Biomécanique

La biomécanique applique les principes de la mécanique aux organismes vivants. Chez les poissons, elle relie la forme et les propriétés des tissus aux mouvements observés, aux forces internes et externes, aux couples et aux transferts d’énergie. Elle sert notamment à étudier la nage, les manœuvres, l’alimentation et la résistance des structures biologiques.

Grandeurs et niveaux d’analyse

Une étude biomécanique peut décrire la géométrie du corps ou d’une nageoire, sa déformation et sa cinématique, puis rechercher la force mécanique qui produit ou accompagne ce mouvement. Elle considère aussi les contraintes et déformations des tissus, l’inertie, les couples articulaires ou corporels, la puissance et le travail mécanique. Ces grandeurs ne sont pas interchangeables : une vitesse décrit un mouvement, une force exprime une interaction et une puissance mesure un transfert d’énergie par unité de temps.

L’échelle choisie dépend de la question. L’analyse peut porter sur une fibre musculaire, un rayon de nageoire, le corps entier ou les interactions entre le poisson et l’eau. Les propriétés des matériaux biologiques sont souvent anisotropes, viscoélastiques et variables avec l’état physiologique ; un modèle rigide ou élastique simple reste donc une approximation dont les hypothèses doivent être explicitées.

Biomécanique de la nage

Pendant la nage, l’activation musculaire déforme le corps et les nageoires. Ces mouvements accélèrent l’eau et produisent en retour des pressions et des forces de cisaillement sur l’animal. L’hydrodynamique décrit cette interaction avec le fluide, tandis que la biomécanique intègre aussi les forces internes, l’inertie, la souplesse des tissus et le contrôle moteur.

La seule observation d’un mouvement ne permet pas d’attribuer une fonction propulsive. Les forces peuvent être mesurées directement dans certains dispositifs, estimées à partir du mouvement par dynamique inverse, déduites de champs d’écoulement ou calculées par mécanique des fluides numérique. Chacune de ces méthodes dépend d’un étalonnage, d’une résolution spatiale et temporelle et d’hypothèses de modèle.

Limites d’interprétation

Les performances mécaniques varient avec l’espèce, la taille, le stade de développement, la température, la vitesse de nage et le régime d’écoulement. Un résultat obtenu chez une larve de poisson-zèbre ou sur un modèle numérique ne peut donc pas être généralisé à tous les poissons. Une analyse robuste confronte plusieurs sources de données et distingue les grandeurs mesurées de celles qui sont estimées.

Références

• Voesenek C. J., Pieters R. P. M. et van Leeuwen J. L. (2016). « Automated Reconstruction of Three-Dimensional Fish Motion, Forces, and Torques ». PLOS ONE, 11(1), e0146682. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0146682
• Voesenek C. J., Muijres F. T. et van Leeuwen J. L. (2018). « Biomechanics of swimming in developing larval fish ». Journal of Experimental Biology, 221(1), jeb149583. https://doi.org/10.1242/jeb.149583