Statique et dynamique du corps humain: centre de gravité

La position verticale du corps humain, ses déplacements dans l'espace et ses différents types de mouvements (marche, course, saut) se sont développés au cours d'une longue évolution, parallèlement à la formation de l'homme en tant qu'espèce. Au cours de l'anthropogenèse, liée au passage des ancêtres humains aux conditions d'existence terrestres, puis à la mobilité sur deux membres (inférieurs), l'anatomie de l'organisme tout entier, de ses différentes parties et organes, y compris le système musculo-squelettique, a considérablement évolué. La bipédie a libéré le membre supérieur de sa fonction musculo-squelettique. Le membre supérieur est devenu un organe de travail – la main – et a pu améliorer encore sa dextérité motrice. Ces changements, résultant d'une fonction qualitativement nouvelle, se sont reflétés dans la structure de tous les composants de la ceinture scapulaire et de la partie libre du membre supérieur. La ceinture scapulaire sert non seulement de support au membre supérieur libre, mais augmente également considérablement sa mobilité. Du fait que la scapula est reliée au squelette principalement par les muscles, elle acquiert une plus grande liberté de mouvement. Elle participe à tous les mouvements de la clavicule. De plus, elle peut bouger librement, indépendamment de la clavicule. Dans l'articulation sphéroïde multiaxiale de l'épaule, entourée de muscles sur presque tous les côtés, les caractéristiques anatomiques de la structure permettent des mouvements le long de grands arcs dans tous les plans. La spécialisation des fonctions est particulièrement visible dans la structure de la main. Grâce au développement de doigts longs et très mobiles (principalement le pouce), la main est devenue un organe complexe capable d'effectuer des actions fines et différenciées.

Le membre inférieur, ayant supporté tout le poids du corps, s'est adapté exclusivement à la fonction musculo-squelettique. La position verticale du corps et la posture droite se reflètent dans la structure et les fonctions de la ceinture pelvienne et de la partie libre du membre inférieur. La ceinture pelvienne, en tant que structure arquée robuste, est adaptée au transfert du poids du tronc, de la tête et des membres supérieurs vers les têtes fémorales. L'inclinaison du bassin de 45 à 65°, établie au cours de l'anthropogenèse, contribue au transfert du poids du corps vers les membres inférieurs libres dans les conditions biomécaniques les plus favorables à la position verticale du corps. Le pied a acquis une structure arquée, ce qui a accru sa capacité à supporter le poids du corps et à agir comme un levier flexible lors de ses mouvements. Les muscles du membre inférieur se sont fortement développés, s'adaptant ainsi aux charges statiques et dynamiques. Par rapport aux muscles du membre supérieur, les muscles du membre inférieur ont une masse plus importante.

Au niveau du membre inférieur, les muscles bénéficient de vastes surfaces d'appui et d'application de la force musculaire. Ils sont plus volumineux et plus forts que ceux du membre supérieur. Au niveau du membre inférieur, les extenseurs sont plus développés que les fléchisseurs. Cela s'explique par le rôle majeur des extenseurs dans le maintien du corps en position verticale et en mouvement (marche, course).

Au niveau du bras, les muscles fléchisseurs de l'épaule, de l'avant-bras et de la main sont concentrés sur la face antérieure, car le travail des mains s'effectue en avant du corps. Les mouvements de préhension sont effectués par la main, qui sollicite davantage de muscles fléchisseurs que d'extenseurs. Le membre supérieur possède également plus de muscles de rotation (pronateurs, supinateurs) que le membre inférieur. Ils sont bien plus développés au niveau du membre supérieur qu'au niveau du membre inférieur. Le rapport masse/poids des pronateurs et supinateurs du bras par rapport au reste des muscles du membre supérieur est de 1:4,8. Au niveau du membre inférieur, le rapport masse/poids des muscles de rotation par rapport au reste des muscles est de 1:29,3.

Les fascias et les aponévroses du membre inférieur sont bien plus développés que ceux du membre supérieur en raison de la plus grande manifestation de force sous charges statiques et dynamiques. Le membre inférieur dispose de mécanismes supplémentaires qui contribuent au maintien du corps en position verticale et assurent son mouvement dans l'espace. La ceinture du membre inférieur est reliée de manière quasi immobile au sacrum et constitue un soutien naturel pour le tronc. La tendance du bassin à basculer vers l'arrière sur les têtes fémorales est empêchée par le ligament ilio-fémoral très développé de l'articulation de la hanche et par une musculature puissante. De plus, la verticale de la gravité, passant devant l'axe transversal de l'articulation du genou, contribue mécaniquement au maintien de l'articulation du genou en position étendue.

Au niveau de l'articulation de la cheville, en position debout, la surface de contact entre les surfaces articulaires du tibia et du talus augmente. Ceci est facilité par le fait que les malléoles médiale et latérale entourent la partie antérieure, plus large, du bloc astragalien. De plus, les axes frontaux des articulations de la cheville droite et gauche forment un angle ouvert vers l'arrière. La verticale de la gravité du corps se déplace vers l'avant par rapport aux articulations de la cheville. Cela entraîne une sorte de pincement de la partie antérieure, plus large, du bloc astragalien entre les malléoles médiale et latérale. Les articulations du membre supérieur (épaule, coude, poignet) ne disposent pas de tels mécanismes de freinage.

Les os et les muscles du tronc, en particulier le squelette axial – la colonne vertébrale, qui soutient la tête, les membres supérieurs et les organes des cavités thoracique et abdominale – ont subi de profondes modifications au cours de l'anthropogénèse. La posture verticale a entraîné la formation de courbes dans la colonne vertébrale et le développement de puissants muscles dorsaux. De plus, la colonne vertébrale est pratiquement immobile grâce à une solide articulation sacro-iliaque couplée à la ceinture pelvienne, qui, d'un point de vue biomécanique, répartit le poids du tronc sur les têtes des fémurs (sur les membres inférieurs).

Outre les facteurs anatomiques - les caractéristiques structurelles des membres inférieurs et du torse, développées au cours du processus d'anthropogenèse pour maintenir le corps en position verticale, assurant un équilibre et une dynamique stables, une attention particulière doit être accordée à la position du centre de gravité du corps.

Le centre de gravité général (CG) d'une personne est le point d'application de la résultante de toutes les forces gravitationnelles exercées sur les différentes parties de son corps. Selon MF Ivanitsky, le CG se situe au niveau de la IVe vertèbre sacrée et se projette sur la face antérieure du corps, au-dessus de la symphyse pubienne. La position du CG par rapport à l'axe longitudinal du corps et à la colonne vertébrale dépend de l'âge, du sexe, de la structure osseuse, des muscles et de la masse graisseuse. De plus, la position du CG fluctue quotidiennement en raison du raccourcissement ou de l'allongement de la colonne vertébrale, dus à une activité physique irrégulière diurne et nocturne. Chez les personnes âgées, la position du CG dépend également de la posture. Chez l'homme, le CG se situe au niveau de la IIIe vertèbre lombaire à la Ve vertèbre sacrée, chez la femme, 4 à 5 cm plus bas que chez l'homme, et correspond au niveau entre la Ve vertèbre lombaire et la Ie vertèbre coccygienne. Cela dépend notamment du dépôt de graisse sous-cutanée plus important au niveau du bassin et des hanches que chez l'homme. Chez le nouveau-né, le centre de gravité se situe au niveau des vertèbres thoraciques V-VI, puis se déplace progressivement (jusqu'à 16-18 ans) vers le bas et légèrement vers l'arrière.

La position du centre de gravité du corps humain dépend également de la morphologie. Chez les personnes dolichomorphes (asthéniques), le centre de gravité est situé relativement plus bas que chez les personnes brachymorphes (hypersthéniques).

Les recherches ont montré que le centre de gravité du corps humain se situe généralement au niveau de la deuxième vertèbre sacrée. Son aplomb passe 5 cm en arrière de l'axe transversal des articulations de la hanche, environ 2,6 cm en arrière de la ligne reliant les grands trochanters et 3 cm en avant de l'axe transversal des articulations de la cheville. Le centre de gravité de la tête est situé légèrement en avant de l'axe transversal des articulations atlanto-occipitales. Le centre de gravité commun de la tête et du corps se situe au niveau du milieu du bord antérieur de la dixième vertèbre thoracique.

Pour maintenir un équilibre stable du corps humain sur un plan, il est nécessaire que la perpendiculaire, retombée de son centre de gravité, retombe sur la zone occupée par les deux pieds. Plus la surface d'appui est large et plus le centre de gravité est bas, plus le corps est stable. Pour la position verticale du corps humain, le maintien de l'équilibre est essentiel. Cependant, en contractant les muscles appropriés, une personne peut maintenir son corps dans diverses positions (dans certaines limites), même lorsque la projection du centre de gravité est hors de la zone d'appui (forte inclinaison du corps vers l'avant, sur les côtés, etc.). Cependant, la station debout et les mouvements ne peuvent être considérés comme stables. Avec des jambes relativement longues, une personne dispose d'une surface d'appui relativement réduite. Le centre de gravité global du corps humain étant situé relativement haut (au niveau de la deuxième vertèbre sacrée) et la surface d'appui (la surface des deux plantes des pieds et l'espace entre elles) étant insignifiante, la stabilité du corps est très faible. En état d'équilibre, le corps est maintenu par la force des contractions musculaires, ce qui l'empêche de tomber. Les parties du corps (tête, torse, membres) occupent une position qui leur correspond. Cependant, si l'équilibre des parties du corps est perturbé (par exemple, en étirant les bras vers l'avant, en fléchissant la colonne vertébrale en position debout, etc.), la position et l'équilibre des autres parties du corps changent en conséquence. Les moments statiques et dynamiques de l'action musculaire sont directement liés à la position du centre de gravité du corps. Le centre de gravité du corps étant situé au niveau de la deuxième vertèbre sacrée, derrière la ligne transversale reliant les centres des articulations de la hanche, la tendance du torse (et du bassin) à basculer vers l'arrière est contrée par des muscles et des ligaments très développés qui renforcent les articulations de la hanche. Cela assure l'équilibre de tout le haut du corps, maintenu droit sur les jambes.

La tendance du corps à tomber en avant en position debout est due au déplacement de la verticale du centre de gravité vers l'avant (de 3 à 4 cm) par rapport à l'axe transversal des articulations de la cheville. La chute est freinée par les muscles de l'arrière de la jambe. Si la verticale du centre de gravité se déplace encore plus vers l'avant, jusqu'aux orteils, la contraction des muscles de l'arrière de la jambe soulève le talon, le soulevant ainsi du plan d'appui. La verticale du centre de gravité avance et les orteils servent d'appui.

Outre leur fonction de soutien, les membres inférieurs assurent une fonction locomotrice, permettant au corps de se déplacer dans l'espace. Par exemple, lors de la marche, le corps humain avance en s'appuyant alternativement sur une jambe, puis sur l'autre. Dans ce cas, les jambes effectuent des mouvements de pendule. Lors de la marche, l'un des membres inférieurs est à un moment donné un appui (arrière), tandis que l'autre est libre (avant). À chaque pas, la jambe libre devient un appui, et la jambe d'appui est avancée et devient libre.

La contraction des muscles du membre inférieur pendant la marche augmente significativement la courbure de la plante du pied, accentuant ainsi la courbure de ses voûtes plantaires transversale et longitudinale. À ce moment, le torse s'incline légèrement vers l'avant, avec le bassin sur les têtes fémorales. Si le premier pas est effectué du pied droit, le talon droit, puis le milieu de la plante du pied et les orteils s'élèvent au-dessus du plan d'appui. La jambe droite se plie au niveau des articulations de la hanche et du genou et est avancée. Simultanément, l'articulation de la hanche de ce côté et le torse suivent la jambe libre. Cette jambe (droite), grâce à une contraction vigoureuse du quadriceps de la cuisse, se redresse au niveau de l'articulation du genou, touche la surface d'appui et devient alors la jambe d'appui. À ce moment, l'autre jambe gauche (jusqu'alors jambe d'appui arrière) quitte le plan d'appui et est avancée, devenant la jambe libre avant. La jambe droite reste alors en arrière comme jambe d'appui. Avec le membre inférieur, le corps se déplace vers l'avant et légèrement vers le haut. Ainsi, les deux membres effectuent alternativement les mêmes mouvements selon une séquence strictement définie, soutenant le corps d'un côté puis de l'autre et le poussant vers l'avant. Cependant, lors de la marche, il n'y a pas de moment où les deux jambes sont simultanément arrachées du sol (plan d'appui). Le membre antérieur (libre) parvient toujours à toucher le plan d'appui avec son talon avant que la jambe arrière (d'appui) ne s'en sépare complètement. C'est en cela que la marche diffère de la course et du saut. Parallèlement, lors de la marche, il existe un moment où les deux jambes touchent simultanément le sol: la jambe d'appui touche toute la plante du pied et la jambe libre touche les orteils. Plus la marche est rapide, plus le moment de contact simultané des deux jambes avec le plan d'appui est court.

En suivant les variations de la position du centre de gravité pendant la marche, on observe les mouvements du corps entier vers l'avant, vers le haut et sur les côtés, dans les plans horizontal, frontal et sagittal. Le déplacement le plus important se produit vers l'avant dans le plan horizontal. Le déplacement vers le haut et vers le bas est de 3 à 4 cm, et vers les côtés (oscillations latérales) de 1 à 2 cm. La nature et l'ampleur de ces déplacements sont sujettes à d'importantes fluctuations et dépendent de l'âge, du sexe et des caractéristiques individuelles. La combinaison de ces facteurs détermine la démarche individuelle, qui peut évoluer sous l'effet de l'entraînement. En moyenne, la longueur d'un pas normal et calme est de 66 cm et dure 0,6 s.

Lorsque la marche s'accélère, le pas se transforme en course. La course diffère de la marche par l'alternance des appuis et le contact avec la surface d'appui d'un pied puis de l'autre.

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