Dépensons-nous plus de joules si nous courons à plus grande vitesse ?

[shokin]

Salut à toutes et à tous,

Une personne pèse au total 80 kg (corps, vêtements, affaires personnelles, etc.). Elle parcourt un chemin plat de 30 km.

Dépense-t-elle plus, autant ou moins de joules en le parcourant au pas de course de 8 km/h ou en le courant à 4 km/h (ou en le marchant à 4 km/h) ?

Comment calculer cela ? quels facteurs interviennent ?

Même question pour un pente régulière (un segment) de 30 km à vol d'oiseau, 5.5 km de dénivellation donc 30.5 km (théorème de Pythagore) de parcours.

On néglige le vent et autres forces de frottement. C'est une personne décidée, qui sait quel parcours elle fait, sans hésitation. Elle a l'habitude autant de courir à 8 km/h que de marcher à 4 km/h. Elle n'a pas de problème respiratoire ou cardiaque.
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[invitec0b62935]

Si on néglige tous les frottements, la dépense énergétique ne dépend pas de la vitesse et elle ne dépend que du dénivelé. Pour un chemin plat, la dépense est d'ailleurs nulle.

Cependant, les frottements ne peuvent pas être négligés et c'est justement eux qui font toute la différence. Les frottements sont d'autant plus élevés que la vitesse est élevée et c'est pour cela qu'il faut dépenser plus à grande vitesse à trajet égal. En l'absence de frottement, on arrive d'ailleurs à toute une série d'aberration. Notamment, la vitesse que pourrait atteindre un humain à la course ne serait pas bornée et on pourrait parfaitement atteindre la vitesse de libération à pied !

[shokin]

Salut, Svenn,

J'avais déjà posé la question au niveau purement physique ici.

Maintenant, je la pose au niveau biologique. Que l'on n'hésite donc pas à me parler de muscles, de joules, de protéines, de glucides, d'enzymes etc.

[Amanuensis]

Si on néglige tous les frottements, on ne peut par marcher ou courir! Suffit d'essayer sur une patinoire pour réaliser à quel point cela fait intervenir les frottements.

Ensuite, rien que pour la station debout immobile nous consumons de l'énergie. C'est dû à l'aspect dynamique de l'équilibre, en particulier pour l'articulation de la cheville (qui est libre en rotation selon l'axe gauche-droite), le maintien de la colonne vertébrale, celui de la tête, et bien d'autres degrés de liberté de notre carcasse.

Et d'une certaine manière ce n'est pas dû à des frottements, mais à l'impossibilité pour un muscle de rester contracté dans une position fixe, et le rendement énergétique <100% de la contraction. Nous consumons de l'énergie juste à faire s'opposer des muscles antagonistes, méthode de base pour le maintien de l'équilibre. (Intéressant de constater le gainage de la partie supérieure du corps des coureurs de sprint modernes.)

Bref, faut surtout pas négliger les frottements, mais on peut (peut-être) négliger les pertes par frottement. Ce qui ne rend pas les pertes nulles, même en station debout immobile.

La marche et la course se sera pareil, une partie de l'énergie sera perdue pour l'équilibre, vraisemblablement moins (en relatif) pour la course que pour la marche.

Par ailleurs, même négliger les pertes par frottement est discutable. Dans le cas de la marche (au moins), le centre de masse a un léger mouvement d'oscillation dans le sens vertical, ce qui implique des pertes par frottements lors des poser de pied au sol, quelque part dans les déformations élastiques du corps qui vont "encaisser" le choc du pied sur le sol. Devrait y avoir moyen de trouver l'amplitude du mouvement, et donc la perte énergétique correspondante (si la fréquence est f et l'amplitude d, on dissipe nécessairement une puissance de fdgM). Pareil, le balancement des bras (lié là encore à la gestion de l'équilibre) est nécessairement une perte énergétique qu'on doit pouvoir modéliser.

[A voir en vidéo sur Futura]

[noir_ecaille]

Au contraire, ces mouvements de balancier récupèrent une partie de l'énergie.

D'une part les parties en mouvements s'équilibrent façon contrepoids, d'autre part l'énergie stockée par le balancier est utiliser pour contrer l'inertie. Les tendons servent beaucoup à stocker passivement cet énergie de mouvement puis à la redistribuer par élasticité.

La marche humaine fait d'ailleurs partie des modes de déplacement terrestres parmi les plus économes.


Concernant la course, il y a quand même un élément important à prendre en compte : la perte de contact avec le sol. Cela implique une dépense énergétique suffisante à chaque pas/bond pour soulever/propulser la masse corporelle.

D'ailleurs, pourquoi ces "bonds" ? Tout simplement pour parcourir une plus grande distance par foulée, malgré l'amplitude physique (longueur, rotation de travail) finie des membres impliqués (jambes/pattes). Deux avantages : moins de mouvements sur une même distance, moins de frottements aussi (puisque perte de contact passagère avec le sol).


Ce que je récite date un peu mais ça doit se trouver dans une BU ou une autre, à moins d'un PDF sur la Toile.

[Amanuensis]

Au contraire, ces mouvements de balancier récupèrent une partie de l'énergie.

Si vous le dites...

(D'un point de vue logique votre raisonnement est curieux. En gros vous dites "les balancements ne perdent pas d'énergie, puisqu'on peut imaginer une situation sans balancement où la perte d'énergie serait plus grande".

Je suis toujours un peu "surpris" par les réactions genre "Vous avez tort" suivi d'une explication qui parle en fait d'autre chose.)

[noir_ecaille]

Pardon ^^;

Je me suis focalisée sur :

La marche et la course se sera pareil, une partie de l'énergie sera perdue pour l'équilibre, vraisemblablement moins (en relatif) pour la course que pour la marche.

Par ailleurs, même négliger les pertes par frottement est discutable. Dans le cas de la marche (au moins), le centre de masse a un léger mouvement d'oscillation dans le sens vertical, ce qui implique des pertes par frottements lors des poser de pied au sol, quelque part dans les déformations élastiques du corps qui vont "encaisser" le choc du pied sur le sol. Devrait y avoir moyen de trouver l'amplitude du mouvement, et donc la perte énergétique correspondante (si la fréquence est f et l'amplitude d, on dissipe nécessairement une puissance de fdgM). Pareil, le balancement des bras (lié là encore à la gestion de l'équilibre) est nécessairement une perte énergétique qu'on doit pouvoir modéliser.

Il est complexe d'équilibrer le corps en mouvement, surtout sans appui immédiat au sol (= sustentation). Pour moi la course et la marche sont deux modes de progressions avec des contraintes différentes concernant l'équilibrage. À commencer par les points d'appui, et de fait les balanciers qui autorisent un contrôle restreint lors de l'impulsion au profit d'un rééquilibrage post-impulsion.

Puis tout frottement n'est pas perte d'énergie, puisqu'on peut/va "stocker" l'impulsion de mouvement à cette interface -- sinon on patinerait autant voire plus que sur une patinoire...

De même le mouvement des bras à vitesse de marche frotte peu avec l'air au regard de l'inertie (ou alors le baromètre fait une très sale tête -- pour rire un peu, sachant qu'on peut marcher sur la Lune, le frottement de l'air me semble négligeable en condition météo beau temps, surtout si la brise est caresse).

Je compare aussi avec d'autres animaux coureurs à balancier comme le kangourou et sa queue et même regarde d'autres systèmes de récupération d'énergie de mouvement comme la colonne vertébrale élastique du guépard, etc.

Je pense qu'une course sans balancier peut exister sans une (plus grande ?) perte d'énergie -- à condition d'avoir un mouvement parfaitement rectiligne. À vitesse élevée avec des instants de "sustentation", c'est difficile à réaliser dans le cas de la quadrupédie, ça ne me semble pas faisable dans le cas de la bipédie. En particulier lors des accélérations et décélération si j'imagine que les membres fournissent une puissance asymétrique (ou encore parce qu'on a tous un pied d'appel ?).


Je souhaite qu'on me dise où je me trompe, des fois que j'en apprenne plus par accident


Par contre il serait intéressant de trouver les chiffres réclamés par Shokin

[invite2313209787891133]

Bonjour

Ce n'est pas compliqué, l’énergie dépensée est directement proportionnelle à la fréquence cardiaque (une fois que la fréquence est stabilisée), jusqu'à ce que l'on atteigne la V02 max.
A ton avis est ce que ton cœur bas plus vite en marchant ou en courant ?

[shokin]

La gravité étant donnée, et à mettre dans l'éventuelle formule mathématique, tout ne s'annule pas, il me semble.

Y a-t-il eu déjà des modèles/formules mathématiques à ce sujet ?

[noir_ecaille]

Peut-être en regardant côté robotique, en particulier les prothèses et androïdes ? Ce serait étonnant qu'aucune étude ne comporte un volet sur la mécanique musculo-squelettique humaine.