Pourquoi une charge de même poids devient-elle soudain pénible quand on la tient loin du corps ?
― Vos lombaires subissent une force plusieurs fois supérieure à celle de la charge
Porter un carton collé contre la poitrine ne pose aucun problème. Le tenir à bout de bras, en revanche, devient pénible en quelques pas. Pourtant, son poids n'a pas changé d'un gramme. Ce qui a changé, c'est la force qui s'exerce sur les os de vos lombaires. Cette force peut atteindre plusieurs fois le poids de la charge elle-même.
C'est le jour du déménagement. Vous serrez contre vous un carton plein de livres. C'est lourd, mais vous pouvez le porter jusqu'au fond de la pièce.
Maintenant, le même carton est posé tout au fond d'une étagère. Bras tendus devant vous, vous le soulevez et… « aïe ! », le cri vous échappe.
On pense que ce sont les bras qui souffrent. Pourtant, le lendemain matin, c'est le plus souvent le bas du dos qui fait mal.
Deux raisons principales
Les muscles du dos tirent sur la colonne à quelques centimètres seulement de l'articulation des lombaires. La charge, elle, se trouve à plusieurs dizaines de centimètres. Un bras de levier court doit lutter contre un long : le muscle doit donc produire une force plusieurs fois supérieure au poids de la charge.
Les muscles courent verticalement le long de la colonne. Plus ils tirent fort, plus la colonne est serrée de haut en bas, comme dans un étau. Au poids de la charge s'ajoute donc toute la force produite par le muscle.
Si tenir une charge loin du corps est pénible, ce n'est donc pas parce que les bras sont faibles. C'est parce que le levier centré sur l'articulation des lombaires devient soudain très défavorable. Voyons cela pas à pas.
Les lombaires forment un levier terriblement désavantageux
Regardons de profil une personne penchée en avant qui porte une charge. Si l'on prend les os des lombaires pour point d'appui, le corps est un véritable levier. Regardez la figure 1. La charge pend à environ 40 centimètres du point d'appui, et le poids du haut du corps agit lui aussi à environ 25 centimètres. Les deux tendent à faire basculer le corps vers l'avant.
Ce qui le retient, ce sont les muscles qui courent le long du dos. Mais leur point d'attache sur l'os n'est qu'à environ 5 centimètres du point d'appui. Sur une balançoire à bascule, c'est comme si l'autre personne s'asseyait tout au bout, alors que vous êtes assis juste à côté du pivot. Pour équilibrer, il faut une force plus grande dans le rapport des longueurs des bras de levier.
La colonne est serrée de haut en bas
Voilà où la mécanique du corps devient cruelle. Les muscles du dos sont fixés verticalement le long de la colonne : quand ils tirent fort, cette force comprime directement la colonne. La grande force produite pour soutenir la charge s'accumule, sans échappatoire, entre les vertèbres.
Entre les vertèbres se trouvent les disques intervertébraux, des disques mous. Comme le calcul plus bas le montrera, tenir une charge de 20 kilos à bout de bras soumet ces disques à une force d'environ 6 fois le poids du corps. En la tenant près du corps, on peut alléger cette force d'environ 30 %, pour la même charge.
Plier les genoux n'a rien de magique en soi. Cela permet de s'approcher de la charge en gardant le dos droit, donc de raccourcir la distance entre la charge et les lombaires. Ce qui compte, ce n'est pas la forme de la posture, mais la distance. À l'inverse, si vous pliez les genoux mais gardez la charge loin du corps, la force sur les lombaires ne diminue guère.
Quand on porte quelque chose de lourd, on rejette sans y penser le haut du corps vers l'arrière. Le centre de gravité se rapproche alors de l'aplomb du point d'appui, et le bras de levier raccourcit. Sans faire aucun calcul, le corps choisit la posture où le levier est le plus favorable.
En résumé
Quand on éloigne la charge du corps, le bras de levier centré sur les lombaires s'allonge d'un coup. Celui des muscles qui la retiennent reste de quelques centimètres : les muscles n'ont d'autre choix que de produire une force plusieurs fois supérieure. Et cette force se transforme entièrement en force qui comprime la colonne. Une différence de quelques dizaines de centimètres suffit à faire varier de plus de cent kilos la force qui s'exerce à l'intérieur du corps.
Ce qui décide de la charge, ce n'est pas le poids de l'objet.
C'est la distance de quelques dizaines de centimètres entre la charge et les lombaires.
Sur l'évolution des disques entre les vertèbres au cours d'une journée, lisez Pourquoi mesure-t-on 1 centimètre de plus le matin que le soir ? ; sur le renouvellement permanent des os eux-mêmes, lisez Pourquoi les os se renouvellent-ils tous les quelques années ?
- Prenez une bouteille d'eau de 2 litres. Tenez-la à deux mains, collée contre la poitrine, et restez debout 30 secondes.
- Ensuite, tenez la même bouteille bras tendus droit devant vous, 30 secondes. La vitesse à laquelle cela devient pénible n'a rien à voir.
- Enfin, bras toujours tendus, cambrez très légèrement le haut du corps vers l'arrière. Si c'est plus facile, c'est la preuve que le bras de levier s'est raccourci.
Si vous avez des problèmes de dos, ne faites que les étapes 1 et 3. Même avec une bouteille légère, on voit bien que c'est la distance, et non le poids, qui compte.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Non vu au lycée : matière spécialisée de l'université (biomécanique)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas même enseignés comme acquis à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Moment d'une force : mesure de l'effet de rotation d'une force. Il s'obtient en multipliant l'intensité de la force par la distance entre le point d'appui et la force. C'est l'efficacité même du levier.
- Bras de levier : distance entre le point d'appui et le point où s'exerce la force. Aux lombaires, celui de la charge fait quelques dizaines de centimètres, celui du muscle dorsal quelques centimètres.
- Disque intervertébral : tissu mou en forme de disque entre deux vertèbres. Il encaisse les forces venant du haut et du bas et les supporte par sa pression interne.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle force s'exerce sur la colonne ?
Calculons la force qui s'exerce sur les lombaires quand on porte 20 kilos penché en avant. On suppose une personne de 60 kilos.
| En symboles | F × a ＝ W1 × b ＋ W2 × c |
| En mots | force du muscle × bras de levier du muscle ＝ poids de la charge × bras de levier de la charge ＋ poids du haut du corps × bras de levier de son centre de gravité |
| D'où vient-elle ? | C'est l'équilibre des moments des forces autour de l'articulation des lombaires. Quand le corps reste immobile sans basculer vers l'avant, l'effet qui tend à le faire basculer égale celui qui tend à le redresser. La force sur la colonne s'obtient ensuite par P ＝ F ＋ W1 ＋ W2. |
| Poids de la charge W1 | 20 kg, soit une force d'environ 200 N (N est le symbole de l'unité de force) |
| Poids du haut du corps W2 | environ la moitié du poids du corps, 30 kg, soit une force d'environ 300 N |
| Bras de levier de la charge b | 0,40 m (penché en avant, bras tendus) |
| Bras de levier du centre de gravité du haut du corps c | 0,25 m |
| Bras de levier du muscle dorsal a | 0,05 m (seulement quelques centimètres) |
| Effet de la charge qui tend à faire basculer le corps | 200 × 0.40 ＝ 80 |
| Effet du haut du corps qui tend à le faire basculer | 300 × 0.25 ＝ 75 |
| Total des effets de basculement | 80 ＋ 75 ＝ 155 |
| Force du muscle F nécessaire à l'équilibre | 155 ÷ 0.05 ＝ 3100 |
| Total des poids qui pèsent d'en haut | 200 ＋ 300 ＝ 500 |
| Force P qui comprime la colonne | 3100 ＋ 500 ＝ 3600 |
| Convertie en poids | 3600 ÷ 9.8 ≒ 367 |
| Combien de fois le poids du corps | 367 ÷ 60 ≒ 6.1 |
Entre les vertèbres s'exerce donc une force équivalant à environ 367 kilos, soit environ 6 fois le poids du corps. Avec le même calcul, si l'on rapproche la charge du corps à 0,15 m, on obtient ceci.
| Effet de la charge qui tend à faire basculer le corps | 200 × 0.15 ＝ 30 |
| Total des effets de basculement | 30 ＋ 75 ＝ 105 |
| Force du muscle nécessaire | 105 ÷ 0.05 ＝ 2100 |
| Force qui comprime la colonne | 2100 ＋ 500 ＝ 2600 |
| Convertie en poids | 2600 ÷ 9.8 ≒ 265 |
En rapprochant simplement la charge de 25 centimètres, la force sur la colonne a baissé d'environ 100 kilos. Ni la force des bras ni la volonté n'y sont pour rien : c'est bien la distance qui compte. Notez qu'il s'agit d'une estimation très grossière, qui assimile le corps à une seule barre. Dans un vrai corps, les abdominaux et la pression à l'intérieur du ventre contribuent aussi au soutien.
LycéeLycée+Pourquoi le corps utilise-t-il un levier aussi désavantageux ?
LycéeEn physique, on le traite comme un équilibre des moments des forces autour d'un point d'appui. Ce levier des lombaires est un levier du 3e genre : la force appliquée et la force à vaincre sont du même côté du point d'appui. Côté force, on y perd toujours. En contrepartie, un très faible raccourcissement du muscle suffit pour déplacer la main loin et vite.
Lycée+La plupart des bras et des jambes sont faits de ces leviers du 3e genre. On sacrifie l'intensité de la force pour gagner en vitesse et en amplitude de mouvement. Les lombaires ne sont pas une exception : tout le corps fait le même marché.
Univ.Mesure de la pression intradiscale et modèles musculo-squelettiques
En biomécanique, on a mesuré cette force sous la forme de la pression intradiscale. Depuis les années 1960, des études piquent une fine aiguille dans le disque pour en mesurer la pression, et montrent qu'elle est bien plus élevée penché en avant que debout. Aujourd'hui, la méthode courante applique la dynamique inverse à un modèle musculo-squelettique comprenant de nombreux muscles, pour estimer la compression et le cisaillement des vertèbres lombaires. Réduire les muscles à un seul, comme dans le calcul ci-dessus, peut faire sur- ou sous-estimer la force ; on traite donc le problème comme un problème de répartition des forces entre plusieurs muscles.
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : Moment d'une force (Wikipédia japonais) ／ Disque intervertébral (Wikipédia japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- L'intensité de la force et la douleur ne concordent pas. Une force plus grande sur les lombaires n'entraîne pas forcément de douleur, et beaucoup de personnes dont l'imagerie montre une anomalie n'ont aucune douleur. Une part reste inexpliquée par la seule mécanique.
- L'effet de la pression abdominale n'est pas établi. On pense que contracter l'abdomen augmente la pression dans le ventre et soulage la colonne, mais l'ampleur de l'effet varie selon les études.
- L'effet de la « bonne façon de soulever » est encore débattu. Certains rapports estiment qu'enseigner à plier les genoux ne réduit pas forcément les troubles lombaires, et l'on se demande si des conseils sur la posture suffisent.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'« une explication dans l'état actuel des connaissances ». L'équilibre des leviers est certain, mais on ne sait pas encore si cela se traduit directement en problèmes de santé.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : le fonctionnement des leviers | Point d'appui, force appliquée, force à vaincre, et rapport des bras de levier |
| Lycée | Physique : moment d'une force et équilibre | Les points ⓪ et ② de « Vérifier par la formule » |
| Lycée+ | Physique : équilibre d'un solide | Pourquoi le levier du 3e genre perd en force |
| Univ. | Biomécanique, orthopédie | Mesure de la pression intradiscale et modèles musculo-squelettiques |
| Recherche | Épidémiologie de la lombalgie, ergonomie | Le problème du désaccord entre intensité de la force et douleur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Tenir la charge près du corps réduit d'environ 30 % la force sur les lombaires |
- Ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales (厚生労働省), « Directives de prévention des lombalgies sur le lieu de travail » (職場における腰痛予防対策指針) (directives indiquant notamment de manipuler les charges lourdes près du corps)
- Nachemson, A. "The load on lumbar disks in different positions of the body", Clinical Orthopaedics and Related Research, 1966 (mesures de la pression intradiscale selon les postures)
- Société japonaise d'orthopédie (日本整形外科学会) et Société japonaise de la lombalgie (日本腰痛学会), éd., « Lignes directrices pour la prise en charge de la lombalgie » (腰痛診療ガイドライン) (synthèse sur le lien entre causes de la lombalgie et résultats d'imagerie)
- Moment d'une force (Wikipédia japonais)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. Si des douleurs ou des fourmillements dans le dos persistent, ne restez pas sur votre propre jugement : consultez un médecin.