Pourquoi tremble-t-on de froid ?
– Les muscles produisent de la chaleur sans presque bouger
Les dents qui claquent, les épaules qui se crispent et tremblent : ce n'est pas le signe que vous cédez au froid. Votre corps utilise ses muscles comme un « chauffage » pour produire vite de la chaleur. Et les frissons ont une astuce que l'exercice n'a pas : ils sont plus efficaces pour fabriquer de la chaleur.
Un soir d'automne, vous attendez dehors, vêtu légèrement. Soudain, le vent devient glacial.
Sans vous en rendre compte, votre mâchoire se met à trembler par petits coups, et vos bras et votre dos frissonnent tout seuls. Vous avez beau serrer les muscles pour arrêter, ça ne s'arrête pas.
Vous ne bougez pas volontairement. Alors que fait donc votre corps ?
Deux raisons seulement expliquent que les frissons fabriquent de la chaleur
Quand un muscle consomme du carburant, une partie seulement devient mouvement ; la plus grande part devient chaleur. Cette propriété, d'ordinaire un défaut, est ici retournée à notre avantage par les frissons.
Pendant un frisson, les muscles qui plient et ceux qui étendent se contractent par petites secousses alternées, parfois en même temps. Leurs forces s'annulent : aucun travail n'est fourni à l'extérieur, et presque toute l'énergie reste dans le corps sous forme de chaleur.
Ensemble, ces deux faits font du frisson un mouvement dédié à « transformer sur place le carburant en chaleur ». Voyons cela pas à pas.
Les muscles transforment l'essentiel du carburant en chaleur
Le corps brûle peu à peu, dans les muscles, les sucres et les graisses de nos aliments pour produire de la force. Mais cette conversion est assez peu efficace.
Quand on marche ou qu'on pédale, environ 20 à 30 % de l'énergie du carburant seulement devient mouvement. Les 70 à 80 % restants sont de la chaleur. C'est pourquoi on se réchauffe et on transpire en faisant de l'exercice.
Les frissons font de cette « production facile de chaleur » leur objectif même. Dès que vous avez froid, le centre de régulation de la température, au fond du cerveau, ordonne à tous les muscles de se contracter par petites secousses. Cela se déclenche indépendamment de votre volonté ; c'est pourquoi on a du mal à l'arrêter.
La figure 1 vous permet de vérifier en la manipulant de combien la chaleur augmente. Changez l'intensité du frisson avec le curseur.
Le bras bouge à peine, alors pourquoi la chaleur augmente-t-elle ?
Dans le bras, le muscle qui plie le coude et celui qui l'étend sont placés face à face. D'ordinaire, l'un se contracte pendant que l'autre se relâche, et le bras bouge.
Pendant un frisson, les deux se contractent par petites secousses alternées, parfois en même temps. C'est comme un tir à la corde où les deux équipes tirent avec la même force : la corde ne bouge presque pas. Regardez le bas de la figure 2.
Comme le « travail fourni à l'extérieur », soulever un objet ou porter le corps en avant, est presque nul, presque toute l'énergie du carburant brûlé reste dans le muscle sous forme de chaleur. Les deux bandes du haut de la figure 2 comparent la destination de l'énergie quand on marche et quand on frissonne.
Les dents qui claquent obéissent au même principe. Les muscles qui ferment la mâchoire tremblent par petites secousses, et on entend ce mouvement sous forme de petits chocs entre les dents.
Les frissons produisent de la chaleur, mais ils brûlent aussi beaucoup de carburant. Quand ils durent longtemps, le sucre stocké dans les muscles diminue et les frissons peuvent s'affaiblir, dit-on. On pense que c'est pour cela qu'on se refroidit plus facilement quand on a faim et qu'on reste au froid.
Les nouveau-nés auraient peu de capacité à produire de la chaleur en frissonnant. À la place, une graisse spéciale, la « graisse brune », située au cou et dans le dos, produit directement de la chaleur sans mouvement. On a découvert récemment qu'il en reste un peu chez l'adulte.
En résumé
Les frissons de froid sont un mouvement par lequel les muscles fabriquent de la chaleur. Les muscles transforment déjà naturellement l'essentiel du carburant en chaleur ; dans les frissons, en plus, les muscles opposés se tirent l'un l'autre et ne fournissent presque aucun travail extérieur. Presque toute l'énergie du carburant devient donc chaleur, et un frisson intense produirait plusieurs fois la chaleur du repos.
Le frisson transforme des muscles faits pour bouger
en « poêle immobile ».
Attention : trembler est le signe que le corps sait encore produire de la chaleur. Au froid, l'arrêt des frissons peut être un signal de danger. Pour en savoir plus, lisez Pourquoi l'hypothermie survient-elle même les jours « pas si froids » ? ; et pour une autre réaction au même froid, Pourquoi a-t-on la chair de poule quand on a froid ?
- Fermez légèrement une main devant la poitrine et mémorisez, avec l'autre main, la chaleur de l'intérieur de votre poignet.
- Coude plié à 90 degrés, contractez à la fois le dessus et le dessous du bras pour le « bloquer » sans qu'il bouge, pendant environ 30 secondes.
- Relâchez, puis touchez votre bras. Il n'a pas bougé, mais vous le sentirez peut-être un peu chaud et légèrement fatigué.
Même immobile, le muscle consomme du carburant et dégage de la chaleur. Le frisson répète cela en petites secousses rapides dans tout le corps. Ne le faites pas si vous êtes mal en point ou si vous avez mal.
Pour aller plus loin – vocabulaire, formules, lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique » ou de « biologie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matières universitaires non vues au lycée (physiologie, thermodynamique)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, non enseignées comme acquises même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Thermogenèse de frisson (shivering) : production de chaleur par de petites contractions involontaires des muscles squelettiques en réponse au froid.
- Thermogenèse sans frisson : production de chaleur sans trembler, assurée notamment par la graisse brune.
- Muscles antagonistes : paire de muscles aux actions opposées, comme celui qui plie le coude et celui qui l'étend.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : de combien un frisson intense peut-il réchauffer le corps ?
Une personne de 60 kg frissonne pendant 10 minutes à 5 fois l'intensité du repos. En supposant que la chaleur ne s'échappe pas par la peau, calculons la hausse de température. Les unités : la chaleur en joules, la vitesse de production de chaleur en watts (joules par seconde).
| En symboles | ΔT ＝ ( Pfrisson − Prepos ) × t ÷ ( m × c ) |
| En mots | hausse de température ＝ puissance de chaleur en plus × durée ÷ (masse × chaleur massique) |
| D'où vient cette formule | De la conservation de l'énergie (premier principe de la thermodynamique) et de la définition de la chaleur massique (chaleur nécessaire pour élever un corps de 1 ℃). Dans les frissons, le travail extérieur est presque nul : l'énergie du carburant s'accumule telle quelle dans le corps sous forme de chaleur. |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| Prepos | Puissance de chaleur produite par le corps au repos (watts) |
| Pfrisson | Puissance de chaleur produite par le corps pendant un frisson (watts) |
| t | Durée du frisson (secondes) |
| m | Masse corporelle (kilogrammes) |
| c | Chaleur massique du corps (chaleur pour élever 1 kilogramme de 1 ℃, en kilojoules) |
| Métabolisme de base d'un adulte (par jour) | environ 1500 kilocalories |
| 1 kilocalorie | 4,184 kilojoules |
| Production de chaleur d'un frisson intense | jusqu'à environ 5 fois le repos |
| Chaleur massique du corps humain | environ 3,5 kilojoules (chaleur pour élever 1 kg de 1 ℃) |
| Métabolisme de base journalier en kilojoules | 1500 × 4.184 ＝ 6276 |
| Par seconde (1 jour ＝ 86400 secondes, en joules) | 6276000 ÷ 86400 ≒ 73 |
| Chaleur d'un frisson intense (watts) | 73 × 5 ＝ 365 |
| Chaleur en plus par rapport au repos (watts) | 365 − 73 ＝ 292 |
| Chaleur accumulée en 10 minutes (600 secondes) (joules) | 292 × 600 ＝ 175200 |
| Chaleur pour élever tout le corps de 1 ℃ (kilojoules) | 60 × 3.5 ＝ 210 |
| Hausse de température (℃) | 175.2 ÷ 210 ≒ 0.83 |
Si la chaleur ne s'échappait pas, dix minutes de frissons intenses élèveraient la température du corps de près de 1 ℃. En réalité, le vent froid emporte la chaleur sans cesse : la température ne monte pas, et les frissons maintiennent la température en « compensant ce qui est perdu ».
| Part devenant travail extérieur en marchant avec le même carburant (watts) | 365 × 0.25 ≒ 91 |
En marchant, ces quelque 91 watts serviraient à déplacer le corps et ne deviendraient pas chaleur. Les frissons peuvent aussi convertir cette part en chaleur : c'est donc une manière efficace de se réchauffer avec le même carburant.
LycéeLycée+Régulation de la température et énergie des muscles
LycéeLa température du corps est maintenue par le centre de régulation de l'hypothalamus, dans le cerveau. Quand il reçoit les signaux des récepteurs du froid de la peau et les variations de température du sang, il resserre les vaisseaux de la peau pour limiter les pertes de chaleur et, si cela ne suffit pas, produit de la chaleur par les frissons. Pour se contracter, le muscle utilise l'ATP, la « monnaie » énergétique de la cellule.
Lycée+Quand le muscle dégrade l'ATP pour se contracter, la part qui devient travail extérieur (rendement mécanique) est d'environ 20 à 30 % pour le vélo, par exemple. Dans les frissons, les muscles antagonistes agissent en même temps, si bien que le travail extérieur s'annule : le rendement est presque nul, c'est-à-dire que presque toute l'énergie devient chaleur.
Univ.Thermogenèse de frisson et thermogenèse sans frisson
En physiologie, on distingue deux productions de chaleur face au froid : la thermogenèse de frisson (shivering) et la thermogenèse sans frisson. La seconde est surtout assurée par le tissu adipeux brun, où la protéine de découplage mitochondriale (UCP1) libère directement l'énergie du carburant sous forme de chaleur, sans la convertir en ATP. Le bilan thermique relève du premier principe de la thermodynamique, et la variation de température peut s'estimer avec la capacité thermique. On sait que le tremblement humain s'enregistre comme de petites contractions continues, sur lesquelles se superposent des vagues d'intensité toutes les quelques secondes.
📖 Démonstration des formules et pour aller plus loin : Frisson (Wikipédia japonais) / Tissu adipeux brun (Wikipédia japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Dans quelle mesure la graisse brune de l'adulte agit-elle ? L'imagerie médicale a confirmé que les adultes en ont aussi, mais la quantité et l'activité varient beaucoup d'une personne à l'autre, et son rôle exact dans la régulation de la température et du poids reste à l'étude.
- Comment les frissons changent-ils quand on s'habitue au froid ? Certains travaux rapportent que vivre dans un environnement froid réduit les frissons et augmente la production de chaleur sans frisson, mais le mécanisme et les différences individuelles sont encore débattus.
- Le muscle peut-il aussi produire de la chaleur sans trembler ? On pense qu'il existerait dans le muscle une voie produisant de la chaleur sans contraction ; on étudie son utilité réelle chez l'humain.
Cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Même une réaction aussi familière que les frissons garde des questions sans réponse.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « Structure et fonctionnement du corps animal », « Énergie » | Fonctionnement des muscles et des os, conversion en chaleur |
| Lycée | Biologie : « Maintien du milieu intérieur » ; physique : « Chaleur et énergie » | Centre de régulation de la température, calcul avec la chaleur massique |
| Lycée+ | Biologie : « Contraction musculaire et ATP » | Rendement mécanique du muscle |
| Univ. | Physiologie, thermodynamique | Thermogenèse de frisson et sans frisson, premier principe de la thermodynamique |
| Recherche | Métabolisme, physiologie de l'énergie | Graisse brune de l'adulte, adaptation au froid |
| – | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi on se refroidit plus vite quand on a faim, ce que signifie l'arrêt des frissons |
- Frisson (シバリング) – Wikipédia japonais
- Tissu adipeux brun (褐色脂肪組織) – Wikipédia japonais
- Métabolisme de base (基礎代謝) – Wikipédia japonais
- Premier principe de la thermodynamique (熱力学第一法則) – Wikipédia japonais
- Haman, F. "Shivering in the cold: from mechanisms of fuel selection to survival." Journal of Applied Physiology, 2006.
- Irii Masami (入來正躬) (dir.), 『体温生理学テキスト』 (Manuel de physiologie de la température corporelle), Bunkodo (文光堂)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Si vous avez des frissons persistants, de la confusion ou d'autres symptômes, consultez sans hésiter un professionnel de santé.