L'objectif de ce travail est de développer une approche adimensionnelle de la locomotion humaine, et plus précisément de la marche et la course. En d'autres termes, le principal enjeu de cette thèse est d'induire des similitudes locomotrices entre des hommes de tailles différentes. Ces similitudes locomotrices attendues entre des individus de différentes tailles sont les mêmes que celles que les physiciens recherchent lors de l'élaboration de prototype à partir de maquette. Dans l'approche que nous tentons de développer tout au long de ce document, nous considérons qu'un individu petit est le modèle réduit d'un plus grand. Notre approche est au croisement des champs de la physique, de la modélisation et de la biomécanique.
L'application de l'analyse dimensionnelle aux modèles simples de locomotion permet de mettre en avant l'intérêt des nombres adimensionnels de Froude (vitesse adimensionnelle) et Strouhal (fréquence adimensionnelle) pour étudier la locomotion humaine. Ces modèles simples de locomotion simplifient le corps humain en la masse du corps concentrée au centre de gravité oscillant à l'extrémité d'un ressort. Ils prennent en compte une composante élastique et mettent en avant des transferts se réalisant au centre de gravité entre les énergies cinétique, potentielle de pesanteur et potentielle élastique. Le rapport de ces énergies est appelé Modela. Modela possède deux variantes, une pour la marche et l'autre pour la course, et est dépendant de Froude et Strouhal.
Dans un premier temps, les conditions expérimentales de vitesse de déplacement relative à l'anthropométrie des individus (à partir de Froude) et de fréquence de pas relative à l'anthropométrie des individus (à partir de Str) ont permis d'engendrer des similitudes locomotrices pour la marche et la course chez des individus de tailles différentes. Ces résultats révèlent tout l'intérêt d'une approche adimensionnelle de la locomotion en montrant qu'exprimés indépendamment de l'anthropométrie des individus, leurs comportements adimensionnels est le même. Utiliser cette approche pour comparer des locomotions au sein même de l'espèce humaine a un grand intérêt pour étudier des comportements déviants d'un comportement standard. Aussi, cette approche peut être un moyen de mettre en avant des organisations du mouvement communes à différentes espèces.
Dans un second temps, l'accent est mis sur la comparaison entre le modèle simple et le modèle complexe du corps humain. D'un coté, le modèle simple du corps humain prend en compte une composante élastique et ne s'intéresse qu'au centre de gravité. De l'autre coté, le corps humain peut être modélisé comme un ensemble de segments corporels articulés entre eux. Ici, un lien est fait entre le mouvement global du centre de gravité et les coordinations des segments poly-articulés, lors du mouvement, et tout ce que cela engendre en terme de transfert d'énergie. Le rapprochement des deux modèles explique comment un individu peut se comporter comme une masse bondissante lors de la marche et la course ou comment les expérimentations futures pourront investir le champ de l'élasticité humaine et de l'économie d'énergie. |
The aim of this paper is to develop a dimensionless approach of the human locomotion, and more specifically of walking and running gaits. In other terms, the main goal of this PhD thesis is to induce locomotor similarity between different-sized humans. These similarities are the same that the physicians look for when they design a prototype from a scale model. Throughout the thesis paper, this approach allows the consideration that a small human is a reduced model of a tall one. Our approach is cross-fielded like Physics, Modelization, and Biomechanics.
The dimensional analysis application to the common locomotion models allows to highlight the interest of using the dimensionless numbers of Froude (dimensionless speed) and Strouhal (dimensionless frequency) to study human locomotion. These locomotion models are reduced to the body mass represented at its center of mass oscillating at the end of a massless spring. They take into account an elastic component and enlighten transfers occurring at the center of mass between the kinetic, potential and elastic energies. The ratio of these energies is called Modela. A Modela corresponds to both walking and running, and depends on Froude and Strouhal.
First, the experimental conditions such as speed displacement relative to anthropometry (from Froude) and step frequency relative to anthropometry (from Strouhal) allow us to generate locomotor similarity between different-sized subjects for walking and running. These results reveal the interest of the dimensionless approach of the locomotion by showing that the dimensionless behaviors are the same when they are expressed independently of the subject anthropometry. The use of this approach to compare human locomotions is interesting to study behavior different to the gold dimensionless standard. Also, this approach may be a means to highlight a global organization of the movement which is common to many species.
Then, the comparison between the simple model and the complex model is investigated. In one hand, the model takes into account an elastic component and only describe the center of mass movement. In the other hand, the human body is represented as a whole of body segment poly-articulated. A link is done between the global movement of the center of mass and the movement of the poly-articular model, and especially regarding for the energy transfers. The link between the models explain how a subject has the same behavior of a spring mass, and how the future works will be able to investigate the fields of the human elasticity and the saving energy mechanisms. |