Les tempêtes sont responsables de la moitié des dégâts dans les forêts européennes. Lemassif landais a été touché par deux tempêtes. L’ancrage racinaire est une composante majeure de la stabilité des arbres. L'ancrage du pin adulte est dépendant du développement des racines au stade jeune puisqu’elles ne fourchent pas spontanément et ne possèdent pas d’axes à développement retardé. Notre but était de mettre en relation architecture racinaire, stabilité et itinéraire sylvicole. Nous avons mesuré et analysé de façon innovante l'architecture racinaire d'arbres âgés de 3 à 5 ans et de 13 ans ayant subi une tempête. Le pivot des arbres de 13 ans ne représente que 12% de la biomasse racinaire mais reste le composant majeur de la stabilité. Un ancrage efficace est assuré par un pivot vertical unique, petit et large ou long et fin, par le volume des racines profondes et par la rigidité des racines traçantes. Le maintien du tronc est uniquement lié à la rigidité de la partie centrale du système racinaire. La fonction d’haubanage des racines traçantes est faible. La taille du plus grand secteur sans racine traçante auvent et sous le vent tout comme une microtopographie importante au vent n’interviennent pas dans la stabilité. Au stade jeune, les arbres plantés présentent de nombreuses déformations des racines traçantes,déformations qui les redistribuent au hasard tout autour de la souche avant d’être rapidement incluses par la souche en croissance. Le développement du pivot est en général correct. Les différents types de labour n’impactent pas l’architecture racinaire. Les racines traçantes suivent la surface du sol et peuvent être coupées lors des entretiens de la strate basse. / Storms account for half of the damages in European forests; the Landes forest has beenheavily damaged by two major storms. Root anchorage is a major element in tree stability. The root anchorage of mature pine is strongly linked with the root development in seedlings as this species donot spontaneously fork and do not grow delayed branches. The aim of our research was to link rootarchitecture, stability and stand management practices. We measured and analyzed in an innovative way the root architecture of 3-5-year-old trees as well as 13-year-old trees from stands damaged by astorm.The 13-year-old trees, taproot only represented 12% of root biomass but still remained the maincomponent of stability. An efficient anchorage was provided by a unique vertical taproot, short andlarge or long and thin, together with a larger deep root volume. Windward shallow roots stiffness alsocontributed to stability. Stem leaning was solely prevented by the stiffness of the central part of theroot system. The guying of shallow roots did not contribute to stability. The size of the largest anglebetween shallow roots windward and leeward was not related to stem leaning. Similarly, a largerfurrow leeward did not weaken tree stability.Planted seedling show large deformations of their shallow lateral roots, randomly distributed around the stump before being later included in the growing stump. The taproot growth was generally correct. Root architecture of trees after strip ploughing was not different from those of full ploughing. Theshallow roots follow the soil surface and can be cut during mechanical weed control.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de méthodes d'identification inverse de paramètres matériau. On porte un intérêt particulier à la biomécanique des tissus souples renforcés par des fibres de collagène (artère, disque intervertébral, peau, tendon, ligament, etc.), dans le cadre de leurs réponses viscoélastiques et en grandes déformations et en grands déplacements (hyperélasticité). Fortement non-linéaires et anisotropes, les lois constitutives en biomécanique contiennent un nombre important de paramètres matériau. Le problème inverse qui permet de les identifier est de grande dimension et fortement non linéaire. En raison de difficultés numériques liées à sa résolution avec des méthodes à base de gradient, nous avons développé deux nouvelles méthodes d’identification inverse de paramètres nommées GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) et MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).La méthode GAO combine de manière avantageuse les méthodes déterministes de type gradient avec les algorithmes génétiques. Son originalité consiste à introduire des calculs analytiques pour la partie déterministe, ce qui permet d’accélérer et d’améliorer la convergence des algorithmes génétiques. Cette stratégie est appliquée dans le cadre de l’hyperélasticité anisotrope.En ce qui concerne la méthode MMIM, elle opère selon un critère d’identification basé sur la norme infinie et elle utilise les algorithmes génétiques. Elle permet d’identifier les paramètres de lois viscoélastiques quasi-linéaires. Elle garantit une réponse visqueuse constante qui est caractéristique des tissus souples qui sont insensibles à la vitesse de chargement.Les méthodes GAO et MMIM ont identifié avec succès des paramètres de tissus artériels et de tissus du disque intervertébral. Les propriétés de ces tissus sont décrits par ailleurs dans le mémoire dans un contexte plus général où on expose l'anatomie, l'histologie et le mécanisme de déformation aux différents niveaux hiérarchiques (nano-échelle à milli-échelle) d’un tissu souple renforcé par des fibres de collagène. Ceci permet de comprendre le rôle des efforts dans la relation liant la structure à la fonction en biologie. / This thesis focuses on research and development of inverse identification methods of material parameters. A particular attention is attributed to the viscoelastic response of collagen-reinforced soft tissues (artery, intervertebral disc, skin, tendon, ligament, etc) submitted to large displacements and large deformations (hyperelasticity). Highly non-linear and anisotropic, biomechanical constitutive laws account for a large number of material parameters. The inverse problem that allows their identification is of high non-linearity and of large dimension. By reason of numerical difficulties related to its resolution with gradient-based methods, we developed two new identification methods labelled GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) and MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).GAO advantageously combines deterministic methods of gradient type with genetic algorithms. Its originality consists in introducing analytical computations for the deterministic part leading to a gain in the speed up and in the convergence of genetic algorithms. This strategy is used in the context of anisotropic hyperelasticity.Regarding MMIM method, it operates according to an identification criterion that is expressed with the infinite norm and uses genetic algorithms. MMIM method identifies parameters of quasi-linear viscoelastic laws. It guarantees a constant viscous response that characterises the insensitivity of soft tissues to strain rate. GAO and MMIM methods successfully identified parameters of arterial wall and intervertebral disc tissues. The properties of these tissues are described in a more general context that exhibits the anatomy, histology and deformation mechanism at different hierarchical levels (nano-scale to milli-scale) of collagen-reinforced soft tissues. This gives understanding of the role of forces in relating structure to function in biology.

Dans le cadre de la simulation numérique portant sur la prédiction de phénomènes complexes, la modélisation de la pénétration d’un corps à travers un solide reste un challenge. Ceci est d’autant plus vrai si le corps impacté comporte une épaisseur importante devant les dimensions du projectile. Notamment, dans le contexte de la biomécanique des chocs, l’investigation des traumatismes suite à une blessure par balle, par un moyen numérique, nécessite la modélisation d’une zone pouvant être de plusieurs dizaines de fois supérieure aux dimensions du projectile sur un temps extrêmement court (de l’ordre de quelques dixièmes de milli-seconde). Les méthodes numériques dites classiques comme les éléments finis sont limitées dans ce domaine, dû en particulier à des problèmes de distorsions de maillage. Ce travail de thèse tente donc d’apporter une contribution dans le cadre de la modélisation des impacts pénétrants en proposant l'utilisation d’une méthode alternative sans maillage, la méthode "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH).Méthode "Smoothed Particle Hydrodynamics, Impact Pénétrant, Biomécanique, Dynamique Rapide, Axisymétrie / Numerical simulation offers the possibility to investigate complexe phenomenons by giving access to useful informations about the evolution of a material system under constraints. Nevertheless, there are some situations where classical procedures, such as the Finite Elements Method (FEM), suffers from issues (e.g. mesh distorsions). One of these situations comes from a biomechanical context, where the investigation tends to observe the penetration of a projectile through human soft tissus. In this context, the objective of this Ph.D Thesis is to evaluate the capability of one alternative method, named Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH), to handle such modelling configurations.Smoothed Particle Hydrodynamics method, Penetrating Impact, Biomechanics, Fast Dynamics, Axis-symmetry

Cette étude avait pour objectif premier une caractérisation biomécanique du simple pas chez le sujet « normal ». À cet effet, on a considéré l’effet de la vitesse, ce qui a notamment permis de tester l’invariance de l’égalité entre la perturbation appliquée au corps lors de son accélération et la contre-perturbation lors de son freinage (CPA) permettant le retour au repos. Ainsi , le rôle des CPA se trouve explicité. Dans une seconde série expérimentale, on a considéré l’effet du frottement à l’arrêt du mouvement. L’objet de cette série était de caractériser la modification des caractéristiques biomécaniques chez le sujet « normal ». La caractérisation n’a pas soulevé de problèmes majeurs, l’effet de la vitesse se confirmant pour les deux coefficients de frottement (COF) considérés ( Téflon et Carrelage ). En revanche, les différences entre caractéristiques biomécaniques paraissent ne pas être significatives quand le COF diffère. Néanmoins, si l’on considère les résultats individuels, on constate que la durée des CPA tend à être systématiquement supérieure pour le COF le plus faible (Téflon), alors que le pic d’amplitude est systématiquement inférieur . Ces résultats incitent à approfondir l’étude de l’effet du frottement sur le simple pas. En conclusion , le simple pas semble être un paradigme permettant d’obtenir des résultats robustes et facilement utilisables pour étudier des personnes vieillissantes ou handicapées . / This study aimed to biomechanical characterization of a simple step among normal subjects. To this end, we considered the effect of speed, which has enabled to test the invariance of equality between the disturbance applied to the body during its acceleration and counter- perturbation during its breaking phase (CPA) to return to initial position. Also, the role of CPA is explained.In a second experimental series, we considered the effect of friction at the stop point of movement .The purpose of this series was to characterization of biomechanical characteristics modifications among normal subjects. So, the characterization did not raise any major problems, the effects of velocity is confirmed for both COF considered (Teflon and Tiles). How ever, the differences between biomechanical characteristics are not significant when the COF is different, but by considering the individual results, we have found that the duration of the CPA tends to be systematically higher for Teflon, contrary to the peak amplitude results.These results encourage further study of the effect of friction on the single step.In conclusion, the simple step seems to be a paradigm for obtaining robust results and easily usable to study old or handicapped peoples.

Des micro-fissures sont générées dans le tissu osseux et résorbées par le remodelage<br />osseux. Une densité de fissures importante pourrait détériorer la résistance mécanique<br />osseuse (RMO). Cependant les causes et les conséquences sur la RMO d'une accumulation<br />du micro-endommagement osseux sont mal connues. De plus, aucune méthode non invasive<br />de quantification du niveau d'endommagement osseux existe aujourd'hui.<br />Dans ce contexte, une méthode de mesure acoustique, localisée et sans contact, basée<br />sur l'interaction non linéaire (NL) entre une onde acoustique basse-fréquence (BF) et des<br />impulsions ultrasonores (US) a été développée. Les impulsions US sont émises à une cadence<br />de tir environ 10 fois supérieure à la fréquence de l'onde BF. Le milieu est alors sondé à<br />différents états de contrainte tri-axiale, en compression et traction. Les variations du temps<br />de vol et de l'amplitude (ou de l'énergie) US rendent compte des effets NL acoustiques<br />respectivement élastiques et dissipatifs. Les effets NL acoustiques élastiques et dissipatifs<br />augmente généralement avec le niveau d'endommagement.<br />Après une validation dans l'eau et des solides non endommagés, des mesures dans des<br />matériaux fissurés et granulaires ont montré la sensibilité de la technique à la présence de<br />fissures et de contacts entre grains. Enfin son application à l'os trabéculaire du calcanéum a<br />montré que la zone de faible porosité pouvait produire de fortes non-linéarités acoustiques.<br />Pour des échantillons endommagés in vitro par fatigue en compression et par compression<br />quasi-statique, l'amplitude des non-linéarités acoustiques a montré une bonne corrélation<br />avec l'observation histologique du niveau d'endommagement.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne la simulation cinématique du mouvement d'entrée dans un véhicule automobile. Plus spécialement, il vise à simuler le mouvement d'entrée des membres inférieurs et du tronc pour des sujets d'anthropométrie variable dans un habitacle fixe. La démarche proposée pour résoudre ce problème complexe se décline en 4 étapes. La première étape consiste à construire une base de mouvements « cohérents ». Pour cela, les angles articulaires estimés lors de l'entrée dans un véhicule sont corrigés de façon à faire suivre aux pieds, après reconstruction du mouvement, leurs trajectoires expérimentales. Dans la seconde étape, les mouvements d'entrée dans un véhicule automobile sont analysés afin d'identifier et de caractériser des classes de mouvements. Chaque classe est alors représentée par un sujet caractéristique. La troisième étape exploite cette connaissance sur le mouvement afin de modéliser une « partie » du mouvement à simuler. Cette partie regroupe les trajectoires tridimensionnelles des pieds et du centre de masse du tronc, ainsi que l'orientation spatiale du tronc qui peuvent ainsi être simulées pour un nouveau sujet. Enfin, sur cette base, la dernière étape consiste à déterminer par cinématique inverse l'évolution des angles articulaires permettant l'animation du modèle squelettique.<br />Des mouvements d'entrée dans un véhicule automobile ont été simulés pour les sujets caractéristiques et d'autres sujets de la base de mouvements. La comparaison avec les mouvements mesurés montre une bonne similarité, qui néanmoins se dégrade avec l'éloignement du sujet par rapport au sujet caractéristique. Des simulations de sujets fictifs montrent enfin les limites de l'outil développé.<br />Ce travail ouvre de nombreuses perspectives de recherche allant de l'amélioration du modèle squelettique de l'homme à la prise en compte de la dynamique pour estimer l'inconfort d'un mouvement généré par la simulation.

Les fluctuations dominantes du vent au-dessus des couverts végétaux sont régies par une instabilité de type couche de mélange (ou Kelvin-Helmholtz), liée à l'inflexion du profil devent moyen au niveau du sommet du couvert. La thèse porte sur l'analyse du couplage<br />entre la dynamique du vent et l'ondulation des cultures sous le vent.<br /><br />Une technique expérimentale innovante a été développée pour mesurer, sur site et de manière non-intrusive, le mouvement global d'une culture. Le mouvement d'un champ de blé ou de luzerne est filmé en présence de vent. Puis, par une analyse de corrélation entre images, fondée sur des algorithmes de PIV (Particle Image Velocimetry), on en déduit le champ de vitesse bi-dimensionnel spatio-temporel de la surface du couvert végétal. La partie cohérente du mouvement est ensuite extraite à l'aide d'une décomposition bi-orthogonale du champ de vitesse. On montre que les propriétés spatiales et temporelles correspondantes ne peuvent s'expliquer à l'aide du modèle de la couche de mélange du vent, qui constitue l'approche la plus courante dans ce contexte. En particulier, on démontre le rôle de la dynamique des plantes, à travers leur fréquence propre, dans la sélection de fréquence et de longueur d'onde du mouvement cohérent du couvert végétal.<br /><br />Un modèle couplé, dans lequel les fluctuations du vent et le mouvement du couvert végétal interagissent à travers un terme de traînée est ensuite proposé. Une analyse de stabilité linéaire permet de mettre en évidence un mécanisme d'accrochage, par lequel la fréquence de l'instabilité dévie de la loi de Kelvin-Helmholtz et s'accroche sur la fréquence propre des plantes. Ce résultat est ensuite comparé avec les donnnées expérimentales des mesures sur site, et un bon accord qualitatif et quantitatif est obtenu avec le comportement des longueurs d'onde et fréquences de l'ondulation des cultures.

Dans le cadre de la prévention des pathologies osseuses, l'étude présentée a pour but de tester une nouvelle méthodologie d'évaluation du risque fracturaire de l'os spongieux de calcanéum humain. En s'appuyant i) sur des données cliniques (de densité minérale osseuse, de microstructure, DXA, Scanner X, Histomorphométrie) et ii) sur des techniques d'imagerie haute définition (IRM à 78 µm et tomographie à 10 µm), l'objectif est d'estimer les propriétés mécaniques de l'os spongieux (Module d'Young et contrainte maximale de compression). Deux types d'essais mécaniques ont été mis en œuvre : essais de compression sur échantillons cubiques d'os spongieux, essai de micro-flexion sur trabécules osseuses. Différents modèles par éléments finis (MEF) de ces essais ont été construits et permettent de déterminer les propriétés mécaniques du tissu trabéculaire. Le risque fracturaire pourrait être évalué par quantification de la charge de ruine et du degré de déformation de ce tissu. Les résultats de cette méthodologie sont alors confrontés aux méthodes classiques d'évaluation clinique du risque fracturaire.

Cette thèse est une contribution à l'amélioration de la connaissance des comportements mécaniques des tissus biologiques, en particulier dans le contexte accidentologique. L'objectif de cette étude biomécanique est de faire le lien entre les notions de lésions utilisées en clinique et celles d'endommagement et de rupture utilisées en mécanique. Elle porte sur la modélisation du comportement des ligaments dans l'articulation du genou humain, et s'intéresse plus particulièrement à l'insertion du ligament dans l'os. Les lésions qui touchent cette structure se produisent soit dans le ligament, soit dans une région proche de la zone de transition entre l'os et le ligament. Ce problème est original sur les plans anatomique et mécanique. Sur le plan anatomique, il n'existe pas de description fine (c'est-à-dire à l'échelle microscopique) de l'architecture de cette transition, qui paraît brutale à l'oeil nu et qui est un lieu possible de lésion ligamentaire. Sur le plan mécanique, il s'agit de l'étude d'un tissu biologique, qui comprend de plus la transition entre un tissu dur minéralisé (l'os) et un tissu mou non minéralisé à fibres longues (le ligament). La méthodologie a donc été de comprendre le fonctionnement de l'articulation du genou et les lésions et traumatismes dont elle est le lieu, de connaître la composition et l'organisation des tissus qui constituent cette transition, au moyen d'un étude histologique, de décrire son comportement mécanique dans le fonctionnement du ligament, par le développement d'un protocole expérimental, et enfin de développer un modèle de comportement de l'insertion ligamentaire. L'étude porte sur les ligaments croisé postérieur et latéral externe, ligaments dont les mécanismes lésionnels dans le cas des accidents de la route ont été plus particulièrement étudiés. L'architecture de la zone de transition en microscopies optique et électronique a été décrite et a montré qu'elle est la superposition d'un front de minéralisation et d'un changement de la structure du tissu (présence de cartilage fibreux). Cette transition se fait sur une longueur d'environ 300 micromètres. Les essais expérimentaux de traction ont été réalisés sur la structure insertion ligamentaire - ligament - insertion ligamentaire prélevée sur sujets d'anatomie. La sollicitation a été appliquée soit dans la direction des fibres ligamentaires, soit une direction réaliste du point de vue physiologique. Les protocoles développés permettent de faire des essais cycliques sans endommager les tissus et des essais à rupture sous sollicitations quasi-statiques (1 mm/s et 20 mm/s) et dynamiques (0.5 m/s et 1 m/s). Pour les essais dans la configuration physiologique, les genoux ont été testés en extension complète (station érigée) et à 120 degrés de flexion (position de conduite). Les résultats expérimentaux montrent que, pour les vitesses et amplitudes testées, les ligaments dissipent de l'énergie par frottement interne et que leur comportement est très dépendant de l'angle de flexion du genou. La rupture se produit toujours par arrachement osseux au niveau de l'os cortical en quasi-statique. En dynamique, pour la vitesse testée, il y a toujours décohésion entre fibres dans le ligament, mais la rupture se produit le plus souvent par arrachement de l'os spongieux en profondeur. L'étude du comportement du ligament (influence de l'orientation de l'insertion ligamentaire) et de la micro-structure de l'insertion nous ont menés à choisir un modèle d'interface pour décrire son comportement. Deux modèles de zones cohésives (couplant frottement, adhésion et éventuellement endommagement) ont été développés pour prédire les lésions par arrachement osseux et par décohésion entre les fibres ligamentaires.

La fibrilline-1, composant majeur des microfibrilles et second composant majeur des fibres élastiques, est une glycoprotéine dont la mutation du gène chez l'humain est responsable du syndrome de Marfan, caractérisé par des anévrismes et des dissections aortiques. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié d'une part le rôle de la fibrilline-1 dans la physiologie des cellules endothéliales vasculaires humaines et d'autre part la conséquence du déficit quantitatif de la fibrilline-1 sur la structure et la fonction du système cardiovasculaire au cours du vieillissement chez la souris. Le fragment de fibrilline-1 "PF14" induit une signalisation calcique via les intégrines α5β1 et αvβ3, l'activation de la phospholipase C et la mobilisation des réserves intracellulaires de calcium, ainsi que la prolifération et la migration des cellules endothéliales humaines. La déficience quantitative sévère ou totale de la fibrilline-1 entraîne une létalité chez la souris dans les deux semaines après la naissance alors que celle, partielle, due à la délétion hétérozygote hypomorphique des exons 19 à 24 du gène de la fibrilline-1 (délétion mgΔ) n'affecte pas la longévité des souris. Les souris Fbn-1+/mgΔ présentent une hypertrophie cardiaque et une hypotension ainsi que des anévrismes aortiques qui deviennent plus fréquents avec l'âge. La paroi aortique de ces souris présente des altérations structurales (fragmentations des lames élastiques), biomécaniques (l'augmentation de la rigidité) et de la vasomotricité, qui s'accentuent avec l'âge. Nos résultats suggèrent que la déficience quantitative de la fibrilline-1 pourrait altérer la signalisation que cette protéine déclenche normalement dans les cellules endothéliales dès la phase de morphogénèse artérielle, et induire en conséquence une pathologie anévrismale de la paroi aortique au cours du vieillissement. Les effets opposés des déficiences quantitatives en fibrilline-1 et en élastine sur la fonction vasculaire suggèrent des rôles opposés pour ces deux composants majeurs des fibres élastiques. Ce travail permet par ailleurs de valider les souris Fbn-1+/mgΔ, tant sur le plan structural que fonctionnel, comme modèle du syndrome de Marfan.