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BIOMECHANIQUE DU CORPS HUMAIN: MEMBRE INFERIEUR
1) Introduction - Terminologie
LA BIOMECHANIQUE
c'est
"L'application des principes de la mécanique au corps humain.".
o Lorsqu'une personne ramasse un objet, lorsqu'il marche, ou
lorsqu'il se tient debout, il est possible d'étudier les forces:
la gravité , les forces musculaires agissant sur le corps humain.
La Biomécanique est important en orthopédie. Elle permet:
-de comprendre la répartition des pressions dans l'emboîture
-d'aligner correctement la prothèse.
La biomécanique permet aussi de comprendre les notions de pression
et la relation existant entre l'alignement et la pression.
FORCE
Définition
Une force est ce qui permet de déplacer un objet dans une
direction donnée.
C'est aussi une attraction ou répulsion exercée par un corps
sur un autre corps.
Exemples:
- La main pousse le livre sur la table, elle exerce une force sur ce livre.
- Lorsqu'une personne s'appuie sur un mur, elle exerce une force sur ce mur.
- Le poids d'une personne applique une force sur le sol.
- Le poids de l'amputé applique une force sur la prothèse.
LES CARACTERISTIQUES D'UNE FORCE
une force est définie par 4 caractéristiques:
1) Sa taille ou sa magnitude ( représentée par la longueur de la flèche)
2) Sa ligne d'action
3) Sa direction ( représenté par le sens de la flèche).
4) Son point d'application
FORCE OPPOSEE
Définition
Pour chaque force ne créant pas de mouvement , il existe une
force opposée dont la magnitude est égale.
Exemples:
F
- Si l'on exerce une force sur un livre reposant
sur une table, le livre est déplacé car il n'exerce
pas de force opposée.
-Lorsqu'une personne s'appuie contre un mur,
le mur (s'il est assez solide) applique une
force opposée à celle appliquée par la personne,
il n'y a donc pas de déplacement.
REACTION DU SOL:
Définition
C'est une force égale et opposée à une autre force crée par un objet ou par un
corps humain..
Exemples:
-Quand une personne est debout sur le sol , elle applique sur le sol
une force égale à son poids. En retour le sol va exercer une force égale et
opposée sur la personne.
- si le sol est ferme ( ciment) le personne ne laisse pas de trace sur le sol.
- si le sol est plus souple ( terre humide) , la personne va laisser
des empreintes de pas
- si le sol est mou , sable ou neige , la personne va s'enfoncer
Dans le cas d'un équilibre une force ( poussée)
doit être égale à la force opposée :
A
B
F1
F2
- La force exercée par la personne A est donc
égale à la force exercée par la personne B.
- Les deux forces sont opposées en direction
FORCE OPPOSEE où REACTION
L'emboîture de la prothèse ( zones d'appui) exerce sur le moignon
des forces opposées à la force exercée par le moignon ( = poids du patient).
La somme de ces forces est égale au poids du patient produite par l'emboîture.
Forces Opposées= R1, R2 …
P = R1 +R2+R3+R4+R5
+R6+R7+R8+R9+R10
R1
R2
R3
R4
R5
P = poids du patient
R6
R7
R8
R9
R10
FORCE DE REACTION DU SOL
P
P
R
R
P
R
La force de réaction du sol a la même ligne d'action et la taille que celle
du pied exercée par le pied sur le sol. Mais elle lui est opposée en direction.
Cette force est la plus grande lors du contact au sol par le talon et
lors de la phase d'élan que lors de la phase d'appui.
Cela est du au moment crée par le corps humain.
F
F
R
R
. La force exercée par la canne et appelée " F".
. La réaction du sol est appelé "R".
Le sol et le mur exercent des forces de réactions ( W, F1,F2)
qui viennent stabiliser le fauteuil roulant lorsque le patient va s'asseoir.
La réaction du sol "R" apparaît aussi sur le dessin.
LA GRAVITE
Définition
- La gravité est une force qui attire un objet vers le centre d'un objet plus gros.
La terre étant la plus grosse, tous les objets sont attirés par la terre.
-La gravité est une force dirigée vers le entre de la terre.
- La gravité est la force qui nous "colle " à la terre.
- La gravité est la force qui fait tomber les objet au sol.
VERTICAL
Le fil à plomb représente la direction de la ligne de gravité.
Cette direction est verticale.
HORIZONTAL
la ligne que nous pouvons observer sur la mer est appelé horizon.
L'horizon est par définition horizontal
CENTRE DE GRAVITE
Le centre de gravité est représenté par un point se trouvant au centre
de la masse de l'objet. C'est le point que nous utilisons quand
nous étudions les forces.
Exemple :
- Pour un objet cubique ou cylindrique pour lequel la masse est
symétrique, le centre de gravité se trouve au centre de l'objet.
Centre de
gravité
Dans le cas d'un objet de forme non symétrique , le centre de gravité
se trouve plus près de la partie le plus volumineuse et lourde.
G
Centre
de gravité
Le centre de gravité du corps humain :
se trouve au niveau du pelvis (L2).
NB: la personne se tient:
- debout
-les bras tendus placé le long du corps
- les jambes en extension..
LA STABILITE.
La position du centre de gravité d'un objet et la surface de sa base d'appui
sont les deux facteurs déterminant de la stabilité.
 Pour qu'un objet soit stable , il est nécessaire que le centre de gravité
soit placé au dessus de sa base d'appui.
 Plus le centre de gravité d'un objet est proche de la base d'appui,
plus l'objet sera stable.
 Plus la base d'appui sera grande , plus l'objet sera stable.
Centre de gravité
Centre de gravité
A
B
d1
d2
L'objet B sera plus stable parce que:
- la base d'appui de B > A
- d2 < d1.
LA STABILITE: exemples.
L'objet C est dans une
position instable mais la
projection de son centre
de gravité se trouve encore
au dessus de sa base d'appui,
cet objet reprendra sa position
verticale initiale
Centre de gravité
C
C
Centre de gravité
Centre de gravité
D
D
La projection du centre de
gravité de l'objet D n'est plus
au dessus de la base d'appui.
donc l'objet va basculer vers
une position plus stable.
La stabilité de la personne augmente en fonction
de l'augmentation de la surface d'appui.
Canne
La position des pieds "b" et "c" détermine la surface de la base d'appui
ou polygone de sustentation.
Comme montré sur le dessin "c" , il est possible d'augmenter
la surface de la base d'appui par l'utilisation d'une canne.
L'augmentation de cette surface va augmenter
la stabilité.
La stabilité d'une
personne augmente.
en fonction de la superficie
de sa base d'appui ou
polygone se sustentation.
Photo B
Photo A
 La position des pieds détermine la superficie
de la base d'appui ou du polygone de
sustentation .
 Lorsque le patient écarte les pieds,
il augmente cette surface ( photo B).
 S'il utilise une canne, il l'augmente encore
plus donc il augmente donc sa stabilité.
Photo C
- La stabilité est donc liée à la taille de la surface d'appui.
-Les dessins "A" et "B" montre que lorsque la base d'appui est plus grande,
la position de la personne est plus stable.
- Le dessin "C" montre une base d'appui beaucoup plus réduite:
cette position est donc beaucoup moins stable que les positions "A" et "B".
LA PRESSION :
La répartition des pressions que reçoit le moignon dans l'emboîture
est un facteur déterminant du confort d'une prothèse.
La pression est proportionnelle à la force appliquée sur une surface.
Elle est définie par la formule suivante:
PRESSION = FORCE / SURFACE
Cela veut dire que si l'on applique une force identique
sur deux surfaces différentes en taille,
la pression reçue par une petite surface est beaucoup
plus importante que sur une grande surface.
A
B
Exemple: pour une force identique , 20 kg
la pression reçue par la base de support "A"
est plus importante que celle de la base "B".
FORCES PARALLELE ET MOMENTS
C
B
A
Plusieurs forces parallèles appliquées sur un même objet
vont normalement faire plier l'objet.
Les Forces B et C vont produire autour d'un axe "A" un effet de rotation:
-dans un sens inverse des aiguilles d'une montre pour "B"
-dans le sens des aiguilles d'une montres pour "C".
L'effet giratoire d'une force autour d'un point est appelé MOMENT.
UN MOMENT
Définition
Le moment d'une force autour d'un point est égal
à la somme de force multipliée par la distance perpendiculaire
au point d'action de cette force par rapport au point de rotation.
UN MOMENT est le produit d'une force par une distance.
M=FxD
M = moment
F = force
D = Distance perpendiculaire au point d'action de la force.
Figure 1
Figure 2
. Lorsque l'enfant s'écarte du centre articulaire,
Le poids de l'enfant n'est pas modifié mais le moment de la force
autour de l'axe de rotation est augmenté, car le bras de levier "d' "
est plus grand dans la figure "2" .
Le Moment de la figure "2" M = A x d' est donc plus grand
que le moment de la figure "1" M = A x d
Il y a toujours une proportionnalité entre les distances et les poids pour
un moment donné.
Dans cet exemple:
- figure "b", le poids est divisé par 2 , donc la distance "d" entre
le poids W/2 et l'axe de rotation est multipliée par 2.
- figure "c", le poids est divisé par 3 , donc la distance "d" entre
le poids W/3 et l'axe de rotation est multipliée par 3.
Figure a
Figure b
Figure c
Application au corps humain :
Des forces parallèles génèrent assez souvent une rotation d'un segment
du corps humain par rapport un axe anatomique.
Les muscles et la gravité interviennent pour provoquer ces moments.
. Exemple 1 : un système de forces parallèles agissant au niveau de l'avant bras:
- W = Poids de la main , dirigée vers le bas.
- G = Gravité agissant sur l'avant bras dirigée vers le bas.
- B = Force créer par le biceps dirigée vers le haut.
- R = force crée par l'humérus sur le cubitus au niveau de l'articulation
du coude.
- R' = force égale et opposée à R du cubitus sur l'humérus.
Exemple 2 : l'articulation de la cheville durant la phase d'élan:
- La force "T" exercée par le tendon d'Achille
crée un mouvement dans le sens des aiguilles
d'une montre autour du centre , l'articulation
de la cheville" A".
-La force de réaction du sol " G"
crée un mouvement contraire autour de la
cheville.
Ce moment tend à faire la dorsi-flexion
de cheville.
La force "W" crée un mouvement dans le sens inverses des aiguilles
d'une montre autour de l'articulation du genou "K" qui tend à faire fléchir
le genou.
- le bras de levier "L1" est plus grand le bras de levier "L2".
- Le moment qui tend a faire fléchir le genou est donc supérieur fig1 que
fig 2.
-Au niveau de l'articulation de la cheville : les moments sont similaires
car D1 = D2 et la réaction du sol est équivalente.
Étude sur les surfaces inclinées
L'inclinaison des surfaces recevant les pressions sont inclinées a
une grande importance sur la répartition des pressions sur le moignon.
Exemple: 1
les surfaces supportant le poids sont horizontales.
la charge :
est de 200 kg
Les 2 piliers sont verticaux
Le poids est réparti de façon
égale sur chaque pilier, soit 100kg
Exemple 2:
La charge est la même soit 200kg, mais les piliers sont maintenant
inclinés à 30 °. Les forces supportant le poids sont alors inclinée à 30°.
Dans ce cas , seule la composante verticale de la force est efficace
pour supporter le poids. Cela signifie que la force nécessaire doit être
plus grande que lorsque les piliers sont verticaux.
La résolution de cette force en une force verticale et horizontale ,
montre que la force nécessaire à supporter la charge, est supérieure
de 15 % au poids appliqué.
Exemple: 3
La charge est la même, mais les piliers sont maintenant inclinés à 70 °.
-Les surfaces supportant la charges sont aussi inclinées à 70 °.
- C'est toujours la composant verticale qui agit pour supporter la charge.
La résolution de cette force en une verticale horizontale et verticale
montre que la force nécessaire pour supporter cette charge est de 292 KG.
Soit trois fois la force nécessaire lorsque les piliers sont verticaux.
EN CONCLUSION
- Pour supporter le poids, les surfaces horizontales sont les plus appropriées.
-Pour les emboîtures Tibiales, cela reste difficile à faire, mais
pour créer des surfaces d'appui efficaces, on doit faire:
- Positionner l'emboîture en légère flexion.
- Créer un bon appui sous rotulien.
LES PLANS
Le plan "FRONTAL" divise le corps humain
en deux parties: partie avant et partie arrière.
HORIZONTAL
Le plan HORIZONTAL
est parallèle au sol.
FRONTAL /
CORONAL
SAGITTAL /
LATERAL
Le plan SAGITTAL plane divise le corps humain en deux parties "droite" et "gauche".