Pourquoi un même poids devient soudain plus lourd quand on l'éloigne du corps ?
― Les os du bas du dos subissent une force plusieurs fois supérieure au poids porté
Porter un carton bien collé contre la poitrine ne pose aucun problème. Mais bras tendus, la même charge devient pénible en quelques pas. Le poids n'a pourtant pas changé d'un gramme. Ce qui change, c'est la force exercée sur les os du bas du dos. Cette force peut atteindre plusieurs fois le poids de la charge elle-même.
Jour de déménagement. Vous serrez contre vous un carton rempli de livres. C'est lourd, mais vous arrivez à le porter jusqu'à l'autre bout de la pièce.
Mais que se passe-t-il quand vous sortez ce même carton du fond d'une étagère ? Bras tendus vers l'avant, dès que vous le soulevez, un « aïe » vous échappe.
On croit que ce sont les bras qui souffrent. Pourtant, le lendemain matin, c'est généralement le bas du dos qui fait mal, pas les bras.
Il y a deux grandes raisons
Le point où les muscles du dos tirent sur la colonne vertébrale se trouve à quelques centimètres seulement de l'articulation du bas du dos. La charge, elle, est à plusieurs dizaines de centimètres. Un bras de levier court doit s'opposer à un bras de levier long, donc le muscle doit développer une force plusieurs fois supérieure à celle de la charge.
Les muscles courent verticalement le long de la colonne vertébrale. Plus le muscle tire fort, plus la colonne est comprimée comme dans un étau, du haut vers le bas. La force produite par le muscle s'ajoute intégralement au poids de la charge.
Autrement dit, si porter loin du corps est pénible, ce n'est pas parce que « les bras sont faibles ». C'est parce que le levier dont le pivot est l'articulation du bas du dos devient soudain très défavorable. Voyons cela pas à pas.
Le bas du dos est un levier extrêmement désavantageux
Regardons de profil la posture penchée en avant pour porter une charge. En prenant l'os du bas du dos comme pivot, le corps entier devient un véritable levier. Regardez la figure 1. La charge pend à environ 40 centimètres du pivot, et le poids du haut du corps lui-même s'exerce à environ 25 centimètres. Les deux tendent à faire basculer le corps vers l'avant.
Ce qui retient ce basculement, ce sont les muscles qui courent verticalement le long du dos. Or, le point où ce muscle tire sur l'os n'est qu'à environ 5 centimètres du pivot. C'est comme une balançoire où l'autre personne serait assise tout au bout, et vous juste à côté du pivot. Pour équilibrer, il faut une force d'autant plus grande que le rapport des longueurs de bras est important.
La colonne vertébrale est comprimée du haut vers le bas
C'est ici que le corps, en tant que machine, montre sa difficulté. Les muscles du dos étant orientés verticalement le long de la colonne, plus ils tirent fort, plus cette force se transforme directement en une compression verticale de la colonne. La force considérable produite pour soutenir la charge s'accumule sans échappatoire entre les vertèbres.
Entre les vertèbres se trouve un disque souple appelé disque intervertébral. Comme le montrera le calcul plus loin, porter une charge de 20 kg bras tendus soumet ce disque à une force estimée à environ 6 fois le poids du corps. En rapprochant la même charge du corps, on peut réduire cette force d'environ 30 %.
Plier les genoux n'a rien de magique en soi. Cela permet de garder le dos droit tout en se rapprochant de la charge, ce qui raccourcit en fin de compte la distance entre la charge et le bas du dos. Ce qui compte, ce n'est pas la forme de la posture, mais cette distance. À l'inverse, plier les genoux en gardant la charge éloignée du corps ne réduit guère la force sur le bas du dos.
Quand on porte quelque chose de lourd, on penche inconsciemment le haut du corps vers l'arrière. Cela rapproche le centre de gravité de la verticale du pivot, ce qui raccourcit le bras de levier. Sans faire de calcul, le corps choisit naturellement la posture qui avantage le levier.
En résumé
Éloigner une charge du corps allonge d'un coup le bras de levier dont le pivot est le bas du dos. Le bras de levier du muscle qui le soutient, lui, reste de quelques centimètres, donc le muscle n'a d'autre choix que de fournir une force plusieurs fois supérieure. Et cette force se transforme intégralement en force de compression de la colonne vertébrale. Une variation de quelques dizaines de centimètres suffit à faire varier la force interne du corps de plusieurs dizaines de kilos.
Ce n'est pas la charge qui détermine le poids ressenti.
Ce sont les quelques dizaines de centimètres entre la charge et le bas du dos.
Comment le disque entre les vertèbres évolue au cours d'une même journée est expliqué dans Pourquoi notre taille varie-t-elle d'un centimètre entre le matin et le soir ?, et le renouvellement continu des os eux-mêmes dans Pourquoi les os sont-ils renouvelés tous les quelques années ?.
- Prenez une bouteille d'eau de 2 litres. Tenez-la à deux mains, bien collée contre la poitrine, et restez debout 30 secondes.
- Ensuite, tenez la même bouteille bras tendus vers l'avant, et restez debout 30 secondes. La vitesse à laquelle la fatigue apparaît devrait être totalement différente.
- Enfin, bras toujours tendus, penchez légèrement le haut du corps vers l'arrière. Si c'est plus facile, c'est la preuve que le bras de levier a raccourci.
Si vous avez des problèmes de dos, ne faites que les étapes 1 et 3. Même avec une bouteille légère, on comprend très bien que c'est la distance qui compte, pas le poids.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué explicitement
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de physique du lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéContenu universitaire spécialisé (biomécanique), non enseigné au lycée
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme établi même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Moment de force : l'intensité de l'effet qui tend à faire tourner un objet. Il s'exprime par le produit de la force et de la distance entre le pivot et le point d'application de la force. C'est l'efficacité même du levier.
- Bras de levier : distance entre le pivot et le point d'application de la force. Pour le bas du dos, le bras de levier de la charge fait plusieurs dizaines de centimètres, celui du muscle du dos quelques centimètres.
- Disque intervertébral : tissu souple en forme de disque situé entre les os de la colonne vertébrale. Il encaisse les forces venant du haut et du bas et les soutient sous forme de pression interne.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle force en kilos s'exerce sur la colonne ?
Calculons la force exercée sur l'os du bas du dos lorsqu'on porte une charge de 20 kg penché en avant. Prenons l'exemple d'une personne de 60 kg.
| En notation symbolique | F × a = W1 × b + W2 × c |
| En mots | Force du muscle × bras de levier du muscle = poids de la charge × bras de levier jusqu'à la charge + poids du haut du corps × bras de levier jusqu'au centre de gravité du haut du corps |
| D'où vient cette formule | C'est l'équilibre des moments de force autour du pivot de l'articulation du bas du dos. Quand le corps reste immobile sans basculer vers l'avant, l'effet qui tend à le faire basculer et l'effet qui tend à le redresser sont égaux. La force sur la colonne se calcule ensuite par P = F + W1 + W2. |
| Poids de la charge W1 | 20kg, soit une force d'environ 200N (N étant l'unité de force) |
| Poids du haut du corps W2 | Environ la moitié du poids corporel, soit 30kg, soit une force d'environ 300N |
| Bras de levier jusqu'à la charge b | 0,40m (bras tendus, penché en avant) |
| Bras de levier jusqu'au centre de gravité du haut du corps c | 0,25m |
| Bras de levier du muscle du dos a | 0,05m (seulement quelques centimètres) |
| Effet de la charge qui fait basculer le corps | 200 × 0,40 = 80 |
| Effet du haut du corps qui fait basculer le corps | 300 × 0,25 = 75 |
| Total de l'effet de basculement | 80 + 75 = 155 |
| Force musculaire F nécessaire à l'équilibre | 155 ÷ 0,05 = 3100 |
| Total des poids exercés du dessus | 200 + 300 = 500 |
| Force de compression de la colonne P | 3100 + 500 = 3600 |
| Converti en poids | 3600 ÷ 9,8 ≒ 367 |
| Combien de fois le poids du corps | 367 ÷ 60 ≒ 6,1 |
Le disque entre les vertèbres subit donc une force équivalente à environ 367 kilos, soit environ 6 fois le poids du corps. Avec le même calcul, en rapprochant la charge du corps à 0,15m, on obtient :
| Effet de la charge qui fait basculer le corps | 200 × 0,15 = 30 |
| Total de l'effet de basculement | 30 + 75 = 105 |
| Force musculaire nécessaire | 105 ÷ 0,05 = 2100 |
| Force de compression de la colonne | 2100 + 500 = 2600 |
| Converti en poids | 2600 ÷ 9,8 ≒ 265 |
En rapprochant simplement la charge de 25 centimètres, la force sur la colonne diminue de 100 kilos. On voit bien que ce n'est ni la force des bras ni le courage qui compte, mais la distance. Notez qu'il s'agit d'une estimation très simplifiée assimilant le corps à une seule barre rigide. Dans la réalité, les abdominaux et la pression interne de l'abdomen contribuent aussi au soutien.
LycéeLycée+Pourquoi le corps humain utilise-t-il un levier aussi désavantageux ?
LycéeEn physique, on traite cela comme l'équilibre des moments de force autour d'un pivot. Ce levier du bas du dos est du type levier de troisième genre, où le point d'application de la force motrice et le point d'application de la charge sont du même côté du pivot : il est toujours désavantageux en termes de force. En contrepartie de cette perte de force, une légère contraction musculaire permet de déplacer l'extrémité du membre sur une grande amplitude et à grande vitesse.
Lycée+La plupart des bras et des jambes humains sont construits selon ce même principe de levier de troisième genre. On échange de la force contre de la vitesse et de l'amplitude de mouvement. Le bas du dos n'est pas une exception : c'est tout le corps qui fait ce même compromis.
UniversitéMesure de la pression intradiscale et modèles musculosquelettiques
En biomécanique, cette force a été mesurée directement sous forme de pression intradiscale. Depuis les années 1960, des études ont inséré de fines aiguilles dans le disque intervertébral pour mesurer la pression, montrant qu'elle est bien plus élevée en position penchée en avant qu'en position debout. Aujourd'hui, on utilise couramment des modèles musculosquelettiques incluant de nombreux muscles, auxquels on applique la dynamique inverse pour estimer les forces de compression et de cisaillement sur la colonne lombaire. Comme le montre le calcul ci-dessus, assimiler les muscles à un seul élément peut surestimer ou sous-estimer la force réelle ; c'est pourquoi on traite la question comme un problème de répartition musculaire, en résolvant la contribution de plusieurs muscles simultanément.
📖 Dérivation des formules et approfondissement : Moment de force (Wikipédia japonais) ／ Disque intervertébral (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- L'intensité de la force et la douleur ne coïncident pas. Une force plus élevée sur la colonne lombaire ne signifie pas forcément plus de douleur ; beaucoup de personnes présentant des anomalies visibles à l'imagerie ne souffrent d'aucune douleur. La mécanique seule n'explique pas tout.
- L'effet de la pression abdominale interne n'est pas déterminé. On pense que contracter les abdominaux augmente la pression interne de l'abdomen et réduit la charge sur la colonne, mais l'ampleur de cet effet varie selon les études.
- L'efficacité de la « bonne technique de levage » fait aussi débat. Certains rapports indiquent que l'enseignement de la technique du genou plié ne réduit pas nécessairement les troubles du dos, ce qui remet en question l'idée qu'enseigner la posture seule suffise.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi relève de « l'explication en l'état actuel des connaissances ». L'équilibre du levier est certain, mais son lien direct avec les troubles du corps reste encore incertain.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Section correspondante |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Fonctionnement du levier | Pivot, point d'application, point de résistance, et rapport des bras de levier |
| Lycée | Physique・Moment de force et équilibre | Sections ⓪ et ② de « Vérification par le calcul » |
| Lycée+ | Physique・Équilibre des corps solides | Pourquoi un levier de troisième genre est désavantageux en force |
| Université | Biomécanique・Orthopédie | Mesure de la pression intradiscale et modèles musculosquelettiques |
| Recherche | Épidémiologie et ergonomie de la lombalgie | Le problème de la non-coïncidence entre intensité de la force et douleur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Rapprocher la charge du corps réduit la force sur le bas du dos d'environ 30 % |
- Ministère de la Santé, du Travail et des Affaires sociales du Japon, « Directives de prévention des lombalgies en milieu professionnel » (職場における腰痛予防対策指針 ; directives préconisant notamment de rapprocher les charges lourdes du corps)
- Nachemson, A. « The load on lumbar disks in different positions of the body », Clinical Orthopaedics and Related Research, 1966 (mesure directe de la pression intradiscale selon la posture)
- Société japonaise d'orthopédie et Société japonaise de la lombalgie (éd.), « Recommandations pour la prise en charge de la lombalgie » (腰痛診療ガイドライン ; synthèse sur la relation entre causes de la lombalgie et résultats d'imagerie)
- Moment de force (Wikipédia japonais)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères approximatifs destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. En cas de douleur ou d'engourdissement persistant du bas du dos, consultez un professionnel de santé plutôt que de vous fier à votre propre jugement.