E3 Interactions mécaniques environnementales

Topique

L'interaction du pied ou du sabot avec le sol génère la force de réaction au sol qui, avec la gravité, est la seule force externe capable de modifier la quantité de mouvement du mammifère lors de ses déplacements terrestres. Cette force de réaction au sol comporte trois composantes : une composante verticale, qui supporte le poids du corps et génère la propulsion vers le haut ; une composante antéro-postérieure, qui ralentit le corps pendant la phase d'impact de la phase d'appui et le propulse vers l'avant pendant la phase de propulsion ; et une composante médio-latérale, qui stabilise le corps latéralement.

La composante verticale de la force de réaction au sol présente une évolution temporelle distincte tout au long de la phase d'appui, selon le type d'allure : lors de la marche, suivant le comportement de pendule inversé du centre de masse, cette composante verticale présente deux pics séparés par un creux ; lors de la course, en revanche, suivant le comportement élastique du centre de masse, la composante verticale présente un seul pic durant toute la phase d'appui.

Dans ce même intervalle de temps, la vitesse à laquelle la composante verticale de la force de réaction au sol passe de zéro à son premier pic (la vitesse de chargement) est un indicateur clé du risque de blessure : plus la force augmente brutalement au début de la phase d'appui, plus le risque de surcharge des structures subissant l'impact est élevé.

L'amplitude maximale que peuvent atteindre simultanément les composantes antéro-postérieure et médio-latérale de la force de réaction au sol, agissant dans le plan horizontal, est limitée par le coefficient de frottement entre le pied et le sol : plus ce coefficient est élevé, plus la force horizontale maximale que le pied peut exercer sur le sol sans glisser est importante ; inversement, plus le coefficient est faible, plus la force horizontale maximale disponible est réduite.

Le point précis sur la plante du pied où la force de réaction au sol s'applique à un instant donné (le centre de pression) ne coïncide généralement pas avec la projection du centre de masse sur le sol. Cette distance entre les deux points définit le moment externe que la force de réaction au sol exerce sur le centre de masse de l'animal.

La manière précise dont la force de réaction au sol modifie la quantité de mouvement de l'animal, comme mentionné précédemment, est déterminée par l'intégrale de cette force sur la durée de la phase d'appui. Cette intégrale, appelée impulsion, est égale en magnitude à la variation de la quantité de mouvement de l'animal produite durant cette même phase d'appui.

Lorsqu'on compare la force de réaction au sol chez des mammifères de tailles corporelles très différentes, la valeur maximale de sa composante verticale, exprimée en multiple du poids corporel de l'animal, est approximativement la même pour un même mode de locomotion, que l'animal soit petit ou beaucoup plus grand. Cette relative constance nous permet de considérer la locomotion de mammifères de tailles très différentes comme équivalente dans cette interaction avec le sol.

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