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Propriété mécaniques du
muscle
Données théoriques et
pratiques
1
Structuration du niveau
organismique au niveau
moléculaire
2
Muscle strié
squelettique
3
Fibre
musculaire
découpée
en 3D
4
Filament épais de myosine
Filament fin d’actine
Vue miscroscopique de
l’arrangement entre les
filaments d’actine et de
myosine
Coupe transversale
de deux myofibrilles
montrant
l'arrangement
actine -myosine.
5
Vue
microscopique
de sarcomères
6
7
Mécanismes de la
contraction musculaire
8
Accrochage actine - myosine
ATP
ATPase
ADP - P
Le calcium libéré des citernes du réticulum sarcoplasmique
provoque un glissement des protéines régulatrices de l'actine,
démasquant les sites d'accrochage des têtes de myosine 9
Muscle au repos
Myosine attachée à l’actine
Donne la rigidité musculaire
10
1ère étape de la contraction
- L’ATP s’attache à la myosine
- La tête de myosine se détache de l’actine
11
2ème étape de la contraction
- ATP est hydrolisée
- La tête de myosine se déplace en s’accrochant ailleurs
12
3ème étape de la contraction
- Pi est libéré
- La tête de myosine tire sur l’actine
13
4ème étape de la contraction
- ADP libérée
- Retour du muscle à la position de repos
14
La contraction se
termine quand [Ca++]
devient trop basse
15
REGIMES DE CONTRACTION MUSCULAIRE
• Concentrique
• Excentrique
• Isométrique
• Pliométrique
16
• Contraction musculaire concentrique :
Développement d’une force volontaire
raccourcissement du muscle
17
• Contraction musculaire excentrique :
Développement d’une force pour résister à une charge
importante
étirement du muscle
18
• Contraction musculaire isométrique :
Développement d’une force volontaire
Aucune variation de longueur du muscle
19
• Contraction musculaire pliométrique :
Utilisation de l’énergie élastique stockée au niveau du
muscle lors de la phase d’étirement
Contraction excentrique suivie
immédiatement d’une contraction
concentrique
20
Le cycle étirement- détente
Exemple de la course à pieds
1 - Pose du pied à terre
21
Stockage d’énergie
2 - Contact au sol
22
Restitution de l’énergie
3 - Propulsion
23
Le cycle étirement- détente
en course à pieds
24
Variation de la force appliquée
25
En l’absence de fatigue…
26
Conséquences dues à la flexion
du genou
27
En cas de fatigue…
28
Processus d’emmagasinage
d’énergie à partir des têtes de
myosine
29
MODELE MECANIQUE DU MUSCLE
SQUELETTIQUE
HILL (1932)
30
MODELE MECANIQUE DU MUSCLE
SQUELETTIQUE
HILL (1932)
Composante élastique
série
Tendons
Stockage-restitution
d’énergie élastique
Composante élastique
parallèle
Enveloppes
musculaires
Liaison actine-myosine
CES
CC
Composante contractile
Génère une force grâce au
glissement des filaments.
Variation de la longueur du
muscle
CEP
Stockage-restitution
d’énergie élastique
31
Différentes phases du modèle
mécanique de la contraction
musculaire
1. Phase de contraction isométrique
2. Phase de contraction isotonique
3. Phase de relaxation isotonique
4. Phase de relaxation isométrique
32
1. Phase de contraction isométrique
La totalité du muscle garde la même longueur
CC se raccourci
(raccourcissement des
sarcomères)
CEP se raccourci
(endomysium
compressé)
CES s’étire
(étirement des
tendons)
33
2. Phase de contraction isotonique
La totalité du muscle se raccourci
CC se raccourci
CEP se raccourci
CES garde la
même
longueur
34
3. Phase de relaxation isotonique
La totalité du muscle s’allonge
CEP s’allonge
CC s’allonge
CES garde la
même
longueur
35
4. Phase de relaxation isométrique
La totalité du muscle garde la même longueur
CEP s’allonge
CC s’allonge
CES se
raccourci
36
Propriétés mécaniques
musculaires
Relations :
Force - longueur
Force - vitesse
Puissance - vitesse
37
Variables intervenant dans la contraction
musculaire
Il y a lieu de distinguer :
• des facteurs chimiques intervenant directement dans la
mécanique contractile (organisation des fibres d'actine / à celles
de myosine ; proportions de myofibrilles / mitochondries,
myoglobine).
• des facteurs visco - élastiques dus à la présence de
différents éléments élastiques dans les myofibrilles, les fibres
musculaires et les tendons.
38
Contractions isotoniques et isométriques
muscle isolé
Dispositif permettant l'étude des réponses d'un muscle isolé à la stimulation
électrique dans le cadre d'une contraction isométrique ou isotonique
En isotonie, le raccourcissement du muscle imprime un mouvement au levier
A qui est enregistré par un système de mesure.
En isométrie, la tension développée est enregistrée par la jauge de
contrainte B.
39
Etude de la
contraction
isotonique
40
Etude de la
contraction
isométrique
41
Relation tension - longueur
du muscle
Chaque contraction musculaire implique :
ƒ
le development d’une tension active
(ponts d’actine-myosine)
ƒ
le development d’une tension passive
(étirement et compression des éléments élastiques
tendons et endomysium)
42
Courbe de tension active
Sur le sarcomère
En condition isométrique
Tension Max
Longueur de
repos du
sarcomère
43
Relation entre la tension développée par la
mécanique contractile et la longueur d'un sarcomère
Les tensions les plus importantes sont enregistrées aux
longueurs offrant le plus d'interactions actine - myosine
44
Courbe de tension passive
Tendons et endomysium
Générée en tirant sur la
fibre musculaire
Débute à la longueur de
repos du sarcomère
45
Courbe de tension totale
Addition de la courbe de
tension active à celle de
tension passive
46
Relation force - vitesse en condition isotonique
sur un muscle isolé
charges à soulever
de poids croissants
(P1, P2, P3)
47
Relation force - vitesse du muscle isolé
Plus il y a de sarcomères placés en parallèle
dans la fibre musculaire plus la fibre peut
développer de la force (hypertrophie ou
hyperplasie)
Plus il y a de sarcomères placés en série
dans la fibre musculaire plus la fibre peut
développer de la vitesse
Note : La vitesse de contraction est limitée par le type de
myosine ATPase présente dans la fibre.
48
Illustration de
l’hypertrophie
d’une fibre
Développement de la force
49
Illustration du
développement des
sarcomères en série
dans une fibre
Développement de la vitesse
50
Potentiel d’action et force musculaire
Un simple potentiel d’action musculaire
détermine le développement d’une
force submaximale due à la vitesse de
libération du Ca++ qui est dépendante
de la Ca++ATPase qui enlève le Ca++ du
sarcoplasme.
51
Potentiel d’action et force musculaire
52
Potentiel d’action et force
musculaire
Lorsque la fréquence du potentiel d’action
augmente, la Ca++ ATPase ne parvient pas à
enlever le Ca++ cytosolique assez vite,
permettant l’augmentation de la force
maximale (tétanos).
53
Potentiel d’action et force musculaire
54
Muscle et fatigue
Chez l’homme il y a deux types de fatigues :
1. La fatigue de type musculaire
2. La fatigue de type nerveuse
En général les nerfs ne fatiguent pas. La fatigue
nerveuse implique la déplétion du neurotransmetteur,
après plusieurs millier de décharges de hautes
fréquences.
55
Muscle et fatigue
Hypothèses / fatigue de type musculaire
corrélation avec la
déplétion des
stockes de
glycogène
Pour l’exercice de longue
durée : les cellules
musculaires deviendraient
davantage dépendantes de la
filière énergétique utilisée
56
Unités motrices
Le moto neurone alpha plus l’ensemble des fibres
musculaires qu’il innerve forment :
l’unité motrice musculaire
57
Unités motrices
Les unités motrices peuvent être :
„ petites : nerf + 1 fibre musculaire
grandes : nerf +
plusieurs millier de
fibres musculaire.
58
2 moto neurones peuvent innerver les mêmes fibres
musculaires
59
Une contraction musculaire est une réponse graduée
commençant avec l’activation :
„ des plus petites unités motrices,
Recrutement des unités motrices
60
Une contraction musculaire est une réponse graduée
commençant avec l’activation :
„ des plus petites unités motrices,
„ puis l’addition des unités motrices plus importantes
jusqu’à ce que la force développée soit optimale.
Recrutement des unités motrices
61
Illustration du phénomène de
recrutement des unités motrices
62
Types de fibres musculaires
Le muscle squelettique est composé de 3 types de
fibres differentes :
• Rapides - glycolytiques (fibres blanches)
• Rapides - oxydatives-glycolytiques (fibres
blanches-rouges)
• Lentes oxydatives (fibres rouges)
63
Illustration des différents
types de fibres musculaires
64
Types de fibres musculaires
Comparison des enzymes
Caractéristiques
Rapides Intermédiaires
Lentes
IIb
IIa
I
Glycolytique
+++
++
+
Oxydative
+
++
+++
+
++
+++
Glycogène
+++
+++
++
Myoglobine
+
++
+++
Type
Mitochrondries
65
Types de fibres musculaires
Influence de l’exercice
Le type de fibre musculaire est
génétiquement pré-déterminé mais il
peut être changé en direction d’autres
types de fibres à partir de stimuli
d’entraînement spécifiques.
66
Types de fibres musculaires
Influence de l’exercice
EXERCISE
% type fibres prédominantes
Marathon
Sprint
Altérophilie
Aviron
Natation
I
IIb
IIa
I
IIa
62
47
53
65
57
67
Relation puissance - vitesse
HILL (1938)
Puissance
Pmax
Vopt
Vitesse
68
Relations
force - vitesse - puissance
lors de l’exercice
69
RELATION FORCE DEVELOPPEE SUR LES
PEDALES ET FREQUENCE DE PEDALAGE :
Force
Début de sprint, la force est
maximale pour une
fréquence minimale
Fin de sprint, la fréquence
est maximale pour une
force minimale
Fréquence de pédalage
70
DETERMINATION DE LA PUISSANCE
Puissance = Force . vitesse
• Puissance en Watt
• Force en N
• Vitesse en m.s-1 ou rpm
Compromis entre fréquence de pédalage et
force
71
RELATION
PUISSANCE-FREQUENCE DE PEDALAGE
Puissance (W)
900
600
300
80
120
200
Fréquence (rpm)
72
Relation rendement - vitesse
Rendement
ρ max
Vopt
Vitesse
73
Données pratiques
74
Morin JB, Hintzy F, Belli A, Grappe F
Science et Sports, 17 : 78-85, 2002
75
BUTS DE L ’ETUDE
EVALUER :
FORCE, VITESSE ET PUISSANCE DES
SPRINTERS
ETUDIER : CORRELATIONS AVEC LA PERFORMANCE
EN SPRINT
Sur 7 SPRINTERS ESPOIRS MASCULINS
NIVEAU NATIONAL
76
MATERIEL ET METHODES
Test FORCE-VITESSE en laboratoire
ECHAUFFEMENT : 6min pédalage à 60 rpm, charge
< 20 N. 3 sprints de 3 secondes, charge < 20 N
3 SPRINTS de 6 sec sur bicyclette ergométrique
Monark 818 © avec courroie de friction (Arsac, 1995)
Ordre aléatoire, résistances de 0,4, 0,6 et 0,8 N / kg
MESURE de force (N), vitesse (rpm) et puissance
mécanique externe (w) à 50Hz
77
SPRINT sur le terrain
ECHAUFFEMENT : course lente de 5min +
5 accélérations progressives sur 30m
3 SPRINTS sur 30m départs en starting-blocks
sans signal, avec 5min de récupération
CHRONOMETRAGE au 1/1000ème de seconde,
aux 5, 10 et 30m par cellules photo-électriques
78
Chronométrage des performances en sprint
79
Résultats de l’étude
80
Relation typique entre les valeurs moyennes par coup de pédale de
force (N) et de vitesse (rpm) au cours de trois sprints de 6 s contre
des résistances de 0,4, 0,6 et 0,8 N.kg-1 chez des sprinters.
81
0,4 N/kg
1200
0,6 N/kg
0,8 N/kg
800
puissance (w)
P max
400
Vopt
r ² = 0.705
p < 0,05
0
0
40
80
120
160
200
vitesse (rpm)
Relation typique entre la vitesse (rpm) et la puissance (W) au cours
de trois sprints contre des résistances de 0,4, 0,6 et 0,8 N.kg-1 chez
des sprinters .
82
5
Temps (s)
4
4.48
3
2.18
2
1.42
1
0
0
5
10
15
Distance (m)
20
25
30
Temps moyens ± écart-type (en s) à 5, 10 et 30 m
lors d’un départ en sprint en course à pied.
83
Sprint sur bicyclette ergométrique
Vmax (rpm)
Fmax (N.kg-1)
Pmax (W)
Pmax.kg-1 (W.kg-1)
Vopt (rpm)
165 ± 19
1,21 ± 0,07
835 ± 67
11 ± 1
119 ± 2
Sprint en course à pied
Vmoy 0-5 (m.s-1)
Vmoy 0-10 (m.s-1)
Vmoy 0-30 (m.s-1)
Vmoy 5-10 (m.s-1)
Vmoy 10-30 (m.s-1)
3,53 ± 0,07
4,59 ± 0.23
6.70 ± 0.16
6,63 ± 0,88
8,76 ± 0,56
Valeurs moyennes ± écart-type des variables mesurées sur bicyclette
ergométrique et lors de départs en starting-blocks.
Fmax (N.kg-1)
Vmax (rpm)
Vopt (rpm)
Pmax.kg-1 (W.kg-1)
Vmoy 0-5
(m.s-1)
- 0,604
0,035
0,331
- 0,283
Vmoy 0-10
(m.s-1)
0,144
0,136
0,019
0,886*
Vmoy 0-30
(m.s-1)
0,295
0,308
- 0,142
0,211
Vmoy 5-10
(m.s-1)
0,662
0,101
- 0,133
0,931*
Vmoy 10-30
(m.s-1)
- 0,213
0,087
- 0,147
- 0,609
Coefficient de corrélation entre les variables développées sur bicyclette
ergométrique et les performances en sprint en course à pied. * : p < 0,01
84
CONCLUSION
La PUISSANCE MUSCULAIRE RELATIVE est
le facteur clé de la performance à 10m
t5 est plus influencé par Fmax (r = - 0,406)
t30 est plus influencé par Vmax (r = - 0,676)
t30 est fortement lié aux temps d ’atteinte de
Vmax (r=0,507) et Pmax (r=0.634)
Un sujet puissant est rapide sur les dix premiers mètres.
Sa force musculaire semble déterminer son temps à 5 m,
et sa vitesse maximale plutôt sa performance à 30 m. Son
explosivité sur bicyclette est corrélée à sa performance
85
sur 30 m.
Données théorique et
pratiques générales
86
Application du test force - vitesse et des
tests de sauts verticaux dans l’évaluation
fonctionnelle du karatéka competiteur
Ravier G, Grappe F, Rouillon JD
87
Relation puissance-vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg-1
chez des karatékas
88
Propulsive force (F , N)
500
400
300
200
100
50
100
150
200
250
Pedalling velocity (V , rpm)
Relation force - vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg-1
chez des karatékas
89
Differences significatives en SJ entre les karatékas internationaux et
nationaux.
90
Differences significatives de V0 (Vmax théorique) entre les karatékas
internationaux et nationaux.
91
Differences significatives de V0pt entre les karatékas internationaux et
nationaux.
92
Differences significatives de Pmax entre les karatékas internationaux et
nationaux.
93
Matrice de corrélation entre les différents tests de Pmax entre les
karatékas internationaux et nationaux.
Variables
SJ (cm)
CMJ (cm)
CMJ
(cm)
0.92
***
V0
(rpm)
0.51
*
0.46
*
V0 (rpm)
Vopt (rpm)
F0 (N.kg-1)
Vopt
(rpm)
0.49
*
0.47
*
0.89
***
F0
(N.kg-1)
0.12
NS
0.13
NS
0.16
NS
0.43
*
Pmax
(W.kg-1)
0.42
NS
0.40
NS
0.74
***
0.85
***
0.77
***
*: p < 0.05, *** : p < 0.001, NS : p > 0.05
94
EFFET DE LA POPULATION
• Sujets endurants (FI) : Pmax faible (600 W)
• Sujets explosifs (FII) : Pmax élevée (1000 W)
Ï Plus le pourcentage en FII est élevé, plus
Pmax est élevée.
95
COMPARAISON SUJET LENT
- SUJET RAPIDE
Puissance (W)
Sujet explosif
Sujet endurant
900
600
300
80
120
Vitesse (rpm)
200
96
RELATION Pmax-Vopt
Pmax
Vopt
97
Pmax = Fopt . Vopt
• Compromis optimal de force et de
vitesse pour améliorer Pmax.
• Part relative des paramètres force et
vitesse dans la composition de
Pmax.
98
COMPROMIS Fopt - Vopt
Sujet de type fort
• Fopt ++
• Fo élevée,
• Vo faible
Force
Sujet de type vitesse
• Vopt ++
• Vo élevée
• Fo faible
Force
Fréquence
Fréquence
99
INTERET DE CES MESURES
• Amélioration de Pmax
• Elaboration d’un programme de
musculation individualisé et spécifique à
chaque discipline sportive
• Suivi rapide et objectif de l’entraînement
100
RAPPORT Fo /Vo
• Plus le rapport est élevé : discipline
axée sur la force
• Plus le rapport est faible : discipline
axée vers la vitesse
Mise en adéquation du rapport Fo/Vo
du sportif avec le rapport Fo/Vo
spécifique à la discipline sportive
101
ENTRAÎNEMENT DE
LA COMPOSANTE FORCE
• Notion de vitesse essentielle
• Relation inverse entre la charge et le
nombre de répétitions
• Types d’exercices avec charges :
squat jump, contre-mouvement,
montée de marche, saut accroupi,
fente…
102
ENTRAÎNEMENT DE
LA COMPOSANTE VITESSE
• Notion de force essentielle
• Vitesse d’exécution maximale
• Exercices de type plyométrique :
sauts en contre-haut et contre-bas,
sauts d ’obstacles… avec charges
légères
103
PRINCIPES GENERAUX D ’AMELIORATION
DE LA PUISSANCE
• La charge doit être optimale
• Travailler les muscles agonistes et
antagonistes
• Etirements actifs et passifs
• Apprentissage du mouvement
• Individualisation du programme
• Evaluations fréquentes
104