Biomécanique du mouvement animal

Comment les forces générées par un muscle se transforment en mouvement : les leviers des squelettes, les ressorts qui stockent et restituent l'énergie, et la physique qui façonne la locomotion animale.

Definition

La biomécanique du mouvement animal est l'étude des forces physiques et des structures impliquées dans la locomotion — comment les muscles agissent à travers les squelettes et les éléments élastiques pour surmonter la gravité, la traînée et l'inertie et produire un mouvement coordonné — analysée selon les principes de la mécanique.

Scope

Ce sujet aborde les mécanismes qui relient la force musculaire au mouvement de l'animal entier : l'action des muscles sur les squelettes rigides et hydrostatiques en tant que leviers, le compromis entre force et vitesse, le stockage et la restitution de l'énergie élastique dans les tendons et autres tissus, ainsi que l'influence de la taille corporelle sur le mouvement par le biais de l'allométrie (scaling) et de la similarité dynamique. Il traite des forces qu'un animal doit surmonter et des solutions structurelles qui rendent le mouvement possible. La couverture est comparative et mécanistique.

Core questions

• Comment les squelettes transforment-ils la force musculaire en mouvement ?
• Comment les animaux arbitrent-ils entre la force, la vitesse et l'amplitude du mouvement ?
• Comment l'énergie élastique est-elle stockée et restituée pendant la locomotion ?
• Comment la taille corporelle modifie-t-elle la mécanique du mouvement ?

Key theories

Les leviers squelettiques et le compromis force-vitesse

Les muscles agissant à travers les articulations forment des systèmes de leviers dont la géométrie établit un compromis entre la force exercée et la vitesse et l'amplitude du mouvement résultant ; ainsi, les proportions des membres sont adaptées aux exigences mécaniques d'un animal.

Stockage d'énergie élastique et similarité dynamique

Les tendons et autres structures élastiques stockent et restituent l'énergie pour rendre la locomotion plus économique, et les arguments d'échelle (scaling arguments) tels que la similarité dynamique expliquent pourquoi les animaux de tailles différentes se déplacent de manières géométriquement comparables.

Mechanisms

Les muscles s'attachent à travers les articulations pour former des leviers, et les positions relatives de l'insertion musculaire et de l'articulation déterminent si le système favorise la force ou la vitesse, et l'amplitude du mouvement du membre. Les squelettes rigides fournissent les leviers chez les arthropodes et les vertébrés, tandis que les animaux à corps mou utilisent des squelettes hydrostatiques où le muscle agit contre une cavité remplie de fluide. Pendant la locomotion, des structures élastiques telles que les tendons et la cuticule s'étirent et se rétractent, stockant de l'énergie lorsque le corps décélère et la restituant lors de la poussée suivante, ce qui réduit l'énergie que les muscles doivent fournir. Les animaux doivent surmonter la gravité sur terre, la traînée dans l'eau et l'air, et l'inertie de leur propre corps, et l'équilibre de ces forces varie avec la taille corporelle : parce que la masse, la surface et la longueur s'échelonnent différemment, les grands et petits animaux sont confrontés à des contraintes mécaniques distinctes, décrites par les lois d'échelle (scaling laws) et le principe de similarité dynamique qui relie les allures d'animaux de tailles différentes.

Clinical relevance

L'analyse biomécanique du mouvement éclaire la compréhension de la démarche, de la charge articulaire et du coût énergétique de la locomotion, et inspire la conception de machines à pattes et d'autres systèmes bio-inspirés. Cette entrée constitue un matériel de référence éducatif plutôt qu'un guide médical.

History

Le traitement du mouvement animal comme mécanique par Borelli au XVIIe siècle a fondé la biomécanique, et au XXe siècle, Robert McNeill Alexander et d'autres ont quantifié les leviers, le stockage d'énergie élastique et l'allométrie de la locomotion, tandis que des études sur la démarche et la similarité dynamique ont relié la mécanique du mouvement à la taille corporelle.

Key figures

• Robert McNeill Alexander
• Knut Schmidt-Nielsen
• Giovanni Borelli
• Thomas McMahon

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Pourquoi certains membres sont-ils conçus pour la puissance et d'autres pour la vitesse ?

La géométrie des muscles et des articulations agit comme un levier, et les configurations qui maximisent la force sacrifient généralement la vitesse et l'amplitude ; la conception des membres reflète donc si un animal a besoin de force ou de rapidité.

Comment les tendons rendent-ils le mouvement plus efficace ?

Les tendons agissent comme des ressorts, stockant de l'énergie lorsque le corps atterrit ou décélère et la libérant lors de la foulée suivante, de sorte que les muscles effectuent moins de travail et que la locomotion coûte moins d'énergie.