Evaluation des qualités de force et mesure de la Pourquoi ? 14/04/2015

14/04/2015
Evaluation des qualités de force et mesure de la
puissance maximale au cours du geste sportif
Exemples du saut, pédalage, course et mouvements de musculation
Cours L3 ES - Nantes – Avril 2015
Sylvain DOREL
Laboratoire MIP - UFRSTAPS Nantes
[email protected]
Puissance maximale
Pourquoi ?
Mesurer la fonction musculaire
Caractéristiques puissance-vitesse
Mesurer indirectement le
métabolisme anaérobie
• Caractériser les populations
• Effets de l’entraînement
• Étudier la fatigue
• Comprendre et prédire la performance sportive
+ en sous maximal : notion d’intensité de l’exercice
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1. Quelques préambules
Préambule 1 :
-Relation force-angle
Angle optimal pour lequel la force est maximal
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Préambule 1 :
-Relation force-angle
-Relation force-vitesse et
puissance-vitesse
Relation force – vitesse
Force
Fmax ISO
excentrique
concentrique
Vmax
lent
rapide
Vitesse
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Relation puissance - vitesse
Force
Puissance
Pmax
force
optimale
Vitesse
optimale
Vitesse
Préambule 2 :
Règles et définitions
fondamentales de la
(bio)mécanique
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LA PUISSANCE
La puissance moyenne se définit comme le rapport entre la quantité
de travail effectué et le temps mis pour effectuer ce travail
En watt (W)
P =
W
travail
=
temps
t
P =
Fd
t
= Force  Vitesse
2e loi de Newton
ΣFext = ma
2. Une méthodologie
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Ce qu’il y a « à faire » pour mesurer ce paramètre
au cours d’un geste:
► décrire le mouvement de façon globale
► identifier les principaux muscles mis en jeu et type de contraction:
► identifier le système étudié
Corps en entier …
EXEMPLES
Segment(s)…
Corps externe…
Influence sur l’interprétation des valeurs vis-à-vis des qualités
musculaires, tendineuse… mises en jeu
► choisir une des 2 approches possibles : F  V ou travail/temps
F  V : Calculs des différentes variables
1. force du sujet : mesure directe (capteur) ou calculs à partir de la
2e loi de Newton :
ΣFext = ma
Identifier et mesurer les forces externes et extraire la force du sujet
Rappels des différentes forces :
Poids, frottements - frictions, résistance de l’air ou autre,
Mesurer l’accélération : directe ou à partir de la dérivée de la vitesse
2. la vitesse : mesure directe ou à partir du déplacement et du temps
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Travail/temps : Calculs des différentes variables
Raisonnement « énergétique »
1. Travail du sujet : mesure directe de la force (capteur) ou calcul à
partir de la loi de non conservation de l’énergie mécanique :
ΣW(Fext) = Eméca
Identifier et mesurer le travail des forces externes et
extraire le travail du sujet
Mesurer l’énergie potentielle (Ep) et l’énergie cinétique (Ec)
au début et à la fin de la période considérée et ainsi calculer
leur variation
Rappels:
Ep = m·g·h
Ec = ½·m·v2
2. Le temps correspondant à la période de moyennage : t
Travail/temps : Calculs des différentes variables
ΣW(Fext) = Eméca
!

L’énergie potentielle est liée à l’existence de la gravité. Lorsque
vous utilisez un théorème concernant l’énergie vous ne pouvez
pas faire intervenir à la fois l’énergie potentielle et le travail du
poids dans la même équation. Ainsi, attention à ne pas faire
intervenir le travail du poids dans la somme des travaux des
forces dans le théorème de conservation d’un système ouvert.
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3. Les différents tests mesurant la
force et/ou la puissance musculaire
La qualité évaluée diffère selon les contraintes
de force et vitesse et le type de contraction
La question à se poser
Le mieux : où est-on situé sur la
relation force - vitesse ?
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1. Force maximale isométrique
Capteur de force ou plate-forme de force
ΣFext = 0
1. Force maximale isométrique
– Fmax ISO : moy du
plateau
– RFD : pente de la
montée en force
RFD 
F90%  F10%
T90%  T10%
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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Rappel : impose une vitesse constante
ΣFext = 0
2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Rappel : impose une vitesse constante
Mouvement mono ou
poly-articulaire : Cybex,
ARIEL mais aussi
Kincom, Biodex, Lido…
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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Avantages
Contraction musculaire maximale à chaque instant (à tous les
angles): si on ne pousse pas à la vitesse préréglée pas de
mesure.
Résistance jamais plus grande que la force appliquée : si la vitesse
est trop basse on ne peut pas soulever le levier.
Adaptable à la fatigue et à la douleur : bien pour la rééducation
Choix du type de contraction : Excentrique - Concentrique Isométrique
2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Inconvénients
Mouvement non naturel
Nombreux essais pour tracer la relation force-vitesse
il faut tenir compte des inerties du bras de levier, et des membres
impliqués.
Évaluation d’un seul membre à la fois, excepté pour les
dynamomètres pluri-articulaires.
Prix très élevé
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DISPOSITIF ERGOMETRIQUE : ARIEL CES 5000
LES MOUVEMENTS TESTES
Développer-couché
1/2 Squat
Tirage
Vitesses testées
Vitesse maximale
200 cm.s-1
150cm.s-1
100 cm.s-1
70 cm.s-1
50 cm.s-1
32 cm.s-1
16 cm.s-1
8 cm.s-1
Paramètres mécaniques
enregistrés :
Force
Vitesse
Puissance
RESULTATS : mesure de la force
400
Force + poids de corps (Kg)
1/2 SQUAT
309
300
300
288
276
258
235
195
200
150
100
87
8 32
70
16
50
150
100
269
200
Vitesse cm.s-1
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FORCE MAXIMALE
300
309
300
288
PUISSANCE MAXIMALE
3000 W
276
258
Puissance (W)
Force + poids de corps (Kg)
DEFINITIONS
RESULTATS :DES
les relations
CAPACITES
force-vitesse
MUSCULAIRES
et
puissance-vitesse
2921
235
195
2350
200
1805
234.7
150
Force à P. Max.
1383
100
87
912
VITESSE MAXIMALE
481
247
8 32
70
16
50
Poids de corps
150
100
269
Vitesse cm.s-1
200
DETERMINATION DES ZONES DE TRAVAIL selon les
capacités musculaires (« max » et « dynamique »)
F. Max.
309 Kg
(85% de 1RM)
Puissance Max.
1RM
(120% de 1RM)
Force Max.
Puissance (W)
ZONES DE
TRAVAIL
P = F.v
P = f.V
276 Kg
80%
de Pmax.
Zone deTransition
205 Kg
(70% de 1RM)
Puis. Force
150 Kg
(48% de 1RM)
Puis. Vitesse
Force à grande
vitesse
=
explosivité
103 Kg
(30% de 1RM)
Force - Vitesse
Poids de
élevée
87 Kg
corps
8 32
70
16 50
100
150
200
269
Vitesse cm.s-1
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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
Le cas du test de la répétition maximale
Méthode directe : 1 RM
Définition
Masse qu’une personne parvient à soulever une seule fois lors
d’un mouvement complet avec des charges libres ou un appareil
avec charges guidées.
Force max concentrique
Méthode indirecte :
table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM
Pas pour l’athlète sauf la toute 1ère fois
Méthode indirecte :
table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM
Avantages
Peut être réalisé sur n’importe quel mouvement de musculation
Limites?
Pas de mesure de la vitesse et donc de l’accélération de la
barre : pas tout à fait la « vrai valeur de force »
Uniquement la qualité de force max
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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
B. Mesure isotonique
Rappel : le mouvement peut être accéléré
Important : la force du sujet dépend des forces externes
mais aussi de l’accélération
ΣFext = ma
Force du sujet = (masse x accélération ) + forces externes (poids, frott…)
Puissance au cours du mouvement de squat
(Rahmani, 2001)
Système?
Le corps entier
+ la charge externe
Travaux des forces externes?
Travail du poids +
Frottements de la barre
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Puissance au cours du mouvement de squat
(Rahmani, 2001)
CALCULS de la puissance :
P = force  vitesse
Ps= mtot·g·V + mtot·a V
Avantages?
2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Plate-forme de force
Mouvement type Squat
Tracé de la relation force - vitesse
Mesure directe de la force du sujet
Calculs de la vitesse par intégration de l’accélération
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2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Mouvement type Squat, développer couché
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2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Tous les mouvements avec charge guidé
Tracé de la relation force - vitesse :
1 ou 2 essais par charge
Mesure indirecte de la force du sujet : poids de la barre, du sujet et
accélération
Calculs de la vitesse par dérivation du déplacement
2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Avantages
Peut s’adapter sur de nombreux appareils de musculation
classique
D’autres systèmes similaires apparaissent
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2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique MYOTEST
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2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
Système cinématique MYOTEST
Avantages
Encore plus adaptable sur tous les appareils de
musculation classique
Conseil : même si adapté aux mouvements libres, plutôt
utiliser des systèmes guidés (squat, developpé couché…)
2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique
D’autres systèmes récents pour barres guidées
(et libres)
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GYMAWARE
Tendo sport
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3. La puissance maximale au cours
du saut vertical
Test de Sargent
Test d’Abalakov
Test de Bosco
Puissance au cours du saut
Ergojump
optojump
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3. La puissance maximale au cours
du saut vertical
Rappel : le mouvement peut être accéléré
Tapis de Bosco - Optojump
ΣFext = ma
Système?
Le corps entier
Modèle du centre de masse
Travaux des forces externes?
Travail du poids
Calcul de la hauteur?
h  1  g  tvol
8
2
CALCULS de la puissance :
P = travail/temps
Ws= m·g·h
Quel temps?
Ps= m·g·h / t
½ tcontact
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D’où:
Ps= m·g·h / ½ tcontact
Ps= 2·m·g·h / tcontact (en W)
Ps= 2·g·h / tcontact (en W.kg-1)
Exercice
Limites?
Puissance au cours du saut
Limites?
Pas de mesure directe de la force et surtout de la vitesse
Une seule condition force - vitesse : est-ce la même pour tout le
monde?
300
Force (Kg)
200
100
Vitesse
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Puissance au cours du saut
Le Squat Jump
Puissance au cours du saut
Le Contre Mouvement Jump
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Puissance au cours du saut
Le Drop Jump
Puissance au cours du saut
CMJ répétés: endurance musculaire
Nombre de saut fixe généralement:
Quels critères de perf?
Indice de fatigue, travail total (puissance moyenne)…
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Puissance au cours du saut
Test de raideur : stiffness (réactivité)
Sauts répétés jambe tendues:
7-10 sauts
Évaluer la raideur musculotendineuse des
membres inférieurs
Détente moyenne
Puissance moyenne
Puissance au cours du saut
Méthode innovante de terrain
(Samozino et al 2010)
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Puissance au cours du saut
Méthode innovante de terrain
CALCULS de la puissance :
P = force  vitesse
(Margaria, 1966)
(Samozino et al 2010)
Méthode
validée/méthode de
référence
4. Le test de la montée d’escalier
Système?
Le corps entier
Modèle du centre de masse
Travaux des forces?
Travail du poids
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Puissance : montée d’escalier
(Margaria, 1966)
Calcul de la vitesse?
Vmax  h
t
CALCULS de la puissance :
P = travail/temps
Ws= m·g·h
Quel temps?
Ps= m·g·h / t
Temps de course
Exercice
Limites?
5. Puissance en course de sprint
Tapis de sprint
(Jaskolska, 1998; Funato, 2001)
Système?
Mesure des forces ?
CALCULS de la
puissance :
P = force  vitesse
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5. Puissance en course de sprint
Tapis de sprint
Système?
(Morin et al., 2010)
Mesure des forces ?
CALCULS de la
puissance
propulsive:
P = force horizontale

vitesse
Système?
Mesure des forces ?
CALCULS de la
puissance
propulsive:
P = force horizontale

vitesse
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5. Puissance en course de sprint
Modèle de terrain
(Van Ingen Schenau et al., 1991)
Pt
Pt =
Pt
H = 0.97 J.kg-1.m-1
H.v
Pt = H . v
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Ka . v3
Pt
H.v
Ka = 0.00366
Pt = H . v + Ka . v3
Ka . v3
Pt
v . dv/dt
H.v
Exercice
Limites?
Pt = H . v + Ka . v3 + v . dv/dt
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Cinétique de puissance
Mechanical power (W/kg)
H.v
40
ka.v3
v.dv/dt
30
total power
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Distance (m)
Variations de puissance

Puissance maximale (100%) = 40 W.kg-1

Baisse de puissance après 3-4 s :
- 50%

Baisse de puissance à la fin du 100 m :
- 65%
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6. Puissance au cours du pédalage
sur bicyclette ergométrique
a
c
a
b
b
mono-articulaires
Gmax
VL
bi-articulaires
Sol
BF
RF
Gas
Mécanique musculaire
Mécanique musculaire
Mécanique musculaire
Mécanique musculaire
Mécanique musculaire
Mécanique musculaire
puissance-vitesse
puissance-vitesse
puissance-vitesse
puissance-vitesse
puissance-vitesse
puissance-vitesse
Puissance mécanique maximale
au cours du mouvement de pédalage
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a
c
b
CALCULS de la puissance sur bicyclette ergométrique:
P = force  vitesse
Système?
Roue en rotation
Forces?
Friction de la roue : Fr
a
Puissance au cours du pédalage
sur bicyclette ergométrique
c
b
Données angulaires au niveau du centre de rotation de la roue
Ps = I·o·ωo + Mo(Fr)·ωo
Données linéaires à la périphérie de la roue
Ps = I/R2·a·v + Fr·v
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PROTOCOLE
► épreuve force-vitesse : 3 sprints
de 0,3 N.kg-1 ……..……………à……..……….. 0,9 N.kg-1
PROTOCOLE
force (N)
► épreuve force-vitesse
3 sprints de avec differentes
resistances
Puissance (W)
150
Pmax
1000
120
800
90
600
60
400
Vopt
(Lakomy et al, 1986; Arsac et al, 1996)
30
200
0
0
0
50
100
150
200
250
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Objectifs
Méthodes
Méthodes et Protocole
Protocole
Résultats
Discussion
PROTOCOLE
► épreuve force-vitesse
2100
300
Fmax et Vmax
1500
200
Force (N)
Pmax, Vopt
1800
Fmax
250
1200
150
900
100
600
Puissance (W)
Relations moment-vitesse et
puissance-vitesse
Vmax300
50
0
0
0
50
100
150
200
250
300
Fréquence de pédalage (rpm)
7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
(Olds et al, 1995; JC Martin et al , 98)
Road and endurance track cycling
Rolling resistance
Air resistance
Changes in
mechanical energy
Potential energy (∆Ep)
Kinetic energy (∆Ec)
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7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
(JC Martin, 98)
Système?
Cycliste + vélo
Modèle du centre de masse
Forces externes?
frottements au sol + résistance de l’air
+ poids
7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Frottements au sol:
P(Rr) =
Cr·m·g·V
Cr= 0,002 à 0,010
Facteurs de variations de Cr?
Pression et type des pneus, surface au sol
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7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Résistance de l’air:
P(Ra) = ½ ρ·Cd·Ap·V3
ρ = densité de l’air
1,225 kg.m-3
Cd= coefficient de
traînée
0,50 - 0,70
Ap= surface frontale
projetée
0,30 - 0,60
Facteurs de variations?
température, pression
altitude
Forme, position
Artifice aérodynamique
masse, taille
position
Artifice aérodynamique
Mesure en soufflerie
Mesure photographique
7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Poids:
P(poids) = m·g·sinαinc·V
ou
P(poids) = m·g·h/t
h
Here, the rider has stored up
energy equal to the combined
weight of rider and bike times
the vertical distance climbed.
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Exercices
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bien d’autres tests de terrain… notamment pour les
membres supérieurs
Détente horizontale - multi bonds..etc
Et les membres supérieurs ?
Lancer de balles lestées, medecine ball, pompe avec tapis de
bosco…
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