M1 UE1 e3. Performance : de l’athlète jusqu’au...

1

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

20h CM + 10h Tp

10 h CM. Modèles mécaniques et énergétiques de la performance humaine

http://robin.candau.free.fr [email protected]

ECTS de l’enseignement : 3

1h CT : 2 questions parmi 10 (5 Perrey, 5 Candau) :

1. Applications d’un des modèle de type empirique sur des records actuels ou des 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.

Critères de notation

1. Qualité de la description des méthodes et du principe du modèle cité

2. Qualité de la discussion et de l’interprétation des résultats. Présence d’une application personnelle dans le domaine de l’entraînement ou du réentraînement

3. Qualité de l’expression, de la présentation des graphiques

Travail personnel et logiciels

• Excel ou open office (gratuit)

• Madonna Berkeley (gratuit, www.berkeleymadonna.com/)

• Scilab (gratuit, www.scilab.org), math lab

• Graph Pad, Sigma plot, Scientist, origin…

Modélisation des performances humaines

2 objectifs :

• Mieux cerner les facteurs mécaniques et énergétiques de la performance humaine

• Applications dans le domaine de l’entraînement, du réentraînement ou de l’EPS

http://www.drawingsofleonardo.

Plan

1. Modèles empiriques

2. Modèles physiologiques

2

-

10

20

30

40

50

60

0 200000 400000 600000

t (s)

v (k

m/h

)

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

Quelle est la fonction qui décrit le mieux l’évolution des performances en fonction du temps de course?

Records du monde

0

20

40

60

80

0 20000 40000 60000

Distance (m)

Vite

sse

(km

/h) Marche

Course

Patinage

Cyclisme

La diminution non-linéaire des performances est retrouvée dans diverses locomotions

La relation devient linéaire avec la durée de l’exercice exprimée sur une échelle logarithmique

Billat et al. Time in human endurance model Sports Med 1999 Jun; 27 (6): 359-379

200 m

800m

20 000m

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

Modèles empiriques

I Modèles empiriques

• En 1906, Kennellypropose de décrire l ’évolution des vitesses maintenues lors des records du monde en fonction de la durée des épreuves (v/t) :

v = k tn (1)

k et n sont déterminées empiriquement

=> « loi de la fatigue » chez l ’homme et le cheval et pour divers modes de locomotion

Kennelly AE. An approximate law of fatigue in the speeds of racing animals. Proc Am Acad Arts Sci 1906; 42 (15): 275-331

-

2

4

6

8

10

12

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

t (s)

v (m

/s)

Test du modèle deKennelly sur les records du monde

• Surestimation à partir du 200 km

• Erreur importante

Modèle de kennely 1906

v = k T n

hommek 13,90 variablen 0,12 - variableErreur % 3% cellule cible

record du monde 97

6j

marathon

1997

3

Zoom sur l ’échelle de temps

Sous-estimation

Sur-estimationDescription grossière des performances

=> les processus énergétiques sous-jacents sont plus complexes et ne peuvent pas être décrit précisément par cette simple fonction

6

7

7

8

8

9

9

10

10

11

11

0 200 400 600 800 1000

t (s)

v (m

/s)

Surestimation des performances

Du 800 au 3000 m

Principe de l’application du modèle dans Excel

t (s) v réelle vmodèle (v réel - vmod)^2 Modèle de kennely 1906

9,84 10,16 11,97 3,25 v = k T n

13,32 15,02 11,48 12,51 43,29 9,24 9,76 0,28 homme

101,73 7,86 8,68 0,67 k 16,38 variable132,18 7,57 8,38 0,66 n 0,14 - variable207,37 7,23 7,88 0,41 semc 21,54 cellule cible224,39 7,17 7,79 0,38 284,88 7,02 7,54 0,27 440,67 6,81 7,10 0,09 764,39 6,54 6,58 0,00

1598,08 6,26 5,95 0,09 3415,6 5,86 5,36 0,24

3564 5,92 5,33 0,35 3600 5,86 5,32 0,29

4435,8 5,64 5,17 0,21 5358,1 5,60 5,04 0,31

7610 5,54 4,80 0,55 22220 4,50 4,15 0,12 59540 3,36 3,62 0,07

172800 2,62 3,13 0,26 518400 1,97 2,69 0,52

record du monde 97

-

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

t (s)

v (k

m/h

)

Meade, 1956

reprend le modèle de Kennelly

et souligne le modeste pouvoir descriptif du modèle

La précision des mesures de performance lors des records du monde doit permettre d ’identifier les aptitudes énergétiques qui sous-tendent la performance � nécessité de formuler un modèle approprié

Meade GP. Consistent running records. Science 1956; 124: 1025

Autres modèles empiriques

•1937, Grosse-Lordemann et Müllerlog t = a • log P + ben réarrangeant :

t = 10(a • log P + b)

a et b sont des constantes très variables d ’un sujet à l ’autre sans signification biologique identifiée

•1943, Francis, modèle hyperbolique(log d – 1.5) × (v – 3.2) = 6.0813,2 m/s = 11,5 km/h= vitesse qui peut être maintenue théoriquement indéfiniment

=> 1èresuggestion d ’un modèle qui incorpore l ’énergétique humaine

6 sujets sur ergocycle, 6 exercices épuisants

Ergocycle à friction sèche

Jauge de contrainte

Capteur de vitesse






Modèles empiriques

4

• en 1860, le concept de résistance introduit par Henri et Farmer

Concept de résistance

(201 m)(64 m)

Cet index de résistance reflétait fidèlement l ’état d ’entraînement chez 18 étudiants en éducation physique

resistance

Concept de résistance et d’endurance

log t

P (w)

Tornvall G. Assessment of physical capabilities. Acta Physiol Scand 1963; 58 Suppl.: 201

2 à 5 exercices épuisants sur ergocycle avec 28 sujets

concept de résistance introduit par Henri et Farmer (1860)

V (km/h)

Effet de l ’entraînement sur l ’endurance

Graig Virgin, champion du monde en 80

en 1972 -> f = 0.572

en 1976 -> f = 0.570

soit seulement 0.3% d ’augmentation de l ’endurance en 4 ans

(pas très surprenant ici chez un athlète d ’élite qui se maintient à son meilleur niveau)

L ’endurance ne s ’améliore pas ?

Evolution de l’endurance en fonction de l’âge

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

enfants âgés de 12 à 15 ans adultes

Tlim (min)

%V

MA

Pourcentage de vitesse maximale aérobie pouvant ê tre soutenu enfonct ion de la durée de l'exe rcice pour des enfants et des adul tes(d'après Léger , 1996)

Adapté par Berthoin

L’endurance se bonifie avec les processus de maturation






Modèles empiriques Concept de limite pour l ’espèce humaine

• En 1865, Henri� barrière de 4’ au milesur la base d ’une analyse de l ’évolution des records du monde Mais dès 1954, Roger Banister franchit cette barrière (3 ’59 ’ ’) !

• En 1954, Lietzke prévoit une vitesse maxde35.9 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

5

Atteinte d ’une limite pour l ’espèce humaine : 9’15’’ au 100m?

• Morton décrit l ’évolution des records du monde à travers le siècle pour diverses distances particulières.

année

T100 m

Atteinte d ’une limite (?)

Fonction exp avec une asymptote

Analyse dépendante du contexte historique et technologique

=> prédiction très incertaine car progrès technologiques et dérives biologiques difficilement prévisibles

9 ’15 ’’

Morton RH. The supreme runner: a theory of running and someof his physiological attributes. Aust J Sci Med 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

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 someof 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

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


Morton RH. The supreme runner: a theory of running and someof his physiological attributes. Aust J SciMed Sport 1984; 16:26-8

Valeurs actuelles

(41/3,6)/3 = 3,8 m.s-2.kg-1

85 mlO2/min/kg

100 mlO2/kg

9’’74

3’26’’

26’22’’

Les femmes vont-elles courir plus vite le marathon que les hommes?

• 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

– Analyse de l’activité / détermination des points faibles et forts de l’athlète

– Stratégie de course

Modèles empiriques Orientation des athlètes en fonction de leur endurance

log t

V (min/mile)concept de résistance Henri et Farmer (1860)

7 min

Frederick et al., (1977)

Analyse statistique sur 62 internationaux en½ 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

(endurance aptitude = à soutenir un haut pourcentage de VO2max , index de Péronnet)

6

Evolution des records du monde de trot

2005

y = -5,4265Ln(x) + 77,988

R2 = 0,7846

40

42

44

46

48

50

52

54

100 150 200 250 300 350

Durée de l'épreuve (s)

Vite

sse

(km

/h)Résistance

capacité anaérobie et V02maxélevées

Peu résistant

Evolution des records du monde de Galop

y = -8,7085Ln(x) + 101,95

R2 = 0,9763

5052545658606264666870

0 50 100 150 200 250 300

Temps (s)

Vite

sse

(km

/h)

2005

40,0

45,0

50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

0 50 100 150 200 250 300 350

Durée de l'épreuve (s)

Vite

sse

(km

/h)

Résistance pour course de galop

Evaluation de l'endurance

18.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.0

23.5

2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

R2 =0 ,976Endurance = -1,56 (W . kg-1 . s-1)index

ln Temps de course (s)

20, 000 m

21, 100 m

42, 125 m

10, 000 m

5, 000 m

3, 000 m

PV (W . kg-1)Sujet N°1

Evaluation de l’enduranced’un athlète

400 m 3000 m 42125 m

-

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14

ln Temps (s)

Vite

sse

(km

/h)

•Puissance musculaire•Débit de la glycolyse

•Capacité anaérobie•VO2max

•VO2max•Endurance

•VO2max•ultra-endurance

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

t (s)

v (k

m/h

)

4 phases distinctes avec rupture de pente

Comparaison par rapport aux records du monde

du 100 m au 1000 km

45 s 7 min 1 h

Applications :

1. Analyse de l’activité

2. Identification points forts et faibles

Temps (sexagésimal)d 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

Temps (sexagésimal)d h min s t (s) ln t v km(h)

100 0 ####### #DIV/0!200 0 ####### #DIV/0!400 0 ####### #DIV/0!800 0 ####### #DIV/0!

1000 0 ####### #DIV/0!1500 0 ####### #DIV/0!

1 609 0 ####### #DIV/0!2000 0 ####### #DIV/0!3000 0 ####### #DIV/0!5000 0 ####### #DIV/0!

10000 0 ####### #DIV/0!20000 0 ####### #DIV/0!21100 0 ####### #DIV/0!21101 0 ####### #DIV/0!25000 0 ####### #DIV/0!30000 0 ####### #DIV/0!42195 0 ####### #DIV/0!

100000 0 ####### #DIV/0!200000 0 ####### #DIV/0!452270 0 ####### #DIV/0! 0,3%

RECORD DU MONDE COURSE à PIED de 1997

RECORDS PERSONNELS

-

10

20

30

40

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

t (s)

v km

(h)

- 5

10 15 20 25 30 35 40

- 5,00 10,00 15,00

ln t (s)

v km

(h)

débitglycolyse capacité

anaérobie et VO2 max

VO2 max et endurance

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'emploi1/ 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 graphique3/ 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 RC4/ zoomer sur l'échelle de temps en cliquant 2 fois sur l'échelle horizontale

Facteur limitant Forme d’entraînement

anaérobie

•% surface fibre rapide (IIx)•commande motrice et E-C •activité catalytique de la phosphofructokinase•Expression de l’α actinine3?

•musculation lourde avec 3-12 répet •Pliométrie•sprints spécifiques de 2 à 40 s (répétiton 2 à 10)

Développement de la puissance musculaire et de la glycolyse

7


anaérobie

•Aptitude à transporter les ions H+ du muscle vers le sang, •pouvoir tampon? •résistance à la fatigue neuromusculaire •[ADP] et [Pi]

Intervalles courts de 1 à 4 min. Récupération : de 3 à 10 minNbre de répétition : 3 à 10

Développement de la capacité anaérobie

Analyse des exigences de l'activité

8

I F = 100 – ((record n)/ tpstotal) 100)

Aptitude énergétique


Débit cardiaque maximal (80%). •Volume d’éjection systolique•Volume de sang

•Concentration en hémoglobine•Diffusion alvéolo-artérielle

Facteurs périphériques (20%)

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 séancesde ce type par semaine en variant les plaisirs.

Développement de VO2max

Analyse des exigences de l'activité

Intensité (% VO 2 max)

Gai

n V

O2

+

0 50 100

Aptitude énergétique


Endurance

1. % fibres lentes 2. distance moyenne

entre capillaires et mitochondries,

3. densité mitochondriale,

4. aptitude à oxyder des lipides

5. 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

Développement de l’enduranceAnalyse des exigences de l'activité

Méthode pour organiser des

intervalles

Les séances ont été déterminées de telles sorte que l’épuisement soit

atteint à la fin et que la stimulation soit optimale.

1. Développement capacité anaérobie (I>100% de PMA)

2. Développement VO2max (I entre 95-100% de PMA)

3. Endurance entre 85 et 95% de PMA

Concevez 3 séances pour développer ces 3 aptitudes.

Thibault and Marion, 1998 MSSE









Modèles empiriques

9

Stratégie optimale de course1. 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)

Pour d<300m

Pour d>300m

Pas de capacité anaérobie pas d ’endurance

=> modèle simpliste


F = force maximale

isométrique

σ = puissance maximale aérobie

τ = cste pour les résistances aéro

t1 et t2 = temps entre lesquels la vitesse de course est constante

Simulations plus réalistes

• Mesure des cinétiques de production de puissance anaérobie et aérobie sur ergocycle chez 5 patineurs de vitesses de niveau international

• Puis simulation des vitesses maintenues sur les distances olympiques 500, 1000, 5000, 10000 m avec différentes stratégie de course

Modèle temps invariant (Van Schenau et al. 1990, 1991 )

Eanaer t-1+ Eaer t-1 = C V + CaerodyV η-1 + Cciné V η-1

= 0.5 η-1d-1 t-2

• 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

http://newsimg.bbc.co.uk









Modèles empiriques

Plan

1. Modèles empiriques



• 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– Origine de la dépense d’énergie mécanique (rappel)

– Puissances moyennes (Péronnet et Thibault, 1989)

– Puissances instantanées (Ward-Smith, 2000 ; Arsac et Locatelli 2002)

10

Rationnel

E Thermiqu

e

E

substrats

E

mécanique

E ATPηηηη

musculai

re

30%

ηηηη synthèse ATP

60%

ηηηηthermodynamique

50%

Déplaceme

nt

Coût mécanique

E Thermiqu

e

E Thermiqu

e

Il existe des relations de proportionnalité entre déplacement, énergie mécanique, énergie chimique

=> à partir de différentes performances (v/t ou p/t) il est possible de déduire les aptitudes énergétiques qui les sous-tendent

1ère tentative de modèle physiologique

-

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

t (s)

v (k

m/h

) Décroissance de la vitesse soutenue avec la durée due à un épuisement des réserves de carburant

Maintenant nous savons que ce n ’est pas le cas :

•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 Henry (1954)

Modèle de Hill, 1927

v = A/(t B) +(VO2 - VO2repos)/B

Deficit cumulé en O2

Cste spécifique pour chaque coureur

1ère tentative comportant plusieurs limites :

• absence de terme qui décrive le rendement

•cinétique de VO2 non incluse

•endurance mal décrite

La relation v/t est décrite avec 2 termes (anaérobie + aérobie) :

3 scénarii différents

VO2max= 4 l/min et déficit max = 16 l• 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

=> la puissance anaérobie diminue avec la durée de l ’épreuve donc la vitesse maintenue décroit dans les mêmes proportions

-

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

t (s)

v (k

m/h

)

Sur la base du modèle de Hill


• 1ère tentatives de modèle physiologique







Modèle de Scherrer (1954)

Sur une série d ’exercices locaux épuisant une occlusion de la circulation n’ affecte pas a

=> a = capacité anaérobie ?

mais b devient faible

⇒b est lié au métabolisme aérobie

W (J)

a

b

Wlim

(1)

T (s)

11

Concept de puissance critique (P)

(1) Puissance critique (Pente de la droite)

(2) Tlim est fonction de l’inverse de la puissance

=> modèle hyperbolique

b

Concept de Vitesse critique

distance = 5,14.temps + 230

Temps (s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 100 200 300 400 500 600

Dis

tanc

e (m

)

distance = 5,14.temps + 230distance = 5,14.temps + 230

Performance sur 1000 m = 2 min 35Performance sur 1500 m = 4 minPerformance sur 3000 m = 9 min

Calcul des couples de points (distance, temps)

(1000, 155), (1500, 240) et (3000, 540)

Berthoin

• 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)

Application chez l’enfant

dlim = Vc t + A

temps (s)

y = 2,84x + 118r2 = ,99p < 0,001

dist

ance

(m

)

400

800

1200

1600

2000

100 300 500 700

Berthoin et al

Relation entre Vitesse critique (Vc) et VO2pic

32

36

40

44

48

52

1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2

Vc (m/s)

y = 12,74x + 11,90r2 = ,65p<0,001

VO

2pic

(m

l/kg/

min

)

Berthoin

Relation entre VMA et Vc

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Vc (km/h)

VM

A (

km/h

)

y = 0,90x + 2,43r2 = ,84P<0,001

Berthoin

• La modélisation de la relation entre distance et temps limite réalisée chez l ’enfant pré-pubère est pertinente

• La vitesse critique est fortement corrélée à VMA et à VO2pic.

• A est indépendante du déficit maximal en O2!

• 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

12

La vitesse critique est très proche de la vitesse la plus faible qui détermine une accumulation de lactate

t

[la] (mMole)

4

[la] (mMole)

4

épuisement

t

Vitesse critique

• La vitesse critique est très proche aussi de la vitesse la plus faible qui détermine une apparition de composante lente

t

VO2

(ml/min/kg)Faible intensité

Manifestation de la fatigue musculaire

Composante lente

2OV&VO2 (l/min)

Haute intensité

Bilan Vitesse critique

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 (recrutement de nouvelles fibres musculaires et découplage des phosphorylations oxydatives)


Temps (s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 100 200 300 400 500 600

Dis

tanc

e (m

)


Berthoin

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)

13









Concept de vitesse maximale aérobie

Plus haut état s tablede VO2 ma intenu

PERFORMANCE AEROBIE

Coût énergé tique

PLUS GRANDE ALLURE DE COU RS EPOUVA NT ETR E MAINTENUE

VO2 maxP ourc entag e deVO2 ma x u ti li sé

Modèle de prédiction de la performance en course de durée(adapté de MacCormack et coll., 1991).

. .

.

VMA

Calcul de la vitesse maximale aérobie (rappel)

VMA =VO2 max -

Coût énergétique

•

=ml.kg-1.min-1

ml.kg-1.m-1

mmin

ml.kg-1.min-1

ml.kg-1.m-1=

=kmh

-->

VO2 base

Protocole de course sur piste

Test de course sur piste (Léger et Boucher, 1980)

premier palier : 8 km.h-1

paliers de 2 min

incrément : 1 km.h-1

Test de Brue, idem mais derrière un cycliste

Augmentation de 0,25 km/h toutes les 30s

• Léger et collaborateurs (1984)

20 m

Comparaison des vitesses maximales en course sur piste et en course navette

11 12 13 14 15 16

19181716

151413

1211

VM

A-p

iste

(km

.h-1

)

n = 17VMA = 1.81 VM - 7.863 pour les enfants

r = 0.93

VM-navette (km.h-1)

.

VMA (km.h-1) = 2.4*VM - 14.7Pour les adultes

CP CE1 CE2 CM1 CM20

2

4

6

8

10

12 test navette test piste

Comparaison des vitesses maximales en course navette eten course sur piste

14

Test de course de 5 min

Calcul de la vitesse moyenne

Chamoux et al. (1996)

Test incrémental pour les activités intermittentes

Girard et al, 2006

• 1 palier = 7 courses navettes orientées sur une des 6 cibles alternées de 15s de récup passive :

• 2 courses offensives vers l’avant

• 3 courses latérales (neutres)

• 2 défensives (arr.)

• Même technique de course qu’en match

Test incrémental pour les activités intermittentes

Girard et al, 2006

• 1er palier est de 40,5s

• les paliers suivant diminue de 0,8s

• Signal visuel et bip sonore pour les cibles à atteindre piloté par un ordinateur

• Arrêt quand retard de plus d’un mètre permet d’atteindre des

intensités plus élevées que le test de labo

Le test de terrain plus motivant

Girard et al, 2006

Détermination intensité seuil

Perte de linéarité de la relation VO2 / T

= 1ere intensité qui détermine une composante lente de VO2

= chute du rendement

=fatigue musculaire

= seuil ventilatoire

= intensité max pour volume important de travail

Girard et al, 2006

Coefficient de variation test-retest

Girard et al, 2006

15

Test de labo intermittent

• 3 min en continue 9 km/h suivies par

• Paliers d’incrément de 0.5 km/h toutes les minutes (à plat). :– 45 s course

– 15 s de marche à 5 km/h

• Arrêt de l’effort à l’atteinte de l’épuisement

Girard et al, 2006

Evolution de VMA avec l ’âge (garçons)

8

9

10

11

12

13

14

15

4 6 8 10 12 14 16 18

Berthoin et al. (1996)Blonc et al. (1992)

Poortmans et al. (1986)VanMechelen et al. (1986)

Léger et al. (1988)Gerbeaux et al. (1991)

VanPraagh et al. (1988)

Boreham et al. (1990)

âge (ans)

Liu et al. (1992)

VM

A (

km.h

-1)

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)

VMA =VO2 max -

Coût énergétique

•VO2 base

Evolution de VMA avec l ’âge (filles)

Liu et al. (1992)

VanMechelen et al. (1986)Poortmans et al. (1986)

Léger et al. (1988)

Mahoney et al. (1992)

Berthoin et al. (1996)

Gerbeaux et al. (1991)

Blonc et al. (1992)Boreham et al. (1990)

Barabas et al. (1992)

9

10

11

12

4 6 8 10 12 14 16 18âge (ans)

VM

A (

km.h

-1)

Limites des tests

• On suppose que la capacité anaérobie est négligeable (grossièrement vrai)



• 1er modèle réellement de type physiologique– Concept de puissance critique– Concept de vitesse critique– Concept de vitesse maximale aérobie


– Modèle invariant au cours du temps (Péronnet et Thibault, 1989)

– Modèle non-linéaire sprint (Arsac et Locatelli 2002; Ward-Smith, 2000 )

Record du monde

VO2 maxCapacité anaérobie

Indexendurance

(Péronnet et Thibault, 1989)

Modèles physiologiques aboutis

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Mes aptitudes énergétiques (fichier Excel) - téléchargez

16

Performances

Puissance pour courir à aux vitesses données

Puissances des métabolismes

anaérobie et aérobie

Capacité anaérobie VO2max Endurance

PV = BMR + 3,86 V + 0,4 BSA V3 / m + 2 V3/D

0

20

40

60

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Pui

ssan

ce c

onso

mm

ée

(W/k

g)

T (s)

Records du monde

PV = BMR + 3,86 V + 0,4 BSA V3 / m + 2 V3/D

Puissance consommée dans la locomotion

(di Prampero, 1981)

P. aérodynamiques

P. Phaseaccélération

P. ReposP. Non-

aérodynamiques

Rappel

Ra Rfri WEXTg WInt

35.0 vSCxP AR •••= ρ vgmCP frifri •••= THgmPpot /∆••= d))²)-(d/(1(1 vf 0.1 Pint +=( ) TfvvmHgmPext /)21( 2

min2

max −+∆••=

Locomotion à htes vitesses

Locomotions appareillées

Locomotions en côte

Locomotions pédestres

3,86 V +0,4 BSA V3

(0,5 Cx ρ = 0,4)

2 V3/D

Dépense énergétique

Performances


Puissances des métabolismes



PV = BMR + 3,86 V + 0,4 BSA V3 / m + 2 V3/D

0

20

40

60

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Pui

ssan

ce c

onso

mm

ée

(W/k

g)

T (s)

Records du monde

PT = A/ T 1− e−T / k1( )[ ]+ 1 / T BMR +B

0

T

∫ 1− e−T / k2( )dt


Puissance consommée (W . kg-1)

P. anaérobie P. aérobie

Capacitéanaérobie VO2max

Index endurance

Si T<420s ; B=VO2max-BMR ; Si T>420s;B=(MAP-VO2max)+(E ln(T/420))

Performances


(Pv) Puissances des métabolismes



PV = BMR + 3,86 V + 0,4 BSA V3 / m +2 V3/D

0

20

40

60

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000Pui

ssan

ce c

onso

mm

ée

(W/k

g)

T (s)

Records du monde

PT

= A/ T 1− e−T/k1( )[ ]+ 1 / T BMR +B

T

∫ 1− e−T/k2( )

17

Σ (PVi - PTi)2

i =1

i=n

Résolution par itération

n = nombre de performances

Paramètres déterminés par itération :- VO2max

- Capacité anaérobie- Index endurance

Péronnetdi Prampero

� 0

RésultatsMAP(W/kg) 29,0VO2(ml/min/kg) 83,4A(J/kg) 1 655,1A(ml/kg) 79,6E(W/kg/s) -1,6E(%) -5,6

ErrM% 1,1%

Résultats Record Monde 87MAP 29,1VO2 83,5A 1657E -1,539

01020304050607080

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Pui

ssan

ce c

onso

mm

ée (

W/k

g)

T (s)

Records du monde

-100

1020304050607080

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Pui

ssan

ce c

ons

om

mée

(W

/kg

)

T (s)

Records du monde

Pana Paér

Pana= A/T1−e−T/k1( )[ ]

1/T BMR+B0

T

∫ 1−e−T/k2( )dt

VO2max

Index endurance

Paér=SI(T<420 ; B=MAP-BMR ; B=(MAP-BMR)+(E*LN(T/420))

Performance estimée

Capacité anaérobie

Indexendurance

Performance réelle

VO2 max

1er test ?

Mesure de Coût énergétique

VO2 (ml . min-1 . kg-1)

Vitesse (m . min-1)

max

(Medbø et al., 1988)

5,1

2 mesuressur 30 s

Mesure de la capacité anaérobie (A)

Demande O2 (ml . min-1 . kg-1)

Vitesse (m . min-1)

max

(Medbø et al., 1988)

5,1

Temps (min)

A (ml . kg-1)

k2C

(ml . kg-1 . m-1)

Evaluation de l'endurance

18.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.0

23.5

2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0

R2 =0 ,976Endurance = -1,56 (W . kg-1 . s-1)index

ln Temps de course (s)

20, 000 m

21, 100 m

42, 125 m

10, 000 m

5, 000 m

3, 000 m

PV (W . kg-1)Sujet N°1

18

PT = S/ T 1− e−T / kl( )[ ]+1 /T BMR+ B

0

T

∫ 1− e−T / k( )dt

Calcul puissance consommée (W . kg-1)

P. anaérobie P. aérobie

Capacitéanaérobie

VO2max

Index endurance

constantede temps

Détermination vitesse prédite sur 5000 m

V5000 =Prédite C

P5000(W . kg-1)

(J . kg-1 . m-1)(m . s-1)

Err = ΣΣΣΣ V5000 - V5000i =1

i=n

Erreur entre V prédites - V réelles

n = nombre de sujets

n

^

réelleprédite

VITESSE PRÉDITE (m . s-1)

VITESSE RÉELLE (m . s-1)

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5

5,1

5,2

5,3

5,4

5,5

4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5

r = 0,85p <0,001

Erreur moyenne = 3,2%

DROITE D'IDENTITÉ

• 2èmeTest du modèle de Péronnet et Thibault (1989)

Record du monde en course à pieds

VO2 max Capacité anaérobie

Indexendurance

P réelle

Pprédite


~0,5%

19

Record du monde en cyclisme

Capacité anaérobie

Indexendurance

Scx

?

Valeurs de élite mondiale

Scx

soufflerie

cR

=

η =24,5%

VO2 max

P réelle

Pprédite

Distance (m) Temps (s) PPrédite (w/kg) Scx (m2)

52730 3600 25,84 0,213

5000 340 31,81 0,253

4000 270 32,51 0,250

200 10,7 70,35 0,293

1000 62 43,88 0,280

Record du monde en cyclisme

Comparaison SCx calculés avec SCx études antérieures

0,29

0,21

SCxcalculés(m2)

SCxEtudes antérieures(m2)

0,22 à 0,26min

max

Triathlon

Bas du guidon

0,25 à 0,33

Bilan

Modèle :

• Détermination de 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

Record du monde


Indexendurance

Limites et perspectives pour le modèle de

Péronnet

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

Record du monde


Indexendurance

1. Mesurer directement l’économie de déplacement avec système portable

2. Modèle non-linéaire (variable au cours du temps)







20

Ben Johnson 87 Ch du Monde

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Distance (m)

Vite

sse

(m/s

)

(i) Puissance maximale anaérobie

(ii) Résistance (τ2)(iii) Capacité anaérobie

Arsac et Locatelli (2002)

Modélisation du 100m (Arsac et Locatelli, 2002)

Principe : équilibre de puissance

V instantanée

Puissance nécessairement consommée

Puissance des métabolismes anaérobie et aérobie

• Equation fondamentale de la locomotion :

C

EV

&

=Performance en

m.s-1

Coût énergétique en J.m-1 .kg-1

Puissance métabolique en J.s-1.kg-1

VCE =&

• Équations de puissances à l’équilibre La puissance métabolique est en équilibre avec la puissance nécessaire pour se déplacer.

En isolant la puissance métabolique

Bases théoriques

Equilibre de puissance

CVE =&

Panaert+ Paert = C Vt + CaerodyVt 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)

métabo

méca

P

P=ηηméca

métabo

PP =D’où


0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Distance (m)

Vite

sse

(m/s

)

(i) Puissance maximale anaérobie (ii) Résistance (τ2)

Pconsommée = C Vt + CaerodyVt 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 lié à l’accélération du centre de masse(1/2 Vt+1² - 1/2

Vt²)

(iii) Capacité anaérobie


= PMA (1-e-t/τ1)PMA = p maximale aérobie = τ1 = 26s et PMA

P (W/kg)

t

τ1 = 26s

PMA = 18.4 W.kg-1 (V02 = 52 ml.min-1.kg-1)

120 s

= Pmax e-t/τ2

Pmax = p maximale anaérobie

t

τ2 = 12s

Pmax

Puissance anaérobie et aérobie

60 s

P (W/kg)


0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Distance (m)

Vite

sse

(m/s

)


(ii) Résistance (τ2)(iii) Capacité anaérobie

Pv = C Vt + CaerodyVt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1

t

τ2 = 12s

Pmax

60 s

Pana (W/kg) Paéro (W/kg)

t

τ1 = 26s

PMA = 18.4 W.kg-1 (V02 = 52 ml.min-1.kg-1)

120 s

21

Vitesse instantanée lors de la finale du 100 m au championnat du monde 1997

homme

Moris GreenMarion Jones

Evolution de la vitesse de Maurice Green aux Championnats du Monde de 1997

Speed (m/s)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Time (s)

laser+vidéo

model

Male World Champion (MWC)

(i) Puissance maximale anaérobie (Pmax)

90,7 W/kg

(ii) Résistance (τ2)

12,1 s


Speed (m/s)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Time (s)

laser+vidéo

model


Morris Green, 97


1101 J/kg

Pv= C Vt + CaerodyVt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1

Pt= Pmax e-t/τ2+ PMA (1-e-t/τ1)

Temps par portion de 10m

http://speedendurance.com/2008/08/22/usain-bolt-100m-10-meter-splits-and-speed-endurance/

(i) Puissance maximale anaérobie (Pmax)

92,4 W/kg

(ii) Résistance (τ2)

13,3 s


Speed (m/s)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Time (s)

laser+vidéo

model


Usain Bolt, 2008


1228 J/kg

Pv= C Vt + CaerodyVt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1

Pt= Pmax e-t/τ2+ PMA (1-e-t/τ1)

« Court 10.03 une année et 9.69 l’année suivanteCarl Lewis

Evolution du coût énergétique

C est très élevé en début de course puis C décroît en raison de l’accélération à produire en début de sprint

modèle temps variable (Arsac, 2002)


22

Puissance soutenue par le métabolisme anaérobie et aérobie

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0 2 4 6 8 10 12 14

Paer

Pana

Ptot

Puissance (W/kg)

Temps (s)

• modèle temps variable (Arsac, 2002)


Comparaison avec modèle temps invariant

• modèle temps invariant (Van Schenau, 1991)

•Eanaer t-1+ Eaer t-1 = C V + CaerodyV η-1 + Cciné V η-1

Caerodysous évalué de 14%

Ccinésurévalué de 37%

= 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, > Résistance, 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

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

Caero représente 12%-13% de Ctot à 0m, 10%-11% à 2,000 m and 8%-9% à 4,000 m.

Conclusion (1)Modèle non-linéaire adapté au

sprint


0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Distance (m)

Vite

sse

(m/s

)


(ii) Résistance (τ2)(iii) Capacité anaérobie)


23

Conclusion (2)Permet d’évaluer l’importance de chacun des facteurs de la perf


0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Distance (m)

Vite

sse

(m/s

)

(i) Technique de course(ii) stockage –restitution d’énergie élastique

Coût aérodynamique


Limites du modèle d’Arsac

Pas de détail quant aux voies anaérobies de fourniture de l’énergie

Modèle de Ward-Smith (2000) avec puissance développée grâce à :

1. [ATP]

2. [PCr]

3. Glycolyse

Applications du modèle d’Arsac

• Morris Green final des championnats du monde de 1997

• Usain Bolthttp://www.youtube.com/watch?v=0vz

Hxbun52A&feature=related

http://www.wat.tv/video/2008-jo-pekin-usain-bolt-100m-w3ud_w3t7_.html







Puissances instantanées (Ward-Smith, 2000)

Modèle variant au cours du temps4 puissances métaboliques (P) :

1. P soutenue par les seuls stocks intramusculaires en ATP � ADP + Pi

2. P soutenue par le métabolisme de PCr (PCr + ADP � Cr + ATP)

3. P soutenue par la glycolyse (U Glycosyle + ADP � Lactate + ATP)

4. P soutenue par le métabolisme aérobie (U Glycolyse + ADP + O2 � ATP + CO2)

(Ward Smith 2000)

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

T (s)

Pu

issa

nce

(w/k

g)

P ATP (W/kg) P PCr (W/kg) P glyco (W/kg)

P aer (W/kg) P tot (W/kg)

P nécessairement développée =Pext + Pcin + Ppot + Paéro

Où Pext = 3,9 J/kg/mPcin correspond à l’accélération du sprinterPpot correspond à l’élévation du centre de masse des starting blocks jusqu’à la position érigée finalePaéro correspond à la nécessité de vaincre les résistances aérodynamiques

24

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

T (s)

Pui

ssan

ce (

w/k

g)



(Ward Smith 2000)

La puissance instantanée atteint un pic à la 2,5 s puis diminue de façon proportionnelle à la chute du métabolisme de PCr

Modèle de Ward-Smith(Ward Smith 2000)

• La glycolyse représente la principale voie pourvoyeuse d’énergie

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

T (s)

Pui

ssan

ce (

w/k

g)



Principaux enseignements

•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!

50 moles d’ATP sont consommées par s et par tête de myosine dès le début de l’activation maximale

Méthode utilisable en routine

• 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

Dernier coup de pédale

décélération

Virage

Limites et perspectives

• 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

annexesTemps limite de course en fonction

de l’âge

.

0

100

200

300

400

500

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

: garçons: filles

âge (ans)

tlim

(s)

Berthoin

3min<Tlim<7min

↑de Tlim entre 8 et 12 ans

Tlim garçon> Tlim fille

25

Hypertrophie

D’Antona et al., 2006 D’antona et al., 2006

sédentaire Body builder Body builder

sédentaire

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