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SEA 1ere année du 2e cycle du secondaire

Désarticulons nos articulations

Une introduction à la biomécanique

Dessins anatomiques de Léonard de Vinci

GUIDE DE ’ENSEIGNANT(E)

SEA 1ère année du 2e cycle du secondaire

Isabelle Arseneau

Mathieu Riopel

Désarticulons nos articulations: une introduction à la biomécanique

1. Aperçu

Année, cycle

1àre année du 2e cycle du secondaire

Discipline

Science et technologie

Thématique

Le système musculosquelettique et la biomécanique

But de l’activité

Concevoir un modèle d’articulation du corps permettant de reproduire un certain mouvement afin de mieux comprendre le fonctionnement du système musculosquelettique.

Résumé

Lors de cette activité, chaque équipe d’élèves doit concevoir, fabriquer et analyser un modèle simplifié d’articulation qui effectue un mouvement donné. Pour ce faire, les élèves devront mobiliser des connaissances à propos du système musculosquelettique et des systèmes de levier, tout en développant leur habileté à effectuer un schéma de principe et un schéma de construction. La mise en contexte de l’activité prend ancrage dans les travaux anatomiques de Léonard de Vinci, dont la contribution à l’étude de l’anatomie humaine est considérable.

Durée

Quatre périodes de 75 minutes

2. LIENS AVEC LA PROGRESSION DES APPRENTISSAGES :

L’Univers du vivant

· Tissus, organes et systèmes

· Tissus

Définir un tissu comme étant un ensemble de cellules, identiques ou non, qui concourent à une même fonction dans un organisme.

· Organes

Définir un organe comme étant une partie différenciée d’un organisme qui remplit une ou plusieurs fonctions spécifiques.

· Systèmes

Définir un système biologique comme étant un ensemble de cellules, de tissus ou d’organes qui effectuent une ou des fonctions communes.

· Système musculosquelettique

· Fonction des os, des articulations et des muscles

Nommer les principales parties du squelette (tête, thorax, colonne vertébrale, membres inférieurs et supérieurs) ; décrire les fonctions des principales parties du squelette (ex. : la colonne vertébrale protège la moelle épinière et permet des mouvements du tronc) ; expliquer le rôle du système musculosquelettique ; décrire le fonctionnement des paires de muscles antagonistes (ex. : biceps et triceps) ; décrire les fonctions des articulations (liaison des os entre eux et mobilité).

· Types de muscles

Associer les types de muscles (lisses, squelettiques, cardiaque) aux tissus dans lesquels on les trouve.

· Types de mouvements articulaires

Décrire des types de mouvements permis par les articulations (ex. : flexion, rotation).

L’Univers technologique

· Langage des lignes

· Standards et représentations

Choisir le type de schéma approprié à la représentation souhaitée (ex. : utiliser un schéma de construction pour représenter des solutions d’assemblage, un schéma de principes pour représenter le fonctionnement d’un objet) ; représenter les mouvements liés au fonctionnement d’un objet à l’aide des symboles appropriés (mouvement de translation rectiligne, de rotation, hélicoïdal).

· Échelles

Choisir une échelle d’utilisation simple pour réaliser un dessin.

2. Repères culturels

Chercher à mieux comprendre qui nous sommes est une quête presque aussi vieille que l’humanité. Les conceptions que nous avons eues du vivant et de l’humain à différentes époques ont souvent été le reflet des développements scientifiques qui avaient alors cours. Cette activité s’inspire des études anatomiques de Léonard de Vinci qui fut l’un des pionniers de ce domaine à la Renaissance. La section Mise en contexte du guide de l’élève contient quelques repères culturels qui permettent à l’élève de situer le contexte historique en lien avec l’activité. On lui demande d’ailleurs d’investiguer le fonctionnement du corps humain comme l’a fait Léonard de Vinci. Les ressources suivantes permettent d’obtenir plus d’informations à propos du contexte historique en lien avec cette activité.

· À propos de l’histoire et développement de la biomécanique

http://www.sci-sport.com/theorie/001-01.php

· Une application pour iPad à propos de l’œuvre anatomique de Léonard de Vinci

https://itunes.apple.com/gb/app/leonardo-da-vinci-anatomy/id520564038

· Léonard de Vinci et ses précurseurs, Les Cahiers de Science & Vie. No 34 – Août 1996.

On retrouve dans ce numéro des Cahiers de Science & Vie un dossier spécial à propos de Léonard de Vinci qui permet de bien situer ses travaux dans le contexte historique où ils furent réalisés.

· La fabuleuse histoire de la science – Épisode 5 : Quel est le secret de la vie

Une série sur l’histoire des sciences produite par la BBC.

3. Déroulement de l’activité

Période 1 : Lors de la première période, les élèves découvrent la situation en lisant la mise en contexte du guide de l’élève. L’enseignant(e) forme ensuite des équipes et remet les cartes précisant le mouvement pour lequel chaque équipe devra fabriquer un modèle anatomique (voir annexe 1). Les élèves prennent alors connaissance des consignes pour la conception d’un modèle articulaire et du cahier des charges. L’enseignant(e) peut intervenir à ce moment pour préciser le contexte historique et fournir quelques informations supplémentaires à propos du travail attendu.

Durant le reste de la période, les élèves débutent la recherche sur l’articulation et le mouvement à modéliser (partie A du guide de l’élève). Les nombreuses questions que l’on retrouve dans cette section permettent aux élèves de découvrir les informations essentielles à la fabrication du modèle de mouvement articulaire, tout en s’appropriant des connaissances liées au système musculosquelettique. Pour les aider, un atlas d’anatomie humaine, par exemple, peut être particulièrement utile à cette étape.

Période 2 : Les élèves poursuivent la recherche d’informations en lien avec la Partie A. Une fois cette partie terminée, ils devront réaliser leurs schémas de principe et de construction (parties B et C).

Période 3 : Les élèves fabriquent leur modèle (partie D) en utilisant le matériel disponible en classe, soit : de la ficelle, de la colle en bâton, des ciseaux, un couteau à lame rétractable, un ruban à mesurer, un poinçon et des attaches parisiennes. Au préalable, les élèves auront apporté en classe du carton assez rigide (ex. boîtes récupérées), mais qui se découpe avec des ciseaux ou un couteau à lame rétractable. Ils devront en prévoir suffisamment pour chacune de leurs pièces. Nous suggérons d’avoir en réserve quelques boîtes en classe.

Période 4 : Les élèves évaluent leur modèle anatomique (partie E) et produisent une affiche synthèse présentant les informations anatomiques essentielles en lien avec le modèle qu’ils auront fabriqué (Partie F). L’enseignant(e) pourrait ensuite demander aux élèves de présenter brièvement leurs réalisations au reste de la classe. On peut choisir d’opter pour une activité synthèse plus brève, selon le temps disponible. On pourrait, par exemple, poser seulement quelques questions d’intégration aux élèves.

L’enseignant(e) peut également animer une discussion en groupe afin de préciser certaines idées en lien avec l’activité. Les questions suivantes peuvent mener à des réflexions intéressantes :

· Plusieurs savants de l’époque de Léonard de Vinci voyaient l’être humain comme une machine très complexe. Que pensez-vous de cette idée ? Est-il juste de voir l’humain comme une machine ?

· La plupart des systèmes de leviers dans le corps humain possèdent un avantage mécanique très faible et donc un plus grand avantage cinématique. Pourquoi en est-il ainsi ? Cette réflexion est en lien avec la question 14 du guide de l’élève.

Annexe 1 – Suggestions de mouvements à modéliser

Le tableau de la page suivante offre une suggestion de mouvements articulaires qui pourraient être analysés et modélisés dans le cadre de cette activité. Cette liste n’est toutefois pas exhaustive et il serait possible d’y ajouter d’autres mouvements. Notons également que certains mouvements (donner un coup de pied et appuyer sur une pédale de voiture) sont plus complexes et demanderont probablement à l’enseignant(e) d’orienter davantage les élèves concernés. Cela dit, l’enseignant(e) pourrait choisir de faire travailler toutes les équipes sur le même mouvement.

Il est suggéré d’imprimer la page suivante et de découper chacune des cartes présentant les différents mouvements pour les donner à chaque équipe d’élèves.

Soulever un haltère avec l’avant-bras

Soulever une chaudière avec le bras

Lever la tête pour regarder vers le ciel

Appuyer sur une pédale de voiture

Faire un redressement assis

Crédit : Mohamed Houda

Soulever la jambe latéralement

Donner un coup de pied

Redresser son tronc après s’être penché

Annexe 2 – Recherche sur l’articulation et le mouvement à modéliser (corrigé)


1. L’avant-bras

2. Flexion

3. Plan sagittal

4. Le coude

5. Mobile

6. Os en mouvement : radius (os long), ulna (os long)

Os fixes : humérus (os long)

7. Muscle biceps brachial

8. Le biceps s’attache à environ 2 cm de l’articulation du coude et applique une force dirigée à peu près parallèlement à l’humérus.

9. Muscle triceps brachial

10. Extension

11. Le triceps s’attache à environ 1 cm de l’articulation du coude, mais du côté opposé au biceps, par rapport à l’humérus. Il exerce aussi une force dirigée à peu près parallèlement à l’humérus.

12. a) La force générée par le biceps; b) le poids de l’haltère; c) l’articulation du coude.

13. Inter puissant

14. Plus grand avantage cinématique


1. Le bras

2. Abduction

3. Plan frontal

4. L’épaule

5. Mobile

6. Os en mouvement : humérus (os long),

Os fixes : Omoplate (os plat)

7. Muscle deltoïde

8. Le muscle deltoïde s’attache sur l’humérus à environ 12 cm de l’articulation de l’épaule avec un angle d’environ 15° au-dessus de l’os.

9. Muscle grand dorsal

10. Adduction

11. Le grand dorsal s’attache sur l’humérus à 4 cm de l’articulation de l’épaule et applique une force dirigée approximativement vers le milieu du dos.

12. a) La force générée par le deltoïde; b) le poids de la chaudière; c) l’articulation de l’épaule.

13. Inter puissant



1. Tête

2. Extension

3. Plan sagittal

4. Les vertèbres cervicales

5. Semi-mobile

6. Os en mouvement : os du crâne (os plats et irréguliers)

Os fixes : Colonne vertébrale (os irréguliers)

7. Muscle trapèze

8. Le trapèze s’attache à la nuque à environ 5 cm de l’articulation que forment les vertèbres cervicales. Il applique une force vers le bas (parallèle au dos).

9. Muscle long de la tête

10. Flexion

11. Le muscle long de la tête s’insère à l’os du crâne (occipital) à environ 4 cm du point de pivot des vertèbres cervicales. Il génère une force dirigée à peu près vers le bas puisqu’il est relié aux 3e, 4e, 5e et 6e vertèbres cervicales.

12. a) La force générée par le muscle trapèze; b) le poids de la tête; c) l’articulation des vertèbres cervicales.

13. Inter appui

14. Plus grand avantage mécanique


1. Le pied

2. Extension

3. Plan sagittal

4. La cheville

5. Mobile

6. Os en mouvement : talus (os irrégulier) et autres os du pied

Os fixes : Tibia (os long), fibula (os long)

7. Muscles du mollet (triceps sural)

8. Le mollet s’attache à l’extrémité du talon par le tendon d’Achille à environ 4 cm de la cheville. Il applique une force parallèlement à la jambe.

9. Muscle tibial inférieur

10. Flexion

11. Les tendons du muscle tibial sont redirigés par des retinaculum, une structure fibreuse qui maintient les tendons contre les structures osseuses. Ces tendons s’attachent au pied à environ 12 cm de la cheville et appliquent une force à un angle d’environ 20° au-dessus du pied.

12. a) La force générée par le mollet; b) la force de poussée de la pédale; c) l’articulation de la cheville.

13. Inter appui



1. Le haut du corps (le tronc, la tête et les membres supérieurs)

2. Flexion

3. Plan sagittal

4. Les vertèbres lombaires

5. Semi-mobile

6. Os en mouvement : colonne vertébrale (os irréguliers)

Os fixes : sacrum (os irréguliers) et les os du bassin (os iliaque)

7. Muscles abdominaux

8. Les muscles abdominaux appliquent une force parallèle au tronc dont le bras de levier est d’environ 8 cm.

9. Muscles érecteurs du rachis

10. Extension

11. Les muscles érecteurs du rachis, situés dans le dos, appliquent une force parallèle au tronc dont le bras de levier est d’environ 5 cm.

12. a) La force générée par les abdominaux; b) le poids du haut du corps; c) l’articulation des vertèbres lombaires.

13. Inter puissant



1. La jambe

2. Abduction

3. Plan frontal

4. La hanche

5. Mobile

6. Os en mouvement : fémur (os long)

Os fixes : os iliaque (composé de l’ilium, du pubis et de l’ischium) (os plat)

7. Muscle moyen fessier

8. Le moyen fessier s’attache au grand trochanter du fémur se trouvant près de la hanche. Le bras de levier de la force exercée par ce muscle est d’environ 5 cm. La force qui agit sur le fémur est dirigée vers la surface glutéale de l’ilium (bassin), c’est-à-dire obliquement et vers le haut.

9. Muscle moyen adducteur et muscle grand adducteur.

10. Adduction

11. Les muscles adducteurs sont situés dans la partie interne de la cuisse (l’aine). On peut considérer qu’ils exercent une force qui s’applique au centre du fémur et qui se dirige vers le centre du bassin.

12. a) La force générée par le moyen fessier; b) le poids de la jambe; c) l’articulation de la hanche.

13. Inter puissant



1. La jambe

2. Extension

3. Plan sagittal

4. Le genou

5. Mobile

6. Os en mouvement : tibia (os long), fibula (os long)

Os fixes : fémur (os long)

7. Muscle quadriceps fémoral

8. La force générée par le muscle du quadriceps, situé sur la cuisse, est redirigée au niveau de la rotule par des tendons qui appliquent donc une force au niveau de la jambe sur le tibia, à environ 7 cm de l’articulation du genou à un angle de 45° par rapport au tibia.

9. Muscle ischio-jambier

10. Flexion

11. Le muscle ischio-jambier est situé sous la cuisse. Il s’attache à la jambe à environ 4 cm sous l’articulation du genou exerce une force parallèlement au fémur.

12. a) La force générée par le quadriceps; b) le poids de la jambe; c) l’articulation du genou.

13. Inter puissant



1. Le haut du corps (le tronc, la tête et les membres supérieurs)

2. Extension

3. Plan sagittal

4. Les vertèbres lombaires

5. Semi-mobile

6. Os en mouvement : colonne vertébrale (os irréguliers)

Os fixes : sacrum (os irréguliers) et les os du bassin (os iliaque)

7. Muscles érecteurs du rachis

8. Les muscles érecteurs du rachis, situés dans le dos, appliquent une force parallèle au tronc dont le bras de levier est d’environ 5 cm.

9. Muscles abdominaux

10. Flexion

11. Les muscles abdominaux appliquent une force parallèle au tronc dont le bras de levier est d’environ 8 cm.

12. a) La force générée par les muscles érecteurs du rachis; b) le poids du haut du corps; c) l’articulation des vertèbres lombaires.

13. Inter puissant


Annexe 3 – Tableau de référence pour les différents mouvements articulaires

Mouvement articulaire

Schéma de principe

Exemple de prototype









Ce projet a été réalisé grâce à la contribution financière du Ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation.

Avant-bras

bras

pivot

corde (biceps)

FFcorde

(triceps)

bras

pivot

F

F

corde (deltoïde)

Reste du corps

corde (grand dorsal)

tête

pivot

F

F

corde (trapèze)

corde (long de la tête)

retinaculum

jambe

pivot

F

F

pied

corde (muscle tibial)

corde (mollet)

membres inférieurs

haut du corps

corde (érecteurs du rachis)

F

corde (abdominaux)F

pivot

jambe

pivot

F

Reste du corps

F

corde (moyen fessier)

corde (adducteurs)

jambe

cuisse

pivot

poulie (rotule)

F

corde (quadriceps)

F

corde (ischio-jambier)

haut du corps

F

pivot

corde (abdominaux)

F

corde (érecteurs du rachis)

membres inférieurs

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