Technologie - biomécanique

Le confort d’une lampe frontale semble être évident et pourtant c’est un sacré problème. Entre le poids global de la lampe, le positionnement de la batterie à l’avant ou à l’arrière, la forme du support frontal, le porte à faux avant ….. il y a un grand nombre de paramètres ergonomiques  et biomécaniques qui rentrent en jeu. Voici quelques éléments qui vous permettront de bien comprendre.

 

Le poids

Le poids global de la lampe frontale est bien sûr un paramètre important mais pas autant qu’on pourrait le croire. 

La tête d’un homme adulte pèse en moyenne 4300g. Si l’on compare la masse de la lampe frontale à la masse « à vide » de la tête on constate qu’une lampe de 150g représente une augmentation de poids de 3,5% (une lampe de 75g type Stoots Focus seulement 1,7%). Dans ces 2 cas ce surpoids est relativement faible. Par contre il peut devenir critique à partir de 10% (environ 400g) en particulier dans le cas d’utilisation prolongée (phénomène fréquent en spéléo où le poids de la lampe s’ajoute à celui du casque avec des douleurs au cou pour les sorties de plusieurs heures).

Une différence de quelques grammes (voir 10 ou 20g) est donc clairement insignifiante. Une bonne coupe de cheveux, un rasage un peu plus précis, un cracha un peu épais ou un buff un peu plus fin permettront de gagner tout autant (voir bien plus).

En revanche la répartition du surpoids lié à la lampe frontale à une influence considérable.

La répartition du poids

La tête peut être assimilée à une grosse masse de maçon posée à l’envers (4300g en équilibre sur un manche à balaie). Les muscles du cou on le rôle difficile de maintenir le tout en équilibre dans toutes les positions et en mouvement. Alors lorsque l’on rajoute un poids mal réparti même assez faible ça peut vite être problématique. C’est exactement le cas des lampes frontales où la masse rajoutée est forcément à l’avant du crâne et créé donc un fort déséquilibre. Tentons d’expliquer un peu plus précisément le phénomène. Et commençons par un schéma (regardez le un peu puis lisez la suite ça deviendra plus claire):

Le porte à faux naturel 

Le centre de gravité naturel de la tête (Gtête) est situé en avant du point de pivot du cou (Op). Elle a donc tendance à basculer naturellement vers l’avant (c’est ce qui arrive d’ailleurs quand on s’endort dans le canapé un lendemain de SaintéLyon). Ce sont les muscles arrière du cou qui empêche cette bascule et qui sont donc constamment en action. Lorsqu’ on rajoute un poids à l’avant du crâne on accentue ce porte à faux et on mobilise donc plus les muscles. En revanche lorsque l’on met du poids à l’arrière on rééquilibre la balance au niveau du pivot ce qui soulage les muscles du cou. Comme il sont habitués à une contraction continue pour maintenir la tête d’aplomb, le mieux est donc de conserver le porte à faux naturel. Le point  de pivot du cou étant situé à mi chemin entre le front et l’arrière du crâne il faut donc idéalement mettre un poids identique à l’avant et à l’arrière. De ce point de vue les lampes bi-corps avec batterie à l'arrière (type MiniMax) sont idéales.

Le porte à faux de la lampe

Mais le plus important pour les lampes monoblocs c’est le porte à faux de la lampe elle même c’est à dire la distance qui sépare son centre de gravité de celui de la tête (d2) ainsi que la distance qui la sépare du front (d3).

Le ballotement de la lampe

La distance d3 permet d’évaluer le porte à faux de la lampe seule et donc son aptitude à balloter par rapport au front. Afin de donner une mesure physique de ce porte à faux on peut calculer le moment généré par le poids de la lampe. Le moment est obtenu en multipliant la force (ici le poids de la lampe) par la distance qui la sépare de son point de pivot (ici le front). Pour une lampe type Focus pesant 65g et dont le centre de gravité est situé 6mm en avant du front on obtient un moment de:

       Mfocus = P*d = m*g*d = 0,065 * 9,1 * 0,006 = 0,004 Nm

ok ce chiffre n’est pas très parlant mais comparons le à une lampe utilisant par exemple une batterie lithium 18650. Ce type de lampe pèse environ 120g avec un centre de gravité situé à 15mm du front au minimum. Dans ce cas on obtient un moment de :

       M18650 = P*d = m*g*d = 0,120 * 9,1 * 0,015 = 0,018Nm

Le moment, et donc le ballotement potentiel est 4,5 fois supérieur par rapport à une Focus. Pour résumer plus la lampe est plate avec un centre de gravité très proche du front et plus elle sera stable et confortable. Si en plus elle possède une répartition avant arrière du poids avec batterie à l'arrière et bloc lumineux devant, on gagne sur tous les plans. C'est le cas de la MiniMax dont les moments avant et arrières sont :

    MminimaxAvant = P*d = m*g*d = 0,33 * 9,1 * 0,009 = 0,002Nm

    MminimaxArrière = P*d = m*g*d = 0,46 * 9,1 * 0,006 = 0,002Nm

La stabilité est alors 2 fois meilleur que sur une Focus (9 fois par rapport à une lampe basé sur accus 18650).

Le déséquilibre global de la tête

La distance d2 permet d’évaluer le déséquilibre de l’ensemble tête + lampe dû au surpoids de la lampe. Afin de donner une mesure précise de ce déséquilibre on peut calculer le moment de l’ensemble tête + lampe et de le comparer au moment de la tête seule.

      Mtête = Ptête*d1 = 4,3 *¨9,1 * 0,03 = 1,265 Nm

Je vous épargne les calculs un peu plus fastidieux des moment des ensemble tête+focus, tête+MiniMax et tête+lampe18650 mais en voici directement les résultats :

    Mtête+Focus = 1,346 soit une augmentation de 6,4% par rapport à la tête seule

    Mtête+lampe18650 = 1,424 soit une augmentation de 12,7%  par rapport à la tête seule

    Mtête+MiniMax = 1,266 Nm soit quasiment le moment naturel de la tête

La sur-contrainte est donc 2 fois plus forte avec une lampe type batterie 18650 que pour une Focus. En règle général on considère en biomécanique que des variations inférieur à 5% son  assez peu perceptibles. Au delà la variation de contrainte se fait sentir, en particulier sur des sollicitations longues. A 12% on est donc déjà sur une variation vraiment contraignante à long terme.

Une lampe plate permet donc de diminuer considérablement le ballotement mais aussi la fatigue au niveau du cou à long terme. Une lampe plate, légère avec répartition avant arrière type MiniMax permet d'offrir une sollicitation quasi nulle au niveau du cou.

L’interface avec le crâne

Une fois les considération de poids et de sa répartition prise en compte il reste à régler la question de l’interface avec le crâne. Plus le poids est élevé et plus le porte à faux est grand (donc si vous avez bien suivi plus le moment lié au poids est grand) et plus l’interface à de l’importance. 

Elle a pour rôle de répartir la charge sur les zones d’appui et de la stabiliser. Et comme toujours en anatomie on est tous très différents. Il y a des fronts plats, des fronts droits, des fronts fuyants, des fronts lisse et d’autres ridés, des velus, des suants, des de travers …. La règle est donc simple, il faut éviter les formes exclusives (du type un arrondi avec une courbure bien déterminée) et utiliser des formes « tolérantes ».  Ces formes sont par nature plus confortables pour tout le monde mais un peu moins stables. Elles sont donc parfaitement adaptées à des lampes stables par nature (avec un moment faible). La boucle est bouclée.

Les choix de STOOTS

Tout cela explique les choix de STOOTS en terme d’ergonomie. Des lampes légères avec un format très plat ce qui ne permet malheureusement pas d’utiliser les batteries offrant le meilleur rapport capacité/poids à savoir les 18650. Pour autant le gain en confort en vaut largement la chandelle.