Ccourse à p natation L2 12.pptx
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L2 UE 4.6.3B. A Sciences de l’entraînement Programme • – Facteurs mécaniques de la performance en natation – Facteurs du coût énergétique dans le sprint – Facteurs du coût énergétique sur longues distances CT 1H 2 ECTS R Candau G. Py A Chopard • Anaérobie et hypoxie (6h Guillaume Py,) – Métabolisme lactique – Entraînement intermittent en hypoxie – Paradoxe du lactate • [email protected] Facteurs mécaniques de la performance en course à pied et natation (10 h Robin Candau,) Alimentation du sportif (4h Anthony Sanchez) – Catégories d’aliment – Absorption et transport des nutriments – Compléments et suppléments alimentaires Plan Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 4. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? 5. Quels sont les facteurs du coût de la course ? Ljspeert et al., 2007, Science Fascination persistante pour la locomotion aquatique et terrestre La technologie au service de la connaissance Locomotion terrestre Degré d’ adaptation de l’homme au milieu terrestre et aquatique ? • Nous sommes tous capables de marcher et de courir Conquête de la terre Locomotion aquatique L’homme au sommet de l’évolution? • Et presque tous de nager Mais quelle est notre efficacité dans la locomotion terrestre et aquatique ? WWW.besse.at 1 La nage, une simple adaptation de la locomotion terrestre? • Mouvements alternatifs des segments qui rappellent la locomotion terrestre • Pourtant plusieurs mammifères n’utilisent que deux seuls segments (adaptation subtile autorisée par une flottabilité particulièrement bien élaborée) Économie de la locomotion aquatique vs. celle terrestre 1. Le manchot est le plus marin 2. L’homme le moins aquatique 3. Le rat australien est le parfait mammifère amphibie Pour une masse donnée l’homme est moins économique des les autre mammifères semi aquatiques Locomotion terrestre Locomotion aquatique immergée Coût énergétique (J N-1 m-1) Coût énergétique (J N-1 m-1) Coût énergétique des mammifères semi- aquatiques Locomotion aquatique Fish et Baudinette (1999) Locomotion aquatique des poissons Masse (kg) Et en terme de vitesse max • Vmax = 2,8m/s Masse (kg) Fish et Baudinette (1999) Fish et Baudinette (1999) Et nos ancêtres ? à18s au 50m • V sur 60m = 8,3m/s à 6s au 50m Lucy une vraie bipède plus efficace que les grands singes • Recorde du monde à21s au 50m!! http://membres.lycos.fr/renejacquemet/revisionsbac/evolution/ Sellers et al., 2005 2 Comment optimiser l’efficacité de la locomotion notamment celle aquatique ? Plan Di Prampero, 1986 imworld.aufeminin.com Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 4. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? 5. Quels sont les facteurs du coût de la course ? V = Pconsommée Cénergétique Rendement de propulsion Traînée de friction Traînée de pression Résistance de vague W interne Résistance en fonction des différents registres de vitesse Les résistances hydrodynamiques Vitesses de compé//on Vitesses inaccessibles V volume Traînée de friction Résistance (N) V limite Traînée de pression Perturbation du système de vague ˜ Vitesse fen.org.ar/internacionales_2006 Vitesses d’entraînement Traînée de vague Vennell et al., 2006 Ordres d’apparition des différents types de traînée 1. A faible vitesse la traînée de frottement s’exprime, 2. à des vitesses supérieures la traînée de pression s’ajoute 3. A des vitesses encore plus élevées la traînée de vague s’additionne aussi V volume Résistance (N) V limite Perturbation du système de vague ˜ Vitesse Traînée de fro6ement Traînée de pression Traînée de vague ↗ massives des résistances avec la vitesse Portance dans la locomotion aquatique http://njfun2.free.fr/c1/images2/image2b.png Et se soustraire à la résistance de vague L’objet peut alors partir au PLANNING Contrairement à la locomotion humaine terrestre, la portance revêt une importance majeure dans la locomotion aquatique Vennell et al., 2006 3 Portance et planning Conjugaison de la portance de l’aile et de la portance du wake-board Traînée de friction • Liée à la viscosité de l’eau (difficulté à mélanger un sirop dans l’eau) • La couche d’eau immédiatement en contact avec le nageur colle littéralement à sa peau grâce à des forces de cohésions importantes • Lorsque l’organisation en couche d’eau juxtaposées est perturbée, une nouvelle force apparaît Planning Réduction de la surface mouillée => grande vitesse www-­‐rocq.inria.fr/who/Marc. Rugosité et coefficient de forme (Cx) Mécanisme Surface lisse CX Zone sous critique Recul du point de décollement Zone critique DiminuGon des turbulences Surface rugueuse Plus grande vitesse Nombre de Reynolds ~ vitesse Optimisation de la traînée de pression Comment optimiser l’efficacité de la locomotion aquatique ? Di Prampero, 1986 imworld.aufeminin.com V = Pana+ aérobie Cénergétique Surface maximale de sec:on (Toussaint et al., 2000) Surface frontale Optimisation de la position – À plat sur l’eau (Moment tangage corrélé avec Coût énergétique et la performance) – Tête dans l’axe (regard au fond du bassin) Traînée de friction Traînée de pression Traînée de vague – Hyper extension des bras – Tronc dans l’axe – Faibles mouvements des membres inférieurs www.fi.edu/wright/again/wings.avkids.com TPresssion = ½ SCx ρ v2 = K S v2 4 Effet du genre Mesures • Longueur de cycle (sur 50m) • Index moment de tangage (tps pour arriver en position verticale) • % de masse grasse • Estimation de la traînée hydrodynamique dans une coulée • Calculer le SCx du nageur sur la base de sa décélération dans les phases de glisse (données Excel) Les nageuses de bon niveau semblent 30% plus économiques que leurs homologues masculins (di Prampero, 1986) ? Moment de tangage plus favorable (di Prampero, 1986) 0,30 Dimension corporelle plus faible (Toussaint et al., 2000) Effet du genre chez l’élite Effet du genre chez l’élite SCx (m²) 0,25 0,20 • Avantage évident de 13% pour les femmes pour les nages les plus rapides en rapport avec une surface de section maximale plus faible pour les femmes Homme 0,15 Femme 0,10 0,05 0,00 Crawl Papillon Dos (Toussaint et al., 2000) Brasse 13% < 30% chez les nageurs bon nageurs ( Di Prampero, 1986) [email protected] 0,30 Port de combinaisons 0,25 SCx (m²) Effet du style 0,20 0,15 Homme 0,10 Femme 0,05 s se Le crawl est associé au SCx le plus faible donc à des résistances hydrodynamiques et C énergéGques les plus faibles. Le papillon est plus économique que le dos crawlé. Ce dernier style est peut être désavantagé par des trajets moteurs plus difficilement orientés dans le sens du déplacement. Le papillon est associé à des mouvements ondulatoires similaires à ceux des mammifères marins et poissons (utilisation de la queue ou des jambes comme un foil). Combinaison néoprène à meilleure flottaison à é 20% de l’économie Résistance (N) Br as n Do illo Pa p Cr aw l 0,00 www.memagazine.org/backissues/ Vitesse (m/s) 4% de gains annoncés pour les combinaisons « peau de requin » première génération! 30 à 40 records du monde sont tombés aux Ch. du Monde 2009 : Combinaison de nouvelle génération ? 5 Coefficient de forme (Cx) Concept de vitesse critique (Vc) CX Combinaison sans polyuréthane Zone critique Zone sous critique Speedo, Fastskin, Arena Powerskin, Tyr Aquashift, ASCI, and Nike Lift Nombre de Reynolds ~ vitesse Chatard and Wilson, 2008 Origine des gains à hautes vitesses? Combinaisons dernière génération Ø A faibles vitesses (< Vc) aucune amélioration n’est repérable avec le port des combinaisons. 1. Gainage et sensations kinesthésiques optimisées 2. Diminution de la surface frontale (S) par compression du corps- réduction des vibrations des muscles 3. Amélioration de la flottabilité grâce au polyuréthane (optimisation de la traînée de vague) Ø A hautes vitesses (>Vc) une réducGon (<0,001) de SCx est obtenue Varia/on de SCx (m²) Année 2004 -­‐0,03 2005 2006 2007 2008 2009 2010 -­‐0,035 y = -­‐0,0043x + 8,5623 R² = 0,85962 -­‐0,04 -­‐0,045 -­‐0,05 -­‐0,055 -­‐0,06 Facteurs de la performance sur 100 m Di Prampero, 1986 Méthode ? V = Pconsommée Cénergétique Résistance de vague • Une ↓ de 10 % sur SCx détermine un gain de 1,8 s • Une ↑ de 10 % de la capacité anaérobie, A, détermine un gain de 1,26 s • Une ↑ de 10 % de VO2 max détermine un gain de 0,5 s 49,0 Rendement de propulsion Traînée de friction Traînée de pression Puissance anaérobie W interne Performance (s) Puissance aérobie imworld.aufeminin.com SCx 48,0 47,0 SCx > A > VO2 max VO2max 46,0 45,0 44,0 90% A 100% 110% 6 Application au record du monde sur 100 m 1. Quelle est la traînée? 2. Quelle est la puissance développée? Traînée (N) = ½ SCx ρ V² Où SCx est le coefficient de traînée hydrodynamique, Cx=le coefficient de forme, S= la surface frontale en m², la densité de l’eau 1000 m3/kg On estime SCx à 0,30m² Bilan ü Les femmes sont effectivement plus économiques que les hommes pour le crawl et le papillon mais sont moins économique en brasse. ü Le port des nouvelles combinaisons autorise une meilleure glisse uniquement à hautes vitesses. ü Par ordre d’importance, les facteurs de la performance sur 100m sont la glisse et la capacité anaérobie. VO2max ne peut pas être négligé sur 100m. Drafting Delicious Drafting www.limmatsharks.com/g • ↓ des résistance de 20% avec une distance < 50cm (Chatard and Wilson, 2003) • Choisir de préférence un poisson pilote « 2 temps » Nursing and draking! Comment optimiser l’efficacité de la locomotion aquatique ? Traînées de pression et de vague Di Prampero, 1986 imworld.aufeminin.com Traînée de friction Traînée de pression La traînée en immersion représente 60% de celle en surface Résistance (N) P V = ana+ aérobie Cénergétique Traînée de vague Vitesse (m/s) La traînée de vague représente 40% du total des résistances Vennell et al., 2006 7 Importance des gains de performance due à la mono-palme et à l’immersion Record du monde 2012 Vitesse moyenne maintenue 3,50 3,00 2,50 2,00 V Surface 1,50 V Imergé 1,00 Vnage libre 0,50 0 500 1000 1500 2000 Distance compétition (m) 3,00 2,50 2,00 V Surface 1,50 V Imergé 1,00 Vnage libre 0,50 - Gains dus à l’immersion ∼ 15% (v>2m/s) bien inférieurs aux gains obtenus sur la traînée passive 0 45% 45% 40% 40% 35% 35% 30% gain %mono palme 25% 20% gain % imergé mono palme 15% 10% Gain imersion 5% 0% 0 500 1000 1500 La traînée de vague représente une part importante en passif un peu moins en situation réelle de nage 2000 1000 1500 2000 Gains dus à la monopalme ∼ 25% (v>2m/s) 30% gain %mono palme 25% 20% gain % imergé mono palme 15% 10% Gain imersion 5% 0% 0 Distance compétition (m) 500 Distance compétition (m) Gain (%) Vitesse moyenne maintenue 3,50 Gain (%) Amplitude des gains de performance due à la monopalme et à l’immersion Record du monde 2012 500 1000 1500 2000 Distance compétition (m) Traînée de vague L’utilisation de matériel en forme de foil avec faible incidence permet une propulsion plus efficace Minimiser la résistance de vague La présence d’un bulbe permet d’opGmiser le point d’aoaque dans l’eau William Froude(1810-­‐ 1878) ingénieur naval Bourrelet liquide = vague d’étrave ↓ du système de vague hop://www.hickerphoto.com α=39° ↑ performances Autre stratégie Autre stratégie Se placer dans la partie descendante du système de vague crée par le nageur qui précède (Chatard and Wilson, 2003) S’affranchir de la traînée de vague, en immersion profonde Diminue le coût énergétique Augmentation des performances Améliore la performance www.limmatsharks.com/g hNp://perso.orange.fr/napmar:nique 8 Conclusion Plusieurs solutions existent pour optimiser la performance en diminuant les résistances hydrodynamiques : Comment optimiser l’efficacité de la locomotion aquatique ? imworld.aufeminin.com 1. Amélioration de la position du corps dans l`eau V = 2. Drafting 3. Port de combinaison Travail interne 4. Dans la pente descendante Pana+ aérobie Cénergétique Rendement de propulsion 5. Utilisation de foils Traînée de friction Traînée de pression Résistance de vague David la Chapelle Comment optimiser l’efficacité de la locomotion aquatique ? Travail interne Puissance interne (W) Zamparo et al. 2005 Jambes Bras bras jambes imworld.aufeminin.com La fréquence de jambes est deux à 3 fois plus élevée que f bras : • nageurs 2 temps (Laure Manaudou) • nageurs 4 temps • nageurs 6 temps (sprinters) V = Travail interne Pana+ aérobie Cénergétique Rendement de propulsion Traînée de friction Traînée de pression Résistance de vague Fréquence (Hz) Efficacité de la propulsion Efficacité de la propulsion η Pr opulsion V = navire VPale η propulsion = η Pr opulsion = www.fi.edu Vbras Zamparo et al, 2005 www.fi.edu Vbras En supposant une vitesse angulaire constante : Vbras = 2π fbras Où η est le rendement, et V la vitesse Vnageur Vnageur η propulsion = Vnageur .0,90 2 2.π . f Bras .LBras π Fréquence de cycle (cycle/s) 90% propulsion assurée par les bras Longueur des bras = 0,52 m Zamparo et al, 2005 9 Propulsion et force musculaire Zamparo et al., 2005 y = -1265,7x + 1277,8 R2 = 0,5026 800 750 700 650 600 550 500 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0,54 0,56 www.fi.edu Rendement de Propulsion Rendement de la propulsion Coût énergétique (J/m) 850 La distance par cycle et le rendement augmentent au cours des processus de maturation puis diminuent au-delà de 25 ans Age (année) Les meilleurs nageurs possèdent les meilleures efficacités de propulsion et sont aussi les plus économiques Le développement de la force est un facteur essentiel Rendement de la propulsion Pourquoi a-t-on besoin de force? • Nécessité d’orienter très tôt dans le cycle de bras les surfaces motrices perpendiculairement au sens du déplacement Distance par cycle (m) Rendement de la propulsion Zamparo et al., 2006 Age (année) η propulsion = Age (année) Vnageur .0,90 2 2.π . f Bras .LBras π d= • Cela requiert de la force Vnageur f Bras Le rendement de la propulsion est égal à la distance par cycle à une cste près hNp://tecfa.unige.ch En pratique Priorité accordée à l'efficacité sur la vitesse Développement de la Force 1. NB. Pour Popov lorsque f > 23-24 cycles par 50 m àê de la vitesse pour maintenir l’efficacité du mouvement 2. Entraînement de qualité à vitesse spécifique de compétition Renforcement musculaire (circuit training) • • • • • • • • Développé couché / tirage charge légère Triceps Papillon Pullover Abdo Dorsaux Membres inf Etirement Musculation lourde (1 à 12 répétions) Entraînement de qualité à vitesse modérée (gros volume) 10 Force de propulsion Développement de la Force (suite) medias.lefigaro.fr 3. spécifiques • • • • • • S’il n’est pas possible de mesurer directement les forces de propulsion comme les forces de réaction au sol avec une plateforme de force comme dans la locomotion terrestre, il est possible dans le milieu aquatique d’approcher cette question en milieu aquatique en mesurant la vitesse des filets d’eau accélérés lors des mouvement propulsifs chariot élastique plaquettes Pull boy Palmes Sprint Drucker and Lauder, 2000 Bilan Plan L’homme représente un piètre mammifère semi aquatique Plusieurs solutions sont toutefois possibles afin d’optimiser sa locomotion en milieu aquatique : 1. En diminuant les résistances hydrodynamiques www.memagazine.org/backissues/ 2. En augmentant l’efficacité de propulsion 3. En augmentant la force musculaire Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Quels sont les facteurs du coût de la course ? 4. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 5. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? Introduction Coût énergétique dans le sprint Di Prampero et al., 2005 • Impossibilité de mesurer directement la puissance métabolique et C dans le sprint Performance = puissance métabolique / économie Sprint sur le plat V cste en côte Approche mécanique : = (A/t + VO2max f) Importance des aptitudes énergétiques /C Importance des facteurs mécaniques de l’économie de déplacement Puissance métabolique = puissance à v cste + puissance pour accélérer La puissance pour accélérer peut être évaluée en établissant un parallèle entre sprint sur le plat et course à V cste en côte 11 Analogie Di Prampero et al., 2005 Sprint sur le plat Di Prampero et al., 2005 Sprint sur le plat Vitesse constante en côte Accélér vers l’avant Accélér vers l’avant Accélér totale du sprinter Accélér totale du sprinter Accélér due à la gravité Angle accélér totale vs. terrain Angle accélér totale vs. terrain Accélération due à la gravité = résultante de l’accélération dans le sprint lorsque l’angle avec le sol est identique Vitesse constante en côte Angle accélér totale vs. terrain Accélér due à la gravité La pente (ES) qui correspond à l’accélération vaut : Mesure de l’accélération Synthèse Vitesse (m/s) Accélération vers l’avant (Eq 1) => la pente équivalente => Coût énergétique Dérivation (Δv/Δ t) Vitesse Vitesse(m/s) (m/s) t (s) Accélération (m.s-2) (m/s/s) Accélération Psprint = (Coût constant + Coût accél). V Temps (s) Angle accélér totale vs. terrain (3) On peut quantifier la puissance métabolique max à partir d’une simple mesure de la vitesse au radar (ici,100 W.kg-1 au max et en moyenne de 65 W.kg-1) Distance (m) (Distance obtenue par intégration de la vitesse) Application record du monde 100 m Quelle puissance pendant la phase d’accélération? • v = 100/9,74=10,27 m/s (10,27 x 3,6= 36,96 km/h) • Vmax = 11,68 m/s à 4s • af = (Vmax – Vini)/t = 11,68 /4 =2,92 m.s-2 Powell v 14 12 V (m/s) 10 • =2,92 m.s-2 • Equation 1 = 25% • Le coût énergétique de l’accélération = 12 J/kg/m 8 v 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 t (s) 12 Plan • Le coût énergétique de l’accélération de la masse = 12 J/kg/m • Psprint = (Coût constant + Coût accél). V4s (3) Psprint = (3,8 + 12 ) 10,27 = 133 W/kg pendant la phase d’accélération!! 100 W/ kg pour les sprinters élites italiens (di Prampero, 2005) Coût énergétique en course à pied Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 4. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? 5. Quels sont les facteurs du coût de la course ? Plan – à vitesse constante sousmaximale, C = 3,86 J.kg-1.m-1 Puissance métabolique (W/kg) • Evolution de C avec la vitesse 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 Vitesse (km/h) Quelle est l’origine de l’augmentation du Coût énergétique pour des vitesses élevées et stables ? Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 4. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? 5. Quels sont les facteurs du coût de la course ? ↑ Pourquoi C augmente? E substrats E Thermique 1. Altération du rendement ? E ATP η musculaire 30% E Thermique E mécanique E Thermique à vitesses élevées, ↓ du couplage entre Esubstrat et Eméca Débit d’énergie produite Coût mécanique 1. ↓ rendement? C Déplacement Débit Chaleur + Pméca = Pmétabolique 2. ↑ contribution du métabolisme anaérobie? 3. ↑ puissance mécanique externe? 4. ↑ puissance mécanique interne? Rendement (%) P méca 50% 30% 5. ↑ puissance aérodynamique? Vitesse (v/v0) Vopt 0.5 1.0 V contraction (V/V0) η = Pméca / (débit chaleur+ Pméca) = Pméca / Pconsommée 13 A vitesse élevée le muscle travaille loin de sa zone optimale de fonctionnement Rendement (%) le rendement chute 50% le coût énergétique est altéré 30% 0.5 1.0 V contraction (V/V0) Vopt Le coût énergétique de la course augmente parce que : 1. La transformation de l’énergie chimique en mécanique est moins efficace à vitesse élevée 2. Parce que les muscles se contractent à une vitesse trop élevée 2. ↑ contribution du métabolisme anaérobie 3.↑ marquée de la puissance mécanique externe Energie fournie an à 60 % de PMA , la glycolyse commence à intervenir e obi aér % PMA 60% Medboe et al., 1990 100% 1. Remise en cause du concept de seuil anaérobie à 80% de PMA 14 Puissance mécanique externe (W/kg) 10% de l’énergie fournie par le métabolisme anaérobie à PMA ie b ro aé 12 ↑ phase de freinage 10 8 6 ↑ puissance 4 cinétique dans la phase de poussée 2 0 0 10 2. Remise en cause de la signification des tests de VMA 20 30 40 Vitesse (km /h) 4. Puissance interne • Le coût énergétique augmente avec la vitesse en partie parce que : 1. Plus on court vite, plus les phases de freinage sont marquées 2. Plus les phases de poussée réclament de l’énergie W’ int : mouvoir les segments corporels par rapport au centre de masse W’int = 0.1 f v (1+(d/(1-d))²) Cste caractéristiques anthropométriques Fréquence d ’enjambée Vitesse de déplacement ⇒ W’ interne augmente avec la vitesse Temps de contact sur la période du cycle Minetti, 1998 ⇒ E’ métabolique augmente avec la vitesse 14 5.↑ Puissance liée aux résistances aérodynamiques R. aérodynamique ↑ avec v2 Plan (Dimension d’une force) (P = F V) P aérodynamique ↑ avec v3 ↑ de P aérodynamique participe à ↑ de Pmétabolique Introduction 1. Quel degré d’adaptation de l’homme à la locomotion terrestre et aquatique ? 2. Quels sont les facteurs de la performance en natation ? 3. Comment déterminer le coût énergétique dans le sprint ? 4. Pourquoi le coût de la course augmente avec la vitesse ? 5. Quels sont les facteurs du coût de la course ? Variabilité du coût énergétique • Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. 5. • Genre Genre Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques vitesse Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Les femmes sont 13% moins rapides que les hommes sur longues distances Cependant Les femmes sont légèrement plus économiques que les hommes quand le facteur masse corporelle est contrôlé. Chez l’athlète et l’individu obèse Masse corporelle Ln C (J/m/kg) Les animaux de petites tailles sont moins économiques car possèdent de petites pattes et un mauvais rendement Co ût é géti ner que Coû Snyder, and Carellon, 2008 Normalisé par rapport au poids de corps t mé caniq ue Coût énergétique Coût mécanique La relation valable au sein de règne animal n’est plus vraie pour un groupe mixé de coureurs et de sujets obèses : les individus les plus lourds étant légèrement moins économiques et avec un rendement musculaire plus faible Taboga et al., 2012 15 Facteurs anthropométriques : Age Prévalence des Kenyans dans le top 20 Effets positifs : 1. de la croissance au fur et à mesure de l’allongement des segments, l’économie de course s’améliore 2. des années entraînement l’efficacité de la foulée s’améliore au fils des entraînement (diminution des phases de freinage, diminution des oscillations verticales, augmentation du travail élastique) Origine de la supériorité des kenyans et éthiopiens? Fraction de VO2max soutenue ? Economie de course ? VO2max ? (longueur de jambe) Larsen, 2003 ↑ Activité enzymatique ADH=> meilleure utilisation des lipides + capillarisation ? VO2max = 85 ml.min-1.kg-1 % fibres lente ? Plus grand % VO2max soutenu =>meilleure endurance C légèrement plus faible Performance Longs et fin membres infé =>↓ W interne =>↑longueur de tendons =>W élastique Quantités d ’Entraînement des jeunes kenyans Modèle explicatif Membres longs et fins • La différence entre kenyan et caucasien ne serait pas due à une différence de VO2max, ni d’endurance et ni de coût énergétique (Tam et al. 2012) Mais d’où vient leur suprématie alors? Wint minimisé Cm Fréquence optimale augmentée t Cin Wext minimisé Snyder and Farley, 2011 Performance optimisée 96 16 Régime alimentaire précompétition des kenyans Bras levier de la cheville et coût énergétique Scholz et al., 2008 Ration énergétique = 13 241 kJ/j 15% Dépense énergétique = 14 611 kJ/j Hydrate de carbone 17% Lipides Protéine 68% Petit bras de levier (moment) Grande Force appliquée au tendon ? Déséquilibre de 9% ↓ Coût énergétique Grande Energie élastique stockée ↑ Perf Coût énergétique optimisé Effet de la vitesse • Comme pour les quadrupèdes, l’homme possède une vitesse optimale de course • mais cette dernière ne serait pas liée à une contrainte d’ordre respiratoire contrairement à ce qui survient chez les quadrupèdes (Willcockson and, Wall-Scheffler , 2012) Variabilité du coût énergétique • • Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Vitesse Variabilité intra-individuelle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Farley et al., 306 (1991); 253 Science Exposition chronique à l ’hypoxie Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. 5. Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Variabilité du coût énergétique Saunders et al. 2004 • Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. • ↓ C à 14, 16 et 18 km/h après 20 j à 2000-3100 m ?↑QR = ?↓ dépendance vis à vis des lipides (plus gourmants en O2) ? ↓ Lactatémie à 14, 16 et 18 km/h après 20 J à 2000-3100 m Hx =>↑angiogénèse, ↑densité mitochondriale ↑meilleure utilisation périphérique de l ’O2 => ↓production de lactate Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue 17 Excentrique Course en descente Dommage musculaire transitoire î %Force Max îVO2 îRPE ↓ force maximale isométrique ì utilisation Mécanismes impliqués? Perméabilité au Ca2+ Protéolyse (protéases, ROS, phospholypase A2) Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. Valable chez la souris sauvage et encore plus sur la souris mdx. La septromicine un bloqueur spécifique des pores spécifiques contrecarre ce mécanisme (Whitehead et al, 2006) • isométrique • Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. La contribution anaérobie diminue grâce à l’entraînement en endurance :pour un exercice intense de flexion-extension la contribution anaérobie est réduite de 44 à 18% chez des athlètes par rapport à des sédentaires (Layeck et al., 2009) Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Variabilité du coût énergétique Entraînement (Beneke et Hutler, 2005) Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – ↓ force maximale C↓ à la vitesse correspondant à la vitesse d’entraînement nbre fibres recrutées Variabilité du coût énergétique • Étirement des membranes et des pores spécifiques coût énergétique ↑ Trévor et al., 2005 Actions excentriques ↑ • Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue 18 Course avec chaussures à ressort Longueur de foulée Masse des chaussure W interne Stockage-restitution d ’énergie + - Coût énergétique et perf stables A poids et fréquence de foulée égaux le coût énergétique de la course est 2 à 3% plus faible Basket de course classique avec maintient de la voute plantaire En raison d’un meilleur stockage restitution d’énergie élastique par la voute plantaire? Perl et al., 2012 Mercer et al, 2003 Variabilité du coût énergétique • Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. • Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques VO2 (ml/ min/kg) Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Fréquence naturelle La fréquence naturelle d ’un système oscillant simple dépend de sa raideur (k), sa masse (m) : f = 1 2π k m Il existe une fréquence d’enjambée qui optimise le travail élastique et diminue la dépense énergétique F optimale F enjambée (Hz) Si l’on accroît ou décroît la fréquence de forçage, on augmente alors la dépense d’énergie et on vérifie effectivement le phénomène de résonance. Travail élastique à vitesses élevées • Une corrélation négative est observée entre Cr et la raideur des complexes muscle-tendon mais uniquement à vitesse spécifique (r = -0,67; P < 0,05). • A l’échauffement et lors de la récup cette relation disparaît Il existe une régulation particulière de la raideur à vitesse élevée (qui contrôle l’économie de déplacement) Slawinski et al., 2008 Heise and Martin, 1988. 19 Implications en conditions écologiques 6 sujets, force max isométrique mesure de l’ élongation par ultrasonographie Force du tendon (N) 80% de l’énergie stockée est effectivement restituée 20% est dissipée sous forme de chaleur (rôle d’amortisseur du tendon) Force max isométrique 850 marche 450 Les tendons présentent de bonnes qualités visco élastiques : très efficaces pour stocker-restituer de l’énergie etestompent les contraintes mécaniques grâce à leur fonction d’amortissement La raideur dépend du nbre de ponts actine-myosine à elle augmente en fonction de la force de contraction 0 11 Elongation du tendon (mm) Travail élastique représente 6% du travail externe lors de la marche (et bien plus lors de la course) C.N. Maganaris, J.P. Paul / Journal of Biomechanics 35 (2002) 1639–1646 C.N. Maganaris, J.P. Paul / Journal of Biomechanics 35 (2002) 1639–1646 Modèle mécanique de Hill Coordination inter musculaire et raideur Les extenseurs et leur antagonistes (stabilisateurs) sont massivement recrutés pendant la pré-activation Composante élastique série (x1) Composantes visco élastiques en parallèle (x2) Pré-activation Altération du travail élastique lors de sprints répétés • L’athlète a de plus en plus de peine à réguler sa raideur et tend à s’affaisser sur ses appuis en rebondissant moins • La performance décroit en même temps que la raideur verticale et le travail élastique sous l’effet de la fatigue (Morin et al, 2006) Freinage Optimisation du travail élastique • Musculation lourde • Sauts verticaux, corde à sauter… • Bondissements, foulées bondissantes, cerceaux • Skipping • Plyométrie • Travail de pied : – ↓ tps de contact – ↑ raideur – ↓ phase de freinage – ↓ amplitude genou hanche – ↑ travail cheville 20 Variabilité du coût énergétique • Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. • Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Variabilité du coût énergétique • • Absence ou faible effet en course (ml/kg tot/m). L’accroissement de tension dans les muscles ne permet pas d’optimiser le stockage-restitution d’énergie élastique. • Idem chez le cheval au trot • Ni en ski de fond, d’ailleurs • Lors de la marche, C est optimisé notamment chez la femme africaine grâce à un meilleur transfert d’énergie entre E cin et E pot Chang, Kram, 2000 Inertie Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Fi Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Les forces verticales diminuent linéairement avec la décharge Wickler et al., 2001 Fg Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. • Masse transportée Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Il est possible d’examiner l’effet de l’augmentation de l’inertie (Fi=m ax) indépendamment de la gravité (Fg= (m-m2) g) Avec l’inertie et sans la gravité, les forces verticales sont cstes L’inertie détermine une augmentation de l’impulsion nécessaire pour maintenir une longueur de foullée consante Les forces de réaction au sol conservent une orientation constante de telle sorte que le vecteur résultant demeure confondu avec l’axe du membre inférieur : STRATÉGIE D’ÉCONOMIE 21 Cavagna et al., 2006 Variabilité du coût énergétique • Quand la gravité augmente, le coureur accroit sa fréquence de foulée en maintenant un travail ~ constant par foulée • Exposition chronique à l’hypoxie Course en descente Entraînement Chaussures à ressort ou avec amorti Longueur de foulée Masse transportée Gravité et inertie Fatigue Effet de la fatigue sur le coût énergétique Composante lente VO2 V = Phase cardiodynamique Sexe Masse et Taille Age Caractéristiques anthropométriques Variabilité intra-individuelle – – – – – – – – Effet de la fatigue Phase primaire Variabilité inter-individuelle 1. 2. 3. 4. E C En condition aérobie : V = VO2 − VO2 repos C En isolant C : C= Effet de la fatigue sur le rendement musculaire VO2 − VO2 repos V Coût énergétique et Rendement E substrats η= Pméca E En condition aérobie : Pméca η= VO2 − VO2 repos η1 60% Chaleur E ATP Chaleur η2 50% η musculaire 30% Coût E E mécanique Chaleur Coût mécanique Déplacement 22 1er mécanisme Recrutement de fibres rapides ? 1. Recutement de fibres rapides (Barstow et al., 1996) A B (Borrani et al,2001) E substrats 108 Primary Phase MPF [%] 107 η1 Slow component 106 Vastus R. Vastus L. Soleus R. Soleus L. Gastro. R. Gastro. L. 105 104 E ATP η musculaire Coût E 103 102 η2 101 100 E mécanique 99 -100 -60 -40 -20 0 Time [%] 20 40 60 80 100 ↑ fréquence du signal EMG avec la composante lente Coût mécanique Déplacement Recrutement de fibres rapides ? (Barstow et al., 1996) -80 2ème mécanisme (Borrani et al, 2009) E substrats Recrutement de fibres rapides parce que les éléments suivants sont altérés : 1. Le couplage excitation-contraction des unités motrices de type lent 2. La quantité d’ATP synthétisée par mole d’O2 consommée 3. La quantité de travail fournie par mole d’ATP 4. L’activité ATPasique de la myosine Altération du cycle E-R η1 60% E ATP η2 50% η musculaire 30% Coût E E mécanique Coût mécanique Déplacement Régulation de la raideur VO2 I Préactivation Réflexe d ’étirement Effet du genre et du port des combinaisons de natation sur la performance : modélisation et simulation Travail C élastiques Le Mieux A1,2., Borrani F3., Sanchez A1., Candau R1. 1 Faculté des Sciences du Sport, UMR 866, Université de Montpellier FRANCE de Balamand, Koura LIBAN d’ Auckland, NOUVELLE ZELANDE 2 Université 3 Université (adapté de Komi et coll., 1984) 23
