Biomécanique

Un article du wiki 🦺 Ergonomie

La biomécanique applique les principes de la mécanique (forces, moments, leviers) au corps humain en mouvement. Elle permet de quantifier les contraintes internes (charge sur les disques intervertébraux, sur les tendons, sur les capsules articulaires) générées par les tâches de travail. C'est l'outil principal pour comprendre pourquoi certaines postures et manutentions sont nocives même quand elles ne sont pas perçues comme telles par le travailleur.

Force, moment et bras de levier

La contraction musculaire sert souvent à générer un mouvement de rotation autour d'une articulation. Les Articulations sont des points d'appui (pivots) autour desquels se produit la rotation.

Le moment de force correspond à la tendance d'une force à produire une rotation.

$$M = F \times d$$

Où

  • M = moment de force (N·m).
  • F = force (N).
  • d = bras de levier, distance entre la ligne d'action de la force et l'axe de rotation (m).
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Système de leviers du corps humain

Les muscles tirent sur les os via les tendons, et les os agissent comme des leviers articulés autour des articulations.

Forces externes à combattre

  • Force gravitationnelle (poids des segments corporels et des charges manipulées).
  • Force de friction.
  • Forces externes appliquées par l'environnement.

Pour qu'un mouvement se produise ou pour qu'une posture soit maintenue, la somme des moments musculaires doit équilibrer la somme des moments des forces externes.

Charge sur les disques intervertébraux

L'application des principes biomécaniques au rachis lombaire est cruciale en ergonomie de la manutention (voir Manutention manuelle et Anatomie et biomécanique du dos).

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Quand on penche le tronc vers l'avant pour saisir une charge

  • Les muscles érecteurs du rachis doivent générer un moment de force pour contrebalancer le moment dû au poids du tronc et de la charge.
  • Comme les érecteurs du rachis ont un bras de levier court (quelques centimètres), ils doivent exercer une force très grande pour équilibrer la charge tenue à bras tendus (avec un bras de levier de 60 à 80 cm).
  • Cette force se traduit en compression sur les disques intervertébraux L4-L5 et L5-S1.
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Conséquence pratique

Une charge de 10 kg tenue à bras tendus peut générer plusieurs centaines de kilogrammes de compression sur le disque L5-S1.

Désavantage mécanique

La position des insertions musculaires place souvent les muscles en position de désavantage mécanique : le bras de levier musculaire est très court par rapport au bras de levier de la charge externe.

  • Plus une charge est éloignée de l'axe de rotation, plus le désavantage augmente.
  • À l'inverse, on peut diminuer le travail musculaire en approchant la charge de l'axe de rotation.

C'est le fondement biomécanique de la règle d'or : garder la charge près du corps.

Application terrain

La biomécanique fournit les arguments quantitatifs pour les interventions en mine.

Situation minière Enjeu biomécanique
Soulever un boulon d'ancrage au sol Bras de levier maximal, compression L5-S1 élevée
Manipuler un écailleur en hauteur Moment statique épaule + cervical, charge sur la coiffe des rotateurs
Pousser un wagon de mine sur rail Force horizontale, posture asymétrique, sollicitation du rachis en rotation
Sortir d'une cabine de chargeuse Combinaison flexion-torsion du rachis, risque accru après Vibrations corps entier
Transporter une charge à une main Moment latéral, sollicitation asymétrique de la colonne

Leviers ergonomiques issus de la biomécanique

  • Élever la zone de prise de la charge (75 cm idéal) pour réduire la flexion du tronc.
  • Approcher la charge du corps pour réduire le bras de levier.
  • Fournir des aides à la manutention (palans, chariots, ponts roulants) pour transférer la charge à l'équipement.
  • Adapter la hauteur des surfaces de travail à la taille des travailleurs (variabilité anthropométrique).
  • Limiter les distributions asymétriques de charge (charge à une seule main) et les torsions.

Ressources

Document Type Source
Cours SST 1162 - S2 - Biomécanique et moments de force Cours UQAT
Occupational biomechanics Manuel Chaffin, Andersson, Martin, 2006
Équation NIOSH de levée de charges Outil NIOSH

Articles wiki connexes

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