Physiologie de l'entraînement > Bio-mécanique

Le secteur bio-mécanique englobe sur un plan mécanique tout ce qui concerne le mouvement de l'être humain, tant dans dans ses fonctions de déplacement (fonction motrice) que de fonctionnement interne (mécanique respiratoire, circulatoire, digestive et excrétive).
Dans notre cas seuls les systèmes prenant part à l'action motrice seront vues : systèmes osseux, musculaire et articulaire.

Le muscle

Le but de ce chapitre est de décrire le tissu musculaire, non pas pour faire un cours de biologie mais pour avoir des références sur lesquelles s'appuyer et mieux comprendre les chapitres d'entraînement.

Les catégories de muscles

Le corps humain est constitué d'environ 650 muscles représentant environ 40% du poids de corps et répartis en trois catégories : les muscles striés, les muscles lisses et le muscle cardiaque.
Les muscles striés : au nombre de 570 environ et permettant de réaliser des mouvements, ils fonctionnement souvent par couple (agoniste - antagoniste) et créent le mouvement en tirant de part et d'autre d'eux même sur des insertions reliés aux os.
En phase d'éveil, une tension persistente permet de garder une posture sans y penser : c'est le tonus musculaire.
Différentes formes de muscles peuvent être distinguées :

• Les muscles longs qui ont une forme de fuseau dont les extrémités sont terminées par un tendon (ex : biceps, triceps etc …) ;
• Les muscles plats ayant une forme d'éventail, et dont les extrémités s'insèrent directement sur une grande surface (ex : dorsal, pectoral etc.) ;
• Les muscles courts s'insérant directement sur une surface (muscles du pieds etc.) ;
• Les muscles annulaires qui entourent un orifice naturel (paupière, bouche, estomac etc.).

Les muscles lisses : se situant dans les parois des structures internes creuses (estomac, intestins, vaisseaux sanguins), ils ne sont pas directement sous le contrôle de la conscience (sauf dans le cas de stress important générant des douleurs abdominales par exemple).
Le myocarde (muscle cardiaque) : se contractant de façon régulière, automatique et infatigable, il est indépendant de la volonté; le système nerveux végétatif intervient dessus dans une certaine limite, en le ralentissant ou en l'accélérant, sans être en mesure de l'arrêter totalement.
Ce site ayant pour objectif l'entraînement sportif, nous nous intéresserons aux muscles striés.

Les propriétés du muscle

• L'excitabilité : un muscle doit être précédemment excité pour pouvoir se contracter ;
• La contractilité : faculté que possède le muscle à se raccourcir à toutes excitations. Trois phases se suivent : la phase de latence (l'influx nerveux arrive à la fibre), la phase de contraction, puis la phase de relâchement ; si les excitations sont répétées trop rapidement, la fibre n'a plus le temps de se relâcher et le muscle se tétanise ;
• L'élasticité : propriété du muscle à s'allonger et à revenir à sa position initiale ;
• La tonicité : propriété du muscle à rester dans un état de légère contraction permanente involontaire, permettant la posture.

La structure du muscle

Un muscle est une structure entourée d'un tissu conjonctif (membrane). Composée de plusieurs sous structures elles même entourées de tissu conjonctif.
Il y a d'abord les faisceaux musculaires, constitués des fibres musculaires, composées elles même de petites fibres nommées myofibrilles.

Coupe transversale d'un muscle

Ces myofibrilles sont cloisonnées sur leur longueur par des disques (disque Z) constituant des petits cylindres appelés sarcomères. A l'intérieur de celles-ci se trouvent des rangées alternées de filaments épais (myosine) et fins (actine - troponine - tropomyosine) glissant les uns contre les autres, et s'accrochant pour rétracter les fibres.

L'élément déclencheur de la contraction est la transmission d'un "ordre" par une terminaison nerveuse juxtaposée à la fibre et reliée au cerveau. Les fibres musculaires sont innervées par des motoneurones alpha, innervant plusieurs fibres musculaires et permettant une contraction ou un relâchement synchrone.
L'ensemble nerf - fibres musculaires est appelé unité motrice, structure de base autour de laquelle s'articule la physiologie musculaire. Le motoneurone (neurone moteur) est situé dans la moelle épinière, se prolonge (par l'axone) qui chemine dans le nerf périphérique et se ramifie pour que chacune de ces ramifications n'innerve qu'une seule fibre musculaire. Au niveau du biceps brachial, un motoneurone innerve environ 100 fibres musculaires.
Lors d'un mouvement, le contrôle de la force de contraction est lié au nombre d'unités motrices recrutées.

Transmission d'un ordre de contraction musculaire par le cerveau

La composition chimique du muscle

L'eau constitue près de 75-80% de la masse musculaire. Il y a aussi des protéïnes (env. 21%), l'actine (+ troponine + tropomyosine) et la myosine coulissant l'une par rapport à l'autre grâce à un échange d'éléments minéraux (sodium, potassium, calcium, zinc), et la myoglobine, pigment rouge emmagasinant l'oxygène.
Pour se contracter, le muscle utilise de l'ATP (adénosine triphosphate) en grande quantité. L'ATP est présente dans l'organisme en petite quantité et devra donc être resynthétisée pour que la contraction musculaire se poursuive. (cf Physiologie > Processus énergétiques)

Les types de fibres musculaires

Les fibres sont de trois types :

• Fibres de type I (ST - fibres rouges) : à contraction lente, elles sont riches en mitochondries, fonctionnent principalement par la voie de la glycolyse aérobie et consomment peu d'ATP. Elles sont adaptées à un exercice d'endurance mais créent peu de force.
• Fibres de type II (IIb) (FT - fibres blanches) : à contraction rapides et puissantes, elles sont riches en glycogène, fonctionnent principalement par la voie de la glycolyse anaérobie et consomment beaucoup d'ATP. Elles sont adaptées à un exercice intense de courte durée et créent une force importante.
• Fibres de type intermédiaire (FT - IIa) possèdant certaines caractéristiques de ceux de type I et d'autres de ceux de type II. Elles permettent de réaliser un exercice de durée moyenne avec une force moyenne.

Le transport de l'oxygène dans le muscle

Evidemment c'est le sang qui va transporter l'oxygène des poumons vers les muscles. Dans les poumons, l'oxygène se fixe sur l'hémoglobine puis est véhiculé par les globules rouges jusqu'aux muscles ou il se fixe sur la myoglobine.
Un sportif nécessite donc un maximum de globules rouges dans le sang afin de véhiculer le plus d'oxygène possible et de pouvoir fournir les muscles en énergie.

L'appareil locomoteur

L'action motrice et la locomotion (déplacement de tout le corps) est possible d'un point de vue mécanique grâce à l'appareil locomoteur qui comprend le système osseux (squelette), le système articulaire et le système musculaire.

L'appareil osseux

Le système osseux est composé par 206 os constitués de tissus osseux et cartilagineux.
On distingue :

• Les os courts (vertèbres, carpe, tarse) ;
• Les os plats (omoplate, os iliaque, voûte du crâne) ;
• Les os longs (fémur, humérus, tibia, radius...)

 Structure d'un os long :
- Une partie moyenne (diaphyse) formée de tissu osseux compact entouré du périoste et creusée d'une cavité axiale (canal médullaire) contenant de la moelle jaune (graisse).
- Les parties extrêmes (épiphyses) formées de tissus osseux spongieux dont les cavités contiennent de la moelle rouge permettant la formation des éléments du sang (globules et plaquettes)) et de cartilage articulaire. Les protubérances sur lesquelles viennent s'insérer les muscles squelettiques sont appelées apophyses.
Le cartilage est un tissu conjonctif différent du tissu osseux. Il est constitué d'une substance fondamentale non calcifiée, translucide et élastique. Résistant à la pression et à la traction (contrairement à l'os rigide et cassant), il ne contient pas de vaisseaux sanguins. Il intervient essentiellement dans le développement de l'os où comme élément articulaire.

Squelette - vue antérieure - planche extraite du site www.infovisual.info

Squelette - vue latérale - planche extraite du site www.infovisual.info

L'appareil articulaire

Les articulations sont un moyen d'union entre deux pièces osseuses.
Elles sont classées selon leur mobilité :

• Synarthrose : articulation immobile unissant deux os (exemple : os du crâne) et dont la surface osseuse n'est pas recouverte de cartilage ;
• Amphiarthrose : articulation permettant seulement des mouvements limités aux pièces du squelette qu'elle réunit (exemple : vertèbres) ;
• Diarthrose : articulation permettant des mouvements étendus (comme le genou, le coude), dans laquelle les os sont maintenus par une capsule fibreuse et dont les surfaces articulaires sont recouvertes de cartilage. Des bandes de tissu conjonctif (ligaments) intra et péri-articulaires renforçent la capsule et donc la stabilité articulaire. La synoviale, membrane mince qui double l'intérieur de la capsule, sécrète un liquide visqueux (synovie) servant de lubrifiant et facilitant le glissement des surfaces articulaires l'une sur l'autre ;
• Enarthrose : c'est une diarthrose la plus mobile (trois axes) constituée d'une surface convexe et d'une surface concave (exemple : épaule, hanche).

Les mouvements résultants de la mobilité sont classés suivant les plans spaciaux dans lequels ils s'effectuent.

• Flexion et extension : mouvement suivant un axe transversal passant par l 'articulation; la flexion rapproche deux segments, l'extension les éloigne ;
• Abduction et adduction : mouvement suivant un axe sagittal (vertical) passant par l'articulation. L'abduction écarte le membre de l'axe médian alors que l'adduction le rapproche ;
• Rotation : mouvement s'effectuant par la diaphyse de l'os. La rotation interne pivote le membre en dedans vers l'axe médian du corps, la rotation externe est le mouvement inverse ;
• Pronation et supination : mouvements uniques à l'avant-bras dans l'articulation du coude et du poignet. La pronation crée un mouvement faisant exécuter à la main une rotation du dehors en dedans (la dos de la main est au-dessus en position finale) alors que la supination crée le mouvement inverse ;
• Circumduction : mouvement combinant les trois axes (médian, longitudinal et sagittal) ainsi que les mouvements de flexion, extension, abduction, adduction et rotation. C'est un mouvement dont l'extrémité opposée à l'articulation forme un cercle autour d'un axe fixe (ex : cercles réalisés par les bras ou les jambes) ;
• Glissement - déplacement latéral ou d'avant en arrière (ex : les tarses).

L'appareil musculaire

Les muscles - vue antérieure - planche extraite du site www.infovisual.info

Les muscles - vue latérale - planche extraite du site www.infovisual.info

Les muscles - vue postérieure - planche extraite du site www.infovisual.info

Les aptitudes morphologiques

Les aptitudes morphologiques peuvent être déclinées en deux parties :

• La morphologie ;
• Les profils anthropométriques.

La morphologie concerne l’aspect général du corps de l’individu.
Des travaux, réalisés par  le psychologue américain William Herbert Sheldon, avaient réparti les individus en trois types distincts de typologie : les types endomorphe (de forme O), mésomorphe (de forme V) et ectomorphe (de forme I). A ces formes étaient additionnées des caractéristiques physiques, hormonales, caractérielles, etc. Pour schématiser, un ectomorphe pouvait pousser autant de fonte qu'il voulait, il ne prenait pas de muscle. A l'inverse, un endomorphe devait se résoudre à avoir une allure ronde.

Evidemment le principe de cette catégorisation est mauvais car on ne peut pas mettre quelqu'un dans une "boite" dont il ne pourrait pas sortir. Il y a des éléments génétiques certes, mais l'alimentation et l'entrainement sportif ont un fort impact sur la transformation du corps en modifiant les sections musculaires et en réduisant le taux de masse grasse.

Dans le domaine sportif, l'équilibre idéal du rapport taille/poids sera souvent considéré comme très important. Ce paramètre est souvent recherché tant dans la gestion du poids (maximiser la masse maigre) que dans l'avantage de possèder une grande taille (ex : sports collectifs) ou au contraire une petite taille (ex : gymnastique).

Les profils anthropométriques ont pour but de classer les individus suivant le relevé des diverses mensurations telles que courbure de la colonne vertébrale, la taille assise, la largeur bi-acromiale, la longueur des membres, etc.

Les caractéristiques de ces mensurations et leur somme peuvent donner une indication sur l’aptitude et les prédispositions d’un individu à la pratique de certains sports. Les systèmes de détection de futurs "espoirs" d'une discipline sportive se basent souvent sur ces critères.