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Un chat traverse un parcours d'obstacles lors d'un aperçu de la presse pour l'événement Meet the Breeds le 13 octobre 2010 à New York.
Un chat traverse un parcours d'obstacles lors d'un aperçu de la presse pour l'événement Meet the Breeds le 13 octobre 2010 à New York.
©MARIO TAMA / GETTY IMAGES NORTH AMERICA / Getty Images via AFP

Morphologie

Voilà pourquoi le meilleur champion olympique de 100 mètres ne courra jamais plus vite que votre chat

Malgré les qualités et les prouesses des athlètes aux JO, le règne animal nous dépasse en termes de vitesse et d’accélération en course. Un groupe de scientifiques, dirigé par Michael Günther de l'Université de Stuttgart, a entrepris de déterminer les lois de la nature qui régissent les vitesses de course maximales dans le règne animal. Ils ont notamment étudié la taille, la longueur des pattes, la densité musculaire pour découvrir quels éléments du corps sont les plus importants pour optimiser la vitesse.

Michael Günther

Michael Günther

Michael Günther est spécialiste en Biophysique computationnelle et biorobotique à l’Institut de modélisation et de simulation des systèmes biomécaniques, à l’Université de Stuttgart.

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Atlantico : Vous avez examiné dans une étude les éléments les plus importants dans un corps pour optimiser la vitesse. Quels sont-ils ?

Michael Günther : Le facteur le plus fondamental, en moyenne au-delà de nombreuses échelles de taille, et déterminant pour la vitesse de course maximale est la masse corporelle. Mais plusieurs autres caractéristiques ont un impact. Cela a permis à l'évolution de laisser la vitesse maximale varier chez certains animaux de près d'un ordre de grandeur (c'est-à-dire jusqu'à dix ou un dixième de la vitesse) autour de ce que la masse corporelle préfère sur la "voie principale" de l'échelle de vitesse maximale de course des petits aux grands animaux. Nous avons appelé cette "voie principale" ou "route principale" l'"allométrie de la vitesse des pattes", le terme "allométrie" signifiant simplement qu'un paramètre ou une variable mesurable (comme, par exemple, la vitesse de course maximale) est examiné dans son évolution en fonction de la taille du corps.

Dans notre article, nous avons abordé dans la section 5.1 les caractéristiques de conception (paramètres) les plus importantes déterminant la vitesse au-delà de la taille du corps. Nous l'avons fait de manière un peu plus détaillée pour les chats, avec notamment dans ce cas-là, un chat de 100 kg (un "gros chat"). Un animal peut accélérer et obtenir de meilleures performances grâce à la nature en utilisant un ou plusieurs de ces facteurs les plus importants :

- la nature ou l’environnement peuvent rendre l'animal plus élancé, c'est-à-dire réduire la section transversale vue de face, face au vent de face, ce qui réduit la résistance à l'air.

- allonger les pattes ; par exemple, si vous comparez les humains aux chats, vous pouvez voir, ce qui est particulièrement frappant chez les guépards en train de courir, que les chats ont des pattes fonctionnellement plus longues ; ce que je veux dire, c'est que les chats déploient des mouvements prononcés de flexion (courbure) et d'extension (allongement) de la colonne vertébrale (ce que les humains ne peuvent pas faire en raison de leur conception verticale qui exige une colonne vertébrale relativement rigide dans leurs postures et mouvements quotidiens) ; souvenez-vous : mécaniquement, la distance entre le centre de masse et le point d'application de la force au sol est ce qui compte comme "jambe fonctionnelle", et plus le nombre d'articulations qui peuvent fléchir et s'étendre le long de cette distance est élevé, plus la "jambe fonctionnelle" est longue ; les articulations comparativement très rigides entre les vertèbres humaines ne peuvent pas s'étendre et ainsi effectuer un travail mécanique pour accélérer le centre de masse ; dans l'ensemble, des jambes plus longues permettent aux muscles de la jambe motrice de disposer d'un temps d'accélération plus long pour passer d'une position presque au repos à mi-parcours à une contraction à une vitesse aussi élevée que possible à l'approche du décollage de la jambe ; cela augmente la durée pendant laquelle une jambe peut effectuer un travail mécanique d'accélération (pour compenser toutes les pertes de friction comme la résistance à l'air).

- faire en sorte que les pattes aient un angle aussi plat que possible avec le sol (aussi parallèle au sol que possible) à proximité du décollage des pattes : cela optimise la transformation de l'extension des pattes (vitesse d'allongement) en mouvement du centre de masse (vitesse).

- l'utilisation d'un "équipement" comme des griffes pour augmenter la friction avec le sol : cela permet de déployer des angles plus plats de la force au sol (en particulier la composante de la force dans la direction de la course, c'est-à-dire à l'horizontale) ; là encore, il s'agit d'un moyen de maximiser le travail mécanique d'accélération.

- déployer des jambes aussi crochetées que possible (toujours : ce qui compte, c'est la proximité du décollage de la jambe) : plus une jambe est recroquevillée (voir les chats par rapport aux humains : les articulations des chats sont clairement plus anguleuses, à la fois dans la posture de tous les jours et au décollage de la jambe, que celles des humains qui sont plutôt tendues), plus le rapport entre la vitesse de contraction musculaire et la vitesse d'allongement de la jambe (et donc la vitesse de course) est bon.

- déployer des tendons plus longs : cela augmente la vitesse de contraction maximale des "muscles" eux-mêmes ; un muscle, au sens biomécanique du terme, est constitué non seulement des fibres musculaires, mais aussi des tendons en série avec les fibres (on parle plutôt de "complexe muscle-tendon")

- le déploiement de fibres à contraction plus rapide : c'est ce que recherche typiquement un entraîneur d'athlétisme lorsqu'il cherche des sprinters : l'"athlète à fibres blanches" ; cependant, cela ne sert à rien si les tendons ne sont pas assez longs, l'augmentation de l’élasticité des tendons (en les rendant particulièrement plus longs) est généralement plus importante ; même exprimé de manière un peu plus générale : toute élasticité (supplémentaire) en série avec les moteurs (fibres musculaires) contribue à l'accélération ; ainsi, toute prothèse (par ex. la tige) ou tout élastique (par ex. l'épine dorsale) peut contribuer à l'accélération. Ainsi, toute prothèse (par exemple, la tige) ou les chaussures élastiques (ou toute autre amélioration de l'élasticité de la jambe) "sont des atouts...

- de même, les fibres musculaires peuvent être plus longues ; cependant, leur masse augmente, ce qui peut avoir l'inconvénient que les temps caractéristiques pour accélérer un muscle à partir du repos (à mi-parcours) augmentent également (le muscle devient plus inerte) ; et leur consommation d'énergie métabolique augmente avec leur volume ; sur la "voie principale de l'évolution", de toute façon, l'effet principal de l'augmentation de la vitesse avec la longueur provient exactement de l'augmentation de la longueur des fibres avec la longueur du corps (taille) ; mais ce n'est pas une caractéristique de réglage appropriée.

Quelle est la particularité de notre corps humain qui fait que même le meilleur sprinter est incapable de battre un chat domestique dans une course ?

Selon ce que j'ai énuméré ci-dessus, un humain n'a pas la moindre chance de courir contre un chat qui n'est même pas de sa taille principalement parce que les pattes des chats sont si particulières. Leurs pattes sont disposées plus à plat par rapport au sol, leurs épines dorsales flexibles sont essentiellement parallèles au sol (et peuvent donc être déployées comme des extenseurs de pattes fonctionnels dans la direction horizontale ; ce n'est pas le cas chez les humains, leur tronc lourd et comparativement rigide doit toujours être assez droit) ; de plus, les principaux muscles (fonctionnels) des pattes des chats, qui font le travail d'accélération, sont attachés plus près du tronc, et relativement plus légers (chez les humains : les muscles du mollet sont relativement lourds près du pied/du sol), ce qui, associé à un plus grand nombre de tendons déployés et à une patte fonctionnellement allongée, permet de tirer parti des pattes fonctionnellement longues : les muscles sont moins inertes (ils peuvent s'accélérer plus rapidement) et peuvent s'élancer plus longtemps pour atteindre des vitesses de contraction maximales plus élevées (le travail des tendons) pendant la durée limitée (mais relativement longue chez les chats par rapport aux humains) du contact avec le sol.

Compte tenu de nos limites, quelle est la vitesse maximale que nous pourrions atteindre ?

C'est une question longuement débattue. Je dois admettre que notre modèle publié dans l'article n'est certainement pas assez complexe pour prendre en compte tous les facteurs limitatifs essentiels (par exemple, les forces internes du corps sur les structures anatomiques). Les humains modernes ont déjà optimisé leur méthodologie d'exercice (d'entraînement), sûrement depuis un siècle environ. Et un grand nombre de sportifs talentueux (particulièrement sélectionnés) ont essayé de nombreuses façons depuis lors pour optimiser la vitesse maximale du sprint. Le pourcentage restant (apparemment très faible) du potentiel d'optimisation de la vitesse maximale (chez les humains naturellement évolués sans réglage mécanique comme l'élasticité) n'est très probablement pas couvert par nos 17 paramètres libres dans le modèle. Sur WIRED, j'ai regardé une vidéo (avec notamment le chercheur américain Peter Weyand, que nous avons également cité dans notre article) dans laquelle on aborde exactement votre question. Des articles sur les sciences du sport traitent également de cette question. En tant que biomécanicien animalier, je ne suis pas bien informé en matière de sciences du sport. Les réponses de Weyand qui y sont données sont à peu près ceci (donc ce n'est pas ce que je peux déduire de notre modèle) : un temps de 9,40s pour le 100m masculin peut sembler possible un jour quelque part. Il y est également dit que 9,00 semble impossible, et je pense que c'est exact. Cependant, si, dans un futur lointain, des humains sont élevés avec des jambes disproportionnées, des troncs très courts, des tendons plus longs, une sollicitation maximale des fibres musculaires améliorée chimiquement/génétiquement (c'est-à-dire plus de force par surface de section musculaire), et qu'ils courent dans une disposition des articulations des jambes principales plus "assise" (ce qui nécessite une sollicitation musculaire beaucoup plus importante), alors 9,00 ou moins pourrait être possible. Mieux vaut dire : des vitesses de vol (sans tenir compte des accélérations par rapport au repos) de 14 m/s peuvent être possibles chez ces humains, par rapport aux 12,4 m/s atteints par Usain Bolt au maximum absolu. Ce n'est que ma spéculation.

Quel animal se rapprocherait le plus d'un être humain dans la façon de courir ?

Les oiseaux sont les coureurs à deux pattes les plus connus. Mais il ne faut pas croire que leur course ressemble à celle des humains : les oiseaux courent presque sans phase de vol, dans un mode que l'on peut qualifier de course "accroupie". Ils ont en effet des pattes nettement plus accroupies. Plus encore que chez le chat, les muscles de leurs pattes sont situés près de leur tronc : pour utiliser un terme anatomique, ils n'ont pas de muscles "distaux" de masse significative, comme les muscles du mollet chez l'homme, et des muscles de la cuisse (plus "proximaux") nettement moins prononcés, mais ils ont de très longs tendons. D'autres coureurs occasionnels à deux pattes (comme par exemple les lézards, même sur des surfaces aquatiques) ont une longue queue et une disposition des pattes complètement différente par rapport au tronc. Les grands singes ont des pattes très différentes (pattes accroupies), des pelvis différents, des épines différentes, des proportions de masse et de longueur différentes. Les sauteurs comme les kangourous ont à nouveau de très longs tendons, ils sautent pratiquement sur une seule jambe avec une longue queue lourde.

Je dirais que, dans le monde animal, le trot des rhinocéros est peut-être le plus similaire à la course des humains. Le trot ne permet pas de déployer le tronc (comme le galop), les rhinocéros ont sûrement des masses "distales" importantes dans les jambes, comme les humains, et le trot du rhinocéros devrait être similaire à la course humaine en ce qui concerne la durée des phases de vol, et c'est toujours une paire de jambes alternées qui est au sol (donc, deux jambes pour une chez l'humain). Il s'agira, comme chez l'homme, d'un mode de course à "masse élastique" avec une récupération significative de l'énergie stockée élastiquement dans les muscles et en particulier dans les tendons ; cependant, avec également une quantité significative d'énergie dissipée après le contact avec le sol, en raison d'une "oscillation" considérable des muscles des jambes après le toucher (et d'une "oscillation" des tissus mous du tronc). La valeur maximale de la vitesse de course maximale d'un rhinocéros que j'ai vue dans la littérature est de 40km/, soit 11,1m/s, ce qui n'est pas loin des sprinters humains masculins raisonnables. Cependant, je dois admettre que je n'ai pas encore vu d'analyses biomécaniques de rhinocéros courant. Par conséquent, mon "opinion" n'est basée que sur un regard sur la conception anatomique et les modes de course connus, une vue fonctionnelle globale. C'est donc mon "favori le plus proche des coureurs humains".

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