LES LEVIERS DU CORPS HUMAIN. {par Jean-Pierre GOUSSARD}

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1 LES LEVIES DU COPS HUMAIN. {par Jean-Pierre GOUSSAD} Pages Introduction. 2 1) Les différents types de leviers ) Les leviers du 1 er genre ) Les leviers du 2 è genre ) Les leviers du 3 è genre. 3 2) Les règles mécaniques ) Le moment cinétique. 6 3) Composante de la force ) Les points d'insertion musculaire ) L'angle de traction. 10

2 LES LEVIES DU COPS HUMAIN. D'un point de vue biomécanique, le corps humain peut-être considéré comme un ensemble complexe de leviers osseux, reliés par des charnières articulaires variées et mus par la contraction musculaire. Ce complexe mécanique obéit aux lois communes des leviers. Il repose sur le sol par des appuis variables et est soumis à l'action de la pesanteur et aux lois de l'équilibre. Au niveau du corps humain, les leviers sont formés par les os qui représentent des barres rigides tournant autour d'axes fixes constituées par les articulations. On se trouve donc en présence de trois composantes : - les articulations ou point fixe que l'on appelle généralement A, - le muscle constitue la force qui meut le levier, ses insertions étant les points d'application de cette force, - la résistance est constituée par le poids du segment à mobiliser et le cas échéant par une résistance extérieure. 1) Les différents types de levier. Comme il existe trois composants pour un levier (orce, Point d'appui, ésistance), cela indique qu'il existe trois types de levier. 1.1) Levier du 1 er genre ou inter-appui. Il se caractérise par le fait que le point d'appui se situe entre la force et la résistance. Ce type de levier est peu répandu dans le corps humain et joue souvent un rôle d'équilibration tel que l'articulation coxo-fémorale ou encore occipito-atloïdienne. La balance de oberval illustre parfaitement ce modèle. -2-

3 Si on s'inspire de ce modèle, il faut pour que le fléau de la balance reste au centre que la charge sur les deux plateaux soit identique mais aussi que le point d'appui soit bien au centre, c'est à dire que la longueur des bras de leviers soit exactement les mêmes. l 1 l 2 l 1 = l 2 PA l 2 =l 1 Si le point d'appui se rapproche du point d'application de la force, le levier réalise des mouvements rapides et de grande amplitude moyennant une force importante afin de compenser cette différence de longueur de bras de levier relatif à (l 2 ). Grande amplitude A l'inverse, lorsque le point d'appui est proche de la résistance, le levier l 2 diminue. Le mouvement devient lent et de petite amplitude mais acquière en force. -3-

4 Petite amplitude orce faible 1.2) Levier du 2 è genre ou inter-résistant. Ce type de levier se caractérise par le fait que la résistance se situe entre le point d'appui et la force. Il est donc destiné à produire des mouvements de force du fait que le bras de levier de la puissance est plus grand que celui de la résistance. On trouve ce type de levier au niveau de l'articulation tibio-tarsienne (dans le cas d'une élévation sur la pointe des pieds) ou pour le maxillaire inférieure. Ce genre de levier est aussi assez rare au niveau du corps humain. La brouette en est un parfait exemple. A 1.3) Levier du 3 è genre ou inter-puissant. Il est caractérisé par le fait que la puissance se trouve entre le point d'appui et la résistance. La plupart des leviers du corps humain appartient à ce genre car il permet de produire des mouvements rapides et de grande amplitude. C'est aussi un levier de vitesse du fait, que le bras de levier de la résistance est plus long que celui de la force. -4-

5 Le brachial antérieur est l'exemple d'un vrai levier du troisième genre. Il exerce sa traction sur le cubitus juste au-dessus du coude et, dans la mesure où le cubitus est incapable de rotation, la traction est directe et pure. A Articulation du coude Dans le cas de l'articulation du coude, la contraction musculaire du biceps brachial provoque un mouvement ample et par conséquent rapide à l'extrémité distale du membre. Par contre ce type de levier n'est pas économique car la force développée par le muscle doit être supérieure à la résistance. 2) Les règles mécaniques. Les lois de la physique de Newton s'applique aux mouvements et permet de comprendre l'importance des bras de levier. La force est généralement représentée par une flèche qui indique à la fois son importance et sa direction. Si un corps pèse 5 kg, on dit que l'attraction terrestre qui s'exerce est de 5 kilos-poids (5 kp) ou de 50 Newton (50 N). La correspondance exacte entre ces différentes unités est1 kp = 9,81 N mais en pratique on ajuste à 10 N. Si l'on tient à la main un hectogramme, on a ainsi la sensation d'une force d'1 N (1 N = 1 Newton). -5-

6 2.1) Le moment cinétique. Lorsqu'une force agit à une certaine distance (l) d'un point, on dit que cette force exerce un moment par rapport au point. Le moment cinétique représenté par le lettre M se calcule en multipliant la force () par la longueur du bras de levier (l) * M = * l. La valeur du moment cinétique indique l'importance de la contrainte subie par le sujet. Le moment cinétique est par conséquent un nombre qui représente deux choses en une, à savoir que la même force peut agir de façon variable en fonction de l'endroit où elle s'applique. Ainsi, si la force est de 50 N et la longueur du bras de levier est de l = 0, 20 m alors le moment cinétique est : M = * l M = 50 N * 0,20 m =10 Newton. Si on augmente la longueur du bras de levier de la clef de 0,10 m : De même, pour une longueur de 0,50 m : Les nombres 10, 15 et 25 Nm donnent les valeurs des forces qui vont s'exercer sur la poignée de la clef. Cependant, le moment de 25 Nm peut être obtenu d'une manière différente en augmentant la force et en diminuant la longueur du bras de levier : -6-

7 De même, dans le cas d'un levier du premier genre, il est facile d'obtenir des composantes de force différentes suivant la longueur des bras de levier. Dans l'exemple précédent les poids ainsi que la longueur des leviers étant identique, l'équilibre est assurée. On dit que les moments du couple s'annulent. Ce même raisonnement peut s'appliquer à tous les muscles. Mais si on déplace le centre de gravité de quelques centimètres, alors il faudra compenser par une augmentation de poids du côté inverse à l'augmentation du bras de levier. Pour que la balance s'équilibre, il faut que : 1 * l 1 = 2 * l 2 Si l 1 < l 2 Alors : 1 * 0,10 m = 5 kg * 0,20 m x * 0,10 m = 5 kg * 0,20 m x * 0,10 m = 1 x = 1/0,1 1 = 10 kg C'est différents exemples permettent de comprendre les différences de force qui existent entre les individus car plus la distance (l) comprise entre l'articulation et le point d'insertion musculaire est importante plus la force développée sera importante. -7-

8 3) Composante de la force. Hormis l'entraînement dont le but est d'améliorer la force d'un sujet, il existe des composantes d'ordre génitale qui ne peuvent être modifiées. 3.1) Les points d'insertion musculaire. Si on considère que l'avant-bras pèse 1 kg, ce qui représente une force de 10 N et que le centre de gravité est à 20 cm en avant de l'articulation, le moment cinétique devient 10 * 20 Ncm. Si le muscle qui fléchit le coude s'attache à 5 cm de l'articulation il faudra : m * 5 = 10 * 20 pour que le bras reste immobile. En partant de cet exemple, si deux personnes A et B ont des insertions placées par rapport à l'articulation du coude à des points différents sur la tubérosité bicipitale du cubitus, ces personnes auront des potentiels de force et de rapidité très différents. Si on suppose que pour A la longueur du bras de levier est de 4 cm quand le coude est fléchi à 90 degrés et que pour B la longueur du bras de levier est de 5 cm quand le coude est fléchi à 90 degrés, on obtiendra respectivement : mg = 10 N mg = 10 N = 20 cm = 10 N m = 4 cm m =? m * m = * ou m = 50 N = 20 cm = 10 N m = 5 cm m =? m * m = * ou m = 40 N Donc pour une même résistance, la personne A devra développée une force de 10 N supérieure à la personne B. Ce qui revient à dire que B est plus fort que A. Parallèlement, l'amplitude de déplacement est plus grande en A qu'en B. A est plus rapide que B. -8-

9 Autre exemple concernant l'articulation du coude, le bras étant en extension au-dessus de la tête : m = force musculaire m = longueur du bras musculaire à partir de l'axe articulaire = force de gravité sur la boule = distance du point d'application de la force à l'axe de l'articulation m On peut comparer l'articulation du coude à une balance où la force extérieure agit d'un côté et la force intérieure m de l'autre côté. Le bras reste immobile si m * lm = * l. m En conclusion, les systèmes de levier du corps humain sont en général conçus pour des mouvements rapides de grande amplitude aux dépend de la force. De courts bras de levier et de longs bras de résistance requièrent une force musculaire importante pour produire le mouvement. Sur le plan pratique ceci signifie que le système musculaire doit être suffisamment puissant pour fournir la force nécessaire pour assurer les mouvements corporel. Bon nombre d'activités sportives se servent de leviers extérieurs afin d'augmenter la force mais aussi la vélocité tels que le tennis, le baseball ou encore le lancer du marteau. Plus le levier est long, plus grande est la vélocité. La figure suivante indique que le levier de grande longueur Z' se déplace plus -9-

10 rapidement que le levier court S' lors d'un déplacement pour un secteur angulaire identique. Z' S' S Z 3.2) L'angle de traction. L'angle de traction sur le segment osseux est un autre facteur de très grande importance dans l'utilisation d'un système de leviers. Les mouvements articulaires et les angles des insertions musculaires mettent en jeu pour la plupart de petits angles de traction. Cet angle s'accroît au fur et à mesure que l'os s'éloigne de sa position anatomique sous l'influence de la contraction du groupe musculaire local. L'amplitude du mouvement dépend du type de l'articulation et de la configuration osseuse. La plupart des muscles travaillent sous un faible angle de traction généralement inférieur à 50 degrés. A 90 degrés, toute la force du muscle est utilisée pour effectuer la rotation. Pour tous les autres degrés angulaires, il existe deux composantes de la force. L'une de rotation A et l'autre de stabilisation B passant par l'articulation ou une force de dislocation lorsque le mouvement à dépasser 90 degrés. -10-

11 L'angle de traction représente donc une composante de force non négligeable. Bon nombres d'exercices deviennent difficilement réalisables à partir du moment ou l'angle d'ouverture entre deux articulations est supérieure à 90 degrés. La traction à la barre fixe, mains en pronation en est un parfait exemple. Si la position de départ est en extension complète, la remontée est difficile. Par contre si la position de départ est de 90 degrés, la remontée s'avère nettement plus facile. L'augmentation de la force est la seule solution pour les muscles qui fonctionnent sous des angles de traction défavorables, et qui doivent développer par conséquent une plus grande force pour être efficace. -11-