA)
Optimiser la hauteur (moyenne 40
mm) et la largueur de la semelle
pour augmenter la déformation.
Hoka propose 2,5 fois plus d’EVA
que les autres, avec une semelle
plus large de 35%.
è
Courant maximaliste
13
Energie stockée dépend de k et de Δx !!
Placer des « ressorts » dans le talon ..
Spira
14
Energie stockée dépend de k et de Δx !!
Placer des « ressorts » dans le talon ..
Adidas Spring Blade
15
Energie stockée dépend de k et de Δx !!
Créer des géométries innovantes de talon :
Exple : le
confinement du talon
réduit le pic
d’accélération tibiale
de 30%
16
Lafortune et Chavet 1996
Allonger la distance et le temps de freinage :
Δ Temps entre contact
initial et pic (ms)
Sans Chaussure = 10-25 ms
Avec Chaussure amortissante = 15-35 ms
La chaussure permet d’augmenter le
temps mis entre contact initial et pic passif,
et donc allonge le temps de montée au pic
(taux de charge N.s-1 = Loading rate LR),
ce qui favorise la décélération.
Donc modification de la configuration du choc.
17
une relativement dure et l’autre à l’inverse plutôt souple, donnent le résultat suiva
par la Figure
la matière
souple sur
atténue
le pic de force produit par
Mesure(16):
des qualités
d’amorti
les matériaux
augmentant le temps d’application de la force appliquée et réduisant à la fois le
aussi le taux de la force moyenne (Shorten, 2002).
Tests d’impact mécanique in-vitro sur des matériaux amortissants de
chaussures (Shorten 2002)
amorti souple
amorti dur
Avec un matériaux souple :
Tests d’impact sur 2 chaussures d’amorti d
d’après
R. Shorten
(2002)
- Adapté
diminution
du Martyn
pic de force
produit
La force
(F, en N) est exprimée en fonction du temps (T,
par
l’impact
Figure (16)
- augmentation du temps d’application
de la force appliquée
Temps (s)
- donc diminution du taux de force
moyenne (montée en force)
18
3.1.3. LES FORCES DE RÉACTION AU SOL IN-VIVO
par la Figure (16): la matière souple atténue le pic de force produit par l’impact,
augmentant le temps d’application de la force appliquée et réduisant à la fois le pic mais
Mesure des qualités d’amorti des matériaux sur l’homme
aussi le taux de la force moyenne (Shorten, 2002).
amorti souple
amorti dur
Tests d’impact sur 2 chaussures d’amorti différent
Adapté d’après Martyn R. Shorten (2002)
La force (F, en N) est exprimée en fonction du temps (T, en ms).
Figure (16)
Temps (s)
Et In-Vivo ???
3.1.3.Attendu
LES FORCES :DEdiminution
RÉACTION AU SOL
IVO passif
duIN-V
pic
lors de l’appui au sol avec des
matériaux amortissants dans la chaussure.
Les forces de réaction au sol (« Ground Reaction Forces », « GRF », en anglais)
résultats
enregistrées pendant la course sont dépendantes de la Or
masse
des sujets etcontradictoires
de la vitesse de
…..
course (Cavanagh et Lafortune, 1980; Nilsson et Thorstensson, 1989). Comme
- Diminution
et al. 1983)
précédemment
illustré sur significative
les Figures (7, ; 9)(Clarke
dans la dimension
verticale on distingue
aisément deux phases, la première est dite « passive », la seconde « active » (Nigg, 1986).
- Pas d’effet ..
La phase passive reflète l’impact initial entre le pied et le sol, puisqu’elle est passive cette
phase -estAugmentation
déterminée par les seules
conditions initiales
de l’impact.
Fort1981)
des conclusions
significative
… (Nigg
et al.
citées sur l’effet d’atténuation des matières souples lors des tests réalisés in-vitro, de
nombreux auteurs espéraient retrouver le même phénomène lors de la mesure des forces de
19
Pourquoi pas – peu d’effets de l’amorti de la chaussure
sur le pic passif ?
Exemple 3 :
- Réorganisation du corps pour compenser le manque d’amorti de la
chaussure.
- Ne pas analyser que l’axe vertical, importance de l’axe antéro-postérieur.
- L’amorti de la chaussure influence surtout les hautes fréquences, mais le
pic passif est aussi constitué de basses fréquences peu influencées par les
systèmes amortissants.
- S’intéresser à d’autres paramètres que l’amplitude du pic.
- S’intéresser à d’autres outils de mesure que la force verticale.
IV. Applications / chaussures
PACT,
SOLUTION 2 : se rapprocher de la course pieds nus en
modifiant la technique de course :
attaque du sol pointes de pied.
Proposer une chaussure y répondant.
BLESSURES ET POSE DE PIED
MidFoot Strike
5%
80%
Hasegawa et al. 2007
Larson et al. 2011
Kasmer et al. 2013
RearFoot Strike
15%
ForeFoot Strike
Courir très vite : toujours forefoot
Chez les ForeFoot Strikers…
21
Attaqueetdu
pied
au sol,
force
et décélération
Stress mécanique
pose
de pied
| Effets
surverticale
le stress osteo-articulaire
Forces verticales (x Poids de corps)
RF
3
MFF
2
Stress mécanique et pose de pied | Quelles tech
1
RearFoot
Effet de l’activité (i.e. distance et vitesse)…
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
• 800-1500m
Temps (s)
RF : 27%, MF : 42%, FF : 31%
• Pic d’accélération vertical au tibia : RF > MFF
• Taux de charge : RF > MFF
(Hayes
et Caplantechniques
2012)
(Gruber et al.
2014)
(Lieberman et al. 2010,
Altman et Davis 2010, Giandolini
et al.
Stress
mécanique
et
pose
de
pied
|
Quelles
de pose de p
2013, Shih et al. 2013, Kulmala et al. 2013)
• Semi-marathon
MidFoot
ForeFoot
RearFoot
Effet de l’activité RF : 75-89%, MF
: 4-24%, FF : 1-2%
Effet du niveau de pe
• Force de contact et pression à l’articulation femoro-patellaire
:
RF
>
MFF
(Hasegawa et al. 2007, Larson
et al.et
2011)
(Hasegawa
al. 2007, Kasmer et a
(i.e. distance et vitesse)…
(Kulmala
et al. 2013)
• Marathon
Plus l’adduction de la hanche est importante pendant la phase de contact, • 800-1500m
plus la contrainte à l’articulation du genou est élevée.
RF31%
: 88-94%,
MF : 3-5%, FF : 1%
2012, McCarthy
et al.FF
2014,:Morgenroth
et al. 2014)
RF : (Barton
27%,et al.MF
: 42%,
(Larson et al. 2011, Kasmer et al. 2012)
Plus l’activation des extenseurs du genou est importante, (Hayes
et Caplan 2012)
22
plus la force de compression appliquée à l’articulation est élevée.
MidFoot
ForeFoot
• Semi-marathon
(Radin et al. 1973 , Sasaki et Neptune 2010, Leumann et al. 2013, Horisberger et al. 2013)
Attaque du pied au sol et décérélation
2. IMPACT, BLESSURES ET POSE DE PIED
MidFoot Strike
5%
80%
4. VALIDATION D’UNE MÉTHODE SIMPLE
RearFoot Strike 15%
D’IDENTIFICATION DE LA POSE DEForeFoot
PIEDStrike
Hasegawa et al. 2007
Larson et al. 2011
Kasmer et al. 2013
Protocole
3
VGRF (BW)
Chez les ForeFoot Strikers…
Réduction du taux de charge
2
(Cavanagh et Lafortune 1980, Dickinson et al. 1985, Lieberman et al. 2010,
Altman et Davis 2010, Giandolini et al. 2013)
Baisse de la charge appliquée au genou
1
(Kulmala et al. 2013, Stearne et al. 2014)
0
0
0.05
RearFoot Strike
0.1
0.15
Temps (s)
0.2
Thèse M. Giandolini | 20 février 2014
ForefootFoot
Strike
6
Décalage dans le temps
23
Phénomène de « résonance » ?
Attaque du pied au sol et force antéro-postérieur
Bases
Diminution de la vitesse horizontale (æEc)
Abaissement du CM (æEp)
Augmentation de la vitesse horizontale (äEc)
Elévation du CM (äEp)
24
Composante antéro-postérieure de la force de réaction
Phase de freinage :
Freinage car la force de réaction
antéro-postérieure négative
freine le mouvement
Phase de poussée :
Accélération car la force de
réaction antéro-postérieure
positive accélère le mouvement
25
ÉTUDE I: COMPARAISON MÉCANIQUE DE LA C OURSE PIEDS NUS ET CHAUSSÉE
Composante antéro-postérieure de la force de réaction
Fmax
2.5
Force Verticale (PC)
Gras : chaussé
Fin : pieds nus
Fz1
2
1.5
1
0.5
0
0.251 0.257
Tem ps (s)
a.
Fp
Force Antéro-postérieure (PC)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
-0.3
-0.4
b.
Ff
Temps (s)
0.4
Force Médio-latérale (PC)
Attaque pointe réduit nécessairement
la phase de freinage et donc la force
négative antéro-postérieure
0.251 0.257
-0.1
Course 12 km.h-1 ; Divert 2005
0
0.251 0.257
26
Innovation : pieds nus à chaussures
minimalistes …
Réduire ou supprimer d’amorti talon pour
imposer une attaque du pied au sol par la
pointe !
27
ning nus
(voncomparée
Tscharner
al. 2003).
are ideal for sensing changes in movement for flexion13,7, 23,6 et 10,8 % en condition pieds
à laet course
chaussée (Figure (21)).
extension but not well suited for sensing changes for
Néanmoins aucune différence significative n’est rapportée concernant les muscles tibialis
foot ab-adduction and in-eversion. The triceps surae,
for instance, would sense changes in in-eversion late and
and training
effects
et peroneus lors de la phaseBarefoot
de pré-activation.
Enfin
concernant les phases d’acceptation et
would have to apply extensive forces to readjust the
Barefoot
training has
been used
by coachesaucune
for a long
de poussée, l’ensemble des
cinq muscles
mesurés
ne présentent
différence
ankle joint position because the movement would have
time with the suggestion that barefoot training
significative d’amplitude entre
les
deux
conditions
de
course.
already made progress. For many changes in position,
improves the strength of the overall muscular system
there are small muscles that -1
can provide joint stability
and that barefoot training trains all the muscles,
quickly and with little force, and although one does not
including both the large muscles like the biceps femoris
chaussure
voluntarily select specific muscles to stabilize a joint, it is
and the gastrocnemius, as well as small muscles like
the
1.4
the training of these smaller and ‘quicker’ muscles that
Pieds
nus
soleus and the peroneus longus. It has been suggested
can increase the general stability of a joint. The effect of
in coaching circles that a well balanced development of
1.2
strong small muscles has been simulated with a
all muscles crossing a joint is essential for performance
1
mechanical model using small and large springs (Nigg
and for injury prevention.
2005). The model calculations assumed four strong long
Indirect
experimental
evidence
for
the
importance
of
0.8
springs with large levers with a defined reaction time T1
the training of small muscles was provided through a
0.6
(Figure 1 left). For the situation representing strong
study quantifying the injury frequency of adolescents
small muscles, the model calculations assumed again
with and without wobble board training (Emery et al.
0.4
four strong long springs with large levers with the same
2005). The results of this study showed that the
0.2
reaction time, T1, and additionally four smaller springs
adolescent test subjects exposed to wobble board
with a smaller lever and with a reaction time T2
training
showed
less
sport
related
injuries
than
the
test
0
subjects
who
were
not
exposed
to
this
training.
It
was
(Figure
1, right) with T2 ½ T1. This assumption was
GL
GM
S
Downloaded By: [Hintzy] At: 07:30 16 September 2010
Activité musculaire (unité arbitraire)
Autre conséquence de ces chaussures minimalistes :
Course 12 km.h ; Divert 2005
**
*
*
Augmentation de l‘activité musculaire
Muscles longs
superficiels
contrôlant la
flexion – extension
de la cheville
Représentation graphique de l’activité électromyographique des muscles fléchisseurs
plantaires
Amplitudes, lors de la phase de pré-activation des muscles gastrocnemius lateralis (GL) et medialis (GM) et du soleus
(S). Les différences significatives entre les conditions de course sont représentées. * P < 0.05; ** P < 0.001.
Figure (21)
Muscles courts
profonds contrôlant
la pronation
supination du pied
71
Figure 1. Effect of strong and weak small springs (muscles) on forces in the joint and in the attachment locations of the springs
(insertion forces). The simulations were made assuming that the small springs react faster than the large springs. (From Nigg,
2005 with permission of the author.).
Effet positif de contrôle de la stabilité
28
Autre conséquence de ces chaussures minimalistes :
Meilleure déformation de la voûte
plantaire
- Sous l’effet d’une contrainte mécanique
au moment du contact avec le sol, la voûte
plantaire se déforme puis reprend sa forme.
29
Autre conséquence de ces chaussures minimalistes :
Eversion : abduction – pronation – flexion d
Inversion : adduction – supination – flexion p
Plus de possibilité de pronation du pied (articulation sub-talaire),
or la pronation permet de réduire l’onde de choc
30
Autre conséquence de ces chaussures minimalistes :
Respecter la déformation du
pad sous le talon pied nu
Ecrasement du tissus conjonctif fibreux
organisé en sacs d’adipocytes attachés
sous le calcanéus.
Ce tissus passe de 14 mm en position
statique à 4 mm à chaque impact.
31
Jorgensen et Bojsen-Moller 1990
Autre conséquence de ces chaussures minimalistes :
Respecter la déformation du
pad sous le talon pied nu
La déformation des tissus sous
le talon est moindre lorsque le
pied est chaussé vs. pied nu.
32
De Clercq et al. 1994
2. Textile & performance en sprint ??
After …
33
Base : Cycle étirement-raccourcissement lors de
contraction musculaire
CE Série
CC
CE
parrallèle
• 1er : Régime excentrique avec charge importante (vitesse, masse..)
• 2ème : Concentrique immédiatement après (délai minimal)
• Raideur musculaire élevée (stifness)
• Réflexe myotatique
34
Elasticité du textile et élasticité
musculaire ?
Concept
Modèle muscle
CE Série
Modèle muscle – équipement
CC
CE
parrallèle
Muscle
Equipement
Equipement avec des bandes de
textile ayant un comportement
similaire au muscle.
Un textile peut il améliorer la performance du muscle ? 35
Pour que cela fonctionne,
il faut que :
Constraint
1. Le textile s’étire durant la phase excentrique SANS gèner le
mouvement.
Le textile doit suivre la trajectoire des muscles.
La mise en tension du textile doit être obtenue par une source
d’énergie autre que musculaire. Donc s’aider des énergies du mouvement.
La raideur du textile doit être faible lors de ce mouvement
2. Le textile reprend sa forme durant la phase concentrique en
apportant une quantité non négligeable d’énergie.
La raideur du textile doit être plutot élevée.
SOLUTION : le textile doit faire varier sa raideur selon
36
les phases, les vitesses, les forces : comportement visco-élastique.
Existe-il des phases de cycle étirement – raccourcissement en sprint ?
Excentrique - Concentrique jambe
Fin freinage
Phase Propulsion
Phase Contact
Excentrique - Concentrique cuisse
Ascension cuisse
Descente cuisse
Phase Vol
37
CER des muscles extenseurs du genou et de la cheville
pdt la Phase de contact
Excentrique : freinage
Concentrique : propulsion
38
Textile et CER lors de la phase de contact :
+ Energie excentrique obtenue par le choc contact sol !
+ Tous les coureurs, quelque soit leur niveau, utilisent cette technique.
- Besoin de maintenir en place le textile à l’arrière du talon par un lien
necessaire MAIS interdit par les réglementations !
- Nécessaire compression élevée de la jambe DONC problème de
retour veineux !
CONCEPT
39
CER des muscles extenseurs de la hanche pdt la Phase de vol
Concentrique : propulsion
Excentrique : freinage
GRIFFÉ
40
Textile et CER lors de la phase de vol :
+ Energie cinétique de la cuisse élevée lors de l’étirement.
+ Energie excentrique obtenue par l’inertie et l’énergie cinétique de
la cuisse.
+ Différence de vitesse de la cuisse entre les phases excentrique et
concentrique.
+ Facilité de maintenir en place le textile aux origines et terminaisons
des muscles ischio-jambiers
- Seuls les sprinteurs de haut niveau utilisent cette technique
- Nécessaire obligation d’adapter les caractéristiques visco-élastique
du textile aux qualités techniques et anatomiques du coureur.
41
✔ CONCEPT
Dimensionnement
Mesure de longueur d’étirement du textile
Elongation atteint 30 %
42
Dimensionnement
θ
Evolution de l’angle de la cuisse lors du mouvement
100
80
angle theta [deg]
60
40
20
0
240
280
320
360
400
440
480
520
560
600
640
680
720
760
-20
-40
-60
Braking
Phase
Propulsion Phase
Flight
Phase
Braking
Phase
Propulsion Phase
Flight
Phase
Braking
Phase
time t [ms]
43
Dimensionnement
1020
deg/s
Velocity of swing leg is
important
Textile mustn't restrain it
1500
100
Muscle can't
be support by
textile,
because
textile is not
compressed
1000
500
0
0
40
500
deg/s
80
120
50
160
200
240
280
320
360
400
440
500
Important work
of Biceps Femori s
-500
angle theta [deg]
velocity v [deg/s]
Evolution de la vitesse angulaire de la cuisse
0
540
time [ms]
-50
-1000
Important work
of Biceps Femori s
-1500
-100
-2000
-2500
-3000
Braking
Phase
Propulsion
Phase
Flight Phase
Braking
Phase
angular velocity of thigh [deg/sec]
angle [deg]
Leg movement has
to be inversed very
quickly
Textile can
support muscle
Propulsion
Flight Phase
during this
Phase
phase
-150
2500
deg/s
Braking
Phase
-200
44
Dimensionnement
Q T O g C C
F I A= N / m 2 = P a *
Calcul de la raideur du textile : facteur qui affecte le niveau de force nécessaire
pour produire un certain niveau de déformation. Donc résistance à une
déformation élastique d’un corps.
o f t r v o e l a s t i cm a t e r i a l su ' i t h d i f f e r e n t
F i g u r e3 . 2 0 .S c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n
m e c h a n j c abi e h a v i o rd u r i n g d e i o r m a t i o n .
K = F/Δx
avec F en N, Δx en m, K en N.m-1.
l
;
r
y
l
-
I
I
t
t
l
t u l
Ep = ½ k.Δx2
FF*pptied
avec Ep énergie mécanique potentielle maximale stockée dans,
le matériel (J)
45
Dimensionnement
Comportement viscoélasticité non linéaire du solide
La réponse à une sollicitation d’un matériau viscoélastique diffère en fonction du temps.
Target curve for tensile test on the power band
for a 25mm width and 80 mm long sample
35
30
First part of the
curve: elastic
coefficient = 20N
Force [N]
25
20
The “spring effect”
could be variable
Second part of the
curve: elastic
coefficient = 40N
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Elongation [%]
46
After …
Solution trouvée
47