La contraction musculaire est un processus complexe influencé par de nombreux facteurs. Cet article explore en profondeur les aspects structurels et fonctionnels du muscle, en mettant l'accent sur le coefficient caractéristique de la contraction musculaire et les éléments qui l'affectent.
Structure Musculaire : Un Aperçu
La capacité d'un muscle à produire de la force dépend de deux éléments principaux : le muscle lui-même, en tant que générateur de force via les ponts actine-myosine, et les structures tendineuses qui transmettent cette force au squelette.
Organisation du Muscle
Le muscle est composé de plusieurs faisceaux ou fascicules, enveloppés par un tissu conjonctif dense appelé épimysium. Chaque faisceau renferme de nombreuses fibres musculaires, entourées d'un tissu conjonctif lâche, le périmysium. Une fibre musculaire est constituée d'environ 2000 myofibrilles, délimitées par une membrane (sarcolemme). Chaque fibre est gainée par un tissu conjonctif fin : l’endonyum. Les myofibrilles occupent environ 80% du volume de la fibre. Une fibre musculaire a un diamètre de 10 à 100 µm et une longueur de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres.
La Myofibrille et le Sarcomère
La myofibrille est composée de sarcomères, des unités cylindriques alignées d'une extrémité à l'autre de la fibre. Elles présentent une alternance régulière de bandes sombres (bandes A : anisotropes) et de bandes claires (bandes I : isotropes). Au milieu de chaque bande I, se trouve une bande plus sombre, la ligne Z. Le sarcomère, espace délimité par deux lignes Z, est l'unité anatomo-physiologique du muscle. Il est constitué de deux types de filaments : épais (myosine) et fins (actine).
Le générateur de force ou tension du muscle se situe au niveau des ponts entre actine et myosine. Cependant, le muscle n'est pas un générateur parfait de tension, sa capacité à produire une force variable en fonction des conditions de sollicitation (vitesse, longueur).
Lire aussi: Analyse Dimensionnelle : Coefficient de Contraction
Protéines du Sarcomère
Le sarcomère est délimité par les stries Z et contient des protéines contractiles (actine et myosine) ainsi que des protéines structurales (titine, nébuline, desmine, α-actinine). La théorie des filaments glissants (Huxley, 1955) explique le mécanisme de contraction.
Modèles de Contraction Musculaire
Le Modèle de Hill
Le modèle de Hill, actualisé par Shorten en 1987, est un modèle à trois composantes :
- Composante Contractile (CC) : Représente les ponts entre actine et myosine.
- Composante Élastique Série (CES) : Active (contractée) : pont. Passive (pas contracté) :tendons et tissus conjoncifs.
- Composante Élastique Parallèle (CEP) : Tissus conjonctifs et sarcolemme.
La CC est constituée des protéines contractiles, tandis que la CES et la CEP sont formées de protéines non contractiles, définissant la raideur et/ou la compliance du muscle.
Fonctions des Composantes
- Composante Contractile (CC) : Transforme l'énergie chimique (ATP) en énergie mécanique (force) avec un rendement d'environ 30%. La production de chaleur est une conséquence de l'action des ponts actine-myosine.
- Composante Élastique Série (CES) : Transmet la force et protège les structures en retardant la transmission de la force. Elle stocke et restitue de l'énergie élastique. Elle est divisée en une fraction active (segment S2 de myosine) et une fraction passive (structures tendineuses).
- Composante Élastique Parallèle (CEP) : Détermine les propriétés mécaniques passives du muscle, incluant le sarcolemme, les ponts résiduels et les protéines structurales (titine).
Raideur et Compliance
La raideur (k) est définie par la relation T = k(l1-l2) = k x Δl, où T est la tension et Δl est le changement de longueur. K est le coefficient de raideur (N.m-1). La compliance (C) est l'inverse de la raideur : C = 1/k (m.N-1).
Association d’Éléments Élastiques
- En parallèle : La tension totale est la somme des tensions individuelles (T = T1 + T2), et le changement de longueur est identique pour tous les éléments (Δl = Δl1 = Δl2). Pour augmenter la force, il faut augmenter le nombre d’éléments en parallèle.
- En série : Le changement de longueur total est la somme des changements de longueur individuels (Δl = Δl1 + Δl2), et la tension est identique pour tous les éléments (T = T1 = T2). Augmenter le nombre d’éléments en série = augmenter la vitesse.
Propriétés Mécaniques du Muscle Passif
La composante élastique parallèle (CEP) est responsable des propriétés mécaniques passives du muscle, c'est-à-dire sans contraction volontaire. Les protéines structurales (titine, nébuline, protéine C, myomésine, desmine, dystrophine) préservent et maintiennent l'organisation de l'architecture musculaire au repos et lors de la contraction. Elles assurent des conditions optimales pour la création de ponts actine-myosine.
Lire aussi: Implications du Coefficient de Contraction de Polymérisation
Évaluation des Propriétés Mécaniques de la CEP
- Muscle isolé (in vitro) : Relation force passive/longueur musculaire.
- Chez l'homme (in situ) : ROM (amplitude articulaire en degrés). Relation moment passif/angle. Longueur des structures tendineuses (en mm) et estimation de la force passive (N) par technique ultrasonore.
La raideur (k = ΔF/ΔL) n'est pas constante, et le phénomène d'hystérésis est observé. L'hystérésis se manifeste par une différence de tension produite entre l'allongement et le relâchement du muscle. Les valeurs prises lors de la déformation élastique diffèrent de celles prises lors de la diminution de la contrainte. On parle alors d'hystérésis élastique.
L'allure de la relation force passive/longueur dépend de la morphologie du muscle (fusiforme, penné, dipenné).
Force Dynamique vs Force Statique
- Force dynamique (Fd) : Dépend de la vitesse d'étirement.
- Force statique (Fs) : Détermination de la relation tension passive/longueur.
Allongement Dynamique vs Allongement Statique
Test : augmentation de la force, force constante. Variation de la longueur.
Viscoélasticité
L'étude des propriétés de viscoélasticité se fait via la courbe de phénomène d'hystérésis. Chez l’Homme pas de tension car un bras de levier qui intervient, on parle de moment. Sur la longueur du muscle, on ne peut pas directement la mesurer. On parle de l’angle de l’articulation. Sur la 1ere partie de courbe on voit la raideur, sur la 2ème la viscoélasticité Raideur= ΔF/ ΔL Pour la trouver sur la courbe on prend la 2ème moitié de courbe de raideur et on considère que c’est une droite, on dit que son coefficient directeur est la raideur. Entre le premier étirement et le dernier on a la même courbe mais qui monte moins haut. → On trace le coeff directeur est on voit bien qu’il est plus faible, viscoélasticité diminue aussi (pour le voir on trace une droite horizontale a partir du point le plus haut). Au bout d’1h les propriétés d’élasticités du muscle reviennent à la normale.
Une étude de 2002 sur le triceps sural et le tendon d'Achille a montré que lors d'un étirement passif de la cheville, 63% de l'étirement se produit au niveau du talon et 37% au niveau du muscle jumeaux. Pour le tibial antérieur (jambier), l'étirement est de 52% et le tendon de 48%. Plus le tendon est long par rapport à la taille du muscle, plus l'étirement est absorbé par les parties tendineuses.
Lire aussi: Optimiser sa Réussite au BTS GPME: Focus sur les Coefficients
Contraction Volontaire
La contraction volontaire peut être étudiée dans différentes conditions : muscle isolé (in vitro) ou muscle rattaché au squelette (in situ), et en contractions isométriques ou anisométriques (concentriques et excentriques).
Contraction Isométrique (in vitro)
Deux relations sont étudiées : force/temps (F/T) et force/longueur (F/L).
Relation Force/Temps (F/T)
Si on a que la composante contractile, et qu’on regarde la F(T), potion oblique de la courbe est due a la composante élastique série. Si cette dernière est plus raide la portion oblique sera plus inclinée et inversement. Composante élastique série = pont actine-myosine + partie tendineuse. Relation F/T dépend de la composante contractile et élastique série.
Pour contracter un muscle : décharge électrique ou Enlevé les enveloppes musculaire et décharge de calcium qui engage la contraction musculaire → Courbe entre la force et le temps, secousse musculaire. Elle est caractéristique du groupe musculaire, c’est la force max développé par le muscle, on mesure le temps nécessaire pour atteindre cette Fmax, a partir de la on peut calculer un indice contraction musculaire → Relation influencé par la composition en fibre. Si plus de fibre Iia ou IIb on atteint force plus rapide et plus fort, mais elles sont plus fatigable. Biopsie pour analyser.
En une seule stimulation on obtient pas la Fmax, pour l’avoir il faut une augmentation de la fréquence de décharge des unités motrices, augmenter le nombre de fibre stimulés. L’idée est de ne pas laisser la fibre se relacher et de la stimulé juste avant qu’il se relâche. Il y a moment on ne pourra pas faire augmenter la contraction même en stimulant plus = état de tétanos parfait. Pour l’obtenir il faut stimuler à 30/40 Hz. Si on modifie la frequence on modifie pas la Fmax, mais la vitesse à laquelle il y parvient.
Contraction Isométrique (in situ)
Relation Moment/Temps
Moment : produit vectoriel de la force par rapport a l’axe de rotation On demande au sujet d’atteindre son moment max le plus rapidement possible. Moment est en N.m ≠raideur N.m-1. Courbe entre le moment et le temps… courbe de l’explosivité (ou developpement de la force)
Une étude de 1978 a comparé un groupe entraîné en force et un autre en pliométrie. Le groupe entraîné en force a montré une augmentation du moment max de 80%, tandis que l'autre groupe a augmenté de 11% en moment max, mais différence de pente, indice d’explosivité augmente de 24%. La relation moment/temps dépend de facteurs musculaires mais aussi de facteurs nerveux. → Relation plastique si on peut la modifié avec l’entrainement.
En fonction de la longueur du muscle il produit plus ou moins de force. Relation F/L intègre 3composantes Contraction elastique perepherique, Contraction elastique série+ composante contractile. Plus on crée de pont actine/myosine plus on crée de force Sarcomère : myosine à l’intérieur Sarcomère ne peut plus se raccourcir on ne crée pas de force
Relation Moment/Angle
Presque la même a cause du blocage anatomique. → Pas les cas extrêmes (quand sarcomère est trop contracté ou trop étiré) seulement la portion idéale. Cette relation est plus ou moins déformé selon le muscle étudié. Mais allure plus ou moins en cloche. L’allure de la relation dépend de l’articulation testée et du mouvement (flexion versus extension).
Mo (F)- Mo (E) =Moment net= moment agoniste - moment antagoniste Flexion plantaire : La co-activation est indépendante de l’angle articulaire L’allure de la relation moment-angle représente le comportement des muscles agonistes. Si on enlève l’antagoniste l’allure de la courbe moment/angle sera un peu plus haute mais gardera la même allure. L’activité de l’antagoniste et constante quel que soit l’angle. Chaque chef musculaire n’a pas la même relation moment/angle. Quadriceps : bi articulaire / hanche et genou Lorsqu’on modifie la position de la hanche on modifie sa longueur et donc sa capacité a produire de la force.
Conception de Machines de Musculation
Transmission du poids de la charge par came assure une tension constante au cours du mouvement. → Intérêt : charge plus importante et constante sur toute la plage angulaire parce qu’ elle s’adapte au moment des différents angulations.
W x X= Fx Y F>W car X>Y F
Relations Force-Vitesse-Longueur
L’une des bases en musculation est de connaitre quelles sont les relation entre la force, la vitesse, ou bien la longueur, l’allongement musculaire etc. Dans une contraction dynamique concentrique, la force du muscle sollicité croît lorsque sa vitesse de raccourcissement décroît. En comparant les deux courbes force-vitesse et puissance-vitesse illustrées par les deux diagrammes, on peut noter que : plus la puissance est élevée, plus la courbe force-vitesse est aplanie. En pratique, on peut constater que les muscles ne développent pas la même puissance à la même vitesse et qu’un muscle lent à puissance mécanique faible a un rendement supérieur à celui d’un muscle rapide. Le choix de la vitesse est, malgré tout, un facteur important de la force. Il s’agit de la relation établie entre la force isométrique d’un muscle et sa longueur. On peut noter que la force (P) croît avec la longueur et qu’elle est maximale pour une longueur (Lo, longueur standard) qui correspond habituellement à une position segmentaire intermédiaire. La courbe de cette relation au niveau musculaire illustrée par le schéma montre une pente peu inclinée au début, se redressant ensuite lorsque la force augmente de façon significative. La variation de ce coefficient d’élasticité permet de donner un support physiologique à la notion de raideur. Cette relation tension-allongement montre un décalage lors du retour à la position initiale. Les flèches indiquent que, pour une même longueur, la tension est toujours plus élevée lors d’un allongement que lors d’un raccourcissement.
Importance pour le Préparateur Physique
Les paramètres physiologiques évoqués ci-dessus permettent de comprendre l’importance de certaines connaissances spécifiques pour le préparateur physique. En effet, pour pouvoir répondre à la demande des pratiquants de force athlétiques, les préparateurs doivent avoir une bonne compréhension en physiologie de l’effort. l'on peut les concevoir en STAPS, l'ergonomie…
Biomécanique : Concepts et Mesures
Historique et Fondements
- ARISTOTE (384-322 av. J.-C.) philosophe grec, s'intéresse aux causes des mouvements.
- ARCHIMEDE (287-212 av. J.-C.) mathématicien et savant grec, centre de gravité. C'est le père de la Mécanique classique.
- Dynamographie : Utilisation de plateformes dynamographiques pour l'étude du mouvement humain.
Electromyographie (EMG)
L'EMG représente l'entrée neurale du muscle, mais son interprétation en dynamique reste incertaine.
Extensométrie
L'extensométrie est une technique de mesure de déformation. Une jauge d'extensométrie, collée sur un matériau, subit les mêmes déformations que celui-ci. La variation de résistance de la jauge (δR/R) est proportionnelle à la déformation (K . ). Les règles de la R.D.M. (Résistance Des Matériaux) s'appliquent. Les jauges sont souvent montées en pont de Wheatstone pour compenser les phénomènes parasites.
Plateformes de Force
Les plateformes de force mesurent les forces et les moments appliqués sur elles. Elles sont composées de capteurs de forces reliés par une structure rigide. Elles permettent de mesurer les forces selon les axes X, Y et Z.
Analyse Vidéo
Les caméras vidéo, aujourd'hui numériques, permettent l'acquisition de données cinématiques. Les systèmes d'analyse vidéo (par exemple, système Elite) permettent de suivre la position de marqueurs placés sur un sujet en 3D.
Modélisation Biomécanique
La modélisation est le noyau théorique de la biomécanique. Elle permet d'évaluer les paramètres biomécaniques qui influencent la performance. La biomécanique peut être redéfinie comme un système prenant en compte les conditions environnementales.
Propriétés des Tissus Biologiques
Os
L'os est un tissu vivant en constante reconstruction. Les ostéoblastes construisent l'os, tandis que les ostéoclastes le détruisent. L'os est un matériau "raide" (peu élastique).
Cartilage
Le cartilage est un tissu élastique à la surface excessivement lisse, permettant de transformer les contraintes importantes en énergie de rotation.
Muscles
Les muscles sont conçus pour générer une force maximale. Ils peuvent être longs, plats ou compacts. Les muscles longs privilégient la vitesse et le déplacement à la force.
Tendons et Ligaments
Les tendons et les ligaments sont soumis à des forces de traction et de torsion.
Biomécanique du Corps Humain
Membre Supérieur
La mobilité du membre supérieur est assurée par la complexité de la main, un outil multiprise et adaptatif.
Rachis
Le rachis lombaire subit des contraintes importantes. Le sacrum facilite l'expulsion du bébé en fin d'accouchement.
Membre Inférieur
Le membre inférieur est conçu pour la locomotion et l'amortissement. Le valgus physiologique du genou (7°) est compensé par la forme des condyles.
Pied
Le pied est un amortisseur du corps.
Analyse du Mouvement
Le mouvement est défini par sa position, sa vitesse et son accélération. La force est ce qui modifie ou tend à modifier l'état d'un corps, sa direction ou sa forme. Le moment d'une force rend compte de "l'efficacité" de la force en rotation.
Types de Contraction
- Isométrique : Pas de mouvement perçu.
- Concentrique : Raccourcissement du muscle.
- Excentrique : Travail freinateur.
tags: #coefficient #caracteristique #de #la #contraction #musculaire