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Effet de la hauteur du contre haut sur la régulation de la raideur des membres inférieurs : comparaison entre les 2 sexes

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par Amine Choukou
Université de Paris sud 11 - Master sciences du sport 2006
  

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2. Cadre théorique

2.1 La modélisation biomécanique : outil d'analyse des sauts 2.1.1 Pourquoi modéliser ?

« Modéliser c'est remplacer du visible compliqué par de l'invisible simple ». (J. Perrin). Il est très difficile de comprendre et d'analyser les mouvements complexes du corps humain sans prendre en compte les détails des mouvements « intra-systèmes » qui peuvent avoir des effets sur le « système global ». D'où l'intérêt d'utiliser des modèles afin de simplifier cette complexité sans en détériorer la quintessence. Alors quel modèle choisir ?

2.1.2 Quel modèle pour le corps humain ?

Il n'existe pas de réponse unique à cette question. Alain Durey (1997) sépare deux modes d'approche hiérarchisés : la description cinématique qui se contente d'analyser les paramètres mis en jeu dans le repère espace-temps et la modélisation dynamique qui décrit les forces et les couples exercés sur le corps.

2.1.2.1 La description cinématique :

Elle constitue le « prolongement de l'observation des techniciens du sport ». Elle consiste à repérer des points particuliers du corps pour représenter les variables de temps et d'espace. Le choix de ces « points-cibles » dépend bien sur de ce qu'on veut analyser.

2.1.2.2 La modélisation dynamique : ou « Outil de simulation ».

Pour pouvoir simuler le mouvement du corps humain de point de vue mécanique, il faut pouvoir décrire les forces et les couples qui s'exercent sur le corps :

· L'approche la plus simple est celle du modèle du corps solide qui considère le corps humain comme un solide non déformable. Ce dernier est caractérisé par sa géométrie, sa masse, son moment d'inertie et son centre d'inertie. Avec un tel modèle macroscopique, on étudie le mouvement du centre d'inertie et le mouvement de rotation de ce solide autour de son centre d'inertie.

· Une deuxième approche, dite microscopique, considère le corps humain comme un solide déformable composé d'un ensemble de segments corporels reliés entre eux par des

articulations (des repères anatomiques). Grâce aux données cinématiques, on peut alors recalculer les efforts articulaires.

2.1.2.3 Le modèle masse-ressort :

Jusqu'aujourd'hui, on trouve dans la littérature trois grands types de modélisation, qui doivent faire l'objet d'une analyse rigoureuse, afin de cerner celles qui correspondent le mieux aux particularités des mouvements étudiés (marche, course, transition course-saut, tous types de sauts).

Le modèle masse-ressort (fig.1) consiste en un ressort linéaire simple, représentant usuellement la jambe, attaché à une masse, qui englobe l'ensemble de la masse corporelle. L'intérêt mécanique de considérer la jambe du sauteur comme un ressort permet la compréhension de deux phases de l'impulsion : compresser le ressort dans la phase excentrique (flexion) et le libérer dans la phase concentrique (extension). [5]

Fig. 1 : Modèle masse-ressort simple, ou Modèle S.L.I.P. (« Spring loaded inverted pendulum »).

« m » représente la masse du corps, « l » la longueur du ressort et « k » la raideur mécanique

de la jambe.

L'intérêt du modèle masse-ressort est de comprendre les problèmes de transfert d'énergies au cours de la locomotion. Cavagna (1977) a montré l'importance du transfert d'énergie potentielle gravitationnelle et d'énergie cinétique dans le changement de dynamique marche course. Ce chercheur a appréhendé la course selon deux notions physiques :

> L'effet pendulaire inversé, qui explique le transfert de l'énergie potentielle en énergie cinétique.

> L'effet ressort, qui explique le stockage de l'énergie élastique.

Université Paris-Sud XI

Ces deux effets cumulés expliquent le transfert de l'énergie mécanique en énergie élastique.

[2]

Selon Farley (1999), comme pour ces prédécesseurs, le corps d'un athlète effectuant un saut, ou une course, peut être modélisé comme étant un simple système masse

ressort linéaire représentant les membres inférieurs (leg spring) et une masse (M) représentant la masse corporelle. (fig.2)

(A) Modèle Masse-Ressort

sauts.

Dans ce modèle, les actions des éléments du système musculo

en même temps et ainsi la totalité du système semble agir comme un ressort uni

Le modèle masse-ressort se présente toujours sous la même forme, mais les voies d'accès à la mesure de la raideur sont différentes selon les auteurs. Selon la littérature, on distingue trois grands types de modélisation des raideurs mécaniques

> Les premiers types de modèles concernent toutes formes de locomotion avec

la particularité d'avoir un secteur balayé par le centre de masse pendant la phase de contact au sol symétrique. En d'autres termes, l'angle de contact au sol est le même que l'angle d'envol.

articulations de cette dernière : cheville, genou et hanche. Ces modèles semblent être les plus proches de la réalité des sauts verticaux.

> Enfin, le dernier type de modèle concerne les mouvements asymétriques, où

l'angle de contact et l'angle d'envol sont différents, ce qui semble plus proche de la réalité de la coordination étudiée.

Les modèles masse-ressort les plus récents sont les suivants : [2]

· Le modèle de Mac Mahon et Cheng (1990) (Fig.3)

Dans ce modèle, l'individu est assimilé à un ressort constitué par sa jambe (hanche- talon) de longueur l , de raideur K, au-dessus duquel est posée une masse m, qui arrive au sol avec un angle è, et qui décolle avec ce même angle.

(Fig.3)

Modèle masse ressort pour locomotion symétrique, d'après Mac Mahon et Cheng (1990). « m » représente la masse du sujet, « ?l » l'abaissement de la jambe, « l » la longueur initiale de la jambe et « è » l'angle d'incidence au sol.

· Le modèle pluri articulaire de Farley et Morgenroth (1999) : (Fig.4)

Ce modèle postule que la raideur totale est la somme des raideurs des principales articulations impliquées dans la locomotion humaine, la hanche, le genou et la cheville.

(Fig.4)

Modèle masse ressort : la raideur de la jambe est la somme des raideurs de chaque articulation, « è » représente l'articulation des trois angles de la jambe. D'après Farley et Morgenroth

(1999)


· Le modèle (asymétrique) d'Alexander (1990) : (Fig.5)

Ce modèle est basé sur la modélisation du corps humain en trois segments rigides : le tronc et la jambe constituée de deux segments de longueur égale a. La masse m est concentrée sur le tronc et le centre de masse approximé à l'articulation de la hanche.

(Fig.5)

Une telle approximation part des constats de Dyson (1973) sur le fait que le centre de masse d'un homme ou d'une femme en position debout avec les bras le long du corps est environ 5 cm au- dessus de cette articulation. Le modèle corporel se situe dans un repère cartésien dont l'origine est le pied.

Figure 5 : Modélisation du corps humain d'après Alexander (1990). « a » représente la

longueur des deux segments inférieurs, « F » la force de réaction verticale au sol, «è » l'angle
d'incidence au sol et « Ö » l'angle du genou.


· Le modèle asymétrique de Seyfrath et al. (1999) : (Fig.6)

S'il est moins simple d'accès que celui d'Alexander, ce modèle présente l'avantage de ne pas inférer de manière approximative les valeurs des paramètres. Il permet de décrire la dynamique du centre de masse pendant la phase d'impulsion en saut en longueur par exemple. Il peut tout à fait être utilisé pour le saut en hauteur, car il part du postulat que le secteur balayé par le centre de masse est asymétrique, comme c'est le cas en saut en hauteur.

(Fig.6)

Modèle dynamique de la longueur de la jambe r en fonction de l'abaissement ?r et de l'angle

de la jambe (d'après Blickhan et al., 1995).

« á » représente l'angle de la jambe , « á0 » à l'atterrissage, « áE » au décollage, la longueur

initiale de la jambe est « r0 », la longueur finale « rE » , ?r représente l'abaissement du centre de
masse pendant le contact et «l á » la longueur actuelle de la jambe.

2.2 La performance en saut de contre haut

La performance en saut de contre-haut est définie comme l'élévation verticale du centre de masse pendant l'envol qui est, par définition, la détente verticale, l'une des caractéristiques

fondamentales de la performance physique qui fait notamment l'objet d'un entraînement chez les joueurs de volley-ball. Elle varie en fonction des contraintes de l'exercice (hauteur, consignes,) et elle est régulable par la variation des paramètres temporels et de force. Il est intéressant de noter que la consigne « flexion naturelle » ne permet pas d'augmenter pour autant la performance en saut et que la hauteur du contre haut ne l'influence pas non plus (Selon G.Laffaye, 2005). Dans ce sens, de nombreuses études se sont interrogées sur la question de la hauteur optimale du contre-haut pour optimiser le rendement mécanique lors de la réalisation de ce type d'exercice. [5]

Quant à la raideur mécanique (Kleg), elle n'est pas un facteur corrélé avec la performance. D'ailleurs, il a été montré qu'une même performance verticale peut être réalisée avec différentes valeurs de raideur. [5]

Selon une autre étude qui compare les performances en saut vertical chez les experts et chez les novices, les joueurs de volley-ball (experts) ont montré de meilleures performances par rapports aux non experts et de meilleurs résultats à partir d'un contre-haut de 60 centimètres que celui de 30 centimètres, ce qui a été expliqué par une meilleure utilisation de l'énergie élastique chez les experts. Par ailleurs, Voigt et al (1995), ont démontré que les sauts de contre mouvement et de contre haut de 30 centimètres produisent des hauteurs de saut supérieures à celles enregistrées lors de squat jump ou de saut de contre haut de 60 et 90 centimètres. Ces résultats s'opposent à ceux de Mark Walsh et al (2004), chez une population de décathloniens, et qui ont montré qu'il n'y a pas de variation de la hauteur de saut entre les sauts de contre haut de 20, 40 et 60 centimètres. [4, 6, 7]

En outre, l'importance du rôle des membres supérieurs durant les sauts n'est pas négligeable, elle a été confirmée à travers cette même étude: le mouvement des bras pendant le saut augmente de 15 % la hauteur du saut chez les volleyeurs contre 12 % chez le groupe des novices (voir tableau n°1). Cette étude a mis en évidence l'effet de l'expertise sur la performance en saut vertical mais a démontré qu'il n'y a pas d'effet de la hauteur de contre-haut sur la hauteur du saut. [4]

Tableau n° 1 :

Performances moyennes en saut de contre haut, constatées par G.Laffaye (2006):

 
 

DJ-30

 

DJ-60

Performance verticale (cm) chez les experts

41.8

#177; 4.2

44.3

#177; 7.5

Performance verticale (cm) chez les novices

38.5

#177; 6.8

36

#177; 7.6

2.3 Les paramètres mécaniques des sauts 2.3.1 Les paramètres de force

La forme générale de la courbe de force correspondant à un contre-saut se caractérise par deux pics (figure 7):

courbe de contre-saut (drop-jump)

Pic

Pic

temps

(Figure.7)

Le premier pic de force est bref dans le temps et de valeur élevée, il correspond au choc de l'impact au sol. Il est appelé pic excentrique car il intervient dans la phase excentrique du mouvement.

La valeur du pic excentrique reste inchangée, et ce, quelle que soit l'instruction donnée aux sujets ce qui signifie que les experts régulent les chocs importants lors de l'impact au sol afin de minimiser les risques de blessures. Seule la hauteur du contre haut change de manière radicale la valeur moyenne du pic excentrique de la force verticale. La valeur moyenne du pic excentrique de la force verticale est de 3.93 fois le poids du corps. [4, 5]

Le deuxième pic est appelé pic concentrique car il correspond à la valeur maximale de la force imprimée au sol par le sujet pendant la phase concentrique du mouvement. Ce pic correspond avec le moment où l'abaissement du centre de masse est maximal, donc au début de la phase concentrique. [5]

La valeur moyenne de ce pic de force a été estimée à 4,03 fois le poids du corps. On remarque que la valeur du pic concentrique ne varie pas avec la hauteur du contre haut. Mais elle passe du simple au double avec la diminution de la flexion du genou. [4]

Il a été démontré par G.Laffaye en 2005, que le pic concentrique de force verticale augmente de 200% entre la flexion maximale et la flexion minimale du membre inférieur (2,9 fois le poids du corps contre 5,6 fois le poids du corps). Cela tend à montrer que sauter en raidissant le système musculo-tendineux augmente les valeurs des facteurs myodynamiques de la performance.

2.3.2 Les paramètres temporels 2.3.2.1 Le temps de contact

C'est le temps qui s'étale entre l'impact au sol (« touchdown ») et le moment où l'athlète quitte le sol (« take-off »), lors d'un saut de contre haut. Le temps de contact est plus long avec la flexion maximale du membre inférieur. Il ne varie pas significativement en fonction de la hauteur de contre haut, ce qui tend à affirmer que chez les experts, il est contrôlé et régulé afin de minimiser les risques de blessures (en allongeant le temps jusqu'au pic de force). De plus, il a été démontré qu'il n'y a pas d'effet de l'expertise sur la durée de cette phase et que la présence du mouvement des bras ne change pas cette durée.

Selon B. Warren (1995), le temps de contact au sol est plus court lors de saut de contre-haut que lors de saut en contre mouvement. De plus, selon G.Laffaye (2005), ni le temps de contact ni le temps jusqu'au pic de force ne semblent différer entre la hauteur de 30 centimètres et 60 centimètres. En effet, le temps de contact global augmente avec l'augmentation de l'angle de la flexion du genou, ce qui suppose que les experts varient leurs abaissements, notamment en fonction de la hauteur de contre haut, pour optimiser leurs performances. [3, 4, 5, 8]

Le temps de contact a été de l'ordre de 255 ms dans la condition de transition course-saut vertical d'une étude menée par G.Laffaye et al. en 2005, dont les résultats montrent que l'expertise n'a pas d'effet sur la valeur du temps de contact et que ce dernier est d'autant plus bref que le saut est plus haut.

Par ailleurs, en cherchant l'effet de l'instruction sur la régulation de la raideur des membres inférieurs, G. Laffaye et al. (2005) , ont conclu qu'un saut de contre haut avec une grande amplitude (flexion importante du membre inférieur) est caractérisé par un temps de contact long (500ms),

alors qu'avec une faible amplitude (faible flexion du membre inférieur), il sera caractérisé par un temps de contact court (220 ms). Selon cette recherche, le temps de contact augmente lorsque l'angle de flexion du genou augmente, et il diminue de moitié quand le genou passe d'une flexion maximale à une flexion minimale.

2.3.2.2 Le temps excentrique

Il s'étale entre la position debout et le moment où la flexion du genou est maximale, moment clef pendant lequel le muscle passe de l'allongement à la contraction. Pendant cette phase excentrique du saut, le muscle se trouve dans un état de tension et il est soumis à un allongement. En mode flexion naturelle, elle est la phase la plus courte du saut global. Elle présente 40 % du temps total en saut de contre haut de 30 centimètres et 49 % du temps total en saut De contre haut de 60 centimètres. [5]

B. Warren (1995) conclue qu'avec l'instruction « sauter le plus haut possible », les sujets cherchaient à s'accroupir davantage, donc tendent à amplifier l'abaissement du centre de masse et augmenter le temps excentrique. [8]

G. Laffaye (2006) fait la différence entre deux comportements lors de saut avec l'utilisation des bras: les experts sautent avec un temps excentrique plus long pour stabiliser le système en premier temps et en deuxième temps s'envoler vers le haut en balançant puis en fixant les bras vers le haut, alors que les novices ne changent pas leur temps excentrique que ce soit en sautant avec ou sans les bras. Leur stratégie (mouvement continu des bras lors de l'envol) s'avère inefficace. [4]

2.3.2.3 Le temps concentrique

Pendant la phase concentrique du saut, le muscle se contracte en se raccourcissant. Cette phase commence au moment ou la flexion du genou est maximale et se termine quand le sujet quitte le sol. Elle se caractérise par un pic concentrique de force.

Pendant la course, le saut vertical et tous les bondissements, le mouvement du membre inférieur comporte deux phases : une phase d'amortissement (excentrique) et une phase de renvoi (concentrique). La pliométrie est, en effet, la succession des deux phases et où il y a mise en jeu de ce que les physiologistes appellent le cycle « étirement-raccourcissement » (« stretch- shortening

cycle »). Entre autres, le physiologiste Komi (2000), a montré que, comparés à une action concentrique pure, les exercices avec un cycle « étirement-raccourcissement » augmentent considérablement la force musculaire à une vitesse de raccourcissement donnée.

2.3.2.4 Le temps d'envol

Appelé aussi la phase aérienne, le temps d'envol est un indicateur de la hauteur de saut. En effet, Komi et Bosco (1978) présument que les positions du centre de gravité du corps sont les mêmes, aussi bien au moment de l'appel, qu'au moment de la réception. [6]

Il est ainsi possible de calculer la valeur de la hauteur du saut à partir du temps d'envol en appliquant la formule suivante :

h = 1/8. g. t2 (en cm)

Cette méthode surestime la valeur de la hauteur de saut de 3 % car la posture change entre la fin de la phase concentrique et la fin de la phase d'envol.

2.3.3 La puissance mécanique

Le calcul de la puissance mécanique (en Watt) met en relation la quantité d'énergie produite (« Wf »: travail de la force musculaire) avec la durée « t » (durée de l'exécution du mouvement). La formule de la puissance (P) est la suivante :

P = (Wf ) / t

ou

P = F x V

( wf = travail de la force, F = force, V= vitesse , t = temps)

La valeur moyenne de la puissance maximale Pmax est de 100 W/Kg, selon une étude récente menée par Laffaye (2005).

La valeur de la puissance maximale double entre la condition de flexion maximale et flexion minimale lors de saut de contre-haut. En effet, la hauteur de contre-haut influence la puissance mécanique, qui s'avère plus élevée dans la condition de saut de contre-haut de 60 mètres que dans

la condition de saut de contre-haut de 30 mètres. Ces résultats s'opposent à ceux de Mark Walsh et al. (2004), qui trouvent que les paramètres de la puissance mesurés au centre de masse ne sont pas affectés par la hauteur du départ du saut. [5, 7]

Selon G. Laffaye et al. (2006), le pic de la puissance ainsi que la puissance moyenne sont supérieurs dans la condition de saut de contre haut la plus élevée. Ceci s'explique par une meilleure utilisation de l'énergie élastique chez les experts grâce à l'énergie gravitationnelle emmagasinée pendant la phase d'atterrissage.

Selon une étude récente, on remarque que l'utilisation des bras n'a pas d'effet sur le pic de puissance relative au poids du corps. Entre autre, ce pic est plus élevé chez les experts que chez les novices et augmente avec la hauteur du contre-haut. Il a été démontré que le changement de cette hauteur de 30 à 60 centimètres augmente la valeur du pic de puissance relative de 33%. [4]

2.3.4 La raideur mécanique du membre inférieur

Pendant la locomotion humaine (quotidienne), la raideur reste la même à toutes les vitesses de déplacement, tandis que pendant la course ou les sauts, les athlètes l'adaptent afin d'éviter les contraintes du milieu naturel, ou, pour augmenter la fréquence ou la hauteur des sauts. Durant ces mouvements les actions du système musculo-squelettique (muscles, tendons et ligaments) sont intégrés ensemble et sont alors similaires à un système de ressorts. Le corps humain pourrait être modélisé comme un ressort linéaire représentant les membres inférieurs attaché à un point représentant la masse corporelle. Lors d'un exercice de saut, ce système restitue l'énergie sous forme d'énergie potentielle. [1, 5]

Selon Farley et Morgenroth (1999), la raideur peut être définie comme le rapport de la force maximale en pic actif (Fmax ) sur l'abaissement maximal du centre de masse (?r ) pendant la phase de contact au sol. Ainsi elle dépend de l'alignement du vecteur de la force de réaction du sol. [1]

kleg = Fmax / ?r (en N/m)

Elle est modulée afin de s'accommoder aux changements de la surface du support et elle est directement proportionnelle à la raideur de la cheville : dans un système où il y a plusieurs ressorts, c'est le ressort le moins raide qui subit la plus grande élongation en réponse à une force qui lui est appliquée. La cheville, étant l'articulation la moins raide parmi les articulations des membres

inférieurs, subit plus de déformation au cours des phases, concentrique et excentrique du saut. Sa raideur influence ainsi celle de tout le membre.

On remarque que la régulation de la raideur de la cheville est le premier mécanisme responsable de l'ajustement de la raideur des membres inférieurs, selon des expériences de sautillements sur place.

On note que « kleg » n'est pas influencée par la hauteur de contre-haut lors des exercices de « Drop-Jump », contrairement à la diminution de la longueur du membre inférieur, qui l'est. L'abaissement est plus élevé avec le contre haut de 60 centimètres que celui de 30 centimètres. « kleg » augmente avec la hauteur du saut , mais sa variation n'implique pas forcément le changement de la performance en saut vertical ; il a été démontré qu'une même performance peut être réalisée avec différentes valeurs de raideur. [1, 4, 5]

Le changement de la raideur du genou n'avait pas d'influence sur la raideur des membres inférieurs chez les sujets de l'expérience de sautillements sur place. La flexion maximale du genou ne modifie non plus la performance, le rôle de cette flexion est, avant tout, de réduire le choc de l'impact au sol. On remarque que la raideur a été aussi étudié par rapport au temps de contact qui est, selon Arampatzis et al., inversement proportionnel à la raideur : les sauts effectués avec les temps de contact les plus court ont les valeurs de la raideur les plus élevées.[1, 5, 7]

Dans notre recherche, nous allons étudier les paramètres régulables lors de saut vertical, qu'on a présenté le long de cette partie théorique, et tenter d'expliquer la différence de performance qui peut exister entre les deux genres. Pour aboutir à cela, nous allons émettre et vérifier les deux hypothèses suivantes :

(1) Le saut de contre haut permet l'optimisation des paramètres biomécaniques de la performance en saut vertical chez les experts.

(2) La régulation des paramètres biomécaniques de saut et la performance en saut vertical varient selon le genre.

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"Ceux qui vivent sont ceux qui luttent"   Victor Hugo