Force maximale volontaire

Force maximale volontaire
Capteurs de force
La force maximale volontaire (FMV ou en
anglais MVC, maximal voluntary
contraction) d’un groupe musculaire
correspond à la valeur maximale de la force
que peut produire ce groupe lors d’un effort
maximal.
Cette force peut être enregistrée au cours
d’un exercice isométrique contre la
résistance d’un capteur de force.
Force maximale
volontaire (FMV)
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
Force maximale volontaire < force maximale
Stimulateur
La force maximale volontaire d’un groupe
musculaire est inférieure à la valeur maximale
de la force que peut produire ce même groupe
s’il était tétanisé par une stimulation électrique
maximale à fréquence élevée.
Capteurs de force
Stim.
Cette différence de force est généralement
étudié par l’enregistrement de la force au
cours d’un contraction maximale volontaire
avec stimulation électrique surajoutée.
Force maximale
Force maximale
volontaire (FMV)
Force maximale volontaire et “1 RM”
La force maximale volontaire peut être enregistrée au cours
d’un exercice isométrique contre la résistance d’un capteur de
force.
En pratique, elle peut être estimée par la mesure de la charge
maximale qu’un sujet est capable de soulever une seule fois (1
RM, c’est-à-dire une répétition au maximum).
Une charge correspondant à 3 RM n’est pas la charge qui est
égale à 300% de 1 RM mais celle qu’il est possible de soulever
au maximum 3 fois (entre 90 et 95 % de la charge
correspondant à 1 RM).
Force dite “explosive”
Dans de nombreuse activités sportives,
la vitesse de production de force est
aussi importante que la valeur
maximale de la force.
Capteurs de force
Pente maximale
Le caractère explosif de cette force est
souvent évaluée en mesurant la pente
maximale (Maximal Rate of Force
Development ; MRFD).
Force maximale
volontaire (FMV)
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombres de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Les myofibrilles sont constituées de la
répétitions de structures protéiques
appelées sarcomères, “enchaînées” les
unes aux autres.
Axe transversal
Les sarcomères sont disposés
parallèlement, les uns à coté
des autres, en ligne transversale
donnant l’aspect strié des fibres.
Axe longitudinal
Les sarcomères sont disposés
aussi, en série, les uns derrière
les autres, en lignes
longitudinales, constituant des
myofibrilles allant d’une
extrémité à l’autre de la fibre.
Noyaux
Myofibrilles
Membrane
sarcoplasmique
membrane
basale
Les dimensions des différents composants
du sarcomère sont conservées au cours
de l’évolution des vertébrés, de la
grenouille à l’éléphant en passant par
l’homme.
Ces mêmes dimensions ne dépendent pas
de la croissance, de la maturation, du
niveau d’entraînement.
1,6 µm
Strie Z
Filament fin
0,2 µm
1 µm
Filament épais
Sarcomère
( 1,6 à 2,5 µm selon l’état de contraction)
Les variations des dimensions musculaires
(volumes, longueurs, diamètres des
muscles) avec la croissance, la maturation
pubertaire, et l’ entraînement physique ne
sont pas le résultat d’une augmentation des
dimensions du sarcomère.
Ces modifications de la morphologie
musculaire sont l’expression d’une
multiplication des sarcomères :
- des sarcomères en série pour
l’accroissement en longueur,
- des sarcomères en parallèle pour
l’accroisssement en diamètre du muscle.
Sarcomères en série
Sarcomères en parallèle
Un faisceau de myofibrilles est constitué
de sarcomères en série et en parallèle
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
2,0 m
1,5 m
2,0 m
Effets de la taille
similitude géométrique
1,5 m
1,0 m
1,0 m
0,5 m
0,5 m
Effets de la taille
sur les surfaces et les volumes
V = 3,37 m
3
1,5 m
V = 1m
3
1m
1m
S = 2,25 m
2
S = 1m
2
1m
1,5 m
1,5 m
Surface
Section transversale
x 2,25
Force musculaire
F2 = 2,25 F1
La force musculaire F est
proportionnelle au carré de la taille :
2
F = k3 x L
La force musculaire rapportée à la
masse corporelle est donc inversement
proportionnelle à la taille :
2
3
F =kxL / L = k/L
-1
F =kxL
La valeur des bras de levier
des forces musculaires et
des forces extérieures
dépend de la taille.
h
H
F1
F2
P1
h1
H1
h2
H2
H1 . P1 = h1 . F1
H2 x P2 = h2 . F2
P1 = F1 . (h1 / H1 )
P2 = F2 . (h2 / H2 )
P1 = k.F1
P2 = k.F2
P2
La charge soulevée, proportionnelle à la force
musculaire, est donc fonction de la taille au carré.
La force musculaire F est
proportionnelle au carré de la taille :
2
F = k3 x L
La force musculaire est proportionnelle
à la masse corporelle à la puissance 2/3
F = k3 x (k2 x M
F = k4 x M
2/3
1/3 2
)
Force musculaire
(% sujet moyen 72 kg)
140
120
100
80
F = k2.M
2/3
60
40
F = k1.M
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Masse corporelle (kg)
90 100
L’ i n t e r p r é ta t i o n d e s
résultat de mesure de force
musculaire doit tenir
compte que la force est
proportionnelle au carré de
la taille et non pas à la
masse corporelle.
F1
h1
H1.P1
F2
P1
h2
H1
= h1 x F1
H2.P2
H2
P2
= h2.F2
H.P = h. F = (k1.taille).(k2.taille ) = k3.taille = k4.masse
2
3
Les moments de force sont proportionnels à la masse corporelle.
Par conséquent, les moments de force rapportés à la masse
corporelle sont indépendants de la taille.
A qualités musculaires
identiques, les résultats
des mesures de moment de
force sont indépendants de
la taille lorsqu’ils sont
rapportés au poids
corporel.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Muscles pénnés
Plume
(pen en anglais)
Empennage
d’une flèche
Disposition des fibres
d’un muscle penné
Chez l’homme, de nombreux muscles
squelettiques ne sont pas constitués de
fibres disposées parallèlement à leur grand
axe.
L’orientation des fibres de nombreux
muscles est inclinée par rapport à leur grand
axe.
La disposition des fibres de nombreux
muscles ressemble à la structure d’une
plume. Ces muscles sont dénommés
“muscles pennés”.
n fibres
R
N fibres
généralement 2N cos a > n
par conséquent
2 N x F x cos a > n x F
insertions tendineuses
proximales
N fibres
N fibres
a
a = angle de pennation
Le muscle penné (à gauche) a le
même volume et la même
largeur d’insertion proximale
que le muscle à fibres parallèles
(à droite).
insertions tendineuses
distales
n fibres
R
R
F1
F2
F1
F1 x cos a
F2
F2 x cos a
R
R = (F1 + F2) x cos a
F1
F2
R = 2 F x cos a
R
R
R
Résultante des forces
de 2 fibres pennée
Chaque paire de fibres
contribue à la force totale
Résultante des forces
de l’ensemble des fibres
Intérêts et limites de la pennation des muscles
La pennation des muscles squelettiques s'accompagne d'un
augmentation de leur force maximale.
Tous les muscles ne sont pas penné car la pennation
s'accompagne aussi d'une diminution de leur capacité de
raccourcissement et par conséquent de leur vitesse maximale.
Par contre, la pennation d'un muscle n'a pas d'effet sur sa
puissance maximale (Puissance = Force.Vitesse).
Les muscles bi-articulaires (biceps femoris, semi-tendinosus,
semi-membranosus, gastrocnemii...) sont généralement pénnés.
n fibres
N fibres
Pour un même pourcentage de
raccourcissement de ses fibres,
le raccourcissement du muscle
pénné est moindre car ses fibres
sont généralement plus courtes.
Raccourcissement
Raccourcissement
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Le moment (MO) de la force F par
rapport au centre de rotation O
est égal au produit vectoriel de la
composante normale FN et de la
distance d
FT
O
d
FN
m
MO = FN*d
Le moment (MO) de la force F par
rapport au centre de rotation O
est égal au produit vectoriel de F
et du bras de levier h :
F
MO = F*h
h
O
m
MO = F*h = FN*d
FN
FT
h
O
O
m
d
FN
m
Un cas particulier :
F
FN
FT
O
h
m
FT
O
m
d
Lorsque le muscle s’insère à angle droit, les vecteurs
F et FN sont égaux, les vecteurs h et d sont égaux et
la valeur de FT est nulle.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
tâgeempérature musculaire.
●
●
●
●
Effet de l’angle articulaire
le bras de levier (h)
les composantes FT et FN
la longueur du muscle
Effet de l’angle articulaire sur
le bras de levier (h)
les composantes FT et FN
le moment de force MO
FN
F
FT
O
h
h
m
O
m
Effet de l’angle articulaire sur
le bras de levier (h)
les composantes FT et FN
le moment de force MO
FN
FT
FT
O
O
m
d
d
FN
m
de la relation
Force-Longueur
à la relation
Moment-Angle articulaire
De la théorie des filaments glissants
à la
Relation Force-Longueur des sarcomères
La formation des ponts actine-myosine peut être
mise en évidence à fort agrandissement sur des
coupes très fines après traitement par du glycérol.
(le glycérol dissout les membranes lipidiques)
Ponts actine-myosine
Filament fin
Filament épais
D’après la théorie des filaments glissants,
la force produite par une fibre musculaire
dépend du nombre de ponts actinemyosine.
La production de force dépend donc de
l’importance du recouvrement des
filaments fins et épais.
Théorie des filaments glissants
Le nombre de ponts “actine-myosine” (en rouge)
(c’est à dire la force produite par un sarcomère)
est proportionnel au recouvrement des filaments fins et épais
Ceci a été démontré par Gordon et coll en
1966 qui ont confronté les valeurs de
force mesurée sur une fibre musculaire
unique et le recouvrement des filaments
fins et épais observé simultanément en
microscopie optique.
Force (% max)
100
80
60
La force diminue avec l’élongation
du sarcomère car le recouvrement
des filaments fins et épais diminue.
40
20
0
0
1µ
2µ
0
50
100
d’après Gordon et coll 1966
3µ
longueur
150
% longueur de repos
Force (% max)
100
80
60
Un plateau de force est observé car le
nombre de ponts actine-myosine est
constant (la région centrale des filaments
épais est dénudé).
40
20
0
0
1µ
2µ
0
50
100
d’après Gordon et coll 1966
3µ
longueur
150
% longueur de repos
Force (% max)
100
80
60
Une diminution de force est observée car
une partie des filaments fins se
chevauchent et le nombre de ponts actinemyosine baisse.
40
20
0
0
1µ
2µ
0
50
100
d’après Gordon et coll 1966
3µ
longueur
150
% longueur de repos
Force (% max)
100
80
60
Une diminution de force est
observée car les filament épais
butent sur les stries Z.
40
20
0
0
1µ
2µ
0
50
100
d’après Gordon et coll 1966
3µ
longueur
150
% longueur de repos
Force (% max)
100
80
Zone
fonctionnelle
60
40
20
0
0
1µ
2µ
0
50
100
d’après Gordon et coll 1966
3µ
longueur
150
% longueur de repos
Relation Force-Longueur
du muscle isolé
La relation force-longueur de la fibre isolée
trouve son expression dans la relation
force-longueur du muscle entier.
A la force produite par les sarcomères, il
convient d’ajouter la force due à la mise
en tension des structures viscoélastiques du muscle (tissu collagène,
membranes cellulaires...).
La relation force-longueur totale du
muscle est égale à la somme de :
- la relation force-longueur passive
(éléments viscoélastiques en
parallèle avec les sarcomères) ;
- la relation force-longueur active
exprimant la force produite par les
ponts actine-myosine.
longueur de repos
Force (% max)
100
force totale
80
Zone
fonctionnelle
60
force passive
40
longueur
d'équilibre
20
0
force active
0
1µ
2µ
0
50
100
3µ
150
longueur
% longueur
de repos
Moment (% max)
100
80
60
La relation angle-moment est
l’expression des effets de l’angle
articulaire sur la longueur du muscle
et la grandeur des bras de levier.
40
20
0
0
60°
120°
180°
Angle articulaire
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
température musculaire.
●
●
●
●
Relation
Force-Vitesse
du muscle isolé
Butée
Levier
Muscle
Poids
Stimulateur
Capteur
de force
Ergomètre utilisé pour l'étude d'un muscle isolé
La vitesse du
déplacement
est mesurée
Le muscle se
raccourcit
Poids
La force
est mesurée
Stimulation du muscle
Poids
Stimulateur
Il est possible de faire varier la valeur des poids que
le muscle soulève.
Poids
Stimulateur
En faisant varier les poids, il est possible de
déterminer une relation entre la force et la vitesse
de raccourcissement.
Vitesse
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
100
80
60
F0 = force à vitesse nulle
= force maximale isométrique
40
20
0
0
20
40
60
80
100
Force
Effets de la température
La température musculaire a des effets très marqués sur la
vitesse de raccourcissement musculaire : une augmentation de
la température musculaire s’accompagne d’une augmentation
importante de la vitesse maximale de contraction.
Par contre, les effets de la température musculaire sur la force
maximale isométrique sont nettement moins marqués. Les
effets de la température sur la force produite au cours d’un
exercice devraient donc être d’autant plus net que la vitesse de
contraction est élevée.
Par son effet sur la vitesse de contraction, une élévation de
température augmente la puissance.
Relation
Force-Vitesse
avec
allongement
musculaire
Stimulateur
Si le poids est supérieur à la force maximale
isométrique le muscle s’allonge au lieu de se
raccourcir.
Stimulateur
En faisant varier les poids, il est possible de
déterminer une relation entre la force et la vitesse
d’allongement.
Force
travail de
freinage
travail
moteur
Vitesse
- 60
- 40
- 20
Allongement
Excentrique
0
20
40
60
80
100
Raccourcissement
Concentrique
La force maximale que peut produire un sujet au cours d’un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
- facteurs anatomiques
- surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
- taille des sujets ;
- architecture musculaire ;
- bras de levier ;
- conditions de réalisation de l’exercice
- angles articulaires (relation force-longueur) ;
- vitesse des mouvements ;
- durée des exercices et nombre de répétitions ;
- facteurs physiologiques
- propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et fibres
rapides) ;
- recrutement spatial et temporel ;
- recrutement des muscles agonistes et antagonistes ;
- âge et genre.
Nombre de répétitions possibles
24
Sujets
moyens
20
Lutteurs
Zatsiorsky et coll. 1968
16
12
8
4
0
0
20
40
60
% Force maximale
80
100
Nombre de répétitions possibles
100
80
60
Lutteurs
Haltérophiles
40
20
0
0
20
40
60
% Force maximale
80
100
Adapté d’après Zatsiorsky et coll. 1968
Temps de maintien
(min)
10
9
Relation entre % force maximale isométrique
et temps de maintien de cette force
8
Adapté d’après des données de Monod et Scherrer 1957
7
Approximativement, le temps de maintien
de 50 % de la force maximale
correspond à environ une minute.
6
5
L’asymptote de cette courbe correspond
à une force, appelée force critique, qu’il
est possible de maintenir indéfiniment.
4
3
Force
critique
2
1
0
0
20
40
60
% Force maximale
80
100
Temps de maintien
(min)
1,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3
30
0,2
0,1 travail / repos
25
Exercices isométriques
continus et intermittents
20
temps de maintien pour
différents rapports
travail/repos
15
10
5
0
0
20
40
60
% Force maximale
80
100
Adapté d’après Pottier et coll; 1969
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Propriétés contractiles des fibres musculaires
Il existe de très nettes différences de vitesse de contraction
entre les fibres lentes et les fibres rapides (ordre de grandeur de
1 à 3).
Par contre, les différences de contrainte maximale (force par
unité de surface de section transversale) sont probablement
nettement moins marquées.
La contrainte maximale des muscles rapides n’est
probablement que légèrement supérieure (+ 10 à 20 % ?) à
celle des muscles lents.
Vitesse de raccourcissement
des sarcomères (µm/s)
4,0 V0
3,0
2,0
Muscle lent
Muscle rapide
1,0
- 0,0
0
F0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Force (F/F0)
Comparaison des relations vitesse-force
d’une fibre musculaire lente et d’une fibre rapide
Force
100
80
60
40
20
0
fibre rapide
f. lente
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
Vitesse
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Facteurs physiologiques
Recrutement spatial et temporel
Il est probable que des sujets non entraînés ne sont pas capables
de recruter l’ensemble de leurs unités motrices et de les tétaniser.
Les améliorations très rapides observées les premières semaines
d’un programme d’entraînement sont probablement l’expression
d’une amélioration :
du recrutement spatial (recrutement de l’ensemble des unités
motrices) ;
●
●
du recrutement temporel (tétanisation optimale de l’ensemble
des unités motrices).
La force que peut produire un muscle
dépend principalement de deux facteurs :
- la fréquence des influx activant les
fibres musculaires ( recrutement
temporel) ;
- le nombre de fibres musculaires
participant à la production de force, c’est à
dire le nombre d’ unités motrices
(recrutement spatial).
Force (% max)
Secousse musculaire
40
La secousse musculaire est la réponse
mécanique à une excitation.
Stimulation
30
temps de contraction
20
10
0
temps de demi-relaxation
0
temps de latence
0,1
0,2
0,3
temps (s)
Force (% max)
Secousse musculaire
40
Muscle rapide
La secousse musculaire des muscles
rapides est plus brève que celle des
muscle lents.
30
20
Muscle lent
10
0
0
0,1
0,2
0,3
temps (s)
100
Force (% max)
Quand le muscle est à nouveau
stimulé avant que la force ne soit
retournée au zéro, la valeur du
deuxième pic de force est
supérieure à celle de la secousse.
80
60
40
Stimulations
20
0
0
0,3
0,6
0,9
temps (s)
100
Force (% max)
Le même phénomène est observé
si une troisème stimulation est
réalisée.
80
60
40
20
0
0
0,3
0,6
0,9
temps (s)
100
Force (% max)
Le même phénomène est observé
si une quatrième stimulation puis
une cinquième sont effectuées.
80
60
40
20
0
0
0,3
0,6
0,9
temps (s)
100
Force (% max)
80
Cependant, à partir d’un certain nombre de
stimulations, la force n’augmente plus et se
stabilise à un pseudo plateau autours du
quel elle oscille..
60
40
20
0
0
0,3
0,6
0,9
temps (s)
100 Force (% max)
Tétanos fusionné
40 Hz
25 Hz
80
60
15 Hz
40
A partir d’une fréquence appelée fréquence
de tétanisation, on observe un plateau de
force. Au delà de cette fréquence, la valeur
du plateau n’augmente plus.
20
0
0
0,2
0,4
0,6
temps (s)
100 Force (% max)
Tétanos fusionné
80 Hz
50 Hz
80
60
30 Hz
40
La fréquence de tétanisation d’un muscle
est d’autant plus élevée que sa secousse
musculaire est brève et que sa vitesse de
contraction est élevée.
20
0
0
0,2
0,4
0,6
temps (s)
L’augmentation de la fréquence des
influx permet de faire varier la force
produite par une fibre musculaire (une
unité motrice ou un muscle entier) d’une
valeur faible (secousse musculaire) à une
valeur 4 à 5 fois plus élevée (tétanos
parfait)..
% force maximale
100
80
relation entre la fréquence de
stimulation et la valeur du
“plateau” de force
60
40
moyennes et écarts types des résultats
de 13 unités motrices différentes
stimulées séparément (d’après
Macefield 1996).
20
0
0
0
20
40
60
80
100
L’effet de la fréquence des stimulations sur
la production de force est probablement
l’expression de la relation entre la
concentration cytoplasmique en
calcium et l’activation des protéines
contractiles.
Lors de l’arrivée d’un potentiel d’action, la
dépolarisation du réticulum sarcoplasmique
s’accompagne d’une ouverture très brève
de leurs canaux calciques.
Le calcium sort du réticulum en suivant son
gradient de concentration et la concentration
cytoplasmique en calcium augmente.
Force (% max)
Secousse musculaire
20
10
0
0,1
0
0,2
Ouverture et fermeture des canaux calciques
Calcium cytosolique
0,3
temps (s)
repompage du calcium dans le réticulum
dépolarisation membranaire
Stimulation
Les molécules de troponine n’ont
cependant pas le temps d’être saturées
en calcium car les pompes à calcium
font rentrer cet ion dans le réticulum.
La production d’une force maximale est
le résultat de la création d’un maximum
de ponts actine- myosine.
Force (% max)
20
10
0
0
0,1
0,2
Ouverture et fermeture des canaux calciques
0,3
temps (s)
Calcium cytosolique
dépolarisation membranaire
Stimulation
La production d’une force maximale
nécessite une saturation de la troponine
en calcium et par conséquent des
concentrations calciques élevées dans le
cytoplasme.
Ceci nécessite une fréquence
d’ouverture des canaux calciques
suffisamment élevée pour que les
pompes calciques n’aient pas le temps de
faire rentrer cet ion dans le réticulum.
Vastus lateralis
Biceps femoris
Capteur de Force
Soleus
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
Force dite “explosive”
La montée de force est d’autant plus
rapide que :
Pente maximale
Force maximale
volontaire (FMV)
!
le muscle est composé de fibres
rapides ;
!
la compliance du tendon est moindre
(raideur plus élevée) ;
!
l’activation musculaire est
importante dès le début de
l’exercice.
Recrutement temporel « supra-maximal »
Lors d’exercices à vitesses angulaires très élevées, la brièveté de
la contraction ne permet pas toujours de produire une contraction
maximale sans un entraînement spécifique.
Une augmentation très importante de la fréquence de décharge
des unités motrices (fréquences très supérieures à leurs
fréquences de tétanisation) en début de contraction permettrait
d’atteindre plus tôt un niveau de contraction maximale grâce à
une augmentation très rapide de la concentration de calcium
dans le cytosol.
100
Force (% max)
80 Hz
80
40 Hz
60
La stimulation d’une unité motrice à une
fréquence supérieure à la fréquence de
tétanisation n’augmentepas
significativement la valeur de la force
maximale.
40
Mais la montée de force est plus rapide
(fixation plus rapide du calcium sur la
troponine par accèlération de sa sortie du
réticulum ?).
20
0
0
0,2
0,4
0,6
temps (s)
Fréquence très élevée (100 Hz)
au début de la contraction
1s
Enregistrement intra-musculaire de potentiels d’action au cours d’une
contraction volontaire maximale.
Enregistrement d’une unité motrice de l’adducteur du pouce innervée
par un rameau aberrant du nerf médian .
Adapté d’après Merton
Que le muscle produise une secousse
musculaire ou un tétanos plus ou moins
parfait, l’amplitude de la force dépend du
nombre de fibres recrutées.
Il est possible de mettre ce fait en évidence,
en excitant un muscle par une stimulation
électrique d’intensité croissante (stimulation
du nerf moteur ou stimulation directe du
muscle).
A faible intensité, seules sont recrutées, les
fibres les plus excitables et traversées par les
quantités de courant les plus fortes.
En augmentant l’intensité du courant, on
recrute des fibres moins excitables ou des
fibres recevant moins de courant car plus
éloignées de l’électrode de stimulation.
Plus la stimulation électrique est intense, plus
le nombre de fibres recrutées est élevé et
plus la production de force est importante.
Force (% secousse maximale)
100
Réponse à une stimulation
électrique d'intensité
croissante.
80
60
40
20
0
0
0,1
0,2
0,3
temps (s)
100
Force (% tétanos max)
80
60
40
Réponse à une stimulation électrique
d'intensité croissante, à une fréquence
suffisamment élevée pour tétaniser les
différents types d’unités motrices.
20
0
0
0,2
0,4
0,6
temps (s)
Les différentes unités motrices sont
recrutées en fonction du niveau
d’activation musculaire.
Ceci peut être mis en évidence au cours d’une
contraction isométrique avec montée de force
progressive (rampe).
Pour chaque unité motrice il existe un niveau
de force, appelé seuil, au delà du quel l’unité
motrice est recrutée.
Unité motrice 3
Unité motrice 2
Unité motrice 1
S3
Force
S2
S1
10
0
0
1
2
Recrutement de différentes unités motrices
au cours d'une montée de force isométrique
3
temps (s)
En général, l’ordre de recrutement
des différentes unités motrices est
fonction de la taille des
motoneurones qui les innervent (loi
de la taille de Henneman).
- les motoneurones de petites tailles
innervant les fibres musculaires lentes de
type I ont les seuils les plus bas ;
- à l’opposé, les motoeneurones de très
grandes tailles innervant les fibres les plus
rapides de type IIb ont des seuils élevés ;
- -les motoneurones de tailles moyennes
innervant les fibres rapides de type IIa ont
des seuils intermédiaires.
Le recrutement selon la loi de la taille est
inverse du recrutement par stimulation
électrique du nerf ou du point moteur :
- dans les situations physiologiques
obeÏssant à la loi de la taille, ce sont les
unités motrices lentes de type I qui sont
recrutées les premières et les fibres
rapides de type IIb les dernières ;
- statistiquement , une stimulation
électrique recrute en premier les fibres de
grosses tailles, c’est-à-dire les fibres
rapides (types IIb puis IIa).
Si un muscle possède N unités motrices, le
recrutement spatial permet en théorie une
gradation de la force beaucoup plus large
(1 à N) que celle du recrutement temporel (1 à
5), allant :
- d’une faible force où seules quelques
unités motrices sont recrutées ;
- à une force élevée, maximale, où la
totalité des N unités sont recrutées.
La gradation de la force combine recrutement
spatial et temporel :
- une faible force correspond au
recrutement de quelques unités
motrices à faibles fréquences ;
- une force maximale où la totalité des
unités motrices sont recrutées et
tétanisées.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Facteurs physiologiques
Recrutement des muscles agonistes et antagonistes
Le moment maximal exercé au niveau d’une articulation est la
somme algébrique des moments exercés non seulement par les
muscles agonistes mais aussi des muscles antagonistes.
Il existe en effet une co-activation des muscles antagonistes
dont il faut retrancher les moments de ceux exercés par les
muscles agonistes.
Les améliorations très rapides observées les premières semaines
d’un programme d’entraînement sont probablement aussi le
résultat d’une amélioration du recrutement des muscles agonistes
et d’une optimisation du recrutement des muscles antagonistes
qui peut diminuer après un programme d’entraînement.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un
exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques
surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;
taille des sujets ;
architecture musculaire ;
bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice
angles articulaires (relation force-longueur)
vitesse des mouvements ;
durée des exercices et nombre de répétitions ;
●
●
●
●
●
●
●
facteurs physiologiques
propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;
recrutement spatial et temporel ;
recrutement des muscles agonistes et antagonistes
âge et genre.
●
●
●
●
Performances des enfants dans des
exercices réalisés contre le poids corporel
En théorie, les performances des enfants
devraient être meilleures que celles des
adultes lorsqu’ils doivent déplacer leur corps
verticalement, contre la force de pesanteur.
Dans la réalité, les performances des enfants
dans ces exercices sont inférieures à celles
des adultes.
Force maximale
(% du maximum chez l'homme adulte)
100
Hommes
80
60
40
Evolution de la force maximale
avec l'âge
d'après Hollmann et Hettinger
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Age (années)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Surface de section transversale du quadriceps
% de la valeur à 30 ans
d’après Lexell et coll. 1988
Age (années)
0
20
40
60
80
Nombre de tractions à la barre (chin-up)
Le poids est proportionnel au cube de la taille
mais la taille est proportionnelle au carré de la
taille.
10
Les sujets de petite taille sont donc avantagés
pour déplacer leur masse corporelle contre la
force de pesanteur.
5
Résultats attendus car les
enfants sont de petite taille.
0
12
13
14
15
16
17
18
Age (années)
Facile !
Quand on est petit...
En théorie oui !
Mais pas pour
les enfants...
Résultats observés
par Schiötz en 1929
Nombre de tractions à la barre
10
Conclusion :
Les enfants ne sont pas
des adultes en miniatures.
5
Résultats attendus car les
enfants sont de petite taille.
0
12
13
14
15
16
17
18
Age (années)
Nombre de tractions à la barre
1929
10
Effet de la sédentarité sur
la force musculaire ?
Effet d’une surcharge
pondérale ?
5
1967
0
12
13
14
15
16
17
18
Age (années)
Force de serrage manuel (gauche et droit)
rapportée à la masse corporelle
Résultats attendus car les
enfants sont de petite taille.
7
8
9
Age
10 11 12 13 14 15 16 17 18 (années)
Force de serrage manuel (gauche et droit)
rapportée à la masse corporelle
Adapté d’après Blimkie 1989
, N/kg
Résultats observés
par Blimkie
15
Garçons
10
Conclusion :
Les enfants ne sont pas
des adultes miniatures.
5
Résultats attendus car les
enfants sont de petite taille.
0
7
8
9
Age
10 11 12 13 14 15 16 17 18 (années)
Masse musculaire (kg)
Garçons
40
30
20
10
0
6
8
10
12
14
16
18
Age (années)
Fibres musculaires
(diamètre en m)
70
60
50
40
30
20
10
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24
Age (années)
Type de fibres
Naissance
1 an
6 ans
30 ans
I
40
60
59
60
IIa
30
30
21
20
IIb
10
10
20
20
IIc
20
0
0
0
Distribution des différents types de fibres musculaires
en % du nombre total (d’après les données de Gollnick
1973, Bell 1980, Colling-Saltin 1980 ).
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
G
10
Age (ans)
8
6
Croissance staturale (cm / an)
4
Garçons
2
0
Pic de Croissance
-5
0
-4 - 3 - 2
-1
+1 +2 +3 +4 +5
Stades
P5
P1-G1
P1-G2 P2 P3
P4
pubertaires
Age lors du pic de croissance de la variable étudiée
(Tanner)
Poids
Muscle Memb. Sup.
Plis cutanés (bras)
Force Memb. Sup.
Force Memb. Inf.
Détente verticale
Navette sprint
Suspension bras fléchis
Tapping test
Croissance = processus quantitatif
Maturation = processus qualitatif
Les effets de la croissance et de la maturation (en
particulier pubertaire) sur les performances
peuvent s’additionner ou se contrebalancer.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Surface de section transversale du quadriceps
% de la valeur à 30 ans
d’après Lexell et coll. 1988
fibres II / fibres I
Rapport des surfaces occupées
par les fibres II et I (II / I)
section transversale du quadriceps
d’après Aoyagi et Shephard 1992
Age (années)
0
20
40
60
80
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Force maximale
(% du maximum chez l'homme adulte)
100
Hommes
80
60
Evolution de la force maximale
avec l'âge
Femmes
40
d'après Hollmann et Hettinger
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Age (années)
Masse musculaire (kg)
Garçons
40
30
Filles
20
10
0
6
8
10
12
14
16
18
Age (années)
100
%
Force de serrage manuel (gauche et droit)
100 x rapport Filles / Garçons
Adapté d’après Blimkie 1989
80
60
40
20
0
7
8
9
Age
10 11 12 13 14 15 16 17 18 (années)
10
10
11
12
13
14
15
16
17
1ères Règles
18
19
Age (ans)
8
6
Croissance staturale (cm / an)
4
Filles
2
0
Pic de Croissance
-5
0
-4 - 3 - 2
-1
+1 +2 +3 +4 +5
Stades
P5
P1
P2 P3 P4
pubertaires
Age lors du pic de croissance de la variable étudiée
(Tanner)
Poids
Muscle Memb. Sup.
Plis cutanés (bras)
Force Memb. Sup.
Force Memb. Inf.
Détente verticale
Navette sprint
Suspension bras fléchis
Tapping test
Fibres I
Fibres IIA
Fibres IIB
Hommes
Femmes
Valeurs moyennes et écarts-types des surfaces
de section transversale des différents types de
fibres musculaires chez les hommes et les
femmes adultes (d’après Glenmark et coll. 1992)