M1 UE1 e3. Performance : de l`athlète jusqu`au muscle Travail

M1 UE1 e3. Performance : de
l’athlète jusqu’au muscle
1h CT : 2 questions parmi 10 (5 Perrey, 5 Candau) :
1.
Applications d’un des modèle de type empirique sur des records actuels ou
tests de terrain. Regard critique sur la formulation du modèle.
2.
Concepts de résistance et d’endurance. Tests de terrain. Principe,
interprétations.
3.
Principe du concept de vitesse critique et application dans une discipline
sportive de votre choix. Interprétation des deux paramètres obtenus.
Application dans le domaine de l’entraînement, du réentraînement ou de
l’EPS
4.
Evaluation des aptitudes énergétiques à partir de performances sur différentes
distances. Principe du modèle de Péronnet et application sur des données
actuelles (records personnels ou records du monde)
5.
Application du modèle d’Arsac et Locatelli (2002) à la performance en sprint
ou ½ fond. Limites et Perspectives.
20h CM + 10h Tp
10 h CM. Modèles
mécaniques et énergétiques
de la performance humaine
ECTS de l’enseignement : 3
http://robin.candau.free.fr
[email protected]
Travail personnel et logiciels
Critères de notation
1. Qualité de la description des méthodes et du
principe du modèle
2. Qualité de la discussion et de l’interprétation des
résultats. Présence d’une application dans le
domaine de l’entraînement ou du réentraînement
•
•
•
•
Excel ou open office (gratuit)
Madonna Berkeley (gratuit, www.berkeleymadonna.com/ )
Scilab (gratuit, www.scilab.org), math lab
Graph Pad, Sigma plot, Scientist, origin…
3. Qualité de l’expression, de la présentation des
graphiques
Modélisation des performances
humaines
Plan
2 objectifs :
•
•
Mieux cerner les facteurs
mécaniques et énergétiques de la
performance humaine
1. Modèles empiriques
2. Modèles physiologiques
Applications dans le domaine de
l’entraînement, du réentraînement
ou de l’EPS
http://www.drawingsofleonardo.
1
Introduction
1.
Décroissance non-linéaire des performances avec la durée de l’exercice
2.
L’élite ne descend pas en dessous de 10 km/h => capacité énergétique pas
limitée
La diminution non-linéaire des performances est
retrouvée dans diverses locomotions
Records du monde
Vitesse (km/h)
80
60
v (km/h)
50
40
30
20
10
0
200000
400000
600000
Quelle est la fonction
qui décrit le mieux
l’évolution des
performances en
fonction du temps de
course?
Marche
Course
60
40
Patinage
Cyclisme
20
0
0
20000
40000
60000
Distance (m)
t (s)
Modèles empiriques
La relation devient linéaire avec la durée de l’exercice sur une
échelle log
1. Premières tentatives de description des
performances humaines
200 m
2. Concept de résistance
800m
3. Concept d’endurance
20 000m
4. Concept de limite pour l ’espèce humaine
5. Applications dans le domaine de
l ’entraînement
Billat et al. Time in human endurance model Sports Med 1999 Jun; 27 (6): 359-379
Test du modèle de, Kennelly aux records du
I Modèles empiriques
monde de 1997
• En 1906, Kennelly propose de décrire l ’évolution des
vitesses maintenues lors des records du monde en fonction de la durée
des épreuves (v/t) :
n
(1)
k et n sont déterminées empiriquement
v=kt
10
k
n
Erreur %
8
v (m/s)
=> « loi de la fatigue » chez l ’homme et le cheval et pour
divers modes de locomotion
Modèle de kennely 1906
record du monde 97
v= kTn
12
6
homme
13,90
variable
0,12
variable
3% cellule cible
• Surestimation à
partir du 200 km
• Erreur importante
marathon
4
2
6j
Kennelly AE. An approximate law of fatigue in the speeds of racing animals. Proc Am Acad Arts Sci 1906; 42 (15):
275-331
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
t (s)
2
Principe de l’application du
modèle dans Excel
t (s)
Sous-estimation
Description
grossière des
performances
Sur-estimation
11
11
10
v (m/s)
=> les processus
énergétiques sousjacents sont plus
complexes que cette
simple fonction
Surestimation des performances
10
9
9
Du 800 au 3000 m
8
8
7
7
9,84
13,32
43,29
101,73
132,18
207,37
224,39
284,88
440,67
764,39
1598,08
3415,6
3564
3600
4435,8
5358,1
7610
22220
59540
172800
518400
v réelle
10,16
15,02
9,24
7,86
7,57
7,23
7,17
7,02
6,81
6,54
6,26
5,86
5,92
5,86
5,64
5,60
5,54
4,50
3,36
2,62
1,97
vmodèle
11,97
11,48
9,76
8,68
8,38
7,88
7,79
7,54
7,10
6,58
5,95
5,36
5,33
5,32
5,17
5,04
4,80
4,15
3,62
3,13
2,69
(v réel - vmod)^2
3,25
12,51
0,28
0,67
0,66
0,41
0,38
0,27
0,09
0,00
0,09
0,24
0,35
0,29
0,21
0,31
0,55
0,12
0,07
0,26
0,52
Modèle de kennely 1906
v= kTn
record du monde 97
k
n
semc
200
400
600
800
variable
variable
cellule cible
14
12
6
0
homme
16,38
0,14
21,54
-
16
v (km/h)
Zoom sur l ’échelle de temps
10
8
6
4
2
0
1000
100000 200000 300000 400000 500000 600000
t (s)
t (s)
Autres modèles empiriques
Meade, 1956
•1937, Grosse-Lordemann et Müller
log t = a • log P + b
en réarrangeant :
t = 10(a • log P + b)
Il reprend le modèle de Kennelly
et souligne le modeste pouvoir descriptif du modèle
6 sujets sur
ergocycle, 6
exercices
épuisants
a et b sont des constantes très variables d ’un sujet à
l ’autre sans signification biologique identifiée
•1943, Francis, modèle hyperbolique
La précision des mesures de performance lors des
records du monde doit permettre d ’identifier les
aptitudes énergétiques qui sous-tendent la
performance
(log d – 1.5) × (v – 3.2) = 6.081
3,2 m/s = 11,5 km/h= vitesse qui peut être
maintenue théoriquement indéfiniment
=> 1ère suggestion d ’un modèle qui incorpore
l ’énergétique humaine
Meade GP. Consistent running records. Science 1956; 124: 1025
Modèles empiriques
Ergocycle de sprint
Jauge de
contrainte
Capteur
de
vitesse
1.
Premières tentatives de description des
performances humaines
2.
Concept de résistance
3.
Concept d’endurance
4.
Concept de limite pour l ’espèce humaine
5.
Applications dans le domaine de l ’entraînement
3
Concept de résistance
Concept de résistance et d’endurance
P (w)
concept de résistance
introduit par Henri et
Farmer (1860)
• en 1860, le concept de résistance introduit par Henri et Farmer
(201 m)
(64 m)
resistance
2 à 5 exercices épuisants
sur ergocycle avec 28
sujets
Index d ’end
urance (1963
)
Cet index de résistance était bien corrélé avec l ’état
d ’entraînement (18 étudiants en éducation physique)
log t
Tornvall G. Assessment of physical capabilities. Acta Physiol
Scand 1963; 58 Suppl.: 201
Evolution de l’endurance en fonction de l’âge
Effet de l ’entraînement sur
l ’endurance
L’endurance se bonifie avec les
processus de maturation
100
95
%VMA
Graig Virgin, champion du monde en 80
en 1972 -> f = 0.572
90
en 1976 -> f = 0.570
85
soit seulement 0.3% d ’augmentation de l ’endurance en 4
ans
80
enfants âgés de 12 à 15 ans
75
0
10
20
30
40
50
adultes
60
70
80
Tlim (min)
L ’endurance ne s ’améliore pas ?
Pourc entage de vit e ss e m aximale aé robie pouv ant ê tr e so ute nu e n
fonction de la duré e de l'exe rcic e pour des enf ant s et des a dul te s
(d'ap rè s Lé ger , 199 6)
Adapté par Berthoin
(pas très surprenant ici chez un athlète d ’élite qui se maintient à son meilleur niveau)
Modèles empiriques
1.
Premières tentatives de description des
performances humaines
2.
Concept de résistance
3.
Concept d’endurance
4.
Concept de limite pour l ’espèce humaine
5.
Applications dans le domaine de l ’entraînement
Concept de limite pour l ’espèce humaine
• En 1865, Henri prédit que les records sont
condamnés à plafonner au-dessus de la barrière de 4
min sur la base d ’une analyse de l ’évolution des
records du monde du mile.
Mais dès 1954, Roger Banister franchit cette barrière
(3 ’59 ’ ’) !
•
En 1954, Lietzke prévoit une vitesse max de 35.9
km/h (analyse des records du monde en fonction du
temps sur échelle log)
Mais v max est actuellement >
37 km/h sur 200m et >
40 km/h en vitesse de pointe
4
Atteinte d ’une limite pour l ’espèce humaine :
9’15’’ au 100m?
Morton RH. The supreme runner: a theory of running and some
of his physiological attributes. Aust J Sci Med Sport 1984; 16:26-8
• Morton décrit l ’évolution des records du monde à travers
le siècle pour diverses distances particulières.
Morton RH. The supreme runner: a theory of running and some
of his physiological attributes. Aust J SciMed Sport 1984; 16:26-8
Limites pour l ’espèce humaine?
•
9’’15 au 100 m
• 3’04’’15 au 1500 m
• 23’40’’94 au 10 000 m
T100 m
9 ’15 ’’
Atteinte d ’une limite (?)
Fonction exp avec une
asymptote
année
Analyse dépendante du contexte historique
et technologique
=> prédiction très incertaine car progrès
technologiques et dérives biologiques
difficilement prévisibles
L ’athlète ultime possède (Keller, 1973) :
• une force maximale d ’accélération de
15 m.s-2.kg-1
• une VO2max de 154 mlO2/min/kg
• une capacité anaérobie de 140 ml/kg
Keller JB. A theory of competitive running. Physics Today 1973; 26: 42-7
Morton RH. The supreme runner: a theory of running and some
of his physiological attributes. Aust J SciMed Sport 1984; 16:26-8
Les femmes vont-elles courir plus vite le
marathon que les hommes?
Limites pour l ’espèce humaine?
Valeurs actuelles
9’’74
•
9’’15 au 100 m
• 3’04’’15 au 1500 m
• 23’40’’94 au 10 000 m
3’26’’
26’22’’
L ’athlète ultime possède (Keller, 1973) :
• une force maximale d ’accélération de 15
m.s-2.kg-1
• une VO2max de 154 mlO2/min/kg
• une capacité anaérobie de 140 ml/kg
(41/3,6)/3 = 3,8 m.s-2.kg-1
85 mlO2/min/kg
100 mlO2/kg
Keller JB. A theory of competitive running. Physics Today 1973; 26: 42-7
Modèles empiriques
1.
Premières tentatives de description des
performances humaines
2.
Concept de résistance
3.
Concept d’endurance
4.
• A partir d ’une augmentation fulgurante du record féminin
au marathon de 1980 - 1992, Whipp et Ward ont prédit une
vitesse supérieure pour les femmes?
• (discipline olympique uniquement depuis 1984)
=> nécessité de tenir compte du contexte historique et social
pour interpréter
Whipp BJ, Ward SA. Will women soon outrun men ? [letter] Nature 1992; 355: 25
Orientation des athlètes en fonction
de leur endurance
V (min/mile)
Index d ’end
urance (f)
(Tornvall 1963
Concept de limite pour l ’espèce humaine
5.
Applications dans le domaine de l ’entraînement
–
Orientation des athlètes en fonction de leur endurance
–
Analyse de l’activité / détermination des points faibles et
forts de l’athlète
–
Stratégie de course
Frederick et al., (1977)
concept de résistance Henri
et Farmer (1860)
Analyse statistique sur 62
internationaux en ½ fond et fond
)
•f = 1.0 ±0.09 pour le 1500m
•f = 0.699 ± 0.021 pour le 5000- 10 000m
•f = 0.619 ±0.02 pour le marathon
7 min
log t
(endurance aptitude = à soutenir un haut
pourcentage de VO2max , index de Péronnet
5
40
du 100 m au 1000 km
35
v (km/h)
30
25
20
15
10
400 m
3000 m
42125 m
5
0
40
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
V itesse (km /h)
t (s)
35
•VO2max
30
•ultra-endurance
RECORD DU MONDE COURSE à PIED de 1997
Temps (sexagésimal)
h
min s
t (s)
ln t
v km(h)
100
9,84
9,84 2,29
36,59
200
19,32 19,32 2,96
37,27
400
43,29 43,29 3,77
33,26
800
1
41,73 101,7 4,62
28,31
1000
2
12,18 132,2 4,88
27,24
1500
3
27,37 207,4 5,33
26,04
1 609
3
44,39 224,4 5,41
25,81
2000
4
44,88 284,9 5,65
25,27
3000
7
20,67 440,7 6,09
24,51
5000
12
44,39 764,4 6,64
23,55
10000
26
38,08 1598 7,38
22,53
20000
56
55,6 3416 8,14
21,08
21100
59
24 3564 8,18
21,31
21101
1
3600 8,19
21,10
25000
1 13
55,8 4436 8,40
20,29
30000
1 29
18,1 5358 8,59
20,16
42195
2
6
50 7610 8,94
19,96
100000
6 10
20 22220 10,01
16,20
200000
16 32
20 59540 10,99
12,09
452270
48
2E+05 12,06
9,42
1023200 144
5E+05 13,16
7,11
25
•Puissance
musculaire
•Débit de la
glycolyse
20
15
10
•Capacité
anaérobie
•VO2max
4 phases distinctes
avec rupture de
pente
•VO2max
•Endurance
d
100
200
400
800
1000
1500
1 609
2000
3000
5000
10000
20000
21100
21101
25000
30000
42195
100000
200000
452270
5
Applications :
-
0
2
45 s
4
6
8
10
ln Temps (s)
7 min
12
14
1h
1.
Analyse de
l’activité
2.
Identification
points forts et
faibles
RECORDS PERSONNELS
Temps (sexagésimal)
h
min s
t (s)
ln t
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
0 #######
Comparer ses propres performances avec les records du monde afin d'en déduire ses points
forts et faibles en matière d'aptitude énergétique
Mode d'emploi
1/ saisir ces données dans la zone surlignées (les autres colonnes se mettent automatiquement à jour)
2/ copier les nouvelles colonnes t et v dans et coller directement dans le graphe du haut afin d'autoriser
une comparaison graphique
3/ copier les nouvelles colonnes ln t et v dans et coller directement dans le graphe du bas afin
d'autoriser une comparaison graphique plus aisée
RC
4/ zoomer sur l'échelle de temps en cliquant 2 fois sur l'échelle horizontale
40
v km(h)
d
30
20
10
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
t (s)
v km(h)
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
#DIV/0!
v km(h)
Comparaison par rapport aux
records du monde
40
35
30
25
20
15
10
5
-
débit
glycolyse
-
capacité
anaérobie et
VO2 max
VO2 max et
endurance
5,00
10,00
15,00
ln t (s)
0,3%
Analyse des exigences de l'activité
Développement de la capacité
anaérobie
Développement de la puissance
musculaire et de la glycolyse
Facteur limitant
•% surface fibre rapide (IIx)
•commande motrice et E-C
•activité catalytique de la
phosphofructokinase
•Expression de l’α actinine3?
robie
Forme d’entraînement
•musculation lourde avec 3-12
répet
•Pliométrie
•sprints spécifiques de 2 à 40 s
(répétiton 2 à 10)
Facteur limitant
robie
•Aptitude à transporter les
ions H+ du muscle vers le
sang,
•pouvoir tampon?
•résistance à la fatigue
neuromusculaire
Forme d’entraînement
Intervalles courts de 1 à 4 min.
Récupération : de 3 à 10 min
Nbre de répétition : 3 à 10
Analyse des exigences de l'activité
Gain VO2
+
Développement de VO2max
0
Aptitude
tique
50
Aptitude
nergétique
100
Intensité (% VO2 max)
Facteur limitant
Analyse des exigences de l'activité
Développement de l ’endurance
Facteur limitant
1.
2.
Débit cardiaque
maximal (80%).
•Volume d’éjection systolique
•Volume de sang
•Concentration en
hémoglobine
•Diffusion alvéolo-artérielle
Facteurs périphériques
(20%)
Forme d’entraînement
Forme d’entraînement
Intervalles :
•15s d’exercice / 15s de récupération active
•30/30,
•1min/1min,
•3min/3min,
•5 min/ 3min 10 min/3min
•Intervalles naturels.
Placer 1 à 2 séances de ce type par semaine en variant
les plaisirs.
3.
4.
Endurance
5.
% fibres lentes
distance moyenne
entre capillaires et
mitochondries,
densité
mitochondriale,
aptitude à oxyder des
lipides
efficacité des
systèmes de
thermolyse
1. Séquences d’exercice > 10-20
min, récupération de 3-10 min.
2. Longues sorties en continu (1 à 2
par semaine) ; préserver
l’appareil locomoteur!
3. Entraînement à jeun de 10 à 40
min représente une sollicitation
efficace
4. Séance d’imitation de la
compétition
6
Méthode pour
organiser des
intervalles
Modèles empiriques
1.
Premières tentatives de description des performances humaines
2.
Concept de résistance
3.
Concept d’endurance
4.
Concept de limite pour l ’espèce humaine
5.
Les séances ont été déterminées de
telles sorte que l’épuisement soit
atteint à la fin et que la
stimulation soit optimale.
Applications dans le domaine de l ’entraînement
–
Orientation des athlètes en fonction de leur endurance
1. Développement capacité
anaérobie (I>100% de PMA)
–
Analyse de l’activité / détermination des points faibles et forts de
l’athlète
2. Développement VO2max (I entre
95-100% de PMA)
–
Stratégie de course
3. Endurance entre 85 et 95% de
PMA
Concevez 3 séances pour
développer ces 3 aptitudes.
Thibault and Marion, 1998 MSSE
Keller JB. A theory of competitive running. Physics Today 1973; 26: 42-7
Simulations plus réalistes
Stratégie optimale de course
• Mesure des cinétiques de production de
puissance anaérobie et aérobie sur ergocycle
chez 5 patineurs de vitesses de niveau
international
1. Partir à fond et finir en fléchissant le moins possible?
2.
ou conserver de l ’énergie pour le finish ?
Point de départ : 2ème loi de Newton (∑ F = ma = m dv/dt)
• Puis simulation des vitesses maintenues sur les
distances olympiques 500, 1000, 5000, 10000
m avec différentes stratégie de course
Pour d<300m
Pour d>300m
F = force
maximale
isométrique
τ = cste pour les
résistances aéro
σ=
puissance
maximale
aérobie
t1 et t2 = temps entre
lesquels la vitesse de
course est constante
Pas de capacité anaérobie
pas d ’endurance
=> modèle simpliste
Modèle temps invariant (Van Schenau et al. 1990, 1991 )
Eanaer t-1+ Eaer t-1 = C V + Caerody V η-1 + Cciné V η-1
= 0.5 η-1d-1 t-2
http://newsimg.bbc.co.uk
• Sur 500 et 1000 m => accélération initiale
maximale
• Sur les distances > => accélération initiale
très intense mais plus courte de façon à
minimiser les résistances aérodynamiques
Modèles empiriques
1.
Premières tentatives de description des performances humaines
2.
Concept de résistance
3.
Concept d’endurance
4.
Concept de limite pour l ’espèce humaine
5.
Applications dans le domaine de l ’entraînement
–
Orientation des athlètes en fonction de leur endurance
–
Analyse de l’activité / détermination des points faibles et forts de
l’athlète
–
Stratégie de course
7
Plan
2. Modèles physiologiques
• 1ère tentative de modèle physiologique
1. Modèles empiriques
• 1er modèle réellement de type physiologique
2. Modèles physiologiques
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
• modèle de type physiologique aboutit
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
– Puissances moyennes (Péronnet et Thibault, 1989)
– Puissances instantanées (Ward-Smith, 2000 ; Arsac et Locatelli
2002)
1ère tentative de modèle physiologique
Rationnel
Modèle de Henry (1954)
16
Il existe des relations de
proportionnalité entre
déplacement, énergie
mécanique, énergie chimique
η synthèse
ATP
60%
E
Thermiqu
e
14
12
v (km/h)
E
substrats
Décroissance de la vitesse soutenue avec la
durée due à un épuisement des réserves de
carburant
10
8
6
4
2
E ATP
E
Thermiqu
e
η
musculai
η
re
thermodynamique 30%
50%
E
mécanique
E
Thermiqu
e
Coût mécanique
Déplaceme
nt
0
Maintenant nous savons que ce n ’est pas le
cas :
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000
0
t (s)
=> à partir de différentes
performances (v/t ou p/t) il est
possible de déduire les
aptitudes énergétiques qui les
sous-tendent
•sauf peut être pour [Pcr] (mais essentiellement un rôle tampon)
•glycolyse pas limitée par les stocks (altération du couplage E-C par accroissement
de K+, ↑ [Pi], ↓ pH)
•métabolisme aérobie pas limité par les stocks pour des durées >1h30- 2h
Modèle de Hill, 1927
3 scénarii différents
Sur la base du modèle de Hill
VO2max = 4 l/min et déficit max = 16 l
La relation v/t est décrite avec 2 termes (anaérobie + aérobie) :
Deficit
cumulé
en O2
Cste
spécifique
pour chaque
coureur
1ère tentative comportant
plusieurs limites :
•
• absence de terme qui
décrive le rendement
•
le coureur peut consommer les 20 l en 1 min (équivalent 285.7 ml/min/kg pour un
coureur de 70 kg)
v = VO2exer/C =285.7/0.21=1360 m/min = 81.6 km/h
le coureur court 2 min aussi vite que possible, il consommera les 24 l (équivalent
171ml/min/kg)
v = VO2exer/C =171/0.21=814 m/min = 48.9 km/h
le coureur court 7 min aussi vite que possible, il consommera les 44 l (équivalent 89.8
ml/min/kg)
v = VO2exer/C = 89.8 /0.21=427.6 m/min = 25.7 km/h
16
•cinétique de VO2 non incluse
•endurance mal décrite
14
12
=> la puissance anaérobie diminue avec la durée
de l ’épreuve donc la vitesse maintenue décroit
dans les mêmes proportions
v (km/h)
v = A/(t B) +(VO2 - VO2repos)/B
•
10
8
6
4
2
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000
0
t (s)
8
Modèle de Scherrer (1954)
2. Modèles physiologiques
• 1ère tentative de modèle physiologique
W (J)
(1)
• 1er modèle réellement de type physiologique
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
Sur une série d ’exercices locaux
épuisant une occlusion de la
circulation n’ affecte pas a
b
=> a = capacité anaérobie ?
• modèle de type physiologique aboutit
Wlim
a
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
mais b devient faible
– Puissances moyennes (Péronnet et Thibault, 1989)
⇒b est lié au métabolisme aérobie
T (s)
– Puissances instantanées (Ward-Smith, 2000 ; Arsac et Locatelli
2002)
Concept de puissance critique (P)
Concept de Vitesse critique
distance = 5,14.temps + 230
Performance sur 1000 m = 2 min 35
Performance sur 1500 m = 4 min
Performance sur 3000 m = 9 min
3000
(1)
Puissance critique (Pente de
la droite)
(2)
Distance (m )
b
Tlim est fonction de
l’inverse de la puissance
2500
2000
Calcul des couples de points
(distance, temps)
1500
1000
(1000, 155), (1500, 240) et (3000, 540)
500
0
0
=> modèle hyperbolique
100
200
300
VO2pic (ml/kg/min)
52
dlim = Vc t + A
distance (m)
2000
1600
y = 2,84x + 118
r2 = ,99
p < 0,001
1200
800
400
100
500
700
y = 12,74x + 11,90
r2 = ,65
p<0,001
44
40
36
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
Vc (m/s)
temps (s)
Berthoin et al
600
48
32
1,6
300
500
Relation entre Vitesse
critique (Vc) et VO2pic
Application chez l’enfant
• 35 enfants (13 garçons et 22
filles), âgés de 9,9 ± 0,8 ans
• Mesures de temps limites à :
90, 95, 100, 105 et 110% de
VMA
• Mesure de VMA (Léger et
Boucher, 1980)
• Échanges respiratoires
(Cosmed K4)
• Fréquence cardiaque (Polar)
400
Temps (s)
Berthoin
Berthoin
9
VMA (km/h)
Relation entre VMA et Vc
14
• La modélisation de la relation entre distance et
temps limite réalisée chez l ’enfant pré-pubère est
pertinente
11
• La vitesse critique est fortement corrélée à VMA
et à VO2pic.
y = 0,90x + 2,43
13 r2 = ,84
12 P<0,001
10
9
• A est indépendante du déficit maximal en O2!
8
• La prédiction de la relation entre dlim et tlim est
possible à partir de deux points expérimentaux :
tlim à 100% (ou 95%) de VMA et tlim à 110% de
VMA
7
6
5
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Vc (km/h)
Berthoin
La vitesse critique est très proche de la vitesse
la plus faible qui détermine une
accumulation de lactate
[la]
(mMole)
[la]
(mMole)
t
• La vitesse critique est très proche aussi de la
vitesse la plus faible qui détermine une
apparition de composante lente
épuisement
VO2
(ml/min/kg)
4
4
Vitesse critique
Faible intensité
t
t
VO2 (l/min)
Composante
lente V&O2
distance = 5,14.temps + 230
Distance (m )
Haute intensité
Manifestation de la fatigue
musculaire
3000
2500
2000
Bilan Vitesse critique
1500
1000
500
0
0
100
Berthoin
200
300
400
500
600
Temps (s)
1. Vc représente une vitesse pour laquelle les muscles
périphériques ne se fatiguent pas et travaillent en état stable
grâce au métabolisme oxydatif. Pour des vitesses supérieures,
ils deviennent dépendant du métabolisme anaérobie,
2. et le rendement du muscle est altéré sous l’influence de la
fatigue. Pour des vitesse > Vc, une accumulation d’ion H+ et
de K+ déterminent une diminution marquée du temps limite
d’exercice
10
En pratique
• Un minimum de perf sur 2 distances est
nécessaire
• Pour déterminer la vitesse critique = vitesse
au seuil ventilatoire = seuil d’accumulation
lactate = 85% de VMA = vitesse à laquelle
on peut réaliser un gros volume
d’entraînement
Limite du modèle de Scherrer
Valable entre 4 et 30 min car absence de prise en
compte de :
• la cinétique de VO2
• l ’endurance de l ’athlète
=> formulation d ’un nouveau modèle plus conforme
à nos connaissances par Péronnet et Thibault
(1989)
Concept de vitesse maximale
aérobie
2. Modèles physiologiques
• 1ère tentative de modèle physiologique
PER FOR MA N CE AEROBIE
• 1er modèle réellement de type physiologique
PLUS GR AN DE ALL UR E D E COU RS E
POU VA NT ETR E MA IN TEN UE
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
Plus haut
.
état s table
de VO 2 ma inte nu
• modèle de type physiologique aboutit
.P ourc en tag e d e
V O 2 ma x u ti li sé
Coût éne rgé tique
.
V O 2 max
VMA
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
– Puissances moyennes (Péronnet et Thibault, 1989)
Modèle de prédiction de la performance en course de durée
(adapté de MacCormack et coll., 1991).
– Puissances instantanées (Ward-Smith, 2000 ; Arsac et Locatelli
2002)
Calcul de la vitesse maximale
aérobie (rappel)
•
VMA =
VO2 max -VO2 base
Coût énergétique
=
ml.kg-1.min-1
ml.kg-1.m-1
=
ml.kg-1.min-1
ml.kg-1.m-1
=
m
km
-->
h
min
Protocole de course sur piste
Test de course sur piste (Léger et Boucher, 1980)
Augmentation de
0,25 km/h toutes
les 30s
premier palier : 8 km.h -1
paliers de 2 min
incrément : 1 km.h -1
Test de Brue,
idem mais derrière
un cycliste
11
Comparaison des vitesses maximales en course sur piste et
en course navette
VMA-piste (km.h-1)
• Léger et collaborateurs (1984)
20 m
19
18
17
16
VMA (km.h-1) = 2.4*VM - 14.7
Pour les adultes
15
14
13
12
11
n = 17
VMA = 1.81 VM - 7.863 pour les enfants
r = 0.93
.
12
11
test navette
test piste
10
12 13 14 15 16
VM-navette (km.h-1)
8
6
4
2
0
CP
CE1
CE2
CM1
CM2
Comparaison des vitesses maximales en course navette et
en course sur piste
Evolution de VMA avec l ’âge (garçons)
Test de course de 5 min
•
VMA =
14
-1 )
Calcul de la vitesse moyenne
15
13
VMA (km.h
La VMA augmente
parce que le coût
énergétique diminue
en raison de la
croissance des
enfants (la course
est plus économique
avec de longues
jambes)
VO2 max -VO2 base
Coût énergétique
12
Berthoin et al. (1996)
Blonc et al. (1992)
Boreham et al. (1990)
Gerbeaux et al. (1991)
Léger et al. (1988)
Liu et al. (1992)
Poortmans et al. (1986)
VanMechelen et al. (1986)
VanPraagh et al. (1988)
11
10
9
8
4
6
8
10
12
âge (ans)
14
16
18
Chamoux et al. (1996)
Evolution de VMA avec l ’âge (filles)
• On suppose que la capacité anaérobie est
négligeable (grossièrement vrai)
-1 )
12
VMA (km.h
Limites des tests
11
Berthoin et al. (1996)
Barabas et al. (1992)
Blonc et al. (1992)
Boreham et al. (1990)
Gerbeaux et al. (1991)
Léger et al. (1988)
Liu et al. (1992)
Mahoney et al. (1992)
Poortmans et al. (1986)
VanMechelen et al. (1986)
10
9
4
6
8
10
12
âge (ans)
14
16
18
12
http://www.sport-et-vie.com/
Téléchargez notre nouveau logiciel gratuit !
2. Modèles physiologiques
Mes aptitudes énergétiques (fichier Excel) - téléchargez
Modèles physiologiques aboutis
• 1ère tentative de modèle physiologique
• 1er modèle réellement de type physiologique
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
Record du monde
(Péronnet et Thibault, 1989)
• modèle de type physiologique aboutit
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
– Modèle invariant au cours du temps (Péronnet et Thibault, 1989)
– Modèle non-linéaire sprint (Arsac et Locatelli 2002; Ward-Smith,
2000 )
Capacité
anaérobie
Index
endurance
VO2 max
Puissance consommée dans la
locomotion
Rappel
Dépense énergétique
(di Prampero, 1981)
Rfri
Ra
PV = BMR + 3,86 V + 0,4 BSA V3 / m + 2 V3/D
P. Repos
P. Nonaérodynamiques
P.
aérodynamiques
P. Phase
accélération
PR A = 0.5 • SCx • ρ • v 3 Pfri = C fri • m • g • v
Locomotions
appareillées
Locomotion à
htes vitesses
g
Ppot = m • g • ∆H / T
WEXT
WInt
(
)
2
2
Pext = (m • g • ∆H + 1 m vmax − vmin ) / Tf
2
Locomotions
en côte
Pint = 0.1 f v (1 + (d/(1 - d))² v
Locomotions
pédestres
3,86 V + 2 V3/D
0,4 BSA V3
(0,5 Cx ρ = 0,4)
Puissance consommée (W . kg-1)
Index
endurance
Capacité
anaérobie
[ (
VO2max
T
)]+1/T∫BMR B(1−e−T/k2)dt
−T/k1
PT = A/T 1−e
P. anaérobie
+
0
SIT<420s ; B=MAP-BMR ;
SI T>420s; B=(MAP-BMR)+(E ln(T/420))
P. aérobie
Résolution par itération
i=n
Σ (PVi - PTi)2
i =1 di Prampero
Péronnet
0
n = nombre de performances
Paramètres déterminés par itération :
- VO2max
- Capacité anaérobie
- Index endurance
(Péronnet et Thibault, 1989)
13
ErrM%
1,1%
Résultats Record
IndexMonde 87
MAP
29,1
VO2 endurance
83,5
A
1657
VO2max
E
-1,539
∫
(
)dt
0
SI(T<420 ; B=MAP-BMR ; B=(MAP-BMR)+(E*LN(T/420))
[ (
)]
−T/k1
Pana = A/T 1−e
Performance ré
réelle
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
1er test
?
T (s)
Performance estimé
estimée
Records du monde
−T/k2
1/ T BMR B 1− e
Paér=
+
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
Pana
Puissance
consommée (W/kg)
T
Records du monde
Puissance consommée
(W/kg)
Résultats
MAP(W/k g)
29,0
VO2(ml/min/k g)
83,4
A(J/k g)
1 655,1
A(ml/k g)
79,6
E(W/k g/s)
-1,6
E(%)
-5,6
Paér
90
70
50
30
10
-10
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
T (s)
Capacité
anaérobie
VO2 max
Index
endurance
Mesure de la capacité anaérobie (A)
Mesure de Coût énergétique
(Medbø et al., 1988)
Demande O2 (ml . min-1 . kg-1)
VO2 (ml . min-1 . kg-1)
max
A (ml . kg-1)
max
2 mesures
sur 30 s
5,1
5,1
(Medbø et al., 1988)
Vitesse (m . min-1)
Evaluation de l'endurance
PV (W . kg-1)
k2
C
(ml . kg-1 . m-1)
Vitesse (m . min-1)
Temps (min)
Calcul puissance consommée
(W . kg-1)
Sujet N°1
3, 000 m
23.5
23.0
5, 000 m
22.5
22.0
10, 000 m
21.5
21.0
20, 000 m
20.5
21, 100 m
20.0
R2 =0 ,976
19.5
-1 . s-1)
Endurance
=
-1,56
(W
.
kg
19.0
42, 125 m
index
18.5
18.0
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
ln Temps de course (s)
Index
endurance
Capacité
anaérobie
VO2max
[ (
PT = S / T 1− e
T
− T / kl
)]+1 / T ∫ BMR+ B(1− e )dt
−T / k
0
P. anaérobie
P. aérobie
constante
de temps
14
Détermination vitesse prédite
sur 5000 m
V5000 =
P5000
Prédite
(m . s-1)
(W . kg-1)
Erreur entre V prédites - V réelles
i=n
^
Err = Σ V5000 - V5000
i =1
C
prédite
(J . kg-1 . m-1)
réelle
n
n = nombre de sujets
Erreur
moyenne = 3,2%
VITESSE PRÉDITE (m . s-1)
5,5
5,4
5,3
r = 0,85
p <0,001
• 2ème Test du modèle de
Péronnet et Thibault (1989)
5,2
5,1
5
4,9
4,8
DROITE
4,7
D'IDENTITÉ
4,6
4,5
4,5 4,6 4,7 4,8 4,9
5
5,1 5,2 5,3 5,4 5,5
VITESSE RÉELLE (m . s-1)
Record du monde en course
à pieds
Ra
p
pe
l
P réelle
Record du monde en
cyclisme
cR
Scx
Scx
?
η =24,5%
soufflerie
P réelle
~0,5%
Pprédite
Index
VO2 max Capacité
anaérobie endurance
(Péronnet et Thibault, 1989)
=
Pprédite
Index
VO2 max Capacité
anaérobie endurance
Valeurs de élite mondiale
15
Comparaison SCx calculés avec SCx
études antérieures
Record du monde en cyclisme
PPrédite (w/kg)
Scx (m2)
Distance (m)
Temps (s)
52730
3600
25,84
0,213
5000
340
31,81
0,253
4000
270
32,51
0,250
1000
62
43,88
0,280
200
10,7
70,35
0,293
SCx
calculés
(m2)
SCx
Etudes
antérieures
(m2)
0,21
0,22 à 0,26
Triathlon
0,25 à 0,33
Bas du
guidon
min
max
Record du monde
VO2 max
Capacité
anaérobie
Bilan
Index
endurance
Modèle :
• capacité anaérobie, VO2max, aptitude à l’endurance
• satisfaisant en course à pied et en cyclisme
• Explication de la variabilité des performances au sein d’un groupe
de compétiteur
• Ce modèle résume très bien nos connaissances sur le plan
énergétique et mécanique dans la locomotion
2. Modèles physiologiques
0,29
Record du monde
VO2 max
Limites et perspectives
pour le modèle de
Péronnet
Index
endurance
Capacité
anaérobie
1. L’économie de déplacement est supposée
invariable entre les athlètes
2. Absence d’information détaillée sur les
processus qui sou tendent la puissance anaérobie
1. Mesurer directement l’économie de déplacement avec
système portable
2. Modèle non-linéaire (variable au cours du temps)
Modélisation du 100m (Arsac et Locatelli, 2002)
Principe : équilibre de puissance
• 1ère tentative de modèle physiologique
V instantanée
Ben Johnson 87 Ch du Monde
• 1er modèle réellement de type physiologique
14
12
Vitesse (m /s)
10
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Dis tance (m )
Arsac et
Locatelli
(2002)
• modèle de type physiologique aboutit
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
Puissance nécessairement consommée
Puissance des métabolismes anaérobie
et aérobie
– Modèle invariant au cours du temps (Péronnet et Thibault, 1989)
– Modèle non-linéaire sprint (Arsac et Locatelli 2002; Ward-Smith,
2000 )
(i) Puissance
maximale
anaérobie
(ii) Résistance (τ2)
(Simulation perf
en altitude)
16
Bases théoriques
• Equation fondamentale de la locomotion :
Performance en
m.s-1
η=
E& = CV
Puissance métabolique
en J.s-1.kg-1
E&
C
V=
Equilibre de puissance
Coût énergétique
en J.m-1 .kg-1
E& = CV
En isolant la puissance métabolique
• Équation de puissances à l’équilibre
Pméca
Pmétabo
Pmétabo =
D’où
Pméca
η
Panaert+ Paert = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
C associé au
travail du centre
de masse
(C = 4 J.kg-1.m-1)
C aérodynamique
(1/2 SCx ρ v² η−1)
P liée à
l’accélération du
centre de masse
(1/2 Vt+1² + 1/2 Vt²)
La puissance métabolique est en équilibre avec la puissance nécessaire pour se déplacer.
Puissance anaérobie et aérobie
Ben Johnson 87 Ch du Monde
14
12
Vit esse ( m /s)
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Distance (m )
Pconsommée = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
C associé au
travail du centre
de masse
(C = 4 J.kg-1.m-1)
P lié à
l’accélération du
centre de masse
(1/2 Vt+1² + 1/2
Vt²)
C
aérodynamique
(1/2 SCx ρ v² η−
1)
Panaert+ Paert = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
= Pmax e-t/τ2
(Simulation perf en
altitude)
(ii) Résistance (τ2)
P (W/kg)
PMA = 18.4 W.kg-1 (V02 = 52 ml.min-1.kg-1)
τ1 = 26s
Τ2 = 12s
t
60 s
t
120 s
Vitesse instantanée lors de la finale du
100 m au championnat du monde 1997
Ben Johnson 87 Ch du Monde
14
12
10
Vitesse (m /s)
PMA = p maximale aérobie = τ1 = 26s et PMA
Pmax = p maximale anaérobie
P (W/kg)
Pmax
(i) Puissance maximale
anaérobie
= PMA (1-e-t/τ1)
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Dis tance (m )
P = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
Moris Green
Pana (W/kg)
Paéro (W/kg)
Pmax
τ1 = 26s
τ2 = 12s
t
Marion Jones
PMA = 18.4 W.kg-1 (V02 = 52 ml.min-1.kg-1)
t
60 s
(i) Puissance
maximale
anaérobie
(ii) Résistance (τ2)
homme
120 s
(Simulation perf
en altitude)
17
Evolution de la vitesse de Maurice Green aux Championnats du
Monde de 1997
Evolution de la puissance nécessairement consommée pour vaincre les
forces qui retardent le mouvement
Speed (m/s)
14
Maurice Green 97 Ch du Monde
12
140,00
10
120,00
6
Puissance instantanée (W/kg)
8
laser+vidéo
model
4
2
Male World Champion (MWC)
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
100,00
Ptot
80,00
60,00
4 Vt
40,00
1/2 SCx r Vt² η-1
20,00
(1/2 Vt+1² - 1/2 Vt²) η-1
-
Time (s)
0
2
4
6
8
10
12
-20,00
Tem ps
Evolution du coût énergétique
Comparaison avec modèle temps
invariant
modèle temps variable (Arsac, 2002)
Panaert+ Paert = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
• modèle temps variable (Arsac, 2002)
Panaert+ Paert = C Vt + Caerody Vt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1
C est très élevé en début de
course puis C décroît en raison
de l’accélération à produire en
début de sprint
Caerody sous évalué de 14%
• modèle temps invariant (Van Schenau, 1991)
Cciné surévalué de 37%
•Eanaer t-1+ Eaer t-1 = C V + Caerody V η-1 + Cciné V η-1
= 0.5 η-1d-1 t-2
Importance des différentes
aptitudes sur 100 m
Puissance anaérobie, Pmax,>
technique de course ,c, >
rendement du stockage
restitution d’énergie élastique, η
, > vitesse de libération de
puissance, τ2 , > qualités
aérodynamiques, k
Effet de l’altitude
Pour le 100 m homme :
• 9.88 s à 0m
• 9.80 s à 1 000 m
• 9.73 s à 2 000 m
• 9.64 s à 4 000 m
• 9.15 s en l’absence de RA
18
Conclusion (1)
Modèle non-linéaire adapté au
sprint
Effet de l’altitude
Pour le 100 m femme :
• 10.85 s à 0 m
• 10.76 s à 1 000 m
• 10.70 s à 2 000 m
• 10.60 s à 4 000 m
• 10.04 en l’absence de RA
Ben Johnson 87 Ch du Monde
14
12
Vitesse (m /s)
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Dis tance (m )
Arsac et
Locatelli
(2002)
Caero représente 12%-13% de Ctot à 0m,
10%-11% à 2,000 m
and 8%-9% à 4,000 m.
(i) Puissance
maximale
anaérobie
Conclusion (2)
Permet d’évaluer l’importance de chacun des
facteurs de la perf
(ii) Résistance (τ2)
(Simulation perf
en altitude)
Limites du modèle d’Arsac
Ben Johnson 87 Ch du Monde
14
12
Vitesse (m /s)
10
8
6
Pas de détail quant aux voies anaérobies de fourniture
de l’énergie
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Distance (m)
Arsac et
Locatelli
(2002)
(i) Technique de course
(ii) stockage –
restitution
d’énergie
élastique
Coût
aérodynamique
Modèle de Ward-Smith (2000) avec puissance
développée grâce à :
1. [ATP]
2. [PCr]
3. Glycolyse
Puissances instantanées
(Ward-Smith, 2000)
2. Modèles physiologiques
• 1ère tentative de modèle physiologique
• 1er modèle réellement de type physiologique
– Concept de puissance critique
– Concept de vitesse critique
– Concept de vitesse maximale aérobie
• modèle de type physiologique aboutit
Modèle variant au cours du temps
4 puissances métaboliques (P) :
1.
P soutenue par les seuls stocks intramusculaires en ATP ADP + Pi
– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)
2.
P soutenue par le métabolisme de PCr (PCr + ADP Cr + ATP)
– Modèle invariant au cours du temps (Péronnet et Thibault, 1989)
3.
P soutenue par la glycolyse (U Glycosyle + ADP Lactate + ATP)
– Modèle non-linéaire sprint (Arsac et Locatelli 2002; Ward-Smith,
2000 )
4.
P soutenue par le métabolisme aérobie (U Glycolyse + ADP + O2 ATP +
CO2)
19
(Ward Smith 2000)
P ATP (W/kg)
P PCr (W/kg)
P aer (W/kg)
P tot (W/kg)
P nécessairement développée =
Pext + Pcin + Ppot + Paéro
60
50
(Ward Smith 2000)
40
30
P ATP (W/kg)
P PCr (W/kg)
P aer (W/kg)
P tot (W/kg)
P glyco (W/kg)
20
10
60
0
2
4
6
8
10
12
T (s)
Où Pext = 3,9 J/kg/m
Pcin correspond à l’accélération du sprinter
Ppot correspond à l’élévation du centre de masse des starting blocks
jusqu’à la position érigée finale
Paéro correspond à la nécessité de vaincre les résistances aérodynamiques
Puissance (w/kg)
0
50
40
30
20
10
La puissance
instantanée atteint
un pic à la 2,5 s
puis diminue de
façon
proportionnelle à
la chute du
métabolisme de
PCr
0
0
2
4
6
8
10
12
T (s)
(Ward Smith 2000)
P ATP (W/kg)
P PCr (W/kg)
P aer (W/kg)
P tot (W/kg)
Principaux enseignements
50
•
40
30
20
La glycolyse représente la principale
voie pourvoyeuse d’énergie
10
0
0
2
4
6
Méthode utilisable en routine
P glyco (W/kg)
60
Puissance (w/kg)
Puissance (w/kg)
Modèle de Ward-Smith
P glyco (W/kg)
8
10
12
T (s)
•Dans son modèles la puissance max dégagée par la seule
hydrolyse de l’ATP est atteinte en 2 s ce qui représente une grosse
approximation!
• exercice maximal de bout en bout ⇒ possibilité
d’évaluation de la puissance des voies anaérobies
• vitesse instantanée mesurée avec des caméras vidéo
maintenant utilisable en routine avec un simple radar
décélération
Dernier coup
de pédale
Virage
50 moles d’ATP sont consommées par s et par tête de myosine dès le début de
l’activation maximale
Limites et perspectives
annexes
• Ici P mécanique = ∑ des puissances
métaboliques
⇒Formulation d’un modèle qui inclut le
rendement musculaire
⇒ Sans doute la seule manière de quantifier
précisément en situation écologique la
puissance maximale, la résistance et la
capacité anaérobie
20
Temps limite de course en fonction
de l’âge
: garçons
: filles
500
3min<Tlim<7min
↑de Tlim entre 8 et
12 ans
tlim (s)
400
.
Hypertrophie
300
Tlim garçon> Tlim
fille
200
100
âge (ans)
0
6
7
8
9
D’Antona et al., 2006
10 11 12 13 14 15 16 17
Berthoin
sédentaire
Body builder
sédentaire
Body
builder
D’antona et al., 2006
21