Contributeurs: Baptiste Moreau, Vincent Bonhomme

 français   Dernière modification le: 04/05/17 - Crée le: 31/03/17


Comment réduire la gravité d'un accident ?

par Baptiste Moreau

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Contributeurs : Baptiste Moreau, Vincent Bonhomme · Éditeur : Vincent Bonhomme (d · c · b)
Date création : 31 mars 2017 · Date révision : ?date_rev · Version révision : ?id_rev
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L’accident de la route est la troisième cause de mortalité violente en France[1]. La biomécanique permet de décrire et de modéliser les structures du corps humain comme un.e ingénieur.e le ferait pour une pièce mécanique. La biomécanique des chocs, née au début des années 1970, s’est imposée dans la conception des systèmes de protection dans les véhicules routiers.
« La science de la mécanique est en cela si noble et utile en comparaison à toutes les autres sciences, qu’il se peut que tous les organismes vivants ayant la possibilité de se mouvoir soient régis selon ses lois » — Léonard de Vinci
Lors d’un accident de voiture, le corps humain est soumis à des forces importantes dues à la variation brutale de la vitesse qui conduit souvent à des blessures. La biomécanique a pour rôle de reproduire, en laboratoire, les conditions du choc pour permettre d’évaluer la tolérance du corps humain.

Qu’est-ce qu’un choc ?

Illustration de la conservation de quantité de mouvement. Pour deux boules de billard de même masse, la vitesse avant le choc (à gauche) de la boule bleue est égale à la somme des vitesses après le choc (à droite) de la boule bleue et de la boule rouge.

D’un point de vue mécanique, un choc, c’est une discontinuité, c'est-à-dire un changement brusque de la vitesse. Ce changement brusque provoque un pic d’accélération (symétriquement, il en va de même pour une décélération). Par exemple, une balle qui rebondit sur le sol est un choc. L’interaction entre le sol et la balle se réalise sur un temps très court.

Il faut distinguer deux cas simplifiés pour l’étude mécanique du choc : le choc dur et le choc mou.

Dans le cas d'un choc parfaitement dur, comme deux boules de billard, il n’y a aucune modification interne avant et après le contact. La notion de quantité de mouvement, produit de la masse par la vitesse, est fondamentale en dynamique puisqu’elle se conserve. Autrement dit, la quantité de mouvement du système isolé, les deux boules de billard par exemple, avant le choc est égale à celle après le choc. Cette propriété fondamentale nous permet de déduire des relations entre les vitesses avant et après la collision.

L’autre notion importante en mécanique est l’énergie mécanique, qui se conserve elle aussi. Dans le cas des boules de billard, l’énergie à prendre en considération est l’énergie liée à la vitesse, appelée énergie cinétique. En effet, plus un objet prend de la vitesse, et plus il accumule de l’énergie, et plus le choc sera violent.

Déformation d'un tube par un projectile en faisant varier la vitesse (indiquée sous le tube en kilomètres par heure)

Pour un choc mou, la conservation de la quantité de mouvement subsiste, mais la conservation de l’énergie est vue différemment. En effet, dans un choc dur, seule l’énergie cinétique entre en jeu, alors que pour un choc mou, il y a des pertes d’énergie sous forme de chaleur ou de déformation.

Pour illustrer l’énergie cinétique qui se transforme en énergie de déformation, observons l’orgue de Casadei. On envoie un projectile à une certaine vitesse sur un tube en acier, et on observe la déformation due à ce choc. Si la déformation était proportionnelle à la vitesse, les tailles des tubes seraient alignées sur une droite, or ce n’est pas le cas. Cette expérience montre que l’énergie cinétique du projectile se transforme en énergie de déformation qui dépend du carré de la vitesse. Autrement dit, quand la vitesse est multipliée par deux, l’énergie cinétique et la déformation du tube sont multipliées par quatre.

Quels impacts sur un corps humain lors d'un choc ?

Pour résister à l’environnement qui l’entoure, le corps humain est équipé de nombreuses protections qui se sont adaptées au cours de l’évolution et notamment le squelette, la peau, les muscles et les graisses.

GRAHAM Project - L'homme qui résisterait mieux aux petits chocs automobiles.

Les os sont à la fois des structures résistantes, permettant de protéger les organes d’une force extérieur, mais aussi des structures élastiques pour amortir un choc. Pour cela, l’os est composé d’une partie compacte, l’os cortical, et d’une partie à l’aspect d’éponge, l’os spongieux. Cette composition interne lui permet d’être à la fois résistant et léger. La cage thoracique est un assemblage d’os, les vertèbres et les côtes, qui sont couplées pour assurer une grande résistance.

Or, les forces mises en jeu lors d’un accident sont très importantes du fait que l’énergie cinétique accumulée dépende du carré de la vitesse. Il faut distinguer deux types de dommages liés aux chocs : les dommages liés au contact, causes de fractures des os, et les dommages liés à la décélération, causes de lésions d’organes. Des artistes australiens ont imaginé un corps humain qui présenterait des protections naturelles pour résister aux petits chocs[2].
Modélisation simplifiée du corps humain pour simuler une collision

Vue la complexité du corps humain, la méthode numérique des éléments finis est utilisée pour modéliser les structures du corps humain [3], de la même manière qu’un ingénieur modélise un objet au comportement complexe. Chaque structure est découpée en petits éléments aux comportements et géométries plus simples, dans le but de résoudre ce problème complexe de manière décomposée et approchée.

Quels sont les moyens pour protéger l’occupant.e ?

Pendant un trajet, l’occupant.e se déplace à la même vitesse que le véhicule. Cependant, quand le choc intervient, le véhicule s’arrête brusquement (forte décélération) pendant que le corps continue de se déplacer dans la même direction à la même vitesse. Il faut donc fixer le corps de l’occupant au véhicule à l’aide d’une ceinture pour qu’il décélère de la même manière. Ce maintien est assuré par le prétensionneur qui plaque immédiatement la ceinture contre le corps au moment du choc. Le choc dur est néfaste pour le corps humain du fait de la forte décélération. Il est donc inutile de solidifier la structure du véhicule. Au contraire, l’énergie cinétique doit se transformer en énergie de déformation absorbée par la structure du véhicule, comme le tube de Casadei.

Pour des accidents à plus grande vitesse, on observe que la ceinture génère des lésions graves au niveau du thorax. De la même manière qu’il est plus facile d’enfoncer un doigt qu’une main dans du sable, la pression exercée par la ceinture sur le thorax est très importante à cause de la petite surface de contact. C’est pour cela que le coussin gonflable de sécurité, l'airbag, qui permet une grande surface de contact, vient en complément de la ceinture freiner le corps de l’occupant.

En complément de l’airbag, la ceinture doit dissiper l’énergie cinétique emmagasinée par le corps, mais attention, pas trop brutalement. Pour cela, elle accompagne le corps tout en le freinant grâce à un limiteur d’effort. C’est une pièce mécanique qui a la capacité de se déformer progressivement, comme la structure du véhicule, afin d’absorber l’énergie cinétique sans créer de lésions importantes.

Les limiteurs d’effort sont conçus grâce aux connaissances biomécaniques de la capacité du corps humain à résister aux chocs[4]. Cette connaissance s’acquiert en partie grâce à des mannequins et des modèles numériques. À l’avenir, les limiteurs d’effort devront s’adapter à la morphologie de l’occupant pour le protéger efficacement. Les modèles numériques sont plus flexibles et permettront encore de nombreuses avancées au bénéfice de la sécurité des occupant.e.s.

Pour aller plus loin

  1. http://www.securite-routiere.gouv.fr/content/download/35530/340409/version/2/file/Bilan+d%C3%A9finitif+ONISR+2015.pdf
  2. http://www.meetgraham.com.au/
  3. Schwartz, D., Guleyupoglu, B., Koya, B., Stitzel, J. D., & Gayzik, F. S. (2015). Development of a computationally efficient full human body finite element model. Traffic injury prevention16(sup1), S49-S56.
  4. Foret-Bruno, J. Y., Trosseille, X., Le Coz, J. Y., Bendjellal, F., Steyer, C., Phalempin, T., ... & Got, C. (1998). Thoracic injury risk in frontal car crashes with occupant restrained with belt load limiter (No. 983166). SAE Technical Paper.