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

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 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

2. Qualité de la discussion et de l’interprétation des résultats. Présence d’une application 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 sur une échelle log

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 de, Kennelly aux records du monde de 1997

• Surestimation àpartir 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

3

Zoom sur l ’échelle de temps

Sous-estimation

Sur-estimationDescription grossière des performances

=> les processus énergétiques sous-jacents sont plus complexes que 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) 2̂ 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

Il 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

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 àl ’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 de sprint

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 était bien corrélé avec l ’état d ’entraînement (18 étudiants en éducation physique)

resistance

Concept de résistance et d’endurance

log t

P (w)

Index d ’endurance (1963)

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

2 à 5 exercices épuisants sur ergocycle avec 28 sujets

concept de résistance introduit par Henri et Farmer (1860)

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 aé robie pouv ant ê tre so utenu enfonct ion de la durée de l 'exercice pour des enfants et des a dul tes(d'après Léger , 199 6)

Adapté par Berthoin

L’endurance se bonifie avec les processus de maturation






Modèles empiriques Concept de limite pour l ’espèce humaine

• En 1865, Henriprédit que les records sont condamnés à plafonner au-dessus de la barrière de 4 min sur la base d ’une analyse de l ’évolution des records du monde du mile.

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/hsur 200m et > 40 km/hen 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)

Index d ’endurance (f) (Tornvall 1963)

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

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

•Capacitéanaérobie•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

robie

•% 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


robie

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

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

Développement de la capacitéanaérobie

Analyse des exigences de l'activité

Aptitude tique


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 nergétique


Endurance

1. % fibres lentes 2. distance moyenne

entre capillaires et mitochondries,

3. densitémitochondriale,

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

7









Modèles empiriquesMéthode 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 capacitéanaérobie (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

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 ergocyclechez 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 )

Eanaert-1+ Eaert-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 àminimiser les résistances aérodynamiques

http://newsimg.bbc.co.uk









Modèles empiriques

8

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)

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

Deficitcumuléen O2

Cstespécifique 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

9









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)

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

10

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

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. Pour des vitesse > Vc, une accumulation d’ion H+ et de K+ déterminent une diminution marquée du temps limite d’exercice


Temps (s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 100 200 300 400 500 600

Dis

tan

ce (

m )


Berthoin

11

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)









Concept de vitesse maximale aérobie

Plus haut état s tablede VO2 ma intenu

PERFORMANCE AEROBIE

Coût énergétique

PLUS GRANDE ALLURE DE COU RSEPOUVANT ETRE MAINTENUE

VO2 maxP ourc entag e deVO2 ma x uti li sé

Modèle de prédiction de la performance en course de durée(adapté de MacCormacket 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

12

• 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

Test de course de 5 min

Calcul de la vitesse moyenne

Chamoux et al. (1996)

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)

13



• 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 maxCapacitéanaérobie

Indexendurance

(Péronnet et Thibault, 1989)

Modèles physiologiques aboutis

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Mes aptitudes énergétiques (fichier Excel) - téléchargez

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 /∆••= vd))²-(d/(1(1 vf 0.1int +=P( ) TfvvmHgmPext /)21( 2

min2

max −+∆••=

Locomotion àhtes 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

PT = A/T1−e−T/k1( )[ ]+1/T BMR+B0

T

∫ 1−e−T/k2( )dt


Puissance consommée (W . kg-1)

P. anaérobie P. aérobie

Capacitéanaérobie VO2max

Index endurance

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

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

14

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

Records du monde

01020304050607080

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

T (s)P

uiss

ance

con

som

mée

(W

/kg)

Records du monde

-10

10

30

50

70

90

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

T (s)

Pui

ssan

ce

cons

omm

ée (

W/k

g)

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

Capacitéanaérobie

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

18.0

18.519.0

19.520.020.521.021.5

22.0

22.523.0

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

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

15

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 Capacitéanaérobie

Indexendurance

P réelle

Pprédite


~0,5%

Rappe

l

Record du monde en cyclisme

Capacitéanaérobie

Indexendurance

Scx

?

Valeurs de élite mondiale

Scxsoufflerie

cR

=

η =24,5%

VO2 max

P réelle

Pprédite

16

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 cyclismeComparaison 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 :

• 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)







Ben Johnson 87 Ch du Monde

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Dis tance (m)

Vite

sse

(m

/s)

(i) Puissance maximale anaérobie

(ii) Résistance (τ2)(Simulation perf en altitude)

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

17

• 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 =&

• Équation 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 + CaerodyV t 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 SCxρ v² η−1)

P liée àl’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)

(Simulation perf en altitude)

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 SCxρ v² η−

1)

P lié àl’accélération du centre de masse(1/2 Vt+1² + 1/2

Vt²)

Panaert+ Paert = C Vt + CaerodyV t η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1

= 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/τ2Pmax = 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

Dis tance (m)

Vite

sse

(m/s

)



P = 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

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

homme

Moris GreenMarion Jones

18

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)

Maurice Green 97 Ch du Monde

-20,00

-

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0 2 4 6 8 10 12

Tem ps

Pu

issa

nce

inst

anta

née

(W

/kg

)

Evolution de la puissance nécessairement consommée pour vaincre les forces qui retardent le mouvement

4 Vt

Ptot

1/2 SCx r Vt²η-1

(1/2 Vt+1² - 1/2 Vt²) η-1

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)

Panaert+ Paert = C Vt + CaerodyVt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1 • modèle temps variable (Arsac, 2002)

Panaert+ Paert = C Vt + CaerodyVt η-1+ ∆Εciné ∆t-1 η-1

Comparaison avec modèle temps invariant

• modèle temps invariant (Van Schenau, 1991)

•Eanaert-1+ Eaert-1 = C V + CaerodyV η-1 + Cciné V η-1

Caerodysous évalué de 14%

Cciné surévalué 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, > vitesse de libération de

puissance, 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

19

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

Dis tance (m)

Vite

sse

(m/s

)




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







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)

20

(Ward Smith 2000)

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

T (s)

Pui

ssan

ce (

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

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 àla 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 ⇒ possibilitéd’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

annexes

21

Temps 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> Tlimfille

Hypertrophie

D’Antona et al., 2006

D’antona et al., 2006

sédentaire Body builder Body builder

sédentaire

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

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