Brevet FR2894441A3 — publié le 20070615

FR 2894441 A3 20070615 FR 0512639 A 20051214 10 15 20 25 2894441 INDICATION DU DOMAINE TECHNIQUE S'agissant d'une nouvelle conception de semelles pour chaussures de sport de type basket , mon invention tient compte des forces verticales, obliques et linéaires déplacées par la personne utilisant ces chaussures dans la course et l'athlétisme en général. Le matériau servant à la fabrication de ces semelles doit optimiser ces forces, et éviter la dissipation de l'énergie emmagasinée dans la course. Le carbone semble être le matériau le plus approprié. Les semelles de carbone se glisseront dans les chaussures de sport comme des semelles orthopédiques sans changer fondamentalement les caractéristiques de fabrication et de matériau de la chaussure. Le domaine technique d'application direct est l'industrie de la chaussure de sport. La fabrication des pneumatiques pourrait aussi y trouver des applications, mais je n'ai pu en approfondir la recherche. Il s'agit donc de semelles contribuant à diminuer la dépense d'énergie de l'athlète, et plus précisément du coureur, et pouvant améliorer la performance physique de l'athlète lors d'un effort soutenu. La fabrication de chaussures de sport munies de semelles carbone ne devrait pas poser de gros problèmes, car hormis le talon à modifier, le reste de la chaussure ne devrait pas être affecté. En effet, les semelles restent libres dans la chaussure, ne lui sont pas solidarisées, ce qui entrainerait immanquablement des déchirures dans la chaussure dès les premiers pas. Elles sont seulement posées sur des éléments amortisseurs (en mousse) ménagés à la hauteur du talon de la chaussure. ETAT ACTUEL DE LA TECHNIQUE Dans les diverses marques de chaussures de sport, les semelles sont composées d'un matériau dont la bidensité n'a d'incidence que sur la position du talon et sa protection, soit par biseautage du talon, soit par un coin externe plus souple que le coin interne, l'avant de ces semelles étant constitué du même matériau. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pages 2 à 4 : calculs de biomécanique montrant les forces exercées pendant la course d'un athlète. Page 5 : données calculées pour semelles utilisant le matériau carbone. Calculs biomécaniques des forces exercées par un coureur en phase x de sa course (fig. 1) Soit un coureur de 65 kg pour 1,70 m se déplaçant à la vitesse de 5 m/s, soit 18 km/h Les angles : 9t = 115 Oh = 59 0g = 85 Op = 160 AVANT DE LA SEMELLE C'est la phase de propulsion. Cela veut dire que la F est de 5 fois la masse du coureur, sur 1 pied, soit : 65 kg x 5 x g = 3185 N Donc, la force d'appel avant l'envol est de 5 m/s, faisant un angle de 20 15 talon/sol. La vitesse horizontale est de 5 m/s x cos20 (0,9397) = 4,7 m/s La vitesse verticale est de : 5 m/s x sin20 (o,342o) = 1,70 m/s 20 Apogée (Y) : Y = (1,70 m2/s - 0)/ (2x 9,8) = 0,15 m Le centre de masse étant situé à 55% de la taille totale, la hauteur de l'envol est de : 93, 5 cm + 0,15 m = 1,08 m IF x, y = sin 20 = 1089,3 Nm 25 cos 20 = 2992,10 Nm Tan = 90 ù 20 = 70 = 637. 2,7475 = 1750 Nm IF = 1089,3 + 2992,10 + 1750 = 5831,4 Nm RÉPARTITION DES FORCES AU PIED PORTEUR 30 Cette force se répartit au niveau du triangle dynamique, soit 2/3 pour l'articulation tarso-métatarsienne de I'hallux : P1 = 3887,6N et P2/P3 = 1295,8N Talon AV La surface du talon AV étant de 42 cm2 environ 35 Pour P1 : P 3887,6N/0, 42 = 9256 Pa P2/P3 : 1295,8N/0,42 = 3085,20 Pa, soit 1542,60 Pa pour P2 et P3. Talon AR La position du pied est en flexion plantaire et fait un angle 0 160 avec l'horizontale. OP : 180 160 ù 90 = ù 70 , donc en position négative. Donc l'articulation tibio-tarsienne va subir une force de : 1801,70 N / 0,34 = 5299 N/m2 1801,70 étant la résultante des vecteurs 1911 N2 ù 637 N2 Si nous considérons notre coureur à 5 m/s (18 km/h), les vitesses des segments vont être, avec un intervalle de temps de 0,01s : a = (coi - coi) /At, i étant 2 moments de At. pied/jambe : coi= 160 ù85 /At0,01 = 7,5 /s cuisse/tronc : coi = 115 ù 59 / At 0,01 = 5,6 /s Roulement de la jambe sur la poulie tarsienne Lors de la phase de propulsion, le tibia et l'ensemble du corps vont rouler sur l'articulation tibio-tarsienne, ce qui donne un déroulé du pied sur le sol pendant la phase d'appui d'1/4 de seconde. Plus la vitesse augmente, plus ce temps diminue. La propulsion ne dure que 100 à 120 millisecondes. Donc la F nécessaire pour soulever le corps au-dessus de la poulie astragalien-20 ne étant de : 65 kg x 5 x g = 3185 N (AV pied) = (20 x 3185 N)/4 = 15925 N Avec un angle de 30 dû à la flexion du tibia, l'avantage mécanique (AM) sera de: AM=4/16=0,25=1/4 Paramètres des vitesses et fréquences de la foulée 25 La plus petite accélération : a = F / m = 1801,70 / 65 Kg = 27,8 -2 / 0,278 m/s Calculons les vitesses des segments jambe/cuisse par les diamètres cuisse/jambe : cuisse 0 = 0,50 / 3,14 = 0,159 m jambe 0 = 0,35 / 3,14 = 0,111 m 30 Vitesses :5 m/s / 0,159 m = 3,14 Rad/s (19,70 révolutions) 5 m/s / 0,111 m = 9,00 Rad/s (56,5 révolutions) Ecart de vitesse 3/5 Les fréquences sont de w / 2ic f cuisse = 5,00 Hzet f jambe : 1,40 Hz En degrés, ces vitesses donnent : cuisse = 1799,20 s et jambe = 503,80 s 35 A chaque foulée, le pied est en contact avec le sol, du talon à l'AV pied. C'est un processus qui se répéte 450 fois par kilomètre, et qui ne dure que 220 millisecondes en moyenne. 5 10 15 25 30 Angle entre l'AV pied et le sol en phase de propulsion (fig. 2) 180 ù 160 = 20 ù sin 20 (0,3420) = 653,60 Nm 1911 N . sin 20 = 653,60 Nm / 66,70 Kg Nous retrouvons la masse du coureur qui va effectuer une rotation sur la che- ville. La force de 637 N va être en négatif : ù 637N . cos 20 (0,9397) = ù 598,60 Nm. IF agissant lors du passage du corps sur la cheville : (653,60 Nm) + (ù 598,60 Nm) = 55 Nm/s La P pour le membre inférieur porteur est : P/s = 1241,20 N : 0,42 = 2981, 4 Kg N/m2 soit 2,3 KgPa FORCE DE ROTATION FR = 39,20 N cos 30 = 39,20 N (0,8660) = 33,94 Nm FORCE DE COOPTATION Fc = 39,20 N sin 30 = 39,20N . 0,5000 = 19,60 Mais lors du passage du corps les forces sont : FR = 65 kg . 5 . g = 3185 N = 3185 N . (cos 30 ) = 2758,20 Nm FC = 65 kg . 5 . g = 3185 N = 3185 N . (sin 30) = 1592, 50 Nm Ces deux forces montrent que ce n'est pas seulement la jambe qui est mise à contribution, mais bien la masse du corps entier sur le membre porteur. Le triceps sural va fournir une force de : 637 N x sin 30 = 318, 5 N COEFFICIENT DE FROTTEMENT Si le coureur fait 5m/s, la force de f = 65 kg x 9,8 = 637 N + 1 /2 m (32,5 kg) = 669,5 N K = 65 / 669,5 = 0,01 Pour l'AR de la semelle : N = W. sin 20 = 1911 N . 0,3420 = 653, 60 N = Tan 00 f = N = 0,01 x 653,60 N = 6,50 coefficient de frottement = 0,01 IF= 1307,20 N Pour I'AV de la semelle : N = W . sin 75 = 3185 . 0,9659 = 3076,4 N = W cos 15 = 3185. 0,2588 = 824,3 N f = pN = 0,01 x 3900,7 N = 39,007 Données calculées pour semelles utilisant le maté- riau carbone. Pour notre coureur, le sommet du CM est à : 0,935 m + la hauteur de l'apogée qui est à 0,15 m = 1,08 m de la taille totale. La vitesse étant de 5 m/s, et le contact du talon avec le sol d'environ 3 fois pour 5 m/s, la vitesse du toucher talon/sol est : V=VO+Gt=0+ 9,8m/s2 x0+ 9,8m/s2x0,45=4,40m/s La hauteur S est de : VOt + 1/2 gt2 = ot + 1/2 (9,8 m/s2) (0,45) = 0,66 m Donc la poussée du talon sur le matériau sera de : 1911 N . 0,66 m = 1261,30 Pa Déformation de l'AR de la semelle Raideur semelle : (R = Af/AL) (R = 1911N/m2 / 0,25 m) = 7644 N/m2 soit 7,644 K/Pa Cette équation indique la raideur du matériau. 15 La compliance est de (C = AUAF) = extensibilité (C = 0,25 / 1911) = 0,00013 N/m2 soit 0,13 Pa Déformation = = L - Lo r Lo Lo étant la longueur de référence. Soit le début de la courbure du talon au sommet du talon de la semelle 20 E = 0,25 m ù 0,105 m / 0,25 m = 0,58 Résistance du matériau (R = AF/AL) R étant raideur du matériau. R=5,3/0,25=21,2 Déformation { = L - Loi Lo La compliance du matériau est 0,25 ù 0,05/ 0,05 = 4 Le talon fait 5 cm de longueur environ. Lo étant la longueur de référence, le rapport contrainte/déformation constitue le module de Young (E) de la structure. Semelle en carbone (fig. 3) 30 Lors de l'appui talon/sol, le pied fait un angle de : 200 ù 90 ù 90 = 20 Le poids du corps et la force perpendiculaire font un angle de 20 10 25 5 15 PRÉSENTATION DES FIGURES Figure 1 - se rapporte à la page 2 de l'exposé Forme géométrique d'un coureur en phase x de la course. Il s'agit d'un coureur de 65 kg et mesurant 1,70m, se déplaçant à la vitesse de 5 m/s, soit 18 km/h. Les angles donnés aux segments du membre inférieur vont développer des forces et des M de F. Voir : pour l'AV de la semelle : répartition des forces au pied porteur roulement de la jambe sur la poulie tarsienne paramètres des vitesses et fréquences de la foulée. Figure 2 - se rapporte à la page 4 de l'exposé Angle entre AV pied et le sol en phase de propulsion. La pression sur le membre inférieur porteur est de P/s = 2955,50 Pa Ce qui va donner un coefficient de frottement de = 0,01 Figure 3 - se rapporte à la page 5 de l'exposé Place de la semelle carbone dans une chaussure de sport présentant les éléments prévus pour la recevoir. Cette figure montre en coupe les plots amortisseurs, la rainure ménagée dans la chaussure, la semelle carbone profilée en balancier, et la saillie de maintien qui se place dans la rainure. EXPOSÉ D'UN MODE DE RÉALISATION Le mode de fabrication concerne : 1 : la semelle carbone dont j'ai conçu le modèle. 2 : la chaussure d'origine 1 : la semelle de carbone dont j'ai conçu le modèle : FIG 3/3 Les semelles de carbone ne sont pas plates, mais incurvées en double balancier (1), avec un angle de 30 à l'AV et de 20 à I'AR, ceci en rapport avec les calculs biomécaniques des forces agissantes. Les semelles de carbone comportent sur leur face inférieure (dessous) une saillie (2) moulée sur toute la largeur des semelles, à la hauteur de l'articu- lation Choppart, saillie sans angle qui viendra s'encastrer dans une rainure (4) ménagée dans la chaussure : ce dispositif maintient la semelle dans sa position, et permet au profil en balancier de jouer son rôle propulseur lors de l'appui talon/sol. Les semelles de carbone se placent dans les chaussures comme des 15 semelles orthopédiques, sans être solidarisées à la chaussure. 2 : la chaussure d'origine Les chaussures gardent leurs caractéristiques d'origine, exception faite de deux éléments suivants : ù Entre la semelle carbone à l'AR pied et le talon de la chaussure sont 20 disposés des plots amortisseurs (3) ù ressorts ou mousse de densité à définirù qui évitent le basculement des semelles vers l'arrière en position statique. ù La rainure (4) ménagée dans la chaussure pour recevoir la saillie (2) de la semelle décrite ci-dessus. INDICATION DE LA MANIÈRE DONT L'INVENTION PEUT ÊTRE APPLIQUÉE À L'INDUSTRIE -f Ayant observé que les semelles des chaussures étaient composées d'un matériau qui apportent protection du pied et amortissement des chocs dus à la marche ou à la course, j'ai mis en place un concept de fabrication de semelles à restitution d'énergie. Le but de ces semelles est d'optimiser les forces biomécaniques déplacées dans la course, d'éviter la dissipation de l'énergie emmagasinée, et ainsi d'augmenter les performances de l'athlète. Les semelles seront en carbone, elles se mettront dans les chaussures comme des semelles orthopédiques, sans être attachées à la chaussure. La chaussure de sport garde ses caractéristiques, exception faite de deux éléments : entre la /o semelle carbone à l'AR pied et le talon de la chaussure sont disposés des plots amortisseurs (ressorts ou mousse de densité à définir) qui évitent le bascule-ment des semelles vers l'arrière en position statique. Une rainure ménagée dans la chaussure pour recevoir la saillie de la semelle de carbone décrite ci-dessous. /S La semelle de carbone comporte sur sa face inférieure (dessous) une saillie moulée sur toute sa largeur, à la hauteur de l'articulation de Choppart, saillie sans angle qui viendra s'encastrer dans la rainure ménagée dans la chaussure : ce dispositif maintient la semelle dans sa position, et permet au profil en balancier de jouer son rôle propulseur lors de l'appui talon/sol. Zo Actuellement, un grand nombre de personnes pratiquent l'athlétisme, la course de fond etc., et ils représentent un public important auquel les grands fabricants de chaussures de sport ne peuvent manquer de s'intéresser. D'autre part, dans la catégorie moins nombreuse mais internationale des champions d'athlétisme (course de vitesse, de haies, de fond...), le gain de quelques 25' centièmes de secondes peut attirer l'attention des entraîneurs, des clubs de sport, et mener à la fabrication de séries sur mesure. REVENDICATIONS I ) Chaussure, en particulier chaussure de sport de type basket, comportant une semelle pour optimiser les forces et éviter la dissipation de l'énergie emmagasinée, caractérisée en ce que la semelle (1) est en carbone et en ce qu'entre la semelle carbone à l'arrière-pied et le talon de la chaussure sont disposés des plots amortisseurs (3) qui évitent le basculement des semelles vers l'arrière en position statique, et en ce que la semelle carbone n'est pas plate, mais incurvée en double balancier, avec un angle de 30 à l'avant et de 20 à l'arrière, et en ce que les semelles de carbone comportent sur leur face intérieure une saillie (2) sur toute la largeur des semelles, à la hauteur de l'articulation de Choppart, une (ô saillie sans angle qui viendra s'encastrer dans une rainure (4) ménagée dans la chaussure, maintenant la semelle dans sa position, et permettant au profil en balancier de jouer son rôle propulseur lors de l'appui talon/sol. II) Chaussure selon la revendication 1 caractérisée en ce que les plots amortisseurs (3) sont constitués par des ressorts ou de la mousse. 1 5