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Biomecanique et morphologie fonctionnelle - une introduction

La mécanique est la partie de la physique qui étudie le mouvement des corps. La biomécanique est donc une application de la mécanique à l'étude des mouvements des corps vivants. Elle adresse donc un spectre très large de problèmes : de l'écoulement de globules dans un capillaire au déplacement d'un organisme complet. On distinguera différents niveaux d'étude...

Sujet de la biomécanique

La mécanique est la partie de la physique qui étudie le mouvement des corps. La biomécanique est donc une application de la mécanique à l'étude des mouvements des corps vivants. Elle adresse donc un spectre très large de problèmes : de l'écoulement de globules dans un capillaire au déplacement d'un organisme complet.

On pourra distinguer différents niveaux d'étude: un niveau descriptif qui cherche à décrire le mouvement, la mesure des déplacements spatiaux, l'estimation de leur vitesse, la quantification de la variabilité de ces mouvements. Ce niveau d'analyse est appelé l'analyse cinématique. Elle étudie le mouvement en faisant abstraction de ses causes.

Si l'on s'intéresse aux causes du mouvement, on doit alors tenir compte des interactions du sujet d’étude avec son environnement. Ces interactions sont modélisées sous la forme de forces de nature diverses (forces de contact, force à distance comme la gravité, etc..). Ces forces ont une direction, un sens, une intensité. Elles sont représentées mathématiquement par des vecteurs. L'étude qui modélise le sujet en interaction avec son environnement est une étude qui s’intéresse à la dynamique de son mouvement.

La connaissance des forces externes c'est à dire des forces échangées avec l'environnement, peut permettre d'estimer certaines forces internes, c'est à dire des forces échangées entre deux sous parties du corps étudié. On notera que la statique d'une structure c'est à dire l'étude des forces internes d'une structure alors même que le mouvement est nul est également une partie de la biomécanique.

Les structures soumises à des efforts se déforment parfois d'une façon infinitésimale. Pour comprendre une structure on a donc besoin de connaître la résistance de ses parties qu'on soumettra donc à des contraintes mécaniques en traction, en compression, en torsion ... La mécanique des structures biologiques, au sens de la résistance des matériaux- en biologie on pourra souvent parler de résistance des tissus - est donc aussi une partie de la biomécanique.

Position de la biomécanique

La biomécanique en quantifiant les contraintes, les forces, les déformations, éclaire le pourquoi d'une architecture, la logique d'une forme, d'une structure dans son rapport avec la fonction accomplie. Néanmoins il faut garder à l'esprit qu'elle ne peut à elle seule expliquer le pourquoi d'une forme vivante ou du mouvement qu'elle dessine.

Car trois facteurs gouvernent au moins la forme d'une structure biologique (Triangle de Seilacher):

  • compformepole1.jpgL'histoire évolutive du sujet d’étude. Le mouvement de nage d'une baleine avec ses oscillations dans le plan sagittal peut surprendre alors même que tous les poissons se déplaçant dans le même milieu oscillent dans un plan latéral. La réponse tient entière dans l'histoire évolutive de cet animal: si on compare la baleine avec ses ancêtres c'est à dire les petits mammifères terrestres et qu'on s'intéresse à la locomotion des petits mammifères (actuel) on retrouvera alors les traces de ces oscillations sagittales dans la course.

  • compformepole3.jpgLe deuxième pôle est fonctionnel. A quelle(s) fonction(s) participe la structure ? Étudions un bassin. Le bassin apparaît comme la clef de voûte qui relie deux chaînes segmentées, les jambes. Mais sa forme est aussi déterminée par son rôle dans la parturition - le corps du nouveau né mais surtout sa tête doivent encore pouvoir passer à travers le bassin. En outre chez l'homme, les ailes iliaques se sont ouverte vers l'extérieur alors que ce n'est pas le cas chez les grands singes. C'est que suite à notre station érigée, les viscères tombent vers le bas et que les ailes iliaques joue aussi un rôle de support du système viscéral. Ce pôle fonctionnel traduit donc les relations (au pluriel) de la structure avec son environnement. Une forme est souvent le résultat d'un compromis.

  • compformbiomec.jpgEnfin le dernier pôle est structurel: la forme d'une structure dépend aussi des propriétés de la matière à partir de laquelle elle est façonnée. C'est par exemple l'orientation des microstructures osseuses qui détermine en partie la résistance d'un os aux contraintes. C'est la structuration interne du muscle et des tendons qui rend possible un stockage d'énergie au sein de ces structures...etc.

La biomécanique n'aura pas grand chose à dire sur le pôle 1. Elle pourra surtout apporter des informations sur les aspects de structure et sur sa relation au fonctionnel notamment en associant à une structure des mesures objectives de performance.

formedyn.jpgExemple deforme dynamique: pendant la course la trajectoire de la cheville dessine une poulaine, ces chaussures du moyen-age.

On notera que la forme étudiée n'est pas nécessairement statique comme l'est la forme d'un os, mais peut être dynamique comme l'est par exemple la trajectoire de la cheville lors du mouvement de course. Le cadre conceptuel pour l'étude des formes dynamiques reste le même.

 

 

 

 

 

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