M2 Locomotion Élastique

Topique

Lors de la course à pied, le corps rebondit sur les membres d'appui comme une masse suspendue à un ressort : l'énergie potentielle et cinétique du centre de masse est minimale au milieu de la phase d'appui, lorsque le ressort est le plus comprimé, et maximale au début et à la fin de cette phase – exactement l'inverse de ce qui se passe lors de la marche.

Ce comportement élastique est principalement assuré par les tendons du membre – tels que le tendon d'Achille ou le tendon rotulien – qui emmagasinent de l'énergie pendant la première moitié du contact avec le sol et la restituent pendant la seconde, réduisant ainsi l'effort musculaire à chaque foulée. Chez les mammifères spécialisés dans ce type de locomotion, l'efficacité de restitution de l'énergie emmagasinée par ces tendons peut atteindre 85 à 95 %.

La rigidité du membre d'appui – c'est-à-dire la compression effective du ressort sous une charge donnée – est la variable centrale qui régit ce comportement élastique. La combinaison de cette rigidité avec la longueur des membres, la masse de l'animal et la gravité, exprimée par un nombre sans dimension, donne un résultat pratiquement identique pour des animaux de tailles très différentes, à condition qu'ils soient comparés à la même vitesse sans dimension relative à leur propre taille.

Lorsque cette vitesse sans dimension augmente suffisamment, le trot cède la place au galop. Le galop introduit des phases aériennes durant lesquelles aucun membre ne touche le sol, ainsi qu'une répartition différente de l'appui sur les quatre pattes. La transition du trot au galop se produit chez la plupart des mammifères quadrupèdes, ce nombre sans dimension se situant alors entre deux et trois environ.

L'économie d'énergie musculaire réalisée grâce à l'élasticité des tendons, décrite précédemment, se répercute finalement sur le coût énergétique de la course : l'énergie nécessaire pour déplacer chaque unité de masse corporelle sur chaque unité de distance n'est pas la même pour toutes les tailles, mais diminue à mesure que la masse de l'animal augmente, selon une loi de puissance négative de la masse corporelle d'environ un tiers. Ainsi, à poids égal, les grands animaux sont des coureurs plus économes en énergie que les petits animaux.

Certains mammifères, comme le guépard ou le kangourou, poussent l'élasticité de leurs tendons à l'extrême : ces derniers emmagasinent et restituent de l'énergie avec des pertes minimales à chaque foulée, fonctionnant presque comme des ressorts passifs qui prennent en charge une part importante de l'effort mécanique de la course, réduisant ainsi l'effort musculaire actif que l'animal doit fournir à chaque foulée.

Le système masse-ressort formé par le membre et le corps, mentionné précédemment, possède également une fréquence de rebond optimale pour la course : cette fréquence optimale coïncide avec la fréquence de résonance naturelle du système masse-ressort lui-même, et courir à une fréquence proche de cette résonance minimise la dépense énergétique active que l'animal doit fournir pendant la course.

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