Ficha de revisão: Introduction à la biomécanique et rhéologie

📋 Plan du Cours

1. Forces intérieures et contraintes
2. Déformations et loi de Hooke
3. Comportement linéaire et non linéaire
4. Propriétés des matériaux
5. Rupture et matériaux ductiles
6. Module de Coulomb et poutres composites
7. Translation, rotation et centre de rotation
8. Degrés de liberté et axe hélicoïdal
9. Roulement, glissement et articulations
10. Mécanotransduction et cytosquelette
11. Écoulement sanguin et rhéologie
12. Rigidité artérielle et impédancemétrie

📖 1. Forces intérieures et contraintes

🔑 Notions clés & Définitions

• Forces intérieures : Les forces intérieures sont des forces de liaison internes qui apparaissent quand un corps est sollicité par des forces extérieures.
• Contrainte : La contrainte est une force intérieure rapportée à une surface, utilisée pour caractériser l’intensité de la sollicitation dans le matériau.
• Phase élastique : La phase élastique correspond à des sollicitations faibles où les déformations s’annulent totalement après suppression de la contrainte.
• Phase plastique : La phase plastique correspond à des sollicitations plus fortes qui laissent une partie des déformations persistantes après suppression de la contrainte.
• Rupture : La rupture correspond à des sollicitations trop importantes qui entraînent décohésion du matériau et perte d’intégrité.

📝 Points essentiels

• Une force appliquée peut provoquer soit le mouvement global du corps, soit une déformation interne des composants jusqu’à rompre selon le matériau.
• La contrainte s’exprime par $\sigma=\dfrac{F}{S}$ avec $S$ la surface sur laquelle s’exerce la force intérieure.
• Les formes élémentaires de contraintes sont la traction, la compression et le cisaillement, auxquelles s’ajoutent torsion et flexion comme combinaisons.
• En traction, l’allongement suit $\Delta l>0$ et la déformation vaut $\varepsilon=\dfrac{\Delta l}{l}$, ce qui la rend sans unité.
• Les contraintes ne se mesurent pas directement dans les solides, mais se calculent via la déformation ou par des éléments finis.
• Tout solide est déformable et traverse des phases élastique, plastique puis rupture, dont l’étendue dépend du matériau et des conditions ambiantes.

💡 Astuce mémo

Élastique = retour à 0, Plastique = reste une trace, Rupture = casse net.

📖 2. Déformations et loi de Hooke

🔑 Notions clés & Définitions

• Déformation élastique : La déformation élastique est une déformation réversible, liée à un comportement linéaire où la réponse disparaît quand on retire la contrainte.
• Diagramme contrainte-déformation : Le diagramme contrainte-déformation est une courbe qui relie la contrainte σ à la déformation ε et met en évidence des zones comme la proportionnalité puis l’élasticité et la rupture.
• Module de Young : Le module de Young E est le paramètre du comportement linéaire qui relie la contrainte normale σ à la déformation ε.
• Loi de Hooke : La loi de Hooke décrit la proportionnalité entre contrainte et déformation dans le domaine des déformations élastiques linéaires.

📝 Points essentiels

• Le module de Young E correspond à la pente du diagramme contrainte-déformation, soit $E=\Delta\sigma/\Delta\varepsilon$ dans la zone de proportionnalité.
• La déformation sans unité vaut $\varepsilon=\Delta l/l$, et elle dépend de la longueur initiale $l$.
• Dans le domaine élastique linéaire, la loi de Hooke s’écrit $\sigma=E\varepsilon$.
• La loi de Hooke ne s’applique qu’aux déformations linéaires, c’est-à-dire uniquement dans le domaine élastique.

💡 Astuce mémo

Hooke = pente : $\sigma \uparrow$ suit $\varepsilon$ via $E$ (dans la zone proportionnelle).

📖 3. Comportement linéaire et non linéaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Comportement linéaire : Le comportement linéaire correspond à une relation proportionnelle entre contrainte et déformation dans une zone élastique, avec une pente constante sur le diagramme contrainte-déformation.
• Zone de proportionnalité : La zone de proportionnalité est l’intervalle où la contrainte croît de façon proportionnelle à la déformation avant d’atteindre la limite de proportionnalité.
• Zone de transition : La zone de transition est la partie du chargement où le tissu quitte le comportement facile de faible mise en contrainte avant de devenir quasi linéaire.
• Comportement non linéaire : Le comportement non linéaire décrit une évolution non proportionnelle contrainte-déformation, typique des matériaux biologiques, avec une réponse qui se rigidifie pendant l’étirement.

📝 Points essentiels

• Le diagramme contrainte-déformation présente une zone de proportionnalité jusqu’à la limite indiquée par A, où la pente Δσ/Δε reste constante.
• La loi de Hooke ne s’applique que dans le domaine des déformations linéaires, sous condition de rester dans la zone élastique proportionnelle.
• Pour un matériau biologique, la mise en traction suit une zone de transition entre A et B puis un comportement quasi linéaire entre B et C.
• Entre A et B, la force nécessaire augmente progressivement pour obtenir le même allongement, ce qui correspond à l’apparition d’un non-linéaire.
• La surface sous la courbe contrainte-déformation représente l’énergie absorbée lors de l’étirement jusqu’au point de rupture C.

💡 Astuce mémo

Linéaire = pente fixe (jusqu’à A, Hooke), Non linéaire = tissu qui “se raidit” (A→B) puis quasi-linéaire (B→C).

📖 4. Propriétés des matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Viscoélasticité : La viscoélasticité décrit un comportement où la réponse mécanique dépend à la fois de l’intensité de la contrainte et de sa durée, avec une composante élastique et une composante visqueuse.
• Fluage : Le fluage correspond à l’augmentation progressive de la déformation lorsqu’un matériau est maintenu sous une contrainte constante jusqu’à une valeur de stabilisation.
• Relaxation : La relaxation est le phénomène où, à longueur constante, la contrainte nécessaire diminue au cours du temps.
• Modules dynamiques : Les modules dynamiques $G^*$ quantifient la part élastique et la part visqueuse en réponse à une sollicitation harmonique de fréquence donnée.
• Nombre de Deborah : Le nombre de Deborah $De$ caractérise le régime viscoélastique d’un matériau en comparant un temps de relaxation à une durée caractéristique de sollicitation.

📝 Points essentiels

• Dans un comportement viscoélastique, la durée de la contrainte devient un paramètre d’interprétation de la réponse mécanique.
• Le modèle de Kelvin est représenté en parallèle tandis que le modèle de Maxwell est représenté en série.
• Le module dynamique $G^*$ comporte deux composantes : $G'$ (stockage élastique) et $G''$ (perte visqueuse).
• Lors d’un fluage à traction constante, la déformation augmente progressivement puis se stabilise à une valeur.
• Lors d’une relaxation à allongement constant, la contrainte nécessaire diminue avec le temps.
• À durée identique de sollicitation, un étirement plus lent donne en général un allongement plus important et une vitesse plus faible implique une force d’installation plus élevée.

💡 Astuce mémo

Maxwell en série = réponse “élastique + viscuse” visible à la fois quand on applique une contrainte (série = mélanger l’élasticité et la viscosité).

📖 5. Rupture et matériaux ductiles

📖 6. Module de Coulomb et poutres composites

🔑 Notions clés & Définitions

• Tenségrité : Un système de tenségrité est un montage en auto-équilibre stable où des composants en compression restent au sein de composants continus en traction.
• Autocontrainte : L’autocontrainte désigne un état mécanique où la rigidité et l’équilibre du système existent indépendamment d’une action extérieure.
• Système réticulé spatial : Un système réticulé spatial est une structure à treillis dont les éléments ne travaillent que dans un état de sollicitation simple, traction ou compression.
• Simplex équilibre élémentaire : Le simplex, ou équilibre élémentaire, correspond au plus petit module de tenségrité dont la forme et l’organisation servent de base identique pour la structure.
• Matériau à rigidité unilatérale : Un matériau à rigidité unilatérale n’offre de rigidité que dans une sollicitation, ce qui s’accorde au rôle traction ou compression des éléments du système.

📝 Points essentiels

• Dans un système autocontraint en tenségrité, les câbles ne travaillent qu’en traction et les barres uniquement en compression.
• Dans un ballon en tenségrité, l’air forme des îlots en compression isolés de l’extérieur tandis que la membrane travaille en tension.
• Chaque nœud d’un réticulé spatial reçoit au moins une barre et trois câbles.
• La structure de base est décrite comme un module de trois barres et neuf câbles, breveté par Hemmerich, Buckminster Fuller et Snelson entre 1959 et 1965.
• L’auto-équilibre du système est basé sur la traction, contrairement à des constructions classiques où la stabilité vient plutôt de la compression.
• Les tensions et compressions s’appliquent aux composants selon leur rigidité : les câbles (traction) acceptent l’extension et les barres (compression) acceptent l’écrasement.

💡 Astuce mémo

Îlots de compression dans l’océan de tension : barres en compression, câbles en traction, et l’équilibre vient de la traction.

📖 7. Translation, rotation et centre de rotation

📖 8. Degrés de liberté et axe hélicoïdal

📖 9. Roulement, glissement et articulations

📖 10. Mécanotransduction et cytosquelette

🔑 Notions clés & Définitions

• Mécanotransduction : La mécanotransduction est la conversion des contraintes mécaniques en signaux cellulaires qui orientent des réponses biologiques.
• Cytosquelette intracellulaire : Le cytosquelette intracellulaire est le réseau interne qui relie l’architecture des cellules aux forces, en contrôlant la répartition des tensions locales.
• Matrice extracellulaire MEC : La matrice extracellulaire est un milieu structural remodelé au développement et en maladie, qui impose une part majeure des tensions tissulaires.
• Réticulation LOX : La réticulation enzymatique par la Lysyl oxydase (LOX) modifie la structure de la MEC à partir de filaments de collagène matures.
• Microenvironnement tumoral : Le microenvironnement tumoral correspond aux cellules et au contexte mécanique/chimique autour d’une cellule cancéreuse, qui guide son comportement.

📝 Points essentiels

• La répartition des forces dans un tissu et donc les sites de mécanotransduction dépendent de la forme, de la position, de la connectivité cellulaire et de l’organisation du cytosquelette intracellulaire.
• Le remodelage de la MEC change les modes de tension pouvant persister pendant des durées très longues (heures, mois voire plus), par exemple dans le tissu cicatriciel.
• La réticulation enzymatique LOX de la MEC est particulièrement stable, pouvant persister pendant des décennies, tandis qu’en maladie l’augmentation de l’activité LOX contribue à rigidifier les tissus et à prolonger la mécanotransduction.
• En contrôle théorique, des tractions entraînant une régression de la MEC favorisent un mésenchyme et une invagination épithéliale, alors que la division sans étirement du mésenchyme mène vers un carcinome.
• Dans les organisations 3D d’acini, la rigidité du substrat influence la structure obtenue, et le comportement des cellules dépend de leur microenvironnement plutôt que d’être déterminé automatiquement par leur seule nature cancéreuse.

💡 Astuce mémo

MEC = Mémoire (longue) : LOX réticule et “stocke” la rigidité, donc la mécanotransduction dure.

📖 11. Écoulement sanguin et rhéologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Sang non newtonien : Le sang présente une viscosité qui dépend du régime d’écoulement, donc de la vitesse de cisaillement, plutôt que d’être constante comme pour un fluide newtonien.
• Hématocrite : L’hématocrite est la fraction volumique des globules rouges dans le sang, avec une valeur normale proche de 0,45.
• Rhéofluidification : La rhéofluidification décrit la baisse de viscosité lorsque le cisaillement augmente, ce qui réduit la résistance à l’écoulement.
• Réseaux de rouleaux : À faible cisaillement, les globules rouges s’agrègent en structures de rouleaux qui augmentent la viscosité et rendent le sang viscoélastique.
• Nombre de Reynolds : Le nombre de Reynolds caractérise le régime d’écoulement et permet de distinguer, par ordre croissant, des écoulements laminaire, transitoire puis turbulent.

📝 Points essentiels

• La viscosité du sang diminue quand le gradient de vitesse Δv/Δx augmente, ce qui correspond à une rhéofluidification.
• Le sang devient viscoélastique à faible vitesse de cisaillement car les globules rouges forment des réseaux de rouleaux qui ne sont pas totalement dissociés.
• Le sang est élastothixotrope à vitesse de cisaillement élevée car les globules rouges sont dispersés, s’orientent et se déforment.
• Le sang est newtonien à vitesse de cisaillement modérée quand les rouleaux sont entièrement dissociés et les globules rouges s’orientent dans le sens d’écoulement.
• À Δv/Δx = 10^2 s^-1, une hématocrite à 70% peut multiplier la viscosité par 2 et favoriser des ralentissements et des thromboses vasculaires.
• Pour l’écoulement dans un conduit, Re < 2000 donne un régime laminaire, 2000 < Re < 3000 un régime transitoire, et Re > 3000 un régime turbulent.

💡 Astuce mémo

Re et rhéo: Re pilote le régime (laminaire→turbulent) et la rhéologie pilote la viscosité (cisaillement ↑ ⇒ viscosité ↓).

📖 12. Rigidité artérielle et impédancemétrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Rigidité artérielle : La rigidité artérielle regroupe des facteurs qui augmentent avec la hausse de la pression pulsée, la baisse de distensibilité et certains changements géométriques de l’artère.
• Distensibilité artérielle : La distensibilité correspond à la variation de diamètre entre systole et diastole, liée aux propriétés élastiques de la paroi et non directement à la pression interne.
• Vitesse de l’onde de pouls VOP : La vitesse de l’onde de pouls mesure la vitesse de propagation d’une onde mécanique le long des artères et sert d’indice de rigidité de la paroi.
• Index d’augmentation Aix : L’index d’augmentation quantifie l’effet des ondes réfléchies sur la forme du signal de pression et sert d’indicateur d’une rigidité artérielle, surtout périphérique.
• Impédancemétrie bioélectrique : L’impédancemétrie évalue la rigidité aortique à partir de variations d’impédance liées à la propagation du sang dans les grosses artères.

📝 Points essentiels

• La rigidité augmente lorsque la pression pulsée augmente et lorsque la paroi perd en distensibilité, et elle croît aussi si le rayon diminue et si l’EIM augmente.
• La tonométrie d’aplanation estime la rigidité via la VOP, avec une VOP > 12 m/s considérée comme pathologique dans les recommandations ESH de 2006.
• L’index d’augmentation Aix est calculé comme le rapport entre l’amplitude de l’onde de réflexion et l’amplitude de la pression pulsée, et une forte valeur d’Aix correspond à plus de rigidité.
• L’impédancemétrie mesure une vitesse d’onde d’impédance VOI entre thorax et cuisse à partir du temps de transit ΔτAB et d’une distance dAB, avec VOI = dAB/ΔτAB.
• La VOI entre thorax et cuisse peut être assimilée à la VOP carotide–fémorale, et la méthode est décrite comme moins dépendante de l’opérateur car assistée par ordinateur.

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
2017-2018	Année de référence du cours (COE FI – Bases biomécaniques)
1959 et 1965	Brevets de la structure de base du module de trois barres et neuf câbles (Hemmerich, Buckminster Fuller, Snelson)
2006	Recommandations ESH : VOP > 12 m/s considérée comme pathologique
2012	Projet « Cloud » (Londres J.O 2012)

📊 Tableaux de synthèse

Phases de déformation et comportement

Zone	Réversibilité	Conséquence sur la forme/arrêt
Élastique	Déformation réversible	Au retrait de la contrainte, la déformation revient à 0 (retour à l’état initial)
Plastique	Déformation irréversible	Une partie de la déformation persiste après suppression de la contrainte
Rupture	Perte d’intégrité	Décohésion/damage du matériau et perte d’intégrité

Régimes d’écoulement (Re) et ordre de grandeur

Nombre de Reynolds Re	Régime	Caractéristique
Re < 2000	Laminaire	Écoulement laminaire
2000 < Re < 3000	Transitoire	Écoulement transitoire
Re > 3000	Turbulent	Écoulement turbulent

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre contrainte (force par unité de surface, σ=F/S) et déformation (rapport de longueurs, sans unité).
2. Croire que la loi de Hooke s’applique à tout le chargement alors qu’elle ne vaut que dans le domaine de déformations élastiques linéaires (zone de proportionnalité/élasticité).
3. Interpréter l’hystérésis comme une “simple” énergie perdue sans distinguer hystérésis (décalage courbe de retour) et rémanence (déformation résiduelle irréversible).
4. Mélanger rhéofluidification (viscosité diminue quand le cisaillement augmente) avec newtonianité : le sang peut passer par des régimes (rouleaux→newtonien).
5. Assimiler directement VOP à une mesure locale : la tonométrie d’aplanation donne une rigidité régionale (trajet carotide–fémorale), pas une rigidité de l’aorte “point par point”.
6. Confondre roulement et glissement : ce sont tous deux des rotations, et le centre de rotation se situe en contact (roulement) ou près du point de contact selon le cas (glissement).

✅ Checklist Examen

1. Savoir définir forces intérieures et relier phases élastique/plastique/rupture aux réponses après suppression de la contrainte.
2. Savoir exprimer la contrainte σ=F/S, citer ses formes élémentaires (traction, compression, cisaillement) et comprendre que la contrainte se calcule indirectement via la déformation.
3. Savoir définir la déformation ε=Δl/l (sans unité) et expliquer l’influence de la longueur initiale sur l’allongement pour une même sollicitation.
4. Savoir lire un diagramme contrainte-déformation : zones A/B/C, interpréter pente Δσ/Δε comme module (module de Young) et relier la surface sous la courbe à l’énergie absorbée.
5. Savoir distinguer comportement linéaire vs non linéaire : zone de transition (A→B) et quasi-linéaire (B→C) pour un matériau biologique.
6. Savoir définir viscoélasticité, fluage (traction constante→déformation croît puis se stabilise) et relaxation (allongement constant→contrainte décroît).
7. Savoir décrire les modèles Kelvin (parallèle) et Maxwell (série) ainsi que la décomposition du module dynamique G* en G’ (stockage) et G’’ (perte).
8. Savoir relier mécanotransduction à la conversion des contraintes mécaniques en signaux cellulaires, et citer le rôle de la MEC/LOX et de la rigidité du microenvironnement tumoral.
9. Savoir décrire la rhéologie du sang : non-newtonien, rhéofluidification, réseaux de rouleaux à faible cisaillement, sang élastothixotrope à cisaillement élevé, newtonien à cisaillement modéré.
10. Savoir utiliser les repères d’écoulement : Re et ses intervalles pour laminaire/transitoire/turbulent, et comprendre le rôle de l’hématocrite (polyglobulie→augmentation de viscosité et thromboses).
11. Savoir définir distensibilité vs rigidité artérielle, utiliser VOP comme indice de rigidité, et donner le seuil ESH 2006 (VOP > 12 m/s pathologique).
12. Savoir définir Aix (rapport amplitude onde de réflexion / amplitude pression pulsée), et impédancemétrie : VOI = dAB/ΔτAB et assimilation VOI thorax–cuisse à la VOP carotide–fémorale.