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Comment caractériser une chaussure de running ?

Publié dans Innovation Recherche & Développement le 22/03/2021 par CTC
Il existe actuellement de nombreux essais réalisés au sein du laboratoire d’analyses physiques de CTC, permettant de caractériser de façon objective les performances d'une chaussure (par exemple : coefficient de transfert, test de torsion, restitution d’énergie, etc.). Chaque test permet de mesurer séparément un critère spécifique. En biomécanique, il est possible d’évaluer de nombreuses caractéristiques d’une chaussure dans des conditions représentatives de la réalité et sur l’usage réel d’une chaussure, puisque le principe de la biomécanique est d’analyser les chaussures lors d’essais au porter réalisés par des humains.

À l’aide des outils présents sur notre plate-forme biomécanique "Living Lab", nous avons la capacité de réaliser des tests au porter instrumentés. Pour nous, quatre paramètres sont importants pour caractériser les performances d’une chaussure de running :

  • l’amorti, afin de protéger le coureur des chocs répétés avec le sol ;
  • le dynamisme (ou relance), afin d’avoir un meilleur rendement et de s’économiser, notamment sur longue distance ;
  • la stabilité, afin d’assurer au coureur une foulée sûre sans risque de chute, entorse ou sollicitation musculaire excessive ;
  • le confort, qui est d’une part un critère essentiel dans la dynamique d’achat du client, et d’autre part très important pour le bien-être durant la course.

 

Amorti de la chaussure


Pendant une course, le pied du coureur entre cycliquement en contact avec le sol. Ce contact peut être défini par la force d’impact au sol qu’il est possible de mesurer. En général, la diminution de l’intensité de cet impact est recherchée par les industriels dans la conception de leur chaussure. À l’aide de la littérature scientifique, nous avons tenté de mettre en évidence un paramètre afin de quantifier au mieux cet impact.
Notre tapis de course instrumenté de plates-formes de force (voir 1) nous permet de quantifier les forces exercées dans les trois axes d’un repère défini lors du contact au sol : verticale, médio-latérale (dans l’axe gauche-droite) et antéro-postérieure (dans l’axe avant-arrière).
Pour quantifier la capacité amortissante d’une chaussure, nous analysons la force produite verticalement lors d’un appui au sol pendant la course à pied. La courbe est composée de deux pics (voir 2) :

  • le premier pic, appelé "pic passif" ou "pic d’impact", est très rapide (de l’ordre de quelques millisecondes) et correspond au moment où le talon touche le sol. Il peut être facultatif, comme lorsqu’une personne court et entre en contact avec le sol avec l’avant-pied, par exemple ;
  • le second pic, appelé "pic actif" ou "pic de propulsion", correspond à la relance vers l’avant du pas suivant. Ce pic peut atteindre 2,5 à 3 fois le poids de son corps.

 

Tapis de course & Évolution de la force verticale

1 - Tapis de course instrumenté de plates-formes de force et synchronisé avec un système de capture du mouvement
2 - Évolution de la force verticale (en poids de corps) au cours d’un appui

 

Le but d’une chaussure amortissante consiste à rallonger le temps d’apparition du pic d’impact, influençant ainsi le cœfficient directeur (ou la pente) de la droite tracée en tirets noirs (voir 2). Plus ce cœfficient directeur sera faible et moins l’impact sera important.

La figure 3 compare la force verticale lors d’un appui en course à pied lorsque le coureur est pied nu (courbe rouge) et lorsque ce dernier est équipé de chaussures amortissantes (les différentes courbes bleues présentent des amortis différents). Lorsque l’on compare les droites rouges et bleues, on observe une différence de pente qui nous renseigne sur la capacité amortissante des chaussures. La droite bleue, ayant une pente plus faible que la rouge, nous indique que les chaussures testées ici sont plus amortissantes que lorsque le coureur court pied nu.
Cette méthode largement utilisée subit quelques polémiques d’un point de vue scientifique. En effet certains auteurs ont mis en évidence des taux de charge supérieurs (pente plus forte) lors d'essais biomécaniques avec des chaussures ayant un bon amorti. D'autres méthodes semblent pertinentes pour mesurer ce critère par la biomécanique. Une méthode basée sur la mesure de l'accélération tibiale permet de mesurer l'amorti d'une chaussure. Pour cela, un accéléromètre est positionné sur le tibia du coureur (voir 4). Lors de la course (ou de la marche), nous mesurons alors l’accélération du tibia.

De cette manière, il est possible de comparer les performances amortissantes des chaussures, mais également de caractériser l’usure de celles-ci (voir 5). Pour évaluer cette dernière, il suffit alors de mesurer l’accélération verticale du tibia lorsque la chaussure est neuve, puis de répéter la même opération après utilisation (usure) de la chaussure. Lorsque l’amorti est usé et/ou moins performant, l’accélération verticale au niveau du tibia est plus grande. L’impact du pied avec le sol est moins absorbé, indiquant une usure du matériau permettant l’amorti.

 

3 - Comparaison de l'évolution de la force verticale (en poids de corps) au cours d'un appui entre la condition pied nu (en rouge) et les conditions chaussé de différentes semelles amortissantes (en bleus). / Tirée de Hamill J., 2011 4 - Positionnement de l'accéléromètre sur le tibia 5 - Comparaison de l'évolution de l'accélération tibiale au cours d'un appui équipé de chaussure neuve (en vert) et usagée (en bleu). / Tirée de Chambon et al., 2014

3 - Comparaison de l'évolution de la force verticale (en poids de corps) au cours d'un appui entre la condition pied nu (en rouge) et les conditions chaussé de différentes semelles amortissantes (en bleus). / Tirée de Hamill J., 2011
4 - Positionnement de l'accéléromètre sur le tibia
5 - Comparaison de l'évolution de l'accélération tibiale au cours d'un appui équipé de chaussure neuve (en vert) et usagée (en bleu). / Tirée de Chambon et al., 2014

 

Dynamisme


Pour caractériser le dynamisme pendant la course à pied, nous examinons la force antéro-postérieure. La courbe est composée de deux phases (voir 6) :

  • une "phase de freinage" au moment du contact avec le sol, ce qui va légèrement faire ralentir le coureur ;
  • une "phase de propulsion" pour la relance vers l’avant, entraînant une légère accélération pour conserver et/ou augmenter sa vitesse de course.

La chaussure a pour but de minimiser la pente de vitesse entre les deux phases.

La figure 7 présente l’évolution de la force antéro-postérieure au cours d’un appui. Nous observons sur cet exemple une différence entre la condition chaussé et pied nu. En effet, lorsque l'on compare les conditions "pied chaussé" (courbe bleue) et "pied nu" (en rouge) nous observons une mise en charge plus rapide en condition "pied nu". Cette dernière est caractéristique d'un dynamisme plus important lors de l’appui. Dans cet exemple, la chaussure possède un amorti qui vient ainsi diminuer le dynamisme de la chaussure.

 

6 - Courbe de la force antéro-postérieure (en poids de corps) au cours d’un appui 7 - Comparaison de l'évolution de la force antéro-postérieure pied chaussé (en bleu) et pied nu (en rouge) au cours d'un appui. / Tirée de Kelly et al., 2016

6 - Courbe de la force antéro-postérieure (en poids de corps) au cours d’un appui
7 - Comparaison de l'évolution de la force antéro-postérieure pied chaussé (en bleu) et pied nu (en rouge) au cours d'un appui. / Tirée de Kelly et al., 2016

 

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Stabilité


Pour quantifier la stabilité d’une chaussure, différentes techniques sont possibles et notamment la mesure de l’angle tibio-calcanéen, autrement dit l’angle formé par le tibia et le calcanéum (os situé au niveau du talon), grâce à notre système d’analyse du mouvement en trois dimensions (Motion Analysis). Pour obtenir cet angle, nous utilisons quatre marqueurs sur la peau et la chaussure : deux qui longent le tibia et deux qui suivent le calcanéum (voir 8). Plus la variation angulaire est importante et plus la chaussure sera instable.

8 - Placement des marqueurs pour obtenir l’angle tibio-calcanéen

8 - Placement des marqueurs pour obtenir l’angle tibio-calcanéen

 

Confort de la chaussure


Dans cette partie, nous traiterons seulement d’éléments nous permettant de faire une évaluation objective en traitant la notion d’inconfort. Pour détecter des points douloureux susceptibles de révéler un certain inconfort dans la chaussure, il est possible de mesurer la répartition des pressions plantaires à l’aide de semelles de pressions.
La figure 9 représente une cartographie des pressions plantaires lors de la marche. Les zones en rouge présentent les pressions les plus importantes. Nous pouvons supposer que plus nous observerons de zones rouges et moins la chaussure sera confortable.

9 - Cartographie des pressions plantaires d'un pied droit avec le port de deux chaussures différentes

9 - Cartographie des pressions plantaires d'un pied droit avec le port de deux chaussures différentes

 

Enfin, il est évident que pour évaluer le confort (d’accueil ou au porter), un questionnaire de ressenti reste l’outil indispensable. Nous avons d’ailleurs créé un "logiciel" spécifique, normalisé par l’utilisation de EVA (Échelle Visuelle Analogique) et adapté au secteur de la chaussure, mais qui ne sera pas présenté ici. Une illustration de celui-ci est représentée sur la figure 10. 
Ce dernier, couplé aux outils de mesure biomécanique, permet une évaluation pertinente des produits chaussants.

10 -  Logiciel développé pour le recueil des données de confort (échelle EVA)

10 -  Logiciel développé pour le recueil des données de confort (échelle EVA)

 

Certaines de ces méthodes de caractérisation des chaussures de running peuvent également s’appliquer pour la marche.
L’évaluation de ces différents paramètres est établie en s’appuyant sur une analyse de la littérature scientifique. Il est cependant important de noter que les méthodes d’évaluation ne font pas toutes l’unanimité au sein de la communauté scientifique. Cet article permet de rendre compte des méthodes actuelles permettant d’évaluer les performances d’une chaussure. 

Les analyses biomécaniques permettent d’évaluer les concepts chaussants en conditions réelles d’utilisation. Il est à noter que la fiabilité ou plutôt la puissance des résultats dépend généralement du nombre de mesures réalisées et de l’homogénéité de celles-ci. 
La réalisation de telles études demande ainsi un panel de sujets (environ 12) et nombre de répétitons relativement importantes ce qui explique un temps d’étude long et un coût généralement élevé.  
Dans un objectif de s’affranchir de l’hétérogénéité des sujets tout en testant les produits chaussants de manière proche de l’usage, un projet de développement d’un simulateur de marche / course à pied est à l’étude au sein de CTC. L’objectif est à la fois de pouvoir réaliser des essais relativement répétables, tout en s’approchant le plus possible des conditions réelles d’utilisation. Il s’agit alors de proposer un essai à mi-chemin entre un essai laboratoire et un test au porter. 
À suivre… 

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