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TOULOUSE
L3 UE47E.2 – 2008-2009
Amarantini David
[email protected]
Pôle Sport – 3ème étage – Bureau 302
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TOULOUSE
L3 UE47E.2 – 2008-2009
Energie, Travail et Puissance
Dépense énergétique
Rendement
• Préambule : écrit 2 Agrégation d’EPS 2009
En quoi et comment les connaissances scientifiques
permettent-elles de concevoir, d'organiser, d'optimiser le transfert des apprentissages et des capacités
énergétiques lors de l'acquisition des habiletés
motrices en EPS?
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La contraction musculaire est un phénomène mécanique qui
résulte d’un processus de transformation d’une énergie
électrique, en énergie chimique puis en énergie mécanique :
• Production de mouvement :
– Locomotion / Préhension / Manipulation
– Réaction rapide aux évènements (muscles squelettiques)
– Circulation de « substances » (muscle cardiaque et muscles lisses).
• Maintien de la posture :
– Gestion de l’équilibre dynamique (muscles squelettiques)
• Stabilisation des articulations :
– Collaboration muscles squelettiques + ligaments + tendons
• Dégagement de chaleur:
– Régulation de la température corporelle interne
– Conditions pour que les réactions biochimiques s’effectuent
Activité électrique
(Création et propagation d’un potentiel d’action)
Eie électrique
Activité chimique
(Transfert d’ions : Ca++, K+, Na+, Cl-)
Eie chimique
Activité mécanique
(mouvement des ponts actine-myosine)
Eie mécanique
Fibres motrices (motoneurones) :
Véhiculent l’information, sous forme de
potentiel d’action électrique, depuis le
système nerveux jusqu’au(x) muscle(s).
Fibres musculaires
Plaque motrice :
Jonction fibre motrice / fibre
musculaire
L’arrivée d’un PA nerveux au niveau de la plaque motrice va
entraîner la création d’un PA musculaire (pb. de seuil) …
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… qui va entraîner le couplage excitation-contraction :
Mvt. de base des têtes de
myosine (filament épais)
par rapport aux filaments
d’actine (filament fin)
La multiplication de ces
mouvements explique la
contraction musculaire.
?
Quelle relation existe-t-il entre :
L’énergie chimique qui est fournie par les réactions du métabolisme
énergétique (3 filières) …
- Anaérobie : dégradation de la créatine phosphate sans oxygène ;
- Anaérobie lactique : dégradation du glucose sans oxygène, avec
production d’acide lactique ;
- Aérobie : dégradation des glucides, des lipides ou des protéines
en utilisant l’oxygène.
… et l’énergie mécanique qui correspond à la capacité de l’individu
à effectuer un travail mécanique (ce que « produit » l’individu).
• En biomécanique, le travail quantifie l’activité développée par le
système musculaire pour déplacer les segments corporels et/ou une
autre charge quelconque.
• En biomécanique, l’énergie est le résultat du travail
Exemple :
- Le travail mécanique fait pour déplacer une charge d’une certaine hauteur donne de
l’énergie à la charge.
• L’énergie mécanique possède différentes formes :
- Énergie potentielle
- Énergie cinétique
• Unité
Unité : Joule (J)
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Notion de rendement :
Définition générale :
Le rendement dans une transformation d’énergie est le rapport
(x100) de l’énergie récupérée sous forme utile à l’énergie
dépensée.
Rendement mécanique :
RM =
Travail mécanique fourni
Energie métabolique dépensée
Remarque :
De nombreux facteurs peuvent influencer le rendement (mode de
locomotion, nature du terrain, niveau d’expertise, pathologies …)
Notion de rendement :
Définitions complémentaires :
Rendement brut :
Rbrut =
Travail produit
Energie dépensée
Rendement net :
Rnet =
Travail produit
Energie dépensée − Energie de repos
Rendement apparent
Rapp =
Travail produit
Energie dépensée − Energie vide
Problème(s) :
Pour calculer le rendement, il faut être capable de quantifier :
- Le travail produit (généralement noté W en Joules (J))
- L’énergie métabolique dépensée
- L’énergie métabolique de repos
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Détermination du travail mécanique : biomécanique
Pour des mouvements linéaires, le travail d’une force est égal au
produit de cette force par le déplacement dans le sens de la force :
W=F·d
F est l’intensité de la force (N)
d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la
force (m).
Exemple : déplacement d’une charge
Détermination du travail mécanique : biomécanique
Pour des mouvements angulaires, le travail d’un moment de force
est égal au produit de ce moment par le déplacement angulaire :
W=M·θ
M est l’intensité du moment de force (Nm)
θ est la valeur du déplacement angulaire (Rad).
Rappel :
F
M
O
θ
θ
→
→
M / o ( F ) = OM ∧ F
d
Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur Ergocycle
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Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle
X 9,81 (m/s²)
Xπ
– Travail (Joules) = rpm (fréquence de pédalage) X
résistance (kg) X 9,81 (m/s²) X 6 m (6 m = distance
parcourue volant par tour de pédale) X minutes
Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle
Exemple :
Une personne pédale sur une bicyclette ergonomique Monark
pendant 30 min à une cadence de 50 tours par minute. La charge
placée sur le volant d’inertie est de 3 kg.
ÎQuel travail a été réalisé ?
W=Fxd
W = 3 kg x 50 trs/min x 6 m/tr x 30 min x 9.81 m/s²
W = 270 kJ
Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant incliné
(cas où les résistances horizontales sont négligées)
X 9,81 (m/s²)
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Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant
Exemple :
Une personne de 70 kg marche sur un tapis roulant avec une
vitesse de 50 m/min et une inclinaison de 10 degrés pendant 30
min.
ÎQuel travail a été réalisé ?
W=Fxd
W = 70 kg x 50 m/min x sin(10) x 30 min x 9.81 m/s²
W = 182 kJ
Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance : test de détente verticale
Î Le travail mécanique peut être évaluée à partir de la
variation d’énergie potentielle du centre de masse
W = m ⋅ g ⋅ (hmax – hmin)
Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance : test de détente verticale
Différents types de sauts verticaux
• Le Squat Jump (SJ) :
Saut comportant un délai entre la flexion et l’extension des membres
inférieurs. Le sujet part assis sur une chaise, lève le bras (mesure de hmin),
puis saute le plus haut possible (mesure de hmax)
• Le Countermovement Jump (saut avec contre mouvement, CJ) :
Le sujet part debout, effectue une flexion jusqu’à effleurer la chaise (pour
hmin) puis saute immédiatement après la flexion le plus haut possible (hmax)
• Le Drop Jump (DJ ou saut en contre bas) :
Le sujet part debout sur une chaise, saute au sol puis saute
immédiatement le plus haut possible (attention, difficile de mesurer hmin)
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Détermination du travail mécanique : biomécanique
Relation travail / puissance :
• La puissance s’exprime en Watt (W)
• Notion de puissance :
La puissance correspond à la quantité
de travail fournie par unité de temps
Le travail total W correspond donc à l’aire sous la courbe P(t).
PUISSANCE
Puissance instantanée :
Cas de mouvements linéaires : la puissance instantanée est égale au produit
de la composante « utile » de la force par la vitesse instantanée.
Cas de mouvements angulaires : la puissance instantanée est égale au
produit du moment par la vitesse angulaire instantanée.
Puissance moyenne :
La puissance moyenne est égale au rapport entre le travail total et le temps
total.
PUISSANCE
Évaluation de la puissance anaérobie alactique lors de gestes sportifs
• Saut vertical (test de Sargent) :
(formule de Lewis)
• Formule de Bosco
(succession de CMJ) :
• Test RAST :
(Running-based Anaerobic Sprint Test)
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PUISSANCE
Puissance et Contraction musculaire
Contraction isométrique :
Contraction concentrique :
Contraction excentrique :
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
On mesure la VO2 par calorimétrie indirecte : Différences
entre les pourcentages d’O2 et de CO2 entre l’air ambiant et l’air expiré
RESPIRATION
CO2
Principe général
O2
La consommation d’oxygène (VO2)
lors de la respiration
est
proportionnelle à la quantité d’O2
utilisée
pour
la
respiration
cellulaire
CO2
La respiration cellulaire correspond
à
l’oxydation
des
substrats
énergétiques c’est à dire au
métabolisme énergétique
Circulation sanguine
O2
Respiration cellulaire
Substrat+O2→énergie+CO2
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Principe expérimental de mesure de la VO2
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Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Principe expérimental de mesure de la VO2
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
La consommation d’oxygène est un débit
VO2 = Q x d(a-v)O2
VO2 absolue (ml.min -1)
VO2 relative (ml.kg-1.min -1)
mL d’O2 consommé/ kg masse corporelle/min
Q = Débit cardiaque
d(a-v)O2 = Différence artério-veineuse en O2
Q = Fc x VES
Fc = Fréquence cardiaque
VES = Volume d’éjection systolique
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Rappels sur la consommation d’oxygène
Fréquence
cardiaque (bpm)
Consommation d’O2 (l/kg/min)
• La VO2 est proportionnelle à la fréquence cardiaque
• Pour Fc max on atteint VO2max
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Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Rappels sur la consommation d’oxygène
Consommation
d’O2
Consommation d’O2
VO2max
Intensité de l’exercice
Vitesse
VMA
• Proportionnalité entre l’intensité de l’exercice aérobie et la VO2
• A VO2 max correspond une Vitesse Maximale Aérobie (VMA)
La VO2max est un indice de la capacité d’un individu à produire et à
maintenir un effort d’endurance (aérobie)
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Emet = VO2 x Eqenerg O2
Eqenerg O2 = équivalent énergétique de l’O2
• C’est la quantité d’énergie libérée chaque fois qu’on
« brûle » 1 litre d’O2.
• L’équivalent énergétique de l’O2 varie en fonction du QR
Î utilisation de tables du QR
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Contribution des substrats énergétiques: quotient respiratoire
Quotient respiratoire (QR)= VCO2/VO2
• QR permet d’estimer la part relative d’utilisation des substrats
glucidiques et lipidiques dans la production totale d’énergie
• QR ne permet pas d’estimer l’énergie qui provient des protéines
• QR permet d’estimer uniquement l’energie produite par oxydation
• QR = 0,70
100% de l’énergie provient de l’oxydation des lipides
• QR = 0,85
50% lipides / 50% glucides
• QR = 1,00
100% de l’énergie provient de l’oxydation des glucides
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Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Équivalent énergétique de l’O2
Eqenerg O2 = 5,2 kCal / l = 21,7 kJ / l si QR = 1 (1kCal = 4,18 kJ)
Eqenerg O2 = 5,086 kCal / l = 21,25 k J / l si QR = 0,9
Eqenerg O2 = 4,971 kCal / l = 20,77 kJ / l si QR = 0,8
Eqenerg O2 = 4,854 kCal / l = 20,29 kJ / l si QR = 0,7
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