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The changing world of mechanics: a key to the future

Mechanics, the science of movement and balance, is constantly renewing itself by innovating and pushing the boundaries of knowledge, while adapting to today’s challenges.

Vortex zone in a soap bubble subjected to temperature variation
Vortex zone in a soap bubble subjected to temperature variation

© Hamid KELLAY / LOMA / CNRS Images

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Originally the science of movement and balance, mechanics is now as concerned with the behaviour of new materials as it is with in the turbulent flows of fluids, acoustic waves, robots, combustion, the living world, health, additive manufacturing (3D printing) and other innovative processes. It is in synergy with physics, applied mathematics, information, environmental and life sciences. It maintains ongoing relationships with the industry.

The concepts and tools it puts in place, coupled with digital advances, allow ever more complex engineering problems to be solved while integrating artificial intelligence methods and advances in knowledge of the infinitely small. Major technological advances that have become daily realities underlie many of the research advances in this area.  Examples include the design of new composite materials to lighten aircraft and reduce their fuel consumption or the progress made in surgical robotics, which boosts the surgeon's dexterity and thus allows increasingly meticulous operations.

Mechanical sciences are present in virtually every aspect of modern life today. They are connected to the most urgent societal challenges: energy, environment, climate, health or mobility.

Keywords: mechanics, fluid mechanics, mechanics of materials and structures, biomechanics, modelling, acoustics, structural dynamics

20200003_0047
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Espace d'entraînement d'escalade muni d'une SmartBoard, une prise d'escalade d'entraînement instrumentée et connectée, développée sur la base de recherches en biomécanique de l'Institut des sciences du mouvement (ISM). Elle quantifie les performances d'un grimpeur : ses capteurs mesurent la force exercée par les doigts sur les sites de préhension (les deux bacs supérieurs et les réglettes de différentes profondeurs). Les données sont traitées par une application permettant de caractériser le…

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20200003_0047
Test d'une SmartBoard
20160028_0024
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Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine dans un canal hydraulique. Cette canopée de type "urbain" modélise un regroupement d'habitations, chaque cube noir représentant un bâtiment. Ce grand canal hydraulique mesure 26 m de long, 1,10 m de large et 0,50 m de haut. Le débit peut varier d'environ 1 L/s à 140 L/s (litres/seconde). Cinq grilles présentes à l'entrée du canal permettent de tranquilliser l'écoulement et d'avoir le maximum de contrôle sur la turbulence de l'écoulement…

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20160028_0024
Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine
20180076_0027
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Expérience arche et granulaire mous Manipulation de compression et imagerie scanner. Le dispositif expérimental est utilisé pour compresser et suivre (après corrélationd'images) l'évolution des champs de déplacement et contraintes sur des structures maçonnées modèles, typiquement des arches. La même chose est faite sur des millieux granulaires mous modèles. Les systèmes sont alors étudiés dans leur évolution de l'échelle des briques ou des particules jusqu'à l'échelle globale de l'arche ou…

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20180076_0027
Structures maçonnées modèles en forme d’arche
20140001_0904
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Zone de tourbillon dans une bulle de savon soumise à une variation de température entre sa base et son sommet. La chaleur crée des courants de convection à la surface de la bulle. Ces courants se forment à l'équateur et montent vers le sommet de la bulle, partie plus froide. Des turbulences apparaissent et des grands tourbillons se forment de manière aléatoire, comparables aux cyclones dans l'atmosphère terrestre. Les bulles de savon présentent en effet des analogies de courbure et d'épaisseur…

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20140001_0904
Zone de tourbillon dans une bulle de savon soumise à une variation de température
20200089_0004
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Sur la plateforme tournante Coriolis, les chercheurs modélisent à petite échelle (2 m sur 3 m) l’effet de la rotation terrestre sur l’écoulement des vents, des marées ou des courants océaniques. Sur cette image, il s’agit d’une expérience visant à reproduire le Kuroshio - en japonais "courant noir" -, un courant marin chaud de l’océan Pacifique, et sa trajectoire autour d’îles japonaises de plus en plus vulnérables face au changement climatique. Le but est de simuler les fortes turbulences, les…

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20200089_0004
Turbulences en rotation
20230012_0004
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Tourbillon océanique cyclonique généré dans la cuve de la plateforme Coriolis du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI). Cette plateforme tournante, la plus grande au monde, permet de modéliser les écoulements turbulents de l'atmosphère et de l'océan. Le vortex intense photographié ici va grossir grâce à la force de Coriolis et à un soutirage régulier, déformant la surface libre jusqu'à toucher le fond de la cuve. Un puissant laser vert qui éclaire l'intérieur du vortex…

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20230012_0004
Cyclone intense dans Coriolis
20190062_0008
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Cette foisonnante forêt de tubes, éclairée à la lueur d’une nappe laser verte horizontale et immergée dans un bassin hydraulique, simule l'effet d’une végétation dense sur un courant marin. Nous sommes dans la plateforme Coriolis, un « manège » unique au monde qui permet de récréer les conditions physiques de la rotation terrestre. Les chercheurs tentent ici de reproduire la trajectoire et la structure du débit sortant des fleuves et des déversements qui entrent dans les océans. Transportant…

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20190062_0008
Tubes turbulents
20200045_0001
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Reproduction d’un courant antarctique circumpolaire pénétrant partiellement dans une cavité, via la représentation simplifiée du relief sous-marin sous un iceshelf, une partie de banquise formée par l'avancée en mer d'un glacier. Cette image a été réalisée dans le cadre d’expériences reproduisant le phénomène d’érosion des grandes plaques de glace qui descendent de l’Antarctique à l’océan, au contact de courants océaniques sous-jacents, cachés à l’observation. Selon leurs résultats, les…

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Reproduction du phénomène d’érosion d’un iceshelf au contact de courants sous-jacents
20150001_0082
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Canal à houle, avec parois en verre, du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI). Equipé d'un générateur de vagues, il mesure 36 m de long, 0,55 m de large et 1,20 m de haut. L’installation d’une plage constituée de particules plastiques permet de reproduire, à échelle réduite, le déferlement des vagues et l'entraînement des sédiments. L’évolution de profils de plage peut être caractérisée pour différents forçages, typiques de temps calmes ou de tempêtes. Cette…

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Vue générale du canal à houle du LEGI
20050001_0020
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Turbulences et vortex. Observations en fluorescence dans un plan laser. La fumée dessine dans l'air de nombreuses tailles et formes de tourbillons. Autant de structures qui montrent la complexité de la turbulence (propriété fondamentale de nombreux écoulements fluides dans les milieux naturels ou les systèmes industriels).

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Turbulences et vortex. Observations en fluorescence dans un plan laser. La fumée dessine dans l'air
20150001_0013
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Tourbillon colonnaire (anticyclonique), visualisé par un colorant dans une cuve tournante (échelle 40 cm). L'écoulement dévié à 45 degrés vers l'extérieur dans la couche limite d'Ekman, est visualisé en fond de cuve par des cristaux de permanganate de potassium. L'objectif de cette expérience est pédagogique : expliquer la force de Coriolis en mécanique des fluides.

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Tourbillon colonnaire visualisé par un colorant
20140001_0893
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Soap bubble subjected to temperature variation between its base and apex. The heat creates convection currents on the surface of the bubble. Turbulence appears and large vortices form randomly like cyclones in the Earth's atmosphere. Indeed, soap bubbles have similar curvature and thickness to the Earth's atmosphere. The rotation of the bubble on the brass disk makes it possible to study the intensity and trajectory of the vortex and thus to elucidate variations in cyclone intensity and model…

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20140001_0893
Soap bubble subjected to temperature variation between its base and apex
20080001_0642
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Bulle de savon soumise à un gradient de température entre l'équateur et le pôle. Un tourbillon unique est visible proche du sommet. Les panaches dus à la convection sont visibles dans la région proche de l'équateur. Des chercheurs ont découvert que des tourbillons créés dans des bulles de savon se comportent comme de vrais cyclones ou ouragans dans l'atmosphère. La bulle de savon est un modèle idéal pour étudier l'atmosphère car elle possède des propriétés physiques analogues : couche très fine…

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Bulle de savon soumise à un gradient de température entre l'équateur et le pôle. Un tourbillon uniqu
20160028_0028
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Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine dans un canal hydraulique. Cette canopée de type "urbain" modélise un regroupement d'habitations, chaque cube noir représentant un bâtiment. Ce grand canal hydraulique mesure 26 m de long, 1,10 m de large et 0,50 m de haut. Le débit peut varier d'environ 1 L/s à 140 L/s (litres/seconde). Cinq grilles présentes à l'entrée du canal permettent de tranquilliser l'écoulement et d'avoir le maximum de contrôle sur la turbulence de l'écoulement…

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20160028_0028
Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine
20120001_0647
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Vue d'ensemble du pilote inondation de l'IMFS (Institut de mécanique des fluides et des solides). Ce pilote représente un quartier urbain virtuel et doit permettre d'étudier la répartition des débits entre les différents axes urbains lors d'une crue exceptionnelle. Il mesure 5 m x 5 m et inclut 14 rues, pouvant être alimentées de manière indépendante, afin de tester le plus grand nombre de configurations possibles.

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20120001_0647
Vue d'ensemble du pilote inondation de l'IMFS (Institut de mécanique des fluides et des solides). Ce
20130001_2114
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Simulation de la submersion d'un quartier de la commune de la Faute-sur-Mer, en Vendée, l'une des communes submergées lors de la tempête Xynthia en février 2010, après rupture des digues. Ce niveau de la mer est atteint tous les 20 ans environ. Cette simulation a été réalisée en juin 2010 grâce un scanner laser aéroporté (Lidar) qui a permis d'obtenir une topographie très précise du secteur. Sur la carte, toutes les habitations, digues et arbres ainsi que de multiples petits détails sont…

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20130001_2114
Simulation de la submersion d'un quartier d'une commune, Faute-sur-mer
19940001_0425
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Champ de vorticité de la circulation superficielle dans l'océan Atlantique Nord reproduite numériquement dans le cadre du Programme SIMAN (simulations des circulations océaniques dans l'Atlantique Nord) grâce aux données des satellites Geosat et Topex-Poseidon. Topex-Poséidon utilise des systèmes avancés d'altimétrie radra qui permettent d'effectuer des mesures précises et répétitives du niveau des océans, afin d'établir des cartes de topographie dynamique.

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Champ de vorticité de la circulation superficielle dans l'océan Atlantique Nord reproduite numérique
20220122_0007
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How is it that small rocky planets such as Mercury or Ganymede, one of Jupiter’s moons, have a magnetic field? It could be due to to “snow” made up of flakes of iron. In the interior of these planets, the flakes, falling from the outer reaches of the liquid core to its centre, could cause turbulence that might potentially generate a magnetic field. To investigate this process, the researchers modelled iron snow in a tank of stratified salt water using glass beads – as fine as flour – to which…

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20220122_0007
Snow at the heart of planets
20220011_0013
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Comment expliquer que des petites planètes telluriques aient un champ magnétique ? Les scientifiques tiennent un suspect : la neige de fer. Pour modéliser le phénomène selon lequel du fer solide s’écoulerait vers le centre du noyau liquide de ces planètes, ils ont étudié la chute de billes dans de l’eau. Verdict : cela provoquerait bien des turbulences potentiellement à l’origine d’un champ magnétique ! Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.

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20220011_0013
Neige de fer
20180051_0119
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Reproduction à l’échelle 1/20000 d’un sous-sol géologique typique du Golfe du Mexique ou de la Mer de Barents, composé d’un dôme de sel (ici en cristal) recouvert de couches sédimentaires (ici en résines variablement chargées en poudre d’alumine) reposant sur un substrat rocheux (ici une plaque d’aluminium). Cette configuration reste un défi pour l’imagerie sismique, du fait notamment du fort contraste entre les propriétés physiques du dôme et celles des milieux environnants. Sièges potentiels…

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20180051_0119
Bassin de simulation de propagation sous-marine des ondes
20230002_0003
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Plan d'eau d'altitude identifié par les scientifiques sur la partie la plus élevée de leur parcours dans le bassin versant de Miellajokka, dans la base de recherche scientifique d'Abisko, au nord de la Suède. Ils ont sillonné les bassins versants de Miellajokka et Stordalen afin de cartographier leur végétation et de prélever de la sphaigne dans les tourbières de ce dernier pour étudier ses propriétés thermo-hydrologiques. Dans le cadre du projet ANR Hiperborea, ils utilisent des technologies…

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20230002_0003
Plan d'eau d'altitude, base de recherche scientifique d'Abisko, nord de la Suède
20090001_0457
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Simulation numérique à très-haute résolution horizontale (2 km), mettant en évidence les structures à sub-mésoéchelle (lobes et filaments) de la distribution de phytoplancton, dans un modèle idéalisé de l'océan Atlantique Nord. Le but de la recherche est de comprendre en quoi, la circulation océanique, et en particulier les filaments de sub-mésoéchelle (de 1 à 10 km de large) issus de la turbulence, impactent la croissance, la distribution et le devenir du phytoplancton. L'objectif à long terme…

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20090001_0457
Simulation numérique à très-haute résolution horizontale (2 km), mettant en évidence les structures
20220122_0003
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Sea foam on the sand, a spoon in a chocolate mousse, a cosmetic cream applied to the skin: although foams are found everywhere, they are still poorly understood. Using air, some soapy water and a recipient with a rugged inner lining, this experiment aims to understand the mechanisms at work when a foam comes into contact with a rough surface. The separation between two bubbles is marked by a soap film; when three of them join up they form a Plateau border (in grey); and when the latter meet in…

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20220122_0003
Celestial foam
20030001_0239
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Cette expérience analogique montre une coupe du milieu souterrain typique des milieux sédimentaires. Des injections de traceurs dans les puits matérialisent les écoulements et permettent d'expliquer l'existence des sources et de puits artésiens dans les milieux naturels. A partir de l'état d'écoulement libre de la nappe, on montre les effets anthropiques sur les eaux souterraines. L'injection d'un polluant par un puits permet de suivre sa dispersion dans le milieu et introduit aux problèmes de…

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20030001_0239
Cette expérience analogique montre une coupe du milieu souterrain typique des milieux sédimentaires.
20180076_0024
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Expérience arche et granulaire mous Manipulation de compression et imagerie scanner. Le dispositif expérimental est utilisé pour compresser et suivre (après corrélationd'images) l'évolution des champs de déplacement et contraintes sur des structures maçonnées modèles, typiquement des arches. La même chose est faite sur des millieux granulaires mous modèles. Les systèmes sont alors étudiés dans leur évolution de l'échelle des briques ou des particules jusqu'à l'échelle globale de l'arche ou…

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20180076_0024
Essai de compression d’une structure maçonnée modèle en forme d’arche
20080001_0624
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Fermeture du bouchon de chargement de l'enceinte de confinement de la presse expérimentale triaxiale GIGA. Cette machine d'essais, est utilisée pour créer des sollicitations extrêmes sur des structures en béton et en géomatériaux. L'effort axial maximum est de 13 000 kN (kilonewton) et le confinement latéral maximum de 1 gigapascal. L'échantillon cylindrique de béton (d=7 cm, h=14 cm) est équipé des jauges d'extensométrie (jauges de déformations). L'objectif des expérimentations est de…

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20080001_0624
Fermeture du bouchon de chargement de l'enceinte de confinement de la presse expérimentale triaxiale
20220122_0010
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Rotors are used in many applications to exchange energy between a mechanical system (vehicle, turbine) and the surrounding fluid (such as air or water). This image shows the extreme deformations of a small rotor fitted with two flexible polyethylene blades when operating in water. Depending on the frequency of rotation, the speed of the incident flow and the inclination of the blades, largeamplitude deformations may appear in either direction, affecting its performance. In a liquid, this…

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20220122_0010
Dancing rotor
20200089_0014
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Au décollage d’un lanceur spatial, la déflagration est si intense que les ondes sonores générées peuvent endommager la structure du lanceur et le matériel qu’il transporte. Sur cette image, obtenue grâce à des simulations numériques, les scientifiques sont parvenus à reproduire fidèlement les mécanismes à l’oeuvre lors de cette assourdissante vague acoustique. Représentés en orange sur l’image, on visualise les jets de gaz chauds, expulsés à l’allumage des moteurs. C’est à intérieur de ces jets…

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20200089_0014
Vacarme acoustique
20060001_0213
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Dispositif de mesure de la topographie tridimensionnelle des surfaces : interféromètre en lumière blanche. Au laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes, les chercheurs procèdent à des mesures de rugosité de semelles de ski. Car une semelle de ski n'est pas lisse, au contraire, elle est couverte de micro et macrorugosités.

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20060001_0213
Dispositif de mesure de la topographie tridimensionnelle des surfaces : interféromètre en lumière bl
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Whether we think they intend to annihilate us, replace us in factories or become our slaves (or even our friends!), robots have fuelled our fantasies for centuries... Especially when they look like us. Except that actually we don't come across many of them other than in fiction. So in this episode of #VaSavoir we asked what is ultimately the point of trying to create humanoid robots? And scientifically, what is really hidden behind this seemingly Promethean desire? To gain a better…

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Hand to hand with robots - Va Savoir #03
20160015_0022
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Coureuse cycliste de l'équipe de France junior réalisant un test chronométré au vélodrome national de Saint-Quentin-en-Yvelines. La position adoptée doit permettre de réduire la traînée aérodynamique, en prenant en compte les contraintes réglementaires (dimensions du vélo) et celles pour produire la puissance musculaire. Il est généralement connu que l’abaissement du buste réduit la traînée aérodynamique. Cependant, un conflit avec la production de puissance des membres inférieurs naît à partir…

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20160015_0022
Tests de capteurs d’activité embarqués sur une athlète cycliste
20160015_0038
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Image de la numérisation 3D d'un cycliste en position "contre-la-montre" avec un scanner portatif Faro Freestyle 3D. Après la capture des données, l’image est reconstituée grâce au logiciel Geomagic®. Les chercheurs du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS (LAAS) réalisent des tests comparatifs entre 2 types de scanners commerciaux (Cobalt et Freestyle). Ces tests sont destinés à améliorer les gestes de l’athlète pendant l’entraînement et en compétition. Ici la position…

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20160015_0038
Image de la numérisation 3D d'un cycliste en position "contre-la-montre"
20200003_0061
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Cycliste sur un vélo d'entraînement dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. Il a été équipé de capteurs électromyographiques et de marqueurs réfléchissants. Les premiers enregistrent l’activité neuromusculaire (les contractions musculaires causées par les commandes électriques du système nerveux central), afin de comprendre la coordination musculaire nécessaire au mouvement, orchestrée par le névraxe. Les marqueurs sont utilisés pour la capture optique du mouvement (motion…

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20200003_0061
Etude biomécanique du mouvement d’un cycliste
20200003_0064
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Visualisation, en temps réel, des mesures prises sur un cycliste dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. A gauche, la description cinématique du mouvement (le patron). Les points correspondent aux marqueurs réfléchissants placés sur les articulations du cycliste. Des caméras captent le rayonnement qu'ils leur renvoient, et suivent ainsi la trajectoire des marqueurs. A droite, les données de vitesse de pédalage (créneaux verts) et les données d'activation musculaire issues de…

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20200003_0064
Etude biomécanique du mouvement d’un cycliste
20200003_0006
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Sportif courant sur un tapis roulant avec chambre à air antigravité lors d'une étude biomécanique sur l’adaptation de l'orchestration musculaire de la course à pied en condition de simulation hypogravitaire, comparable à la gravité sur Mars ou la Lune. En abaissant la pression dans cette chambre, on simule un état de gravité réduit, diminuant ainsi le poids du participant. Des capteurs électromyographiques couplés à des centrales inertielles ont été posés sur les muscles sollicités, pour…

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20200003_0006
Mesure de l'activité neuromusculaire d'un coureur en condition de simulation hypogravitaire
20180087_0030
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Enregistrement des mouvements et forces générés par la pratique de l’aviron. Le participant est équipé de marqueurs réfléchissants, de centrales inertielles et de capteurs électromyographiques, renseignant les systèmes de mesure informatisés Qualisys (mouvements des segments) et Delsys (activité électrique des muscles et données inertielles). Un ergomètre, qui permet de reproduire les mouvements de l'aviron, est muni de capteurs de force sur le siège, la poignée et les pieds. L’objectif de…

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20180087_0030
Enregistrement des mouvements et forces générés par la pratique de l’aviron
20130001_2067
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Simulation numérique dynamique du comportement biomécanique du pied humain. Visualisation des contraintes internes, des contraintes planes pour les ligaments et de la pression plantaire, lors d'une séquence de marche. L'objectif de ces recherches est de mieux comprendre la répartition des efforts (forces d'impact, forces musculaires) dans le pied lors des mouvements quotidiens (marche, course), afin de réduire les traumatismes potentiels. Ces résultats de simulation sont obtenus en utilisant un…

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20130001_2067
Simulation du comportement biomécanique du pied humain
20190063_0008
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Voici une colonie de cellules de rein, cantonnée à une surface parfaitement définie de 365 micromètres. Elle est observée en microscopie confocale à fluorescence couplée à un marquage des cellules par immunofluorescence. En cyan, le noyau cellulaire, en jaune-orangé, le pourtour des cellules. À l’image des bulles formant une mousse de savon, ces cellules épithéliales ont la particularité d’être solidement assemblées entre elles, formant une barrière de protection entre l’intérieur et l…

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20190063_0008
Collées - serrées
20220121_0001
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Ondulations spontanées de flagelles artificiels obtenus par autoassemblage de filaments d'actine et de myosines (un moteur moléculaire). Des scientifiques ont découvert que, plongés dans un bain de myosines, les filaments d'actine se rapprochent spontanément pour former des faisceaux d'environ 15 micromètres qui ondulent avec une période d'environ 10 secondes. L'image réunit 10 prises de vue de la même structure, à 1,4 seconde d'intervalle, ce qui permet de suivre une période du mouvement…

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20220121_0001
Ondulations spontanées de flagelles artificiels obtenus par autoassemblage moléculaire
20220011_0001
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Plus grosse artère du corps humain, l’aorte n’a pas livré tous ses secrets. Des chercheurs en ont donc fait une réplique grandeur nature, en silicone, qu’ils appellent malicieusement "fantôme d’aorte". Elle est la pièce maîtresse de ce dispositif reproduisant les écoulements sanguins et permettant de les visualiser grâce à un laser vert. Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.

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20220011_0001
Fantôme d’aorte

CNRS Images,

Our work is guided by the way scientists question the world around them and we translate their research into images to help people to understand the world better and to awaken their curiosity and wonderment.