Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

De nos jours la culbute est la technique de virage crawl unanimement employée par les nageurs de compétition. Elle se décompose en cinq phases principales : l’approche, le retournement, le contact avec le mur (composé du placement et de la poussée), la phase sous-marine (composée de la glisse et de la coulée) et la reprise de nage. Dans le cadre d’une première collaboration entre le Laboratoire de Mécanique Physique de Bordeaux et le service recherche de la Fédération Française de Natation, cette étude s’est appuyée sur un protocole complet d’analyse sous-marine 3D qui a permis d’évaluer l’ensemble des paramètres cinématiques et dynamiques de la performance. Une double analyse comparative a montré que le niveau d’expertise et le genre ont un effet sur la performance au virage. Les nageuses de niveaux différents se différencient entre-elles par des vitesses en approche et en fin de poussée plus élevées pour les expertes qui adoptent une position plus profilée tout au long du contact. À haut niveau, les nageurs se différencient des nageuses au début du retournement par une vitesse plus élevée puis lors de la poussée où ils produisent un pic de force horizontale plus élevé et obtiennent un gain de vitesse en conséquence.L’utilisation de la méthode Lasso a permis d’établir deux modèles experts de la performance au virage. Chez les nageuses expertes, le modèle a révélé l’importance de l’impulsion latérale pendant le placement, paramètre nouveau qui pourrait être représentatif de la vrille exécutée. Chez les nageurs experts, les meilleurs virages sont réalisés par anticipation du retournement. Le mur est impacté dans une position corporelle peu fléchie ce qui favorise une extension rapide mais crée peu de vitesse. Le trajet parcouru par les meilleurs est court et optimisé. Cette étude illustre l’intérêt d’une analyse 3D du virage culbute crawl : en dynamique d’une part, l’utilisation d’une plateforme de force 3D permettant de distinguer les phases de placement et de poussée et probablement aussi le mouvement de vrille ; en cinématique d’autre part, avec l’importance de la trajectoire parcourue sur la performance au virage des nageurs experts. Par delà cette étude du virage, la conception, la réalisation et l’utilisation de nouveaux outils dédiés à l’analyse du mouvement en natation permet aujourd’hui de proposer au sportif une aide à la performance en phase avec ses objectifs. De part un enrichissement de la connaissance des différentes techniques utilisées par les experts et les non-experts, cette étude devrait également permettre d’améliorer l’enseignement des virages de haut-niveau. / Nowadays the tumble turn is the turn technique embraced by all freestyle competitive swimmers. It consists of five main phases: the approach, the rotation, the wall contact (with braking and push-off sub phases), the underwater phase (with glide and underwater propulsion sub phases), and the resumption of swimming.Within the first collaboration between the Laboratoire de Mécanique Physique of Bordeaux and the research department of the Fédération Française de Natation, this study relied on a comprehensive protocol for 3D underwater analysis that allowed assessing all kinematic and dynamic variables of performance.A double comparative analysis showed that both the level of expertise and the gender have effects on the turn performance. Female swimmers of various levels differ by higher approach and push-off speeds for the experts who are more streamlined throughout the contact. At a high level, male swimmers differ from female swimmers first by higher speed at the beginning of the rotation and also by producing more horizontal force at the push-off peak, directly resulting in a higher speed.The use of the Lasso method made it possible to establish two models for the expert turn performance. For female swimmers, the model revealed the role of lateral momentum during the braking phase, a new parameter that could be representative of the twist executed. For male swimmers, the best turns are swum when the rotation is anticipated. The wall is reached with a slightly flexed posture that results in a fast extension but also creates a slow speed. The best swimmers’ trajectories are short and optimized.This study showed the importance of a 3D analysis of the crawl tumble turn: on one hand the dynamic analysis, with the use of a 3D force platform that makes easier the distinction between the braking and the push-off phases, and probably also gives insights into the twist movement; on the other hand the kinematic analysis, with the importance of the length of the swum path on the turn performance.Beyond this study of the turn, the design, the implementation and the use of new tools devoted to motion analysis in swimming can now offer athletes assistance in line with their objectives. By increasing the knowledge of different techniques used by experts and non-experts swimmers, this study should also improve the teaching of high-performance turns.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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L'ostéoporose est un problème majeur de santé publique (150000 fractures par an en France), qui se traduit par une diminution de la masse et de la « qualité » osseuse entraînant une augmentation du risque fracturaire. Basés uniquement sur une mesure de densité minérale osseuse, les moyens cliniques actuels de diagnostic de cette pathologie apparaissent insuffisants pour quantifier précisément la résistance mécanique de l'os. Dans cette optique, il est primordial de pouvoir évaluer non seulement l'évolution de masse osseuse au cours du temps, mais également ses propriétés mécaniques tant macro que micro. Cette thèse est consacrée au développement d'un modèle numérique de remodelage osseux intégrant des paramètres mécano-biologiques permettant de simuler à la fois la dégradation d'une microstructure d'os trabéculaire au cours du temps ainsi que son adaptation mécanique. Une modification de ces paramètres permet de simuler des cas pathologiques avec ou sans traitements anti-ostéoporotiques. Le remodelage est ensuite couplé au processus de mécanotransduction, en intégrant l'influence du chargement mécanique sur la réponse cellulaire. Différents cas de chargement ont été ainsi modélisés, en particulier faible chargement tel que l'alitement, ou surchargement tel que la pratique d'activités sportives. L'hyperminéralisation ainsi que l'hétérogénéité du tissu osseux ont été intégrés au modèle et leur influence sur la localisation des sites de remodelage a été également analysée. Les résultats des simulations obtenus à partir de microarchitectures d'os humain sur plusieurs années sont encourageants car ils concordent avec les observations cliniques. / Osteoporosis is characterized by a low bone mass density but also an alteration of mechanical properties. The clinical diagnostic is made from the measure of the bone mineral density (BMD) but this examen seems insufficient to quantify bone resistance. In this work, a numerical model of cancellous bone degradation, aging and mechanical adaptation is proposed. Based on hypermineralization, this model simulates the cancellous bone remodeling process over many years. This model allows to predict the behavior of cancellous adaptation in a mechanical low loading case for instance. Results are similar to clinicial tendancy.

Plus de la moitié des pertes de bois dans les forêts européennes sont dues aux tempêtes. Une connaissance des mécanismes impliqués dans la stabilité mécanique des arbres est alors capitale. L’ancrage de l’arbre dans le sol constitue l’une des composantes principales du maintien mécanique de l’arbre. Il est principalement déterminé par l’architecture du système racinaire et son interaction mécanique avec le sol. Au cours de son développement, l’arbre modifie ses dimensions et se complexifie. Plus particulièrement, le système racinaire semble s’acclimater (ex : croissance en diamètre plus importante) aux déformations engendrées par le vent. L’ensemble de ces modifications conduit à une évolution des mécanismes à l’origine de l’ancrage au cours du développement de l’arbre. L’étude expérimentale de cette fonction est compliquée car les racines sont difficilement mesurables en continu dans le sol. Nous avons alors mis au point une approche numérique pour décrire la croissance du système racinaire et la distribution des déformations dues au vent. Une grande base de données structurée en chronoséquence de systèmes racinaires numérisés (Pinus pinaster) a été mobilisée. Comme l’étude de la structure et des fonctions des racines est plus efficiente quand la différentiation entre racines est prise en compte, nous avons d’abord formalisé les types racinaires du système racinaire du pin maritime à partir d’une technique de classification (« k-means clustering ») réalisée avec quatre variables. La classification des racines latérales du pin maritime nous a permis d’identifier 5 types racinaires au cours du développement du pin maritime. Ce regroupement explique 70% de la variabilité de notre base de données. Chaque système racinaire est caractérisé par trois grosses racines horizontales émises par la souche. Les racines montrent une forte différentiation pour leur tropisme, avec une direction de croissance soit horizontale soit verticale. La structure de la partie centrale du système racinaire est pratiquement complète dès l'âge de 4 ans. Sur la base des types racinaires identifiés, nous avons calibré un modèle architectural (RootTyp ; Pagès et al. 2004) pour le pin maritime. Treize paramètres pour chaque type racinaire ont été estimés par l’intermédiaire de la base de données, d’informations issues de la littérature et d’une procédure d'optimisation. Une modélisation réaliste du système racinaire jusqu'à 50 ans n’a pu être obtenue qu'en implémentant au modèle RootTyp de nouveaux processus biologiques : la diminution de la ramification avec la croissance de la racine et la diminution de la vigueur des racines avec l'ordre de ramification. Malgré ces améliorations, les systèmes racinaires de la base de données présentent des diamètres plus importants à proximité de la souche par rapport aux systèmes racinaires simulés. Ce biais systématique est principalement attribué à l’acclimatation des racines au vent dominant. Les altérations de croissance dues aux contraintes pédologiques ont également été implémentées grâce à l’amélioration du module de sol du modèle architectural.Enfin, pour comprendre les mécanismes à l’origine de l’acclimatation des racines nous avons combiné plusieurs modèles pour prédire la distribution spatiale des déformations dans des maquettes simplifiées de systèmes racinaires à 4, 6 et 13 ans, pour trois régimes de vent spécifiques à la région étudiée. D’après les simulations, les déformations des racines sous l'effet du vent diminuent avec l’âge, en raison de l’augmentation de la rigidité des racines. Cela suggère une plus forte réponse thigmomorphogénétique aux stades jeunes. Les modifications structurelles et anatomiques du système racinaire par acclimatation au vent s’expliquent principalement par les distributions des déformations et des contraintes dans les racines. / Storms cause more than 50% of the timber loss in European forests. However, forest tree anchorage mechanisms throughout their lifespan are not fully understood, especially the strong acclimation of root systems to common winds. This lack of knowledge is mainly due to technical difficulties: neither the root structure nor the mechanical contribution of the roots could be characterized continually. Thus we set up a numerical approach to model the development of the root system and to describe the strains resulting from common winds. This generic approach has been developed using Pinus pinaster grown in sandy soils as model species.Seven datasets of excavated root systems from 0 to 50 years were employed. The assessment of root structure and functions is more powerful if the differentiation of root system in several root types is considered. We first proposed an automatic classification of roots with the k-means clustering algorithm. Four root traits were chosen as classifiers, including three geometric architectural traits, which can be precisely assessed whatever the tree/root age. Clustering yielded similar five groups of laterals roots at all ages, explaining 70% of the variability. The three largest lateral roots per tree were all horizontal roots branching from stump and the other lateral roots show a large differentiation for tropism: nearly all the roots were horizontal or vertical roots. The framework of the central part of the root system can be almost completed in 4-year-old trees (3.5 cm collar diameter). We then calibrated the existing RootTyp (Pagès et al. 2004) architectural model for P. pinaster for each of the root types defined by the cluster analysis. We used the database combined with a literature review and an optimization method to get accurate values for 13 parameters by root types. We devoted effort to validate our model calibration. In order to model architecture of the root system, damping properties had to be implemented to yield realistic outputs up to the mature stage. Branching varied as a function of distance from the root base, and growth capacity decreased with branching order. Nevertheless, the root diameters of simulated root systems were generally underestimated. This was certainly due to root growth plasticity to the prevailing wind, an acclimation facet not taken into account at this calibration step. Growth alterations due to a cemented horizon were reproduced using the new calibrated soil module. Then, the wind acclimation of roots was numerically investigated by examining the root mechanical stimuli due to wind. A chain of biomechanical models was used to predict the spatial distribution of stress and strain in simplified root systems at 4, 6 and 13-year-old as a result of three levels of usual winds. According to simulations, the strain amplitude decreased with tree growth due to the increasing root system stiffness. This suggests larger thigmomorphogenetic responses at young stages. The modifications of the structural and wood root properties related to wind acclimation were largely explained by the stress and strain distribution in the root system.

ALK1 est un récepteur de la famille du TGF-β, principalement exprimé dans les cellules endothéliales. Le ligand physiologique et circulant d'ALK1, BMP9, a été découvert par notre laboratoire en 2007, ce qui a ouvert des possibilités d'étude de la fonction d'ALK1. La première partie de ma thèse a été consacrée à l'analyse fonctionnelle de mutants d'ALK1, retrouvés sur des patients atteints de la maladie de Rendu-Osler de type 2, en réponse à BMP9. Cette étude a permis de : 1) proposer l'haploinsuffisance fonctionnelle comme modèle de la maladie ; 2) développer un test diagnostique pour discriminer les mutations pathogènes des polymorphismes rares, basé sur leur réponse à BMP9 ; 3) d'avoir une meilleure connaissance des acides aminés d'ALK1 importants dans la réponse à BMP9. Un second travail a consisté en la production de la forme mature de BMP9 et du domaine extracellulaire d'ALK1 en vue de l'étude de la structure cristallographique du complexe. L'expression des protéines et leur purification sont en phase d'optimisation. Enfin, un troisième projet consistait en l'analyse du rôle de BMP9 dans l'angiogenèse in vivo. La neutralisation de BMP9 par deux stratégies distinctes induit une augmentation de la densité vasculaire dans la rétine de la souris. Le mécanisme est en cours d'investigation. / ALK1 is a TGF-β family receptor, mainly expressed on endothelial cells. The physiologic and circulating ligand of ALK1, BMP9, was discovered by our laboratory in 2007, which opened opportunities for studying the function of ALK1. The first part of my thesis was on the functional analysis of ALK1 mutants from HHT-2 patients in response to BMP9. This study allowed us to: 1) propose functional haploinsufficiency as a model for HHT-2; 2) develop a diagnostic tool to discriminate pathogenic mutations from rare polymorphisms, based on their BMP9 response; 3) increase our knowledge of important amino acids in ALK1 for the BMP9 response. A second work was on the production of the mature form of BMP9 and of the extracellular domain of ALK1 in order to study the crystallographic structure of the complex. The expression of these proteins and their purification are in optimization phase. Lastly, a third project was on the analysis of the role of BMP9 in angiogenesis in vivo. Neutralization of BMP9 using two strategies induces an increase of the vascular density of the retina in mouse. Mechanism of action is under investigation.