3- Forme de la prothèse et conséquences sur la course 

 A- La forme de la prothèse.

La flex-foot cheetah est un bel exemple de biomimétisme.

Le biomimétisme est la science consistant à étudier les modèles de la nature et à en reproduire les propriétés essentielles (formes, matériaux, processus...) pour répondre à des besoins humains.

La flex foot cheetah se caractérise par sa forme en "j" et comme son nom l'indique (cheetah se traduit par guépard en anglais) s'inspire de la patte arrière du guépard, l'animal le plus rapide du monde.

Une étude a été réalisée au Kenya en 1965 par un vétérinaire au moyen d'une Range Rover traînant un morceau de viande. La vitesse d'un guépard a été alors mesurée sur une piste en ligne droite de 200 mètres de long à trois reprises. Selon Craig Sharp, qui publia les résultats seulement trente ans plus tard, le guépard peut atteindre la vitesse de 29 mètres par seconde, soit près de 105 km/h. Dans la nature, les vitesse des guépards sont plus faibles. En effet une étude pilotée par Alan Wilson, de l'université de Londres, a équipé cinq guépards (trois femelles et deux mâles) d'un collier GPS ultrasensible durant une période d'un an et demi au nord du Botswana. La vitesse maximale enregistrée par le plus rapide des cinq félins a été de 93 km/h, contre 72 km/h pour le moins performant. Néanmoins il est évident que leurs performances sont bien supérieures au record enregistré pour les humains (43,2 km/h pour le record d'Usain Bolt sur 100 mètres).

Le guépard possède une colonne vertébrale très flexible ce qui lui permet de projeter ses membres postérieurs très loin. Le guépard est doté de longues pattes fines aux griffes qui ne sont pas entièrement rétractiles. Une caractéristique qui lui permet d'obtenir une très bonne adhérence au sol pour courir très vite.

Grâce à l'utilisation d'une caméra Phantom tournant à 1200 images/seconde, le réalisateur Gregory Wilson est parvenu à capturer les moindres gestes et contractions musculaires du guépard durant sa course. Au début de la vidéo on découvre la course de cet athlète un peu spécial mais à la fin de la vidéo nous pouvons voir toute l'installation qui a été nécessaire.

La flex-foot cheetah tend à reproduire le mouvement de la patte arrière du guépard qui est capable de s'étendre pour atteindre le sol tandis que les muscles puissants de sa cuisse tirent son corps vers l'avant.

 B- Comparaison entre la course d'un amputé trans-tibial et d'un valide.

Une étude commandée par l'IAAF (International Association of Athletics Federations) et réalisée le lundi 12 et mardi 13 novembre 2007 au sein des laboratoires de l'Institut biomécanique et orthopédique de Cologne en Allemagne avait pour but de démontrer que la prothèse sportive n'était pas un avantage pour l'athlète invalide.

Oscar Pistorius, un athlète sud-africain surnommé "The Blade Runner" ("le coureur aux lames") participe à cette étude. Il est né en 1986 et amputé des deux jambes à l'age de 11 mois du fait de l'absence de fibulas (péronés). Il a par ailleurs défrayé la chronique il y a trois ans de ça pour le meurtre de sa compagne mais cela n'est pas le sujet.  

Sa course a été comparée à celle de cinq athlètes-témoins valides de niveau équivalent sur 400m. Les résultats obtenus par l'IAAF sont les suivants :

"Avec ses lames incurvées en fibre de carbone, Pistorius pouvait courir à la même vitesse que les sprinters valides avec une dépense d'énergie inférieure de 25%. Dès qu'une certaine vitesse est atteinte, courir avec de telles prothèses requiert moins d'énergie supplémentaire qu'avec le fonctionnement normal des membres inférieurs."

"L'avantage mécanique de la lame en fibre de carbone est supérieur de plus de 30% à celle de l'articulation d'une cheville valide."

" Le Conseil de l'IAAF a décidé que les prothèses connues sous le nom de « cheetah » doivent être considérées comme une aide technique"

Néanmoins Pistorius fait appel au tribunal arbitraire du sport qui à l'aide d'examens complémentaires contredit cette étude en déclarant :

"Il a été décidé qu'en l'état des connaissances scientifiques actuelles, il n'était pas possible de prouver que Mr Pistorius détenait un avantage en utilisant ses prothèses."

Maintenant que nous avons montré que la prothèse par ses matériaux et sa forme permettait l'amélioration des performances d'un athlète invalide nous avons cherché à démontrer que le port et la forme de la prothèse ne constitue par forcément un avantage pour l'athlète amputé lors de sa course.

Pour cela nous allons d'abord comparer le déroulement de la foulée entre un athlète valide et invalide.

 La foulée se compose en réalité de deux phases: la phase d'appui et la phase de suspension.

Durant la phase d'appui, le pied est en permanence en contact avec le sol. Cette phase se compose elle-même de trois phases :

1. La phase d'amortissement débute au moment où le talon du pied touche le sol. Elle se termine lorsque le centre de gravité du coureur est aligné verticalement avec l'appui.

2. La phase de soutien correspond au moment où le centre de gravité est à l'aplomb de l'appui au sol. Le buste du coureur est alors aligné avec l'appui tandis que le bassin est légèrement vers l'arrière.

3. La phase de poussée débute à la fin de la phase de soutien et se termine au moment où le pied n'a plus aucun contact avec le sol. Les forces exercées par le coureur sur le sol sont orientées dans le même sens que son déplacement. Le coureur est alors propulsé vers l'avant.

La phase de suspension débute au moment où le pied quitte le sol suite à la phase de poussée et se termine lorsque le coureur reprend l'appui. Cette phase est le résultat de toutes les étapes de la phase d'appui précédemment expliquées. Le coureur n'a plus aucun contact avec le sol : c'est la phase aérienne durant laquelle le centre de gravité du coureur décrit une trajectoire parabolique.

Un athlète en mouvement peut être comparé à une bille lancée à une certaine vitesse. Le corps de l'athlète et particulièrement les jambes jouent le rôle de ressort capable de recevoir l'énergie du coureur et de la restituer pour propulser le coureur. L'énergie dont il est question est l'énergie cinétique (notion définie ultérieurement).  

Durant la phase d'amortissement c'est le tendon d' Achille qui stocke l'énergie et absorbe le choc de l'impact au sol. Sa fonction est donc similaire à la lame en carbone de la prothèse. Ce sont principalement les muscles du mollet qui sont sollicités.

Durant la phase de soutien , les muscles du mollet permettent de fournir encore plus d'énergie à l'athlète valide. Sans oublier celle produite par les fessiers et les quadriceps.

Durant la phase de poussée, les muscles du membre inférieur se contractent ce qui propulse le coureur vers l'avant.

Durant la phase d'amortissement, la lame de la prothèse utilisée par l'athlète rentre en contact avec le sol.

Durant la phase de soutien, ce sont les muscles de la cuisse qui fournissent l'essentiel de l'énergie nécessaire au déplacement de l'athlète invalide.

Durant la phase de poussée, l'athlète exerce une pression sur la pointe de sa lame. Ne possédant pas de muscles au niveau du mollet et du pied il doit compenser en utilisant plus les fessiers, les ischio-jambiers et les quadriceps.

Les images suivantes permettent de comprendre le déplacement de l'énergie lors de la foulée d'un athlète amputé qui est reçue du moignon, stockée puis libérée par la prothèse :

Lors de la phase d'appui, une pression est exercée sur la prothèse, la lame en carbone reçoit l'énergie cinétique du coureur mais sa flexibilité liée à sa forme et aux matériaux utilisés lui permet de l'emmagasiner.  

La lame de la prothèse se compresse et emmagasine l'énergie reçue. La bonne conductivité de la fibre de carbone permet à l'énergie de se déplacer.

Une fois que l'énergie accumulée et arrivée au bout de la lame, elle est libérée pour propulser le coureur vers l'avant. C'est la pointe qui améliore la poussée tandis que le mât attaché à l'emboîture favorise le déplacement vers l'avant. La lame perd de son énergie qui est alors transformée en énergie mécanique. Il y a eu un transfert d'énergie. La lame reprend ensuite sa forme initiale.

Nous allons maintenant comparer l'énergie mécanique délivrée par un athlète amputé et un athlète valide. Rappelons d'abord quelques définitions:

L'énergie cinétique se définit comme étant l'énergie que possède un corps en raison de son mouvement ou de sa vitesse. L'énergie cinétique Ec est proportionnelle à la masse m du solide et au carré de la valeur de sa vitesse v.

Ec= (1/2)m.v2

Ec en joule (J) ; m en kilogramme (kg) et v en mètre par seconde (m.s-1).

L'énergie potentielle de pesanteurse définit comme l'énergie que possède un solide du fait de son altitude.

EP= m.g.z

Ep en joule (J) ; m en kilogramme (kg) , g en N.kg-1 et z en mètres (m).

L'énergie mécanique d'un solide correspond à la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle. Cette énergie est constante et répond au principe de conservation de l'énergie.

Prenons un athlète X amputé trans-tibial ayant une masse de 80 kg et courant le 100m en 10,79 secondes.

Lorsque il entame la phase d'appui, il cumule une énergie cinétique et potentielle qui sera restituée sous forme d'énergie mécanique horizontale qui le propulsera ensuite vers l'avant :

Nous savons que : Em=Ec+Ep (Em représente l'énergie mécanique, Ec l'énergie cinétique et Ep l'énergie potentielle de pesanteur)

Nous savons également que : v = d/t

D'où : v = 100/10,79

v = 9.28 m/s

Donc l'athlète X aura une vitesse moyenne de 9.28 m/s.

Ainsi, lors de sa phase d'appui, l'énergie mécanique est égale à :

Em = Ec+Ep ( Entre la phase d'appui et d'impulsion l'altitude étant quasi nulle l'énergie potentielle est négligeable)

D'où: Em = Ec = (1/2)m.v2

Application numérique: Ereçue= (1/2)*80*(100/10,79)2= 3435,71 J

La lame reçoit un énergie mécanique de 3435,71 J.

De plus, la lame de carbone permet la restitution de 90% de l'énergie reçue

Donc Em = 90%*(1/2)m.v²

Application numérique : Em = 90/100*[1/2*80*(100/10,79)²]

D'où Em =3092,14 J

Nous pouvons en déduire que la phase d'impulsion délivrera une énergie mécanique égale à 3092,14 J.

Pour un athlète valide le pied humain est capable de restituer 60% de l'énergie reçue, par le même calcul on obtient une énergie mécanique égale à 2061,43 J.

Nous pouvons conclure que la lame permet une meilleure restitution de l'énergie qu'un pied humain et donc une meilleure énergie mécanique délivrée. De plus pendant la phase de suspension la prothèse ainsi que le pied humain sont soumis aux frottements de l'air. Dans ce cas là c'est la lame qui est avantagée car elle possède une force de frottements à l'air très faible.

Ces avantages sont directement liés à la forme de la prothèse et aux matériaux utilisés, en particulier la fibre de carbone qui permet une force de frottements à l'air très faible et donc une fatigue moins importante pour le coureur.

Néanmoins nous allons voir que la prothèse ne constitue pas forcément un avantage dans tous les domaines.

L'efficacité13 d'une prothèse sportive est de 82%. Ce résultat s'explique d'une part par le fait que la flex foot cheetah ne produise pas d'énergie, elle est seulement capable de restituer l'énergie reçue et d'autre part par la perte d'énergie entre le moignon et l'emboîture. L'athlète invalide doit alors pour compenser cette déperdition d'énergie, solliciter davantage les muscles de sa cuisse, de la hanche et du fessier.

Selon une étude de Rober Galey un chercheur américain, le pied humain possède une efficacité de 241%. Ce résultat s'explique par le fait que contrairement à la prothèse, la jambe est capable de produire beaucoup d'énergie.

Néanmoins la prothèse permet à l'athlète une restitution d'énergie plutôt constante (et donc moins de fatigue pour l'athlète).

Le phénomène de ressort est présent chez un athlète valide tout comme chez un athlète invalide. Celui-ci est plus important chez un athlète amputé puisque comme nous l'avons dit précédemment chez l'athlète valide l'énergie reçue par la chaîne de muscles est en partie absorbée. L'athlète amputé trans-tibial ne possédant pas de muscles au niveau du mollet, cette énergie est presque totalement restituée.

Voici une foulée modélisée avec un ressort:  

Observons maintenant les forces s'exerçant sur la prothèse sportive lors de la course. Un petit rappel sur la troisième loi de Newton s'impose :

Les " forces se produisent toujours par paires. Si l'objet A exerce une force F sur l'objet B, alors l'objet B exerce une force égale et opposée -F sur l'objet A ".

En résumé "A chaque action, une réaction égale et opposée".

Lors du contact de la prothèse au sol, le sol exerce une force de réaction sur la prothèse selon la troisième loi de Newton. De plus le coureur exerce lui-même une force sur la prothèse, c'est la force de pesanteur, c'est-à-dire son poids. Au moment de l'impulsion, c'est une force qui tire l'athlète vers l'avant. Il y a également dans ce cas là une force opposée à la force d'impulsion. Tout au long de la course la prothèse est soumise aux frottements de l'air néanmoins les matériaux utilisés permettent de réduire un maximum cette force de frottement. Nous pouvons également voir comme précédemment le déplacement de l'énergie stockée puis libérée par la prothèse.

Voici un schéma récapitulatif ci dessous :

Nous allons maintenant étudier les conséquences de la forme de la prothèse (sans oublier le rôle des matériaux qui la composent) sur la course d'un invalide.

Pour cela nous avons étudié la vidéo ci-dessous. Il s'agit de l'épreuve qualificative pour la demi-finale du 400m au championnat du monde à Deagu en Corée du Sud. La particularité de cette course est que Oscar Pistorius que nous avons présenté précédemment est parvenu à courir avec des athlètes valides. Nous pouvons ainsi étudier les différences observables chez un athlète muni de prothèses sportives.

 Nous avons décomposé cette course en deux phases :

La première phase correspond aux 200 premiers mètres et comprend le départ. C'est durant ce dernier que l'athlète amputé est désavantagé. En effet nous remarquons qu'Oscar Pistorius est plutôt lent et se fait rapidement distancer par les autres coureurs valides. Lors d'un départ, l'incapacité d'Oscar Pistorius à se pencher trop en avant pour accélérer rapidement constitue pour lui un lourd désavantage. La lame permet seulement le mouvement de flexion et extension entraînant un déséquilibre pendant la course. La prothèse ne permet pas les différents mouvements du pied dans l'espace. L'athlète amputé est donc désavantagé dans les virages et au départ bien que Pistorius bénéficie du virage le plus large puisqu'il n'a pas la même inertie14. que ces concurrents. De plus l'utilisation de la prothèse induit l'absence de sensation d'appui au sol car l'athlète ne possède pas de capteurs sensoriels naturellement présents sous le pied.

Au contraire durant la deuxième phase correspondant aux 200 derniers mètres nous remarquons qu'Oscar Pistorius remonte progressivement ses concurrents pour finir à la 3° place. Ce résultat s'explique par le fait que la lame permet une restitution d'énergie régulière et constante. L'athlète amputé bénéficie donc d'une fréquence de foulée plus importante. Contrairement à la jambe humaine, la prothèse sportive ne connaît pas de fatigue en fin de course. C'est ainsi qu'Oscar Pistorius est plus performant durant les 200 derniers mètres et plus particulièrement durant le sprint final.

Nous pouvons conclure en citant une phrase d'un article de Libération écrit par Hirsch et Cédric Mathiot «Pistorius est un médiocre partant. Mais quand il a vaincu son inertie, ses performances deviennent nettement supérieures».

Voici le classement de la course :

L'image ci-dessous présente les résultats observés sur la mécanique de course entre un athlète muni de prothèses sportives (Oscar Pistorius) et un athlète valide (ici moyenne des résultats de 4 athlètes valides). Ce test a permis de mesurer les forces verticales et horizontales, la durée de l'appui au sol, la phase aérienne, le temps pour replacer le membre inférieur et la durée de la foulée. Le temps pour replacer le membre inférieur correspond au temps écoulé entre le moment où un pied quitte le sol et le moment où ce même pied touche le sol à nouveau. La durée de la foulée correspond à la période entre deux contacts consécutifs du même pied.

Cette expérience permet de comprendre qu'un athlète équipé de deux prothèses sportives flex foot cheetah comme Oscar Pistorius exerce une force au sol plus faible qu'un athlète valide (environ 33% plus faible) ce qui s'explique par l'absence de muscle du mollet qui produisent normalement de l'énergie. Par contre son appui au sol dure plus longtemps (environ 14% plus long) et sa phase aérienne est plus courte (d'environ 34%). Enfin sa fréquence de foulée est plus élevée de 16% puisque l'athlète amputé met moins de temps pour replacer son membre inférieur (en moyenne 21% de temps en moins)

Il est cependant difficile de conclure quant à l'avantage des prothèses en se basant sur un seul cas. Malheureusement les nombreuses études visant à comparer les athlètes amputés et valides sont très souvent réalisées avec Oscar Pistorius.

Néanmoins les performances d'un athlète valide restent en moyenne meilleures que celles d'un athlète non valide. Nous avons pour cela comparé le record du monde au 100m détenu par Usain Bolt à celui d'Alan Oliveira détenant le record du monde handisport.

Ces données montrent bien que les performances d'un athlète valide restent meilleures que celles d'un athlète non valide malgré l'utilisation de prothèses sportives.

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