Fiche de révision : Biomécanique et mécanique musculaire

📋 Plan du Cours

1. Cinématique et dynamique du mouvement
2. Déformations et contraintes mécaniques
3. Courbes et propriétés mécaniques
4. Comportements dépendants du temps
5. Muscle squelettique et sarcomère
6. Fonctions et activation musculaires
7. Modèle de Hill et composantes passives

📖 1. Cinématique et dynamique du mouvement

🔑 Notions clés & Définitions

• Cinématique : Étude des surfaces articulaires et caractérisation des déplacements, vitesses, accélérations et trajectoires des segments au cours d’un mouvement.
• Dynamique : Étude des forces de réaction au sol et du déplacement du centre de gravité dans les trois plans de l’espace, afin de caractériser l’équilibre, le déséquilibre et la compensation.
• Mécanique des systèmes déformables : Étude du comportement mécanique de systèmes musculo-squelettiques, musculo-tendineux, ligamentaires et ostéo-articulaires soumis à des contraintes internes ou externes.

📝 Points essentiels

• La loi de comportement caractérise le fonctionnement mécanique d’une structure selon la sollicitation, notamment par des paramètres de force, d’élasticité et de viscosité.

💡 Astuce mémo

Cinématique décrit le mouvement ; dynamique explique les forces.

📖 2. Déformations et contraintes mécaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Déformation : Déplacement relatif d’un point d’un solide par rapport à un autre, exprimé comme un allongement relatif à la longueur initiale ; elle est sans dimension et se note $\varepsilon$.
• Contrainte : Force appliquée par unité de surface, cause de la déformation, et exprimée en pascals ou en newtons par mètre carré.

★ À maîtriser

📐 Formule - La contrainte normale est calculée par $\sigma = \frac{F}{S}$, où $F$ est la force appliquée et $S$ la surface.

Compléments

📐 Formule - Lors d’un essai de traction, la déformation vaut $\varepsilon_0 = \frac{L_0-L}{L_0}$ et le rapport d’extension vaut $\mu = \frac{L}{L_0}$.

• La loi de comportement relie spécifiquement les contraintes aux déformations d’un corps et peut dépendre du temps ou de la vitesse d’application de la contrainte.

📖 3. Courbes et propriétés mécaniques

★ À maîtriser

📌 La zone élastique est réversible après suppression de la charge, alors que la zone plastique laisse une déformation résiduelle et peut conduire à la rupture si la contrainte continue d’augmenter.

• La contrainte limite d’élasticité $\sigma_e$ est la contrainte atteinte à la fin de la zone élastique, et la déformation limite élastique est la déformation correspondante.

• La contrainte limite à la rupture $\sigma_r$ est la contrainte atteinte lors de la rupture du matériau.

📐 Formule - Pour un matériau élastique linéaire, le module d’élasticité de Young vérifie $E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$ et correspond à la pente de la droite contrainte-déformation.

Compléments

📌 La zone élastique peut être linéaire, si sa courbe est une droite passant par l’origine, ou non linéaire, si sa courbe est incurvée.

📌 Une faible étendue de déformation entre les limites élastique et de rupture caractérise un matériau fragile, tandis qu’une étendue importante caractérise un matériau ductile.

• Le module d’élasticité de Young caractérise la rigidité intrinsèque : plus sa valeur est élevée, plus le matériau est rigide.

• Le module de Young vaut 200 000 N·mm⁻² pour l’acier et 15 000 N·mm⁻² pour l’os cortical.

💡 Astuce mémo

Élastique réversible, plastique résiduel, puis rupture.

📖 4. Comportements dépendants du temps

🔑 Notions clés & Définitions

• Viscosité : Résistance à la déformation, dépendant de la nature du matériau, du niveau et de la vitesse de sollicitation, du traitement antérieur et de la température.

★ À maîtriser

📌 Le fluage s’observe sous une contrainte constante maintenue dans le temps et correspond à l’évolution de la déformation.

📌 La relaxation s’observe sous une déformation constante maintenue dans le temps et correspond à l’évolution de la force nécessaire pour la maintenir.

Compléments

• Le fluage et la relaxation sont liés aux propriétés de viscosité des matériaux.

📌 Un matériau purement élastique répond instantanément à la sollicitation selon une relation entre contrainte et déformation, tandis qu’un matériau viscoélastique dépend aussi du temps et peut présenter une hystérésis associée à une perte d’énergie.

• Les modèles mécaniques classiques représentent les matériaux par l’association en série ou en parallèle d’un ressort élastique et d’un amortisseur visqueux.

💡 Astuce mémo

Fluage : contrainte fixe ; relaxation : déformation fixe.

📖 5. Muscle squelettique et sarcomère

🔑 Notions clés & Définitions

• Sarcomère : Unité fonctionnelle de la myofibrille comprise entre deux stries Z.

★ À maîtriser

• Le muscle squelettique est constitué de longues fibres striées dont la contraction est volontaire, mais peut aussi être réflexe et involontaire.

Compléments

• Le muscle squelettique peut se contracter rapidement, se fatiguer facilement et produire une force allant de quelques grammes à plusieurs kilogrammes.

• Les myofibrilles présentent une alternance de bandes sombres A et de bandes claires I.

• Les principales protéines filamentaires, structurales et du cytosquelette sont :

  • l’actine
  • la myosine
  • les protéines Z
  • l’alpha-actinine
  • la titine
  • la nébuline
  • la dystrophine
  • la desmine
  • la filamine

• La titine attache les filaments épais à la ligne Z, contribue à l’organisation de la bande A et, dans la bande I, reprend sa forme initiale après étirement.

• Le réticulum sarcoplasmique et les tubules transverses sont deux types de tubules intracellulaires qui participent à la régulation de la contraction musculaire.

💡 Astuce mémo

Des filaments glissent entre eux tandis que les lignes Z se rapprochent.

📖 6. Fonctions et activation musculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Excitabilité : Faculté de percevoir un stimulus chimique, tel qu’une hormone, une variation de pH ou un neurotransmetteur, et d’y répondre par un signal électrique aboutissant à la contraction.
• Contractilité : Capacité du muscle à se contracter avec une force adéquate et graduable.

★ À maîtriser

• Selon la théorie des filaments glissants proposée par Huxley en 1957, la contraction musculaire résulte de l’union de points connectés aux filaments fins : les sarcomères raccourcissent sans changement de longueur des filaments épais ou fins.

• Pendant la contraction, la bande I rétrécit, la bande H disparaît progressivement et la bande A reste inchangée.

📌 Une cellule musculaire répond à la loi du tout ou rien, tandis qu’un muscle squelettique peut produire une force variable par modulation de son activité.

• La force musculaire se module par la fréquence de stimulation, qui produit une sommation temporelle, et par le recrutement d’unités motrices, qui produit une sommation spatiale.

Compléments

• Le phénomène d’escalier correspond à une augmentation progressive de la force au cours de contractions répétées, liée à l’augmentation du Ca²⁺ disponible dans le sarcoplasme et à l’amélioration de l’efficacité des réactions enzymatiques nécessaires à la production d’ATP.

📖 7. Modèle de Hill et composantes passives

🔑 Notions clés & Définitions

• Composante contractile : Localisée au niveau des ponts d’acto-myosine, elle est le générateur de force du modèle de Hill.
• Composante élastique série : Placée en série avec la composante contractile, elle transmet la force générée par celle-ci, notamment par les tendons et le tissu conjonctif ainsi que par les ponts d’acto-myosine et les myofibrilles.
• Composante élastique parallèle : Placée en parallèle avec la composante contractile et la composante élastique série, elle transmet passivement la force depuis les tissus environnant le muscle et intervient lorsque le muscle est étiré.

★ À maîtriser

• Le modèle de Hill associe :
  • une composante contractile
  • une composante élastique série
  • une composante élastique parallèle

Compléments

• La composante élastique parallèle comprend notamment :

  • le fascia
  • le tissu conjonctif
  • le sarcolemme

• Pour étudier la composante élastique parallèle, on étire progressivement un muscle inactivé et on mesure la tension produite à chaque longueur afin d’établir la relation tension-longueur passive.

• La relation tension-longueur passive de la composante élastique parallèle est exponentielle ; sa pente caractérise la raideur et l’aire sous la courbe représente l’énergie maximale de déformation stockable et restituable.

• La composante élastique parallèle intervient à partir d’environ 110 % de la longueur de repos du muscle et sa contribution devient non négligeable entre 100 et 120 % de la longueur initiale.

💡 Astuce mémo

La composante contractile tire, la série transmet et le parallèle entoure.