--- title: "Muscles et articulations" book: "Biologie du lycée" subject: biology language: fr chapter: 9 exercises: 15 source: https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/9-muscles-et-articulations --- # Chapitre 9 — Muscles et articulations Un footballeur plante son pied, pivote, et s’écroule en se tenant le genou. Le diagnostic, une heure plus tard : un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) rompu. Aucun os n’est cassé, aucun muscle n’a lâché ; une sangle de tissu de quelques centimètres, chargée de tenir deux os alignés, a cédé sous une torsion pour laquelle elle n’avait jamais été bâtie. Pour comprendre ce qui s’est rompu, et pourquoi le genou mettra des mois à se remettre, il faut savoir de quoi une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) est faite, comment les muscles tirent dessus, et quelles forces la traversent quand un corps de soixante-dix kilogrammes retombe sur une seule jambe. ## 9.1 L’articulation **Définition 9.1 (Articulation).** Une *articulation* est le lieu où deux os se rencontrent. Dans une articulation mobile comme le genou, la hanche, l’épaule ou le coude, les extrémités des os sont revêtues d’une couche de *cartilage* lisse de quelques millimètres d’épaisseur, et enfermées dans un sac étanche, la *capsule*, dont la doublure sécrète le *liquide synovial* qui lubrifie les surfaces. Des bandes de tissu résistant, les *ligaments*, vont d’un os à l’autre en travers de l’articulation et limitent ses mouvements à ceux qui sont prévus. Dans le genou, deux croissants de cartilage, les *ménisques*, sont placés entre les os et répartissent la charge. ![Le genou en coupe : le fémur au-dessus, le tibia en dessous, la rotule en avant dans le tendon du muscle de la cuisse ; le cartilage sur les extrémités osseuses, le ménisque entre elles, les ligaments qui tiennent les os ensemble.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-muscles-and-joints/fig-853f36d80815.svg) *Le genou en coupe : le fémur au-dessus, le tibia en dessous, la rotule en avant dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du muscle de la cuisse ; le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) sur les extrémités osseuses, le ménisque entre elles, les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) qui tiennent les os ensemble.* **Proposition 9.2 (À quoi sert chaque partie).** Le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) et le liquide synovial font glisser les surfaces avec moins de frottement que la glace sur la glace ; les ménisques répartissent une charge qui se concentrerait sinon sur quelques millimètres carrés ; les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) laissent le genou se plier et se tendre mais résistent à la torsion et à la flexion latérale ; la capsule retient le liquide. Chaque partie a sa défaillance propre : le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) s’use (l’arthrose), un ménisque se déchire sous une torsion genou plié, un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) s’entorse ou se rompt quand l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) est forcée au-delà de son amplitude. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ **Exemple 9.3 (Entorse, déchirure, luxation).** Tordez une cheville sur un trottoir : les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) externes sont étirés au-delà de leur limite — c’est une *entorse* ; l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) enfle car la capsule saigne et du liquide s’accumule. Tirez fort sur des ischio-jambiers froids : une partie de leurs fibres se rompt — c’est une *déchirure* musculaire. Tombez sur un bras tendu : la tête de l’humérus peut quitter sa cavité — c’est une *luxation*, les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) et la capsule étant étirés ou déchirés au passage. Aucune n’est une fracture ; toutes peuvent mettre plus longtemps à guérir qu’une fracture. ## 9.2 Les muscles tirent, par paires **Définition 9.4 (Muscle squelettique et tendon).** Un *muscle squelettique* est un organe fait de milliers de [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) allongées, les *fibres musculaires*, réunies en faisceaux ; chaque fibre se raccourcit quand un nerf la stimule. À ses deux extrémités, le muscle se resserre en un *tendon*, cordon de tissu non contractile fixé à l’os. Un muscle ne peut que *tirer*, en se raccourcissant, et seulement selon sa propre longueur : il meut une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) en tirant sur l’os situé au-delà. **Proposition 9.5 (Les paires antagonistes).** Puisqu’un muscle ne peut pas pousser, tout mouvement d’une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) exige deux muscles ou deux groupes travaillant en opposition : un *fléchisseur* qui plie l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) et un *extenseur* qui la tend. Quand l’un se contracte, l’autre se relâche et s’étire ; pour tenir une position, les deux se contractent ensemble. Le biceps fléchit le coude et le triceps l’étend ; le quadriceps, à l’avant de la cuisse, étend le genou, et les ischio-jambiers, derrière, le fléchissent. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ ![Une paire antagoniste au coude. Le biceps, fixé à l’avant-bras juste au-delà de l’articulation, se raccourcit et plie le coude ; le triceps, fixé derrière l’articulation, se relâche et s’étire. Inversez les rôles pour tendre le bras.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-muscles-and-joints/fig-7d1bd51fc28c.svg) *Une paire antagoniste au coude. Le biceps, fixé à l’avant-bras juste au-delà de l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint), se raccourcit et plie le coude ; le triceps, fixé derrière l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint), se relâche et s’étire. Inversez les rôles pour tendre le bras.* **Proposition 9.6 (Leviers et forces).** Un os qui pivote autour d’une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) est un levier. Le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du muscle s’attache à une courte distance $d$ du pivot, tandis que la charge agit à une distance $D$ plus grande ; à l’équilibre, le muscle doit tirer avec une force $$ F_{\text{muscle}} = F_{\text{charge}} \times \frac{D}{d}, $$ soit plusieurs fois la charge. Ce montage échange de la force contre de la vitesse et de l’amplitude : un faible raccourcissement du muscle produit un mouvement grand et rapide de la main ou du pied, au prix de forces élevées dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) et dans l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint). **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ **Exemple 9.7 (Porter un sac).** Un sac de $5\,\mathrm{kg}$ (poids $49\,\mathrm{N}$) pend à la main, à $35\,\mathrm{cm}$ du coude ; le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du biceps s’attache à $5\,\mathrm{cm}$ de celui-ci. Le biceps tire avec $49 \times 35/5 = 343\,\mathrm{N}$ — sept fois la charge, le poids de $35\,\mathrm{kg}$ — et l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) du coude est comprimée avec environ $300\,\mathrm{N}$. Les muscles, les [tendons](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) et le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) sont bâtis pour ces forces ; ce qui les abîme, c’est une force brusque dans la mauvaise direction, ou une charge répétée au-delà de ce que le tissu sait réparer. ![L’avant-bras comme levier : le biceps tire près du pivot, la charge pend loin de lui. F_ muscle × d = F_ charge × D, de sorte que la force musculaire vaut D/d = 7 fois la charge.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-muscles-and-joints/fig-c394cd15005f.svg) *L’avant-bras comme levier : le biceps tire près du pivot, la charge pend loin de lui. $F_{\text{muscle}} \times d = F_{\text{charge}} \times D$, de sorte que la force musculaire vaut $D/d = 7$ fois la charge.* ## 9.3 À l’intérieur du muscle **Proposition 9.8 (Structure d’une fibre musculaire).** Une fibre musculaire est une [cellule](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) géante unique, large de $10$–$100\,\text{µ}\mathrm{m}$ et longue de plusieurs centimètres, avec de nombreux [noyaux](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle). Elle est bourrée de *myofibrilles* parallèles, chacune faite d’une chaîne d’unités répétées où deux sortes de filaments protéiques, épais et fins, s’interpénètrent. La contraction est le glissement des filaments fins entre les épais, mû par l’ATP : chaque unité se raccourcit d’une fraction, la myofibrille de leur somme, et la fibre avec elle. Les [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) logées entre les myofibrilles fournissent l’ATP ; une terminaison nerveuse posée sur chaque fibre en donne l’ordre. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ ![Du muscle entier aux molécules qui le raccourcissent : cinq niveaux d’organisation, chacun étant un faisceau du suivant. Le glissement des filaments les uns sur les autres, répété dans chaque unité, est la contraction.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-2/g10-muscles-and-joints/fig-359f48c53494.svg) *Du muscle entier aux molécules qui le raccourcissent : cinq niveaux d’organisation, chacun étant un faisceau du suivant. Le glissement des filaments les uns sur les autres, répété dans chaque unité, est la contraction.* **Définition 9.9 (Types de fibres).** Les [fibres musculaires](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) existent en deux grands types. Les *fibres lentes* se contractent lentement et faiblement mais sans se fatiguer : riches en [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) et en capillaires, rouges grâce à une [protéine](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) qui stocke l’oxygène, elles tournent sur la respiration et dominent dans les muscles posturaux et chez les athlètes d’endurance. Les *fibres rapides* se contractent vite et fort mais se fatiguent en moins d’une minute : plus pauvres en [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle), plus pâles, elles reposent sur la réserve phosphatée et la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation) et dominent chez les sprinteurs. La proportion dans un muscle donné est largement héritée ; l’entraînement change la taille et l’équipement des fibres plus que leur nombre. **Exemple 9.10 (Lire une biopsie musculaire).** Une coloration des [enzymes](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-metabolism) mitochondriales sur une coupe fine de muscle de cuisse montre une mosaïque : des fibres sombres (lentes) et des fibres pâles (rapides). L’échantillon d’un marathonien est sombre à 80 % ; celui d’un sprinteur à 30 % ; celui d’une personne non entraînée à moitié. La même coloration chez le même coureur après un an d’entraînement au sprint montre les fibres pâles grossies, mais pas plus nombreuses. ## 9.4 Fatigue, dommage, réparation **Proposition 9.11 (Les limites du muscle).** Un muscle défaille de trois façons distinctes. La *fatigue* : la force décline quand l’apport d’ATP ne suit plus — en moins d’une minute dans les fibres rapides, en quelques heures dans les lentes — et se récupère au repos. La *crampe* : une contraction involontaire, brusque et durable, souvent due à la déshydratation ou à une perte de sel. La *lésion* : des fibres rompues par une force supérieure à leur résistance, typiquement quand le muscle est froid, fatigué, ou étiré alors qu’il se contracte. Les fibres se réparent en quelques semaines à partir de [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) de réserve du muscle ; un [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) ou un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint), mal irrigué, se répare en quelques mois. **Démonstration.** *Admis à ce niveau.* ∎ **Méthode 9.12 (Analyser une lésion de l’appareil locomoteur).** 1. Repérer le mouvement qui l’a causée et sa direction : l’ [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) a-t-elle été mue dans son amplitude (problème musculaire) ou au-delà (problème de [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) ou de capsule) ? 2. Repérer le tissu : les [fibres musculaires](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) se déchirent (douleur dans le corps du muscle, faiblesse) ; les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) s’entorsent (douleur et gonflement de l’ [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) , instabilité) ; les [tendons](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) s’enflamment sous une charge répétée ; le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) s’use en silence pendant des années. 3. Estimer la force : utiliser la règle du levier ; se rappeler qu’une réception ou un freinage multiplie plusieurs fois le poids du corps. 4. Prévoir la guérison d’après l’irrigation du tissu : le muscle en quelques semaines, le [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) et le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) en quelques mois, le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) presque pas. **Remarque 9.13 (Pourquoi l’échauffement fonctionne).** Dix minutes de mouvement doux élèvent la température des muscles d’un ou deux degrés, ce qui rend leurs [protéines](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/1-la-composition-chimique-des-etres-vivants#def-g10-chemistry-of-life-families) plus extensibles et leurs [enzymes](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-metabolism) plus rapides ; cela ouvre les capillaires qui livreront l’oxygène du [Chapitre 8](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/8-le-cur-et-les-poumons-a-leffort#ch-g10-heart-lungs-effort), et cela épaissit le film de liquide synovial sur le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint). Un muscle froid à qui l’on demande une contraction maximale est la cause la plus fréquente d’une déchirure ; une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) chargée avant que son liquide se soit réparti s’use plus vite. ## 9.5 Exercices **Exercice 9.1 ★.** Nommer les parties d’une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) mobile et donner le rôle de chacune. **Solution de Exercice 9.1.** Le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) sur les extrémités osseuses (glissement doux, répartition de la charge) ; la capsule (qui ferme l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint)) avec son liquide synovial (lubrification) ; les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) (qui tiennent les os ensemble et limitent les mouvements) ; dans le genou, les ménisques (qui répartissent la charge). **Exercice 9.2 ★.** Quelle est la différence entre un [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) et un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) ? **Solution de Exercice 9.2.** Un [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) relie un muscle à un os et transmet sa traction ; un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) relie un os à un os en travers d’une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) et en limite le mouvement. Aucun des deux ne se contracte. **Exercice 9.3 ★.** Pourquoi faut-il au moins deux muscles pour mouvoir une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) ? **Solution de Exercice 9.3.** Un muscle ne peut que tirer en se raccourcissant ; il ne peut pas pousser. Pour mouvoir une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) dans les deux sens, il faut un fléchisseur et un extenseur, chacun défaisant ce que l’autre a fait. **Exercice 9.4 ★.** Distinguer une entorse, une déchirure musculaire et une luxation par le tissu en cause. **Solution de Exercice 9.4.** Entorse : un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) étiré ou rompu. Déchirure musculaire : des [fibres musculaires](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) rompues. Luxation : une extrémité osseuse chassée de son [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint), la capsule et les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) étant étirés ou déchirés. **Exercice 9.5 ★.** Donner deux différences entre [fibres musculaires](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) lentes et rapides. **Solution de Exercice 9.5.** Fibres lentes : lentes, faibles, infatigables, riches en [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle) et en capillaires, rouges, tournant sur la respiration. Fibres rapides : rapides, puissantes, fatiguées en une minute, pauvres en [mitochondries](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-organelle), pâles, tournant sur la réserve phosphatée et la [fermentation](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/4-le-metabolisme-cellulaire#def-g10-cell-metabolism-fermentation). **Exercice 9.6 ★★.** Un haltère de $2\,\mathrm{kg}$ est tenu à la main, à $32\,\mathrm{cm}$ du coude ; le biceps s’attache à $4\,\mathrm{cm}$ de celui-ci. Calculer la force dans le biceps ($g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$). **Solution de Exercice 9.6.** Charge $2 \times 9.8 = 19.6\,\mathrm{N}$ ; force du biceps $19.6 \times 32/4 \approx 157\,\mathrm{N}$. **Exercice 9.7 ★★.** Expliquer pourquoi le biceps et le triceps doivent tous deux se contracter pour tenir le bras immobile contre une poussée imprévisible. **Solution de Exercice 9.7.** Une poussée peut venir de l’un ou l’autre côté, et chaque muscle ne peut résister qu’à un seul. Les deux contractés raidissent l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) dans les deux sens à la fois ; d’où que vienne la poussée, l’un d’eux tire déjà contre elle. **Exercice 9.8 ★★.** Une fibre musculaire longue de $3\,\mathrm{cm}$ se raccourcit de 20 % en se contractant. De combien la main se déplace-t-elle si le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) de la fibre s’attache à $5\,\mathrm{cm}$ du coude et que la main est à $35\,\mathrm{cm}$ de celui-ci ? **Solution de Exercice 9.8.** La fibre se raccourcit de $0.6\,\mathrm{cm}$ ; le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) déplace l’os de $0.6\,\mathrm{cm}$ à $5\,\mathrm{cm}$ du coude, si bien que la main se déplace de $0.6 \times 35/5 = 4.2\,\mathrm{cm}$. **Exercice 9.9 ★★.** Pourquoi l’épaule, l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) la plus mobile du corps, est-elle aussi la plus souvent luxée ? **Solution de Exercice 9.9.** La mobilité exige une cavité peu profonde et des [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) lâches ; ce même relâchement laisse la tête de l’humérus quitter la cavité quand une force la pousse au-delà de l’amplitude que les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) peuvent tenir. **Exercice 9.10 ★★.** Le mollet d’un coureur se crampe à la fin d’une course par temps chaud. Proposer deux causes tirées du chapitre et un remède. **Solution de Exercice 9.10.** La déshydratation et la perte de sel par la sueur, et la fatigue des fibres en fin de course. Remède : étirer doucement le muscle et boire de l’eau salée. **Exercice 9.11 ★★.** À l’aide de l’[Exemple 9.10](#ex-g10-muscles-and-joints-biopsy), expliquer pourquoi un sprinteur qui s’entraîne pour un marathon progresse moins qu’une personne non entraînée du même âge ne le pourrait. **Solution de Exercice 9.11.** La cuisse du sprinteur est faite à 70 % de fibres rapides et la proportion est largement héritée ; l’entraînement grossit les fibres et améliore leur équipement mais ne convertit pas leur nombre. La personne non entraînée part de moitié-moitié et a davantage de fibres lentes à développer. **Exercice 9.12 ★★★.** À la réception d’un saut, le genou se plie et le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du quadriceps porte environ quatre fois le poids du corps. Pour un athlète de $70\,\mathrm{kg}$, calculer cette force. Le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) a une section d’environ $1\,\mathrm{cm}^{2}$ et rompt vers $100\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ ; à quelle distance de la rupture est-il ? **Solution de Exercice 9.12.** $4 \times 70 \times 9.8 \approx 2.7\,\mathrm{kN}$. Contrainte $2744/100 \approx 27\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ : environ le quart de la contrainte de rupture, soit un coefficient de sécurité de quatre. **Exercice 9.13 ★★★.** Un [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) rompu guérit en quelques mois, un muscle déchiré en quelques semaines, et un [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) abîmé presque pas. Relier les trois à l’irrigation des tissus et aux [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) disponibles pour la réparation. **Solution de Exercice 9.13.** Le muscle est richement irrigué et contient des [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) de réserve qui reconstruisent les fibres : quelques semaines. Les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) ont peu de vaisseaux, et les nutriments comme les [cellules](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) réparatrices y arrivent lentement : quelques mois. Le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) n’a aucun vaisseau sanguin et presque aucune [cellule](https://one-course.com/books/biology/2/fr/chapter/2-la-cellule-unite-commune-du-vivant#def-g10-cells-common-unit-cell) en division ; il est nourri par le seul liquide synovial et ne se répare presque pas. **Exercice 9.14 ★★★.** La musculation grossit les muscles ; les étirements augmentent l’amplitude d’une [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint). Quel tissu chacun modifie-t-il, et pourquoi ni l’un ni l’autre ne change-t-il le nombre de fibres ? **Solution de Exercice 9.14.** La musculation épaissit les fibres (davantage de myofibrilles dans chacune) et les étirements allongent l’ensemble muscle–tendon ainsi que la tolérance de la capsule. Le nombre de fibres est fixé tôt dans la vie ; un muscle adulte grossit ou fond en changeant la taille des fibres existantes. **Exercice 9.15 ★★★.** Le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) du genou d’une personne âgée s’est usé de moitié. Expliquer, à partir du chapitre, pourquoi l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) fait mal dans les escaliers, pourquoi les ménisques comptent plus qu’avant, et pourquoi les muscles autour du genou font partie du traitement. **Solution de Exercice 9.15.** Dans un escalier, l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) porte plusieurs fois le poids du corps ; un [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) aminci transmet cette pression à l’os sous-jacent, qui possède des nerfs et fait mal. Avec moins de [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint), les ménisques sont la dernière chose qui répartisse la charge. Des muscles forts autour du genou absorbent une part du choc et stabilisent l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint), ce qui réduit la pression maximale sur le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) restant. ## 9.6 Problème : les forces dans un genou **Problème 9.1.** Problème du week-end — le genou d’un footballeur démonté : le levier de la jambe, la traction du muscle de la cuisse, le ligament qui a rompu, et les nombres qu’un tendon porte à chaque pas Karim, $70\,\mathrm{kg}$, s’est blessé au genou en pivotant brusquement sur un pied planté. On prendra $g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$. Le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du quadriceps s’attache au tibia à $5\,\mathrm{cm}$ du pivot du genou ; la poussée du sol sur le pied s’exerce à environ $20\,\mathrm{cm}$ de ce pivot quand le genou est bien plié, comme à la réception d’un saut. **Partie I — Debout et en marchant.** 1. Calculer le poids de Karim. 2. Debout sur une jambe, genou légèrement plié, le sol pousse sur le pied avec tout son poids, à $10\,\mathrm{cm}$ du pivot du genou. Calculer la force dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du quadriceps. 3. En montant une marche, le genou est plus plié et la force du sol s’exerce à $20\,\mathrm{cm}$ du pivot. Calculer de nouveau la force dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) . 4. Exprimer les deux résultats en multiples du poids du corps, et expliquer pourquoi les escaliers fatiguent les cuisses. 5. Quel groupe musculaire est l’antagoniste du quadriceps, et que fait-il pendant la montée ? **Partie II — La réception.** 6. À la réception d’une tête, le sol pousse avec trois fois le poids de Karim, à $20\,\mathrm{cm}$ du pivot. Calculer la force dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) . 7. La section du [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) vaut $1.2\,\mathrm{cm}^{2}$ . Calculer la contrainte qui s’y exerce, en newtons par millimètre carré, et la comparer à la contrainte de rupture d’environ $100\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ . 8. Les surfaces articulaires sont comprimées l’une contre l’autre par environ la force du [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) plus la force du sol. Calculer cette charge, puis la pression sur le [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) si l’aire de contact vaut $6\,\mathrm{cm}^{2}$ avec les ménisques et $1\,\mathrm{cm}^{2}$ sans eux. 9. En déduire pourquoi un genou privé d’un ménisque use son [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) plus vite. 10. Expliquer ce qu’apporte le liquide synovial pendant la réception. **Partie III — La blessure.** 11. Le pied de Karim était planté et son corps a pivoté : quelle direction de mouvement a été imposée au genou, et quel tissu est bâti pour y résister ? 12. Pourquoi le quadriceps, capable de tirer avec plusieurs kilonewtons, n’a-t-il pas protégé le [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) ? 13. Le genou a enflé en une heure. Qu’est-ce qui l’a rempli, et quelle partie de l’ [articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) a été atteinte ? 14. Une imagerie montre le [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) rompu et un ménisque déchiré. À l’aide de la [Méthode 9.12](#met-g10-muscles-and-joints-analyse) , prévoir le temps de guérison de chacun et le justifier par leur irrigation. 15. Karim demande pourquoi le chirurgien veut renforcer ses ischio-jambiers avant l’opération. Répondre avec la [Proposition 9.5](#prop-g10-muscles-and-joints-antagonists) . **Partie IV — Chaque pas compte.** 16. Karim fait environ 8000 pas par jour ; la moitié sur la jambe blessée. À l’aide de la force de la question 2, combien de fois par jour le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) porte-t-il au moins cette charge ? 17. Sur une année, quel est le nombre total de mises en charge ? Expliquer pourquoi un [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) enflammé par le surmenage (une tendinite) a besoin de repos plutôt que de force. 18. Au cours d’un match, il retombe de saut quelque 40 fois. Comparer la charge totale portée aux réceptions (question 6) à celle portée par les pas de la journée. 19. La course double la force du sol par rapport à la marche. Pourquoi les médecins recommandent-ils le vélo et la natation plutôt que la course pour un genou en cours de guérison ? 20. Énoncer le résultat : le multiple du poids du corps que porte le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du quadriceps dans un escalier et à la réception d’un saut, et le seul tissu du genou dont ces nombres n’ont jamais éprouvé la résistance — jusqu’au pivot. **Solution de Problème 9.1.** **1.** $70 \times 9.8 = 686\,\mathrm{N}$. **2.** $686 \times 10/5 \approx 1.4\,\mathrm{kN}$. **3.** $686 \times 20/5 \approx 2.7\,\mathrm{kN}$. **4.** Deux et quatre fois le poids du corps : à chaque marche, le quadriceps tire avec le poids de quatre personnes, et c’est pourquoi les cuisses brûlent dans une longue montée. **5.** Les ischio-jambiers, à l’arrière de la cuisse ; ils se relâchent et s’étirent pendant que le quadriceps tend le genou, tout en se contractant légèrement pour stabiliser l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint). **6.** Force du sol $3 \times 686 \approx 2.06\,\mathrm{kN}$ ; force du [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) $2058 \times 20/5 \approx 8.2\,\mathrm{kN}$, soit douze fois le poids du corps. **7.** $8232/120 \approx 69\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ : environ les deux tiers de la contrainte de rupture. Chaque réception consomme l’essentiel de la marge du [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle). **8.** Charge $8.2 + 2.1 \approx 10.3\,\mathrm{kN}$. Avec les ménisques : $10300/600 \approx 17\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$ ; sans eux, $10300/100 \approx 103\,\mathrm{N}/\mathrm{mm}^{2}$, six fois plus. **9.** Six fois la pression sur le même [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) à chaque réception : la surface est écrasée plus vite qu’elle ne peut être entretenue, et elle s’use. **10.** Un film de liquide entre les [cartilages](#def-g10-muscles-and-joints-joint), pour qu’ils glissent pendant la flexion sans frottement à sec, et un léger amortissement du choc. **11.** Une torsion du tibia sous le fémur, avec une flexion latérale : des rotations pour lesquelles le genou n’est pas bâti et auxquelles les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint) sont là pour résister. **12.** Le quadriceps ne tire que le long de la jambe, en tendant le genou ; il n’a aucune action contre une torsion. Et la blessure se produit en quelques centièmes de seconde, plus vite que toute réponse musculaire. **13.** Du sang venu des vaisseaux du [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) rompu et de la capsule, plus un surcroît de liquide synovial : la capsule a été atteinte ou enflammée et l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) s’est remplie. **14.** Le [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint), mal irrigué, demande des mois et souvent une opération ; le ménisque déchiré, [cartilage](#def-g10-muscles-and-joints-joint) presque sans vaisseaux, ne guérit généralement pas et la partie déchirée est réséquée ou suturée. **15.** Les ischio-jambiers sont les antagonistes du quadriceps et tirent le tibia vers l’arrière ; contractée avec lui, une paire puissante raidit le genou contre le glissement vers l’avant que le [ligament](#def-g10-muscles-and-joints-joint) rompu n’empêche plus, ce qui protège l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) avant et après l’opération. **16.** Environ 4000 fois par jour à $1.4\,\mathrm{kN}$ ou plus. **17.** Environ $1.5 \times 10^{6}$ mises en charge par an. La tendinite est un dommage qui s’accumule plus vite que la réparation, lente, du tissu tendineux ; seul le repos permet à la réparation de rattraper son retard, puisque la force ne diminue pas la charge de chaque pas. **18.** Réceptions : $40 \times 8.2 \approx 330\,\mathrm{kN}$ en tout ; pas : $4000 \times 1.4 \approx 5600\,\mathrm{kN}$ — les pas portent dix-sept fois plus de charge totale, mais les réceptions portent les pointes qui menacent de rompre. **19.** Doubler la force du sol double les forces dans le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) et dans l’[articulation](#def-g10-muscles-and-joints-joint) à chaque foulée ; le vélo et la natation font travailler les muscles en chargeant le genou bien en dessous du poids du corps. **20.** Le [tendon](#def-g10-muscles-and-joints-muscle) du quadriceps porte quatre fois le poids du corps dans un escalier et environ douze à la réception d’un saut ; les [ligaments](#def-g10-muscles-and-joints-joint), que ces charges n’éprouvent jamais, sont le tissu que le pivot a trouvé.