Une méthode simple pour mesurer la raideur des membres inférieurs durant la course
Introduction
Nous courrons depuis la nuit des temps. C’est une activité pratiquée par des millions de personnes, de façon hebdomadaire, si ce n’est quotidienne. Autrefois utilisée pour chasser sa proie et fuir les prédateurs, la course est aujourd’hui une activité de loisirs, de compétition, de plaisir. Aussi naturelle soit elle, la majorité des coureurs ne se rend pas compte de l’immense complexité des mécanismes qui leur permettent de pratiquer la course à pied.
La course peut être définie comme la propulsion d’une masse corporelle sur le sol d’une jambe à une autre. C’est un mouvement de bond vers l’avant sur une jambe, et qui implique des ajustements complexes entre l’équilibre, l’activité musculaire, la coordination des membres, la production de force par les muscles, la transmission de force au système squelettique par les tendons, ainsi qu’une flexion et extension harmonieuse des trois principales articulations du membre inférieur (hanche, genou, cheville) dans le plan sagittal.
Les caractéristiques neuro musculaires, tendineuses et ostéo articulaires du mouvement de courses sont en fait si complexes, que les meilleurs ingénieurs au monde ne sont capables de construires des robots bipèdes et quadrupèdes que depuis quelques années seulement. En comparaison, l’homme a réussi la prouesse de faire atterrir un homme sur la lune en 1969.
Dans une optique d’approcher la course de façon macroscopique, les biomécaniciens et les physiologistes utilisent des modèles d’intégrations simples pour décrire et analyser la locomotion bipède. Le modèle utilisé pour décrire et étudier la course est le modèle poids / ressort (MPR). Dans cet article, il s’agira tout d’abord de définir ce modèle, puis les principales mesures impliquées, et enfin une méthode simple pour évaluer les caractéristiques mécaniques de ce modèle.
Le Modèle Poids / Ressort (MPR)
Nous courrons depuis la nuit des temps. C’est une activité pratiquée par des millions de personnes, de façon hebdomadaire, si ce n’est quotidienne. Autrefois utilisée pour chasser sa proie et fuir les prédateurs, la course est aujourd’hui une activité de loisirs, de compétition, de plaisir. Aussi naturelle soit elle, la majorité des coureurs ne se rend pas compte de l’immense complexité des mécanismes qui leur permettent de pratiquer la course à pied.
La course peut être définie comme la propulsion d’une masse corporelle sur le sol d’une jambe à une autre. C’est un mouvement de bond vers l’avant sur une jambe, et qui implique des ajustements complexes entre l’équilibre, l’activité musculaire, la coordination des membres, la production de force par les muscles, la transmission de force au système squelettique par les tendons, ainsi qu’une flexion et extension harmonieuse des trois principales articulations du membre inférieur (hanche, genou, cheville) dans le plan sagittal.
Les caractéristiques neuro musculaires, tendineuses et ostéo articulaires du mouvement de courses sont en fait si complexes, que les meilleurs ingénieurs au monde ne sont capables de construires des robots bipèdes et quadrupèdes que depuis quelques années seulement. En comparaison, l’homme a réussi la prouesse de faire atterrir un homme sur la lune en 1969.
Dans une optique d’approcher la course de façon macroscopique, les biomécaniciens et les physiologistes utilisent des modèles d’intégrations simples pour décrire et analyser la locomotion bipède. Le modèle utilisé pour décrire et étudier la course est le modèle poids / ressort (MPR). Dans cet article, il s’agira tout d’abord de définir ce modèle, puis les principales mesures impliquées, et enfin une méthode simple pour évaluer les caractéristiques mécaniques de ce modèle.
Le Modèle Poids / Ressort (MPR)
- Le MPR modélise le coureur comme étant une masse (égal au poids du corps), mettant en charge un ressort linéaire (voir figure ci-dessous), qui représente le membre inférieur (cuisse, jambe, et pied, et articulation de la hanche, du genou et de la cheville). À chaque pas, lorsque le coureur atterri sur le sol, la masse compresse le ressort durant la phase d’amortissement, et ensuite le ressort s’étend lors de la deuxième partie de la phase d’appui, avant la phase oscillante. Contrairement au rebond vertical et au saut, le MPR pour la course implique une oscillation vers l’avant lors du cycle de compression/extension.
- La raideur d’un ressort : mécaniquement, la raideur d’un système déformable se traduit par le ratio entre la force appliquée (F en Newton) pour déformer ce système et la déformation résultante (ΔL changement de longueur en mètre). La raideur « k » s’exprime donc en N/m.
- Étant donné que le changement de compression et de longueur du membre inférieur suit un comportement globalement déphasé durant la phase d’appui, une méthode simple pour évaluer la raideur du membre inférieur (kleg) est de diviser la force de compression maximale par le changement maximal de longueur de jambe correspondant. On peut rajouter, dans le but de décrire le mouvement vertical du centre de gravité et pour se concentrer sur les mécanismes de rebond vertical, la raideur vertical (kvert)
- En plus des simples données anthropométriques (poids de corps, longueurs de jambe) et de la vitesse de course, évaluer la raideur en utilisant le MPR nécessite des mesures de la force de réaction au sol (FRS) et la position du centre de gravité au cours du temps.
- Les différentes données influençant la raideur kleg sont : la fréquence de pas et le temps de contact, la surface de course, la charge et décharge et enfin la fatigue.
La méthode de référence nécessite des instruments spécifiques et couteux pour mesurer la force de réaction au sol. Bien que l’on trouve des tapis de courses instrumentalisés dans les laboratoires, ce n’est pas le cas dans la plupart des cabinets de kiné et chez les coachs de course à pied ou les athlètes.
Par ailleurs, le traitement des données nécessite d’évaluer kvert , kleg et leur différentes composantes Fmax , delta Y et delta L, ce qui retient nombre d’athlètes et de praticiens d’utiliser le MPR.
Dans le but de se défaire de ces limitations, les auteurs proposent une méthode simple de terrain pour évaluer la mécanique poids / ressort, d’après quelques variables du schéma de course qui sont plus faciles à obtenir lors d’un entrainement.
Une méthode simple pour mesurer la raideur durant la course
La méthode se base sur l’hypothèse que la force verticale de réaction au sol à travers le temps a un comportement sinusoïdal durant la course. Sur la base d’une équation d’onde sinusoïdale, et en accord avec les lois du mouvement, les équations finales de la méthode sont les suivantes :
Les 5 variables nécessaires pour évaluer ces caractéristiques du MPR sont le poids du coureur (m en kg), la longueur L de jambe (en m), la vitesse de course v (en m/s), le temps de contact (tc) et le temps aérien (ta) en seconde.
Validation de la méthode
Deux protocoles ont été réalisés pour valider cette méthode.
La méthode se base sur l’hypothèse que la force verticale de réaction au sol à travers le temps a un comportement sinusoïdal durant la course. Sur la base d’une équation d’onde sinusoïdale, et en accord avec les lois du mouvement, les équations finales de la méthode sont les suivantes :
Les 5 variables nécessaires pour évaluer ces caractéristiques du MPR sont le poids du coureur (m en kg), la longueur L de jambe (en m), la vitesse de course v (en m/s), le temps de contact (tc) et le temps aérien (ta) en seconde.
Validation de la méthode
Deux protocoles ont été réalisés pour valider cette méthode.
- 1er protocole : 8 coureurs ont réalisé des courses de 30 secondes à 7 différentes vitesses (3,33 à 6,67 m/s) sur un tapis instrumentalisé. Les données mécaniques de la FRS ont été échantillonnées sur 10 pas consécutifs, et des comparaisons statistiques ont été faites entre la référence et la méthode proposée pour chaque pas à différente vitesse de course.
- 2e protocole : 10 coureurs ont couru à 5 vitesses différentes (4, 5, 6, 7 m/s) sur un plateau de force installé sur la piste de course. À nouveau les données d’un pas à chaque vitesse ont été échantillonnées et comparées à la méthode proposée.
Conclusion
L’objectif principal d’avoir développé, validé et publié une méthode simple pour le calcul de la raideur de membre inférieur était de pouvoir l’utiliser dans la pratique de l’entrainement sportif, notamment dans le domaine du sprint et de la course longue distance. Les auteurs ont ainsi pu voir au cours de la dernière décennie, d’autres académies ou des coachs utiliser cette méthode dans leur boîte à outils d’analyse de la course à pied.
Article original : Jean-Benoit Morin, A Simple Method for Measuring Lower Limb Stiffness During Running. Biomechanics of Training and Testing, https://doi.org/10.1007/978-3-319-05633-3_8
Référence :
Alexander RM (1991) Energy-saving mechanisms in walking and running. J Exp Biol 160:55–69 Alexander RM (2003) Principles of animal locomotion. Princeton University Press, Princeton, NJ Alexander RM (2004) Bipedal animals, and their differences from humans. J Anat 204:321–330 Aminian K, Najafi B, Büla C et al (2002) Spatio-temporal parameters of gait measured by an ambulatory system using miniature gyroscopes. J Biomech 35:689–699
Arampatzis A, Brüggemann GP, Metzler V (1999) The effect of speed on leg stiffness and joint kinetics in human running. J Biomech 32:1349–1353
Balsalobre-Fernández C, Agopyan H, Morin J-B (2017) The validity and reliability of an iPhone app for measuring running mechanics. J Appl Biomech 33:222–226
Blickhan R (1989) The spring-mass model for running and hopping. J Biomech 22:1217–1227 Bramble DM, Lieberman DE (2004) Endurance running and the evolution of Homo. Nature 432:345–352
Brughelli M, Cronin J (2008a) A review of research on the mechanical stiffness in running and jumping: methodology and implications. Scand J Med Sci Sports 18:417–426
Brughelli M, Cronin J (2008b) Influence of running velocity on vertical, leg and joint stiffness:modelling and recommendations for future research. Sports Med 38:647–657
Bullimore SR, Burn JF (2006) Consequences of forward translation of the point of force application for the mechanics of running. J Theor Biol 238:211–219
Cassirame J, Sanchez H, Morin J-B (2015) Elevated track in pole vault, what advantage for run-up determinants of performance? In: 33rd International conference on biomechanics in sports, at Poitiers France. Poitiers, pp 1–5
Cavagna GA (1975) Force platforms as ergometers. J Appl Physiol 39:174–179 Cavagna GA, Legramandi MA, Peyré-Tartaruga LA (2008) Old men running: mechanical work and elastic bounce. Proc Biol Sci 275:411–418
Chen TC, Nosaka K, Tu J-H (2007) Changes in running economy following downhill running. J Sports Sci 25:55–63
Chen TC, Nosaka K, Lin M-J et al (2009) Changes in running economy at different intensities following downhill running. J Sports Sci 27:1137–1144
Clark KP, Weyand PG (2014) Are running speeds maximized with simple-spring stance mechanics? J Appl Physiol 117:604–615
Coleman DR, Cannavan D, Horne S, Blazevich AJ (2012) Leg stiffness in human running: Comparison of estimates derived from previously published models to direct kinematic–kinetic measures. J Biomech 45:1987–1991
Degache F, Guex K, Fourchet F et al (2013) Changes in running mechanics and spring-mass behaviour induced by a 5-hour hilly running bout. J Sports Sci 31:299–304
Degache F, Morin J-B, Oehen L et al (2016) Running mechanics during the world’s most challenging mountain ultramarathon. Int J Sports Physiol Perform 11:608–614
Dickinson MH, Farley CT, Full RJ et al (2000) How animals move: an integrative view. Science 288:100–106
Dutto DJ, Smith GA (2002) Changes in spring-mass characteristics during treadmill running to exhaustion. Med Sci Sports Exerc 34:1324–1331
Farley CT, González O (1996) Leg stiffness and stride frequency in human running. J Biomech 29:181–186
Ferris DP, Farley CT (1997) Interaction of leg stiffness and surfaces stiffness during human hopping. J Appl Physiol 82:15–22–4
Farley CT, Ferris DP (1998) Biomechanics of walking and running: center of mass movements to muscle action. Exerc Sport Sci Rev 26:253–285
Farley CT, Glasheen J, McMahon TA (1993) Running springs: speed and animal size. J Exp Biol 185:71–86
Ferris DP, Louie M, Farley CT (1998) Running in the real world: adjusting leg stiffness for different surfaces. Proc R Soc B Biol Sci 265:989–994
Ferris DP, Liang K, Farley CT (1999) Runners adjust leg stiffness for their first step on a new running surface. J Biomech 32:787–794
Giandolini M, Poupard T, Gimenez P et al (2014) A simple field method to identify foot strike pattern during running. J Biomech 47:1588–1593
Gindre C, Lussiana T, Hebert-Losier K, Morin J-B (2016) Reliability and validity of the Myotest® for measuring running stride kinematics. J Sports Sci 34:664–670
Girard O, Mendez-Villanueva A, Bishop D (2011a) Repeated-sprint ability—Part I. Sport Med 41:673–694
Girard O, Micallef J-P, Millet GP (2011b) Changes in spring-mass model characteristics during repeated running sprints. Eur J Appl Physiol 111:125–134
Girard O, Racinais S, Kelly L et al (2011c) Repeated sprinting on natural grass impairs vertical stiffness but does not alter plantar loading in soccer players. Eur J Appl Physiol 111:2547 2555
Girard O, Millet G, Slawinski J et al (2013) Changes in running mechanics and spring-mass behaviour during a 5-km time trial. Int J Sports Med 34:832–840
Girard O, Brocherie F, Morin J-B et al (2015) Comparison of four sections for analyzing running mechanics alterations during repeated treadmill sprints. J Appl Biomech 31:389–395
Girard O, Brocherie F, Morin J-B, Millet GP (2016) Running mechanical alterations during repeated treadmill sprints in hot versus hypoxic environments. A pilot study. J Sports Sci
Gouttebarge V, Wolfard R, Griek N et al (2015) Reproducibility and validity of the myotest for measuring step frequency and ground contact time in recreational runners. J Hum Kinet 45: 19–26
He JP, Kram R, McMahon TA (1991) Mechanics of running under simulated low gravity. J Appl Physiol 71:863–870
Hobara H, Inoue K, Gomi K, et al (2010) Continuous change in spring-mass characteristics during a 400 m sprint. J Sci Med Sport 13:256–261. doi:10.1016/j.jsams.2009.02.002
Hoyt RW, Knapik JJ, Lanza JF et al (1994) Ambulatory foot contact monitor to estimate metabolic cost of human locomotion. J Appl Physiol 76:1818–1822
Hoyt DF, Wickler SJ, Cogger EA (2000) Time of contact and step length: the effect of limb length, running speed, load carrying and incline. J Exp Biol 203:221–227
Hunter I, Smith GA (2007) Preferred and optimal stride frequency, stiffness and economy: changes with fatigue during a 1-h high-intensity run. Eur J Appl Physiol 100:653–661
Karamanidis K, Arampatzis A (2005) Mechanical and morphological properties of different muscle-tendon units in the lower extremity and running mechanics: effect of aging and physical activity. J Exp Biol 208:3907–3923
Kerdok AE, Biewener AA, McMahon TA et al (2002) Energetics and mechanics of human running on surfaces of different stiffnesses. J Appl Physiol 92:469–478
Kram R, Dawson TJ (1998) Energetics and biomechanics of locomotion by red kangaroos (Macropus rufus). Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol 120:41–49
Latash ML, Zatsiorsky VM (1993) Joint stiffness: Myth or reality? Hum Mov Sci 12:653–692 Le Meur Y, Thierry B, Rabita G et al (2013) Spring-mass behaviour during the run of an international triathlon competition. Int J Sports Med 34:748–755
Lee CR, Farley CT (1998) Determinants of the center of mass trajectory in human walking and running. J Exp Biol 201:2935–2944
Martin V, Kerherve H, Messonnier LA et al (2010) Central and peripheral contributions to neuromuscular fatigue induced by a 24-h treadmill run. J Appl Physiol 108:1224–1233
Mazet A, Morin J-B, Semay B et al (2016) Modifications du pattern mécanique de course dans les suites d’une plastie du ligament croisé antérieur. Sci Sports 31:219–222
McDougall C (2010) Born to run: the hidden tribe, the ultra-runners, and the greatest race the world has never seen. Profile Books Ltd., London, UK
McMahon TA, Greene PR (1978) Fast running tracks. Sci Am 239:148–163
McMahon TA, Greene PR (1979) The influence of track compliance on running. J Biomech 12:893–904
McMahon TA, Cheng GC (1990) The mechanics of running: how does stiffness couple with speed? J Biomech 23(Suppl 1):65–78
McMahon TA, Valiant G, Frederick EC (1987) Groucho running. J Appl Physiol 62:2326–2337
Millet GY, Tomazin K, Verges S et al (2011) Neuromuscular consequences of an extreme mountain ultra-marathon. PLoS ONE 6:e17059
Millet GY, Hoffman MD, Morin JB (2012) Sacrificing economy to improve running performance– a reality in the ultramarathon? J Appl Physiol 113:507–509
Morin JB, Dalleau G, Kyröläinen H et al (2005) A simple method for measuring stiffness during running. J Appl Biomech 21:167–180
Morin J-B, Jeannin T, Chevallier B, Belli A (2006) Spring-mass model characteristics during sprint running: correlation with performance and fatigue-induced changes. Int J Sports Med 27:158–165
Morin JB, Samozino P, Zameziati K, Belli A (2007) Effects of altered stride frequency and contact time on leg-spring behavior in human running. J Biomech 40:3341–3348
Morin J-B, Samozino P, Féasson L et al (2009) Effects of muscular biopsy on the mechanics of running. Eur J Appl Physiol 105:185–190
Morin J-B, Samozino P, Millet GY (2011a) Changes in running kinematics, kinetics, and spring-mass behavior over a 24-h run. Med Sci Sport Exerc 43:829–836
Morin JB, Tomazin K, Edouard P, Millet GY (2011b) Changes in running mechanics and spring–mass behavior induced by a mountain ultra-marathon race. J Biomech 44:1104–1107
Morin J-B, Bourdin M, Edouard P et al (2012a) Mechanical determinants of 100-m sprint running performance. Eur J Appl Physiol 112:3921–3930
Morin J-B, Tomazin K, Samozino P et al (2012b) High-intensity sprint fatigue does not alter constant-submaximal velocity running mechanics and spring-mass behavior. Eur J Appl Physiol 112:1419–1428
Pappas P, Paradisis G, Tsolakis C et al (2014) Reliabilities of leg and vertical stiffness during treadmill running. Sport Biomech 13:391–399
Rabita G, Slawinski J, Girard O et al (2011) Spring-mass behavior during exhaustive run at constant velocity in elite triathletes. Med Sci Sport Exerc 43:685–692
Silder A, Besier T, Delp SL (2015) Running with a load increases leg stiffness. J Biomech 48:1003–1008
Slawinski J, Dorel S, Hug F et al (2008a) Elite long sprint running: a comparison between incline and level training sessions. Med Sci Sport Exerc 40:1155–1162
Slawinski J, Heubert R, Quievre J et al (2008b) Changes in spring-mass model parameters and energy cost during track running to exhaustion. J Strength Conditioning Res 22:930–936
Taylor MJ, Beneke R (2012) Spring mass characteristics of the fastest men on earth. Int J Sports Med 33:667–670
Watari R, Hettinga B, Osis S, Ferber R (2016) Validation of a torso-mounted accelerometer for measures of vertical oscillation and ground contact time during treadmill running. J Appl Biomech 32:306–310
Weyand PG, Kelly M, Blackadar T et al (2001) Ambulatory estimates of maximal aerobic power from foot -ground contact times and heart rates in running humans. J Appl Physiol 91:451–458
Winter D (1979) Biomechanics of human movement. Wiley, NewYork