E2 Système élastique intégré

Topique

Chez les mammifères, les tendons des membres et de la colonne vertébrale accumulent et restituent l'énergie élastique. Parmi les tendons des membres figurent le tendon d'Achille chez les quadrupèdes et les humains, le tendon fléchisseur profond des doigts chez les équidés et les tendons proximaux chez les kangourous : tous stockent de l'énergie potentielle élastique pendant la phase d'appui de la marche et la libèrent pendant la phase de propulsion qui suit, réduisant ainsi le coût métabolique de la locomotion.

Chez les félins, la colonne vertébrale remplit également ce rôle d'accumulateur et de restituateur d'énergie élastique : elle agit comme un ressort qui se fléchit et s'étend à chaque foulée, augmentant ainsi l'amplitude du pas au-delà de ce que permettraient les seuls membres et stockant de l'énergie élastique supplémentaire pendant le galop, énergie qu'elle restitue à l'animal lors de la phase suivante du cycle.

Le comportement mécanique de ces tendons est viscoélastique et non linéaire : la courbe reliant la force à laquelle le tendon résiste à son allongement présente un segment initial de faible rigidité, où les fibres de collagène, encore non étirées, se tendent progressivement. Ce n’est qu’une fois tendues que le tendon entre dans un segment linéaire de rigidité accrue. Cette rigidité, une fois ce segment linéaire atteint, constitue le paramètre mécanique central qui détermine la quantité d’énergie élastique que le tendon peut emmagasiner et restituer à chaque cycle de charge.

L’énergie élastique emmagasinée par le tendon lors de la charge n’est pas intégralement restituée lors de la propulsion : à chaque cycle, une fraction de cette énergie est dissipée sous forme de chaleur, un phénomène appelé hystérésis. Dans un tendon sain, cette perte par cycle est faible, de l’ordre de quatre à dix pour cent de l’énergie emmagasinée.

La rigidité du tendon, ainsi que la masse corporelle qu’il supporte, définissent une fréquence propre pour le système masse-ressort qu’ils forment : plus le tendon est rigide et plus la masse qu’il doit déplacer est faible, plus cette fréquence propre est élevée. Cette fréquence naturelle détermine la cadence de course à laquelle l'animal dépense le moins d'énergie, car courir à une fréquence proche de celle-ci permet un échange d'énergie élastique optimal entre le tendon et le corps.

Les mammifères dont les tendons sont spécialisés dans le stockage de l'énergie élastique – kangourous, gazelles, guépards – présentent, pour leur taille, une rigidité tendineuse et une efficacité de récupération d'énergie particulièrement élevées. Cette combinaison d'une grande rigidité et de faibles pertes par hystérésis leur permet, à chaque foulée, d'économiser plus de la moitié de l'énergie qu'ils dépenseraient sans la contribution de leurs tendons et de leur colonne vertébrale en tant qu'accumulateurs et restaurateurs d'énergie élastique.

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