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ufrstaps
TOULOUSE
L3 UE37S.4
Amarantini David
[email protected]
Pôle Sport – 3ème étage – Bureau 301
ufrstaps
TOULOUSE
L3 UE37S.4
Dépense énergétique
Puissance, Travail et Energie
Rendement
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
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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) …
… 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.
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Ainsi :
L’homme au repos, et encore plus lorsqu’il est à l’exercice,
dépense une certaine quantité d’énergie chimique pour fournir
une certaine quantité d’énergie mécanique.
L’énergie chimique est transformée en énergie mécanique par la
contraction musculaire.
L’énergie chimique est elle-même fournie par les réactions
chimiques du métabolisme énergétique (dégradation de substrats)
mais n’est pas directement utilisable pour la contraction
musculaire qui utilise exclusivement l’ATP.
L’énergie chimique sert à re-synthétiser l’ATP par les différentes
filières énergétiques.
?
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).
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 …)
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Exemple de facteur qui diminue le rendement : la co-contraction
C’est un phénomène de contraction
simultanée des muscles agoniste(s) et
antagoniste(s), nécessaire (stabilisation de
l’articulation, et homogénéité des pressions
internes) mais entraînant un supplément de
dépense énergétique (E) :
Si E augmente pour un même travail
produit, alors le rendement diminue.
M biceps
M triceps
Ce phénomène est réduit, voir optimisé (ex.
escalade) sous l’effet de l’entraînement.
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
d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la
force.
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
θ est la valeur du déplacement angulaire.
Rappel :
F
M
O
r
r
M / o ( F ) = OM ∧ F
θ
θ
d
Détermination du travail mécanique : biomécanique
Relation travail / puissance :
Notion de puissance : la puissance correspond à la quantité
de travail fournie par unité de temps :
P=
W
t
⇒
W = P⋅t
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Détermination du travail mécanique : biomécanique
Relation travail / puissance :
Notion de puissance :
Pour des mouvements linéaires, la puissance (d’une force) est égale
au produit de l’intensité de cette force par la vitesse :
P=F·v
Pour des mouvement angulaires, la puissance (d’un moment de
force) est égale au produit de l’intensité de ce moment par la vitesse
angulaire :
P=M·ω
Détermination du travail mécanique : biomécanique
Puissance et mode de contraction musculaire :
Puissance = 0
⇒ isométrique
Puissance > 0
⇒ concentrique
Puissance < 0
⇒ excentrique
Détermination du travail mécanique : biomécanique
Travail & puissance : résumé
Travail = force x distance
Puissance = travail ÷ temps
Exemple : lever un poids de 10 kg
sur une distance de 2 m
Exemple : Réaliser 200 J de travail
en 5 secondes
= 2 m x 10 kg x 9.81m/s²
= 40 W
~ 200 kJ
Unités :
Unités :
J (joules)).
• kgxm/min
1 kgxm = 9,81 J
• Watts (W) = 6,12 kgxm/min
• Kcal (kilocalories).
• Kcal/min
1 kcal = 426,85 kgxm
• J/min
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Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur Ergocycle
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
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Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant
X 9,81 (m/s²)
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
Exemple de la natation :
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Détermination du travail mécanique : tests de terrain
Exemple de la natation :
Un nageur de niveau national s’entraîne dans une piscine olympique
pendant 20 min en parcourant chaque longueur en 35 s. L’effort de
nage équivaut à s’opposer à une charge de 3 kg.
Î Quel travail a-t-il produit ?
Î Quelle puissance a-t-il développé ?
W=F·d
W = 3 · 9,81 · (20 · 60 · 50 / 35) = 51,5 kJ
P=W/t
P = 51428,57 / (20 · 60) = 42,86 W
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 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
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Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
Principe expérimental de mesure de la VO2
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
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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
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
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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
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
Détermination de l’énergie métabolique : physiologie
• Equations de Harris et Benedict (1919)
•
•
•
MB (Hommes, Kcal/j) = 66,5 +13,8*Poids + 5*Taille - 6,8*Age
MB (Femmes, Kcal/j) = 655 + 9,6*Poids + 1,9*Taille – 4,7*Age
Poids en kg, Taille en cm, âge en années
• Equations de Black et al (1996)
•
•
•
MB (Hommes, MJ/j) = 0,963*Poids0,48 * Taille0,50 * Age-0,13
MB (Femmes, MJ/j) = 1,083*Poids0,48 * Taille0,50 * Age-0,13
Poids en kg, Taille en m, âge en années
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Détermination du rendement : biomécanique et physiologie
RM =
Travail mécanique fourni
Energie métabolique dépensée
Exemple : lors d’un test d’évaluation de la
capacité physique sur escalier ergométrique
en conditions aérobie, une personne de 80
kg dont la VO2max est de 65 ml d’O2 / kg /
min marche avec une fréquence de 20
marches / minute. Les marches de l’escalier
ont une hauteur de 50 cm, le test dure 10
min.
• Quel travail a-t-il accompli ?
• Quel est son rendement si il réalise
l’exercice à 50 % de sa VO2max ?
Détermination du rendement : biomécanique et physiologie
RM =
Travail mécanique fourni
Energie métabolique dépensée
Exemple : tapis roulant incliné avec résistance horizontale
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