Études photographiques sur la locomotion de l'homme et des animaux

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- - INSTITUT DE FRANCE
  - ACADÉMIE DES SCIENCES.
  - Extrait des Comptes rendus des séances de l'Academie des Sciences, t. XCVI, séances des 8 et i5 octobre i883.
  - De la mesure des forces dans les différents actes de la locomotion;
  - « La photographie instantanée dont j’ai indiqué certaines applications nouvelles, pour l’analyse des actes de la locomotion animale, ne donne pas tous les éléments nécessaires à la connaissance de cette fonction des êtres vivants. Elle ne nous fait connaître que les éléments qui se rapportent à la Cinématique : ainsi, la trajectoire décrite dans l’espace par un point donné du corps, la vitesse que ce point possède à chaque instant, sont géométriquement définies sur la plaque photographique dans une série d’images successives.
  - » Mais ce qu’il faut connaître encore, c’est la force d’impulsion périodiquement imprimée à notre corps par nos actions musculaires : ce sont les variations d’intensité, de direction et de durée de cette force, cause immédiate des mouvements que les photographies nous font connaître.
  - » Une nouvelle méthode d’exploration est alors nécessaire; il faut disposer d’un appareil dynamométrique indiquant à la fois les composantes verticale et horizontale de l’impulsion de nos muscles avec toutes les M.
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- - phases de leur intensité aux différents instants. Voici la disposition qui permet de réaliser ces mesures.
  - » L’organe essentiel du dynamomètre inscripteur que j’emploie est une poche de caoutchouc pleine d’air et susceptible de céder aux pressions qu’elle supporte. L’air de cette poche communique par un tube avec un tambour à levier inscripteur (,). De ce genre étaient les semelles dynamo-métriques appliquées sous la chaussure, dans les expériences que j’ai faites autrefois sur la marche de l’homme.
  - » Pour remédier à l’insuffisance et à certaines imperfections de ces appareils, j’ai construit un dynamomètre inscripteur avec le concours de M. De-meny, préparateur à la Station physiologique du Collège de France, et de M. Otto Lund, mécanicien attaché à cet établissement. Voici la disposition de l’appareil.
  - » Le réservoir à air compressible affecte la disposition suivante. C’est un tube de caoutchouc à parois épaisses et roulé en spirale aplatie. L’extrémité centrale de ce tube est fermée; l’extrémité périphérique est ouvert e; elle se met en rapport avec le tube d’un tambour à levier inscripteur. Cette spirale est soudée à deux feuilles de caoutchouc ; le tout forme un disque aplati qui peut, sans s’écraser entièrement, supporter une pression assez forte.
  - » Plaçons ce disque sur le sol et recouvrons-le d’une planchette de bois. Si nous chargeons cette planchette de ikg, Je disque subit un léger aplatissement; une partie de l’air qu’il renferme passe dans le tambour à levier et en élève le style à une certaine hauteur. Un second kilogramme, placé sur la planchette, comprime davantage le disque et soulève le style d’une nouvelle quantité. Ce style exprimera donc, par sa hauteur plus ou moins grande, les variations de la pression exercée sur le dynamomètre. Enfin, on inscrit les mouvements du style sur un cylindre tournant, ce qui donne une courbe dont les coordonnées correspondent, à chaque instant, à la valeur de la pression.
  - » Dans le dynamomètre que nous avons construit, neuf spirales de caoutchouc sont disposées, par séries de trois, sur une planchette carrée; toutes les spiralés communiquent, par un tube collecteur, avec un tambour à levier inscripteur. Une autre planchette semblable recouvre ces spirales et est réunie, par quatre tiges boulonnées, à la planchette inférieure. L’ensemble de ces pièces constitue le dynamomètre inscripteur des
  - (1 ) Voir la Méthode graphique, p. 44^*
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- - pressions normales; nous l’appellerons il tablette dynamo métrique. Toute pression exercée sur cette tablette produit une courbe dont les ordonnées sont positives.
  - » Les composantes horizontales des pressions oblicpies appliquées au dynamomètre s’inscrivent au moyen d’une disposition imaginée par M. Demeny.
  - » La tablette manométrique repose sur une série de galets et est guidée entre deux rouleaux qui ne lui permettent de se mouvoir que suivant une seule ligne, soit dans un sens, soit dans l’antre. Ces mouvements sont ceux que le pied d’un homme qui marche imprimera, soit en avant, soit en arrière, à la tablette sur laquelle il posera le pied. Ils sont très faibles à cause de la résistance du cylindre en caoutchouc qu’ils doivent comprimer; ils se transmettent à un tambour à air, puis à l’appareil inscripteur, par le mécanisme déjà indiqué ci-dessus.
  - » Cet instrument indique donc, à chaque instant, l’intensité des composantes verticale et horizontale de l’impulsion d’un membre sous une incidence quelconque ne dépassant pas l’angle de frottement.
  - » Théoriquement, si les déviations des styles inscripteurs sont proportionnelles à l’intensité des efforts et si les indications dynamométriques des pressions perpendiculaires et tangentielles au plan de l’instrument sont comparables entre elles, on peut reconstituer avec sa grandeur et sa direction la valeur de l’impulsion du pied qui, dans la marche ou la course, s’appuie sur le dynamomètre. En pratique, cet instrument ne donnant pas encore des courbes dont les ordonnées soient exactement proportionnelles à l’intensité des pressions exercées, nous ne lui demanderons que l’indication du sens dans lequel ces pressions se produisent. Cela suffit déjà pour faire des observations curieuses sur la façon dont les forces musculaires agissent dans la marche.
  - » Enfin, comme certains autres actes de la locomotion exigent qu’on mesure des efforts de traction, nous avons construit pour cet usage un dynamomètre basé sur le même principe, mais un peu modifié pour ces nouveaux besoins.
  - » A De l'appui des pieds sur le sol. — Lorsqu’un poids est placé sur le dynamomètre, l’aiguille rie l’instrument inscripteur s’élève à une certaine hauteur et s’y arrête, indiquant une pression positive constante qu’elle conserve indéfiniment. Mais, si un homme ou un animal est placé dans les mêmes conditions, pour peu qii’il ne se tienne pas complètement immobile, on voit le style inscripteur agité d’oscillations continuelles. Celles-ci expri-
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- - ment que la force avec laquelle les pieds pressent sur le sol varie continuellement, Ces variations, tantôt positives et tantôt négatives, tiennent aux réactions des contractions musculaires dont les effets, tantôt s’ajoutent à ceux de la pesanteur et tantôt s’en retranchent. Le dynamomètre inscrip-teur permet de déterminer les différents actes qui donnent lieu à ces deux sortes de réactions.
  - i> Lorsqu’un acte musculaire a pour effet d’élever le centre de gravité de notre corps, ses réactions se transmettent de proche en proche à nos extrémités inférieures et créent un accroissement de pression positive sur le dynamomètre.
  - » Ainsi, quand nous sommes accroupis et que nous nous relevons par l’extension de nos jambes ou bien lorsque, étant debout, nous nous élevons sur la pointe des pieds, dans ces deux cas, le dynamomètre accuse un accroissement de la pression verticale de nos pieds sur le sol. Ce surcroît de pression est d’autant plus intense que notre élévation est plus rapide.
  - » Cet effet est suivi d’une action de sens inverse quand le mouvement d’élévation se ralentit, car alors la masse du corps animée d’une vitesse ascendante tend par son inertie à continuer son chemin en sens inverse de la pesanteur. Plus l’élévation a été brusque, plus l’effet de cette vitesse ascensionnelle est intense, il s’accuse au dynamomètre par une diminution de pression.
  - » Enfin cette diminution de pression cesse quand notre vitesse est éteinte, et nous n’exerçons plus sur le dynamomètre que la pression qui dépend de notre pesanteur.
  - » La série des variations de pression que nous venons d’indiquer est exprimée dans la fig. i, courbe A, par les inflexions successives de la courbe tracée, o correspond à la ligne tracée quand le dynamomètre n’est pas chargé, i exprime la pression positive due à notre seule pesanteur ; 2 est l’accroissement de pression positive quand nous nous soulevons avec vitesse par le redressement de nos jambes; 3 correspond à la variation négative ou à la diminution de notre pression sur le sol par notre accélération négative qui, nécessairement, précède l’arrêt; enfin 4 est le retour de l’instrument au niveau qui correspond au poids de notre corps.
  - » Les mouvements des bras et ceux de la tête, lorsqu’ils s’accomplissent dapsle sens vertical, donnent lieu à des réactions semblables, mais plus faibles, Ainsi,les bras étant abaissés, si on les élève brusquement, on constate, au moment de leur élévation, une augmentation de la pression des pieds sur le sol. Quand le mouvement ascensionnel s’arrête, la pression sur le dynamomètre diminue et tombe au-dessous du niveau qui correspond à
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- - notre poids. Enfin, cet effet disparaît et l’instrument remonte au niveau qui exprime notre poids.
  - » De même, en tenant d’abord la tête fléchie et le menton appuyé contre la poitrine, si nous contractons soudainement les muscles postérieurs
  - Fig. i.
  - du cou, la tète se relève brusquement et la réaction qui se produit s’accuse
  - au dynamomètre par une pression positive, suivie, comme toujours, d'une variation inverse.
  - » Comme corollaire des expériences qui précèdent, nous pouvons conclure que tout acte musculaire qui a pour effet d'abaisser notre centre de gravité produit une réaction qui diminue la pression de nos pieds sur le sol et s'accuse par un abaissement de la courbe du dynamomètre. Cet effet est suivi d'une variation de sens inverse due à la diminution de la vitesse acquise dans le mouvement d'abaissement.
  - » L’expérience justifie complètement les propositions énoncées ci-dessus. Ainsi la courbe B est obtenue dans les conditions suivantes : i exprime le poids seul d’un homme monté sur le dynamomètre; en 2, les jambes sont fléchies et le centre de gravité s’abaisse : pendant ce temps la pression des pieds sur le sol est diminuée; en 3, le mouvement de flexion îles jambes cesse, et la vitesse acquise du corps donne naissance à une variation positive.
  - » Si la flexion des jambes est assez brusque, le manomètre indique une pression nulle, car le corps se détache du sol pendant un instant. En effet, l’abaissement de notre corps sous l’action de la pesanteur a une certaine
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- - vitesse déterminée : c’est le mouvement uniformément accéléré de tous les corps qui tombent. Or, si pendant un sixième de seconde par exemple, tandis que notre corps partant du repos ne tombe que de om,i3, nos jambes, en se fléchissant, se raccourcissent de ora,3o ; il existerai la fin de cet instant un intervalle de om, i 7 entre les pieds et le sol, et le dynamomètre ne subira aucune pression. Ainsi, dans la courbe C, 1 exprime le poids du corps; 2 la diminution de pression produite par la flexion brusque des jambes ; 3 correspond au temps pendant lequel le dynamomètre est à zéro et le corps détaché du sol. Après cela, le corps continuant sa chute, les pieds rencontrent le dynamomètre qui, sous l’influence de la vitesse acquise, reçoit une pression positive 4» plus forte que celle qui tient à l’action de notre poids; 5 correspond au poids du corps.
  - » Pour cette flexion brusque des membres inférieurs, la contraction des muscles des jambes, prenant son point d’appui sur la masse du corps suspendue et tombant, doit produire une réaction qui accélère un peu la chute en élevant le centre de gravité, mais pas assez toutefois pour empêcher qu’il y ait séparation complète des pieds d’avec le sol et cessation complète de l’action de notre poids sur le dynamomètre.
  - » La courbe D représente les deux sortes de réactions entièrement opposées que l’on observe suivant qu’on élève les bras ou qu’on les abaisse.
  - » Le n° 1 correspond au poids du corps; 2 aux effets d’une brusque élévation du bras. La première réaction est positive; une variation inverse due aux effets de la vitesse acquise vient ensuite et l’on voit souvent une série d’oscillations alternatives se produire avec des intensités décroissantes jusqu’à extinction du mouvement.
  - » Le n° 3 exprime le mouvement inverse : on a commencé par un abaissement du bras : aussi la première indication du dynamomètre est-elle négative; elle est suivie, comme ci-dessus, par une série d’oscillations alternatives de sens inverse.
  - » Ces déplacements partiels n’exercent pas sur la pression des pieds contre le sol une influence aussi grande que les déplacements de totalité de la masse du corps. Toutefois, lorsqu’ils sont très brusques, les mouvements des bras ont des réactions assez fortes pour augmenter beaucoup ou atténuer notablement, suivant leur sens, les effets de la pesanteur. On trouve une application directe de ces notions quand on analyse le mécanisme du saut et de la course, dans lesquels les mouvements des bras concourent avec l’action des jambes pour en accroître l’effet.
  - » Les photographies instantanées nous montrent que, dans le saut (fig. 2),
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- - au moment où le pied quitte le sol, les bras ont fini leur mouvement d’élévation et s’arrêtent dans l’attitude horizontale (4e image). A ce moment, la vitesse acquise des bras agit contrairement à l’action de la pesanteur, et son effet s’ajoute à la vitesse imprimée par la jambe à la masse du corps.
  - » Le nombre des images est trop faible dans celte figure pour faire saisir toutes les phases du mouvement des bras et pour montrer les relations de
  - Fig. 2.
  - Sauteur iranchissant un obstacle.
  - ces mouvements avec ceux des jambes. D’autre part, le temps nous a manqué pour faire faire un cliché d’une série de photographies dans lesquelles les images du sauteur sont réduites à des lignes correspondant aux rayons osseux de ses membres. Sur ces figures, le nombre des images est tellement grand qu’il exprime pour ainsi dire toutes les phases successives du mouvement de chaque partie du corps (*). Elles montrent que, dans le saut, l’élévation des bras cesse au moment précis où les pieds se détachent du sol.
  - » En combinant les indications du dynamomètre avec celles que donne la photographie instantanée, on arrive à comparer sans cesse les forces qui agissent et les mouvements qui en résultent. Cette comparaison jette une vive lumière sur le mécanisme de la locomotion.
  - ( 1) Voir, pour l’explication de la méthode qui donne ces images, notre Note aux Comptes rendus (séance du 25 juin i883). La figuie que nous avons publiée dans cette Note ne représentait que les attitudes successives du membre inférieur droit. Pour donner au lecteur une idée de la multiplicité des documents que peut contenir une photographie de ce genre,
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- - » On voit, par exemple, que l’action impulsive produite par la contraction volontaire des muscles de nos jambes est renforcée lorsque, par une flexion brusque préalable, nous avons mis ces muscles dans un état violent de tension. La réaction élastique de nos muscles semble alors s’ajouter aux effets de leur contraction volontaire.
  - » Ainsi, lorsque nous nous tenons accroupis sur le dynamomètre et que, partant de cette attitude, nous sautons à terre par la setde contraction de nos muscles extenseurs des jambes, nousne pouvons sauter qu’à une faible distance. Le tracé dynamométrique 2 [courbe E) nous montre qu’après une réaction positive assez faible l’instrument retombe à zéro, quand notre corps quitte la tablette du dynamomètre.
  - » Si, au contraire, partant de l’attitude verticale, nous nous accroupissons brusquement pour nous élancer ensuite en étendant nos jambes, d’une part nous sautons beaucoup plus haut, comme le montrent les images photographiques, et d’autre part le dynamomètre accuse une réaction po*
  - nous reproduisons ici un exemple plus complet [fig. 3) : c’est la série des attitudes successives d’un homme qui court et dont chacune des images est réduite aux rayons osseux de ses
  - Fig. 3.
  - Altitudes succjssives d’un coureur dont les images sont réduites aux rayons osseux des membres.
  - membres supérieur et inferieur du côté droit. Un point correspond à la position de l’épaule, un autre point plus gros à la position de l’oreille. De cinq en cinq, les images sont formées par des traits plus larges et des points plus gros. Ces images, plus fortement marquées, servent de points de repère pour établir la coïncidence entre les attitudes du bras, de la tête et de la jambe qui correspondent à un même instant. On y lit aisément la trajectoire du pied, du genou, «lu coude, de l’épaule et de la tète avec les chemins parcourus par ces points à chaque 60e de seconde. On suit les phases de flexion et d’extension des membres supérieur et inféiienr; on mesure enfin Us accélérations et les ralentissements du mouvement de chacune des parties du corps à des instants successifs.
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  - sitive beaucoup plus forte et par conséquent une impulsion plus vigoureuse donnée à notre corps. La courbe F, obtenue dans ce second cas, montre d’abord 2, la réaction négative due à la flexion de nos jambes, mais la réaction positive 3 qui suit ce premier temps et qui coïncide avec la détente élastique de nos muscles extenseurs s’ajoute aux effets de la contraction volontaire qui existait seule dans la courbe E. En outre, la hauteur à laquelle s’élève la courbe dynamométrique est beaucoup plus haute que celle qui mesure l’effort de nos muscles quand ceux-ci n’ont pas été préalablement tendus par la flexion.
  - » On comprend ainsi pourquoi, lorsqu’on exécute deux sauts successifs sur place, le second saut est sensiblement plus haut que le premier. C’est qu’aux effets de la contraction de nos muscles, sensiblement égale dans les deux cas, s’ajoute, pour le second saut, l’effet de la tension élastique des muscles extenseurs sur lesquels nous rebondissons comme sur une sorte de tremplin. Une partie du travail dépensé dans le premier saut est emmagasiné, au moment de la chute, dans l’élasticité de nos muscles et restituée dans le second saut.
  - » Ces considérations s’appliquent également au mécanisme delà course et doivent faire supposer qu’à chaque pas de course, quand une des jambes légèrement fléchie retombe sur le sol et se fléchit davantage par la vitesse acquise dans la chute du corps, une partie du travail de chute sera restituée, lors de la prochaine extension de cette jambe, au commencement du pas suivant.
  - » L’espace nous manque pour analyser en détail les autres courbes de la fig. 1 ; il suffira d’indiquer les actes qui ont donné naissance à chacune d’elles. La courbe G est produite par un saut dans lequel on retombe sur les talons; la forte ascension 5 est produite au moment de la chute. II représente deux manières de tomber en sautant d’un lieu élevé sur le dynamomètre : la première courbe 1 est produite par une chute sur les talons; 2 exprime le poids du corps; la seconde courbe 1 est produite par une chute sur la pointe des pieds avec flexion graduelle de la jambe sur la cuisse, destinée à amortir le choc.
  - » Enfin les lignes inférieures du tableau représentent, réunies par une accolade, la courbe des pressions qui s’exercent tangentiellement au plan du terrain et celle des pressions perpendiculaires à ce plan. En I, la courbe inférieure, pareille à celle de F, est la pression sur le sol dans un saut en longueur exécuté de pied ferme, c’est-à-dire sans élan préalable; la ligne supérieure montre la composante horizontale positive qui se produit dans
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- - I lO )
  - ce saut, au moment du coup de jarrets. En K les mêmes actes se produisent, mais le saut a été plus long; aussi la composante horizontale est-elle plus grande : elle se traduit par une courbe plus élevée. L correspond à un saut en hauteur précédé d’une course, M à un saut en longueur également précédé d’une course.
  - » Nous bornons ici cette Note, qui n’avait pour objet que de montrer le parti que l’on peut tirer de l’emploi combiné de deux méthodes dont l’une donne les phases du mouvement et l’autre les phases de la force par laquelle ce mouvement est produit. Les applications de ces deux méthodes combinées trouveront leur place dans les expériences que nous nous proposons de faire sur les différents modes de la locomotion animale. »
  - GAUTHIER—VILLARS, IMPRIMEUR-LIBRAIRE DES COMPTES RENDUS DES SÉANCES DE L'ACADÉMIE DES SCIENCES.
  - 926/| Paris. — Quai des Augustins, 55.
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