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L3 UE38

« BIOMÉCANIQUE DE LA PERFORMANCE SPORTIVE

ufrstapsTOULOUSE

PERFORMANCE SPORTIVE »

Amarantini David

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Pôle Sport – 3ème étage – Bureau 301

ufrstapsTOULOUSE

L3 UE38

Puissance, Travail et Energie

Dépense énergétique

Rendement

La contraction musculaire est un phénomène mécanique qui résulte d’un processus de transformation d’une énergie électrique, en énergie chimique puis en énergie mécanique :

• Production de mouvement :– Locomotion / Préhension / Manipulation

Réaction rapide aux évènements (muscles squelettiques)– Réaction rapide aux évènements (muscles squelettiques)– Circulation de « substances » (muscle cardiaque et muscles lisses).

• Maintien de la posture :– Gestion de l’équilibre dynamique (muscles squelettiques)

• Stabilisation des articulations :– Collaboration muscles squelettiques + ligaments + tendons

• Dégagement de chaleur:– Régulation de la température corporelle interne

– Conditions pour que les réactions biochimiques s’effectuent

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Activité électrique(Création et propagation d’un potentiel d’action)

Activité chimique(Transfert d’ions : Ca++, K+, Na+, Cl-)

Eie électrique

Eie chimique

Activité mécanique(mouvement des ponts actine-myosine)

Eie mécanique

Fibres motrices (motoneurones) :Véhiculent l’information, sous forme de potentiel d’action électrique, depuis le système nerveux jusqu’au(x) muscle(s). Fibres musculaires

Plaque motrice :Jonction fibre motrice / fibreJonction fibre motrice / fibre musculaire

L’arrivée d’un PA nerveux au niveau de la plaque motrice va entraîner la création d’un PA musculaire (pb. de seuil) …

… qui va entraîner le couplage excitation-contraction :

Mvt. de base des têtes de myosine (filament épais) par rapport aux filaments d’actine (filament fin)

La multiplication de ces mouvements explique la contraction musculaire.

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L’homme au repos, et encore plus lorsqu’il est à l’exercice,dépense une certaine quantité d’énergie chimique pour fournir unecertaine quantité d’énergie mécanique.

L’énergie chimique est transformée en énergie mécanique par lacontraction musculaire.

Ainsi :

L ’ énergie chimique est elle-même fournie par les réactionschimiques du métabolisme énergétique (dégradation de substrats)mais n ’ est pas directement utilisable pour la contractionmusculaire qui utilise l’ATP.

L’énergie chimique sert à re-synthétiser l’ATP par les différentesfilières énergétiques.

Eie chimique(dégradation des substrats)

Eie ATP(dégradation de l’ATP : ATP ADP + Pi + EATP)

Re-synthèsede l’ATP

(ECHIM + ADP + Pi ATP)

Activité mécanique(mouvement des ponts actine-myosine)

Eie mécanique

MOUVEMENT

Quelle relation existe-t-il entre :?

L’énergie chimique qui est fournie par les réactions du métabolisme énergétique (3 filières) …

- Anaérobie : dégradation de la créatine phosphate sans oxygène ;

- Anaérobie lactique : dégradation du glucose sans oxygène, avec augmentation de la production de lactate ;augmentation de la production de lactate ;

- Aérobie : dégradation des glucides, des lipides ou des protéines en utilisant l’oxygène.

… et l’énergie mécanique qui correspond à la capacité de l’individu à effectuer un travail mécanique (ce que « produit » l’individu).

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Notion de rendement :

Définition générale :

Le rendement dans une transformation d’énergie est le rapport(x100) de l’énergie récupérée sous forme utile à l’énergiedépensée.

Rendement mécanique :q

Remarque :

De nombreux facteurs peuvent influencer le rendement(cocontraction, mode de locomotion, nature du terrain, niveaud’expertise, pathologies …)

Exemple de facteur qui diminue le rendement : la co-contraction

C’est un phénomène de contraction simultanée des muscles agoniste(s) et antagoniste(s), nécessaire (stabilisation de l’articulation, et homogénéité des pressions internes) mais entraînant un supplément de dépense énergétique (E) :

bicepsM

tricepsM

bicepsMbicepsM

tricepsMtricepsM

Si E augmente pour un même travail produit, alors le rendement diminue.

Ce phénomène est réduit, voir optimisé (ex. escalade) sous l’effet de l’entraînement.

Notion de rendement :

Définitions complémentaires :

Rendement brut :

Rendement net :Rendement net :

Rendement apparent

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Problème(s) :

Pour calculer le rendement, il faut être capable de quantifier :

- Le travail produit (généralement noté W en Joules (J))

- L’énergie métabolique dépensée

- L’énergie métabolique de repos

Pour des mouvements linéaires, le travail d’une force est égal au produit de cette force par le déplacement dans le sens de la force :

W = F · d

F est l’intensité de la force

d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la

Détermination du travail mécanique : biomécanique

Exemple : déplacement d’une charge

d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la force.

Pour des mouvements angulaires, le travail d’un moment de force est égal au produit de ce moment par le déplacement angulaire :

W = M · θ

M est l’intensité du moment de force

θ est la valeur du déplacement angulaire


θ est la valeur du déplacement angulaire.

Rappel :

θ

F

M

Od

θ

θθ

FF

MM

OOddd

θθ

FOMFM o

)(/ FOMFM o

)(/

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Travail externe / travail interne :

En biomécanique on distingue deux types de travail :

- Le travail interne ( ou des forces internes) : travail réalisé par


Le travail interne ( ou des forces internes) : travail réalisé par le système musculaire pour déplacer les segments.

- Le travail externe (ou des forces externes) : travail des forces telles que la pesanteur, les forces de réaction de support, les forces de frottements.

• Notion de puissance :

• La puissance s’exprime en Watt (W)

La puissance correspond à la quantité


Relation travail / puissance :

p p qde travail fournie par unité de temps

• Puissance ≠ explosivité

Définitions de la PUISSANCE

Cas de mouvements linéaires : la puissance instantanée est égale au produitde la composante « utile » de la force par la vitesse instantanée.


Cas de mouvements angulaires : la puissance instantanée est égale auproduit du moment par la vitesse angulaire instantanée.

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Travail = force x distance

E l l id d 10 k

Puissance = travail x temps

E l Ré li 200 J d t il


Travail & puissance : résumé

Exemple : lever un poids de 10 kgsur une distance de 2 m

= 2 m 10 kg 9.81m/s²

~ 200 kJ

Exemple : Réaliser 200 J de travailen 5 secondes

= 40 W

Unités :

J (joules)).

1 kgm = 9,81 J

• Kcal (kilocalories).

1 kcal = 426,85 kgm

Unités :

• kgm/min

• Watts (W) = 6,12 kgm/min

• Kcal/min

• J/min

Puissance et Contraction musculaire

Contraction concentrique :

Contraction isométrique :


Contraction excentrique :

Contraction concentrique :

Action musculaire résultante (+ extension / - flexion)

Orientation du mouvement(+ extension / flexion)


(+ extension / - flexion)

Activité musculaire(+ concentrique / - excentrique)

TricepsConcentrique

BicepsExcentrique

BicepsConcentrique

TricepsExcentrique

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PUISSANCE & muscle isolé

PUISSANCE & muscle isolé

PUISSANCE in situ

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PUISSANCE in situ

PUISSANCE in situ

Relation force-vitesse, PUISSANCE & entraînement

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Gardien

V

F

F

Pliométrie / résistance / combiné

Pointe

V

Extérieurs

V

F

Mesure du travail et de la puissance sur Ergocycle

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle

X 9,81 (m/s²)X π


– Travail (Joules) = rpm (fréquence de pédalage) Xrésistance (kg) X 9,81 (m/s²) X 6 m (6 m = distanceparcourue volant par tour de pédale) X minutes

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Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle

Exemple :

Une personne pédale sur une bicyclette ergonomique Monark pendant 30 min à une cadence de 50 tours par minute. La charge placée sur le volant d’inertie est de 3 kg


placée sur le volant d inertie est de 3 kg.

Quel travail a été réalisé ?

W = F d

W = 3 kg 50 trs/min 6 m/tr 30 min 9.81 m/s²

W = 270 kJ

Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant

X 9,81 (m/s²)


Exemple :

Une personne de 70 kg marche sur un tapis roulant avec une vitesse de 50 m/min et une inclinaison de 10 degrés pendant 30 min

Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant


min.

Quel travail a été réalisé ?

W = F d

W = 70 kg 50 m/min sin(10) 30 min 9.81 m/s²

W = 182 kJ

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Exemple de la natation :


Exemple de la natation :

Un nageur de niveau national s’entraîne dans une piscine olympiquependant 20 min en parcourant chaque longueur en 35 s. L’effort denage équivaut à s’opposer à une charge de 3 kg.

Q l t il t il d it ?


Quel travail a-t-il produit ? Quelle puissance a-t-il développé ?

W = F · d

W = 3 · 9,81 · (20 · 60 · 50 / 35) = 51,5 kJ

P = W / t

P = 51428,57 / (20 · 60) = 42,86 W

Mesure du travail et de la puissance : test de détente verticale

Le travail mécanique peut être évaluée à partir de la variation d’énergie potentielle du centre de masse


W = m x g x (hmax – hmin)

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Différents types de sauts verticaux

• Le Squat Jump (SJ) :

Saut comportant un délai entre la flexion et l ’ extension des membresinférieurs. Le sujet part assis sur une chaise, lève le bras (mesure de hmin),

Mesure du travail et de la puissance : test de détente verticale


j p ( min)puis saute le plus haut possible (mesure de hmax)

• Le Countermovement Jump (saut avec contre mouvement, CJ) :

Le sujet part puis effectue une flexion jusqu’à effleurer la chaise (pour hmin)puis saute immédiatement après la flexion le plus haut possible (hmax)

• Le Drop Jump (DJ ou saut en contre bas) :Le sujet part debout sur une chaise, saute au sol puis sauteimmédiatement le plus haut possible (attention, difficile de mesurer hmin)

• Saut vertical (test de Sargent) :

(formule de Lewis)


• Formule de Bosco (succession de CMJ) :

• Test RAST :(Running-based Anaerobic Sprint Test)


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Quantification de la PUISSANCE maximale


RAPPEL Notion de rendement :

Rendement mécanique :

T il é iTravail mécanique :

Pour des mouvements linéaires, le travail d’une force est égal au produit de cette force par le déplacement dans le sens de la force :

W = F · d

Pour des mouvements angulaires, le travail d’un moment de force est égal au produit de ce moment par le déplacement angulaire :

W = M · θ

Principe généralCO2

O2

RESPIRATION

La consommation d’oxygène (VO2)lors de la respiration est

On mesure la VO2 par calorimétrie indirecte : Différences entre les pourcentages d’O2 et de CO2 entre l’air ambiant et l’air expiré

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

O2CO2

Circulation sanguine

Respiration cellulaireSubstrat+O2énergie+CO2

pproportionnelle à la quantité d’O2

utilisée pour la respirationcellulaire

La respiration cellulaire correspondà l ’ oxydation des substratsénergétiques c ’ est à dire aumétabolisme énergétique

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Principe expérimental de mesure de la VO2


Principe expérimental de mesure de la VO2


VO2 = Q x d(a-v)O2

VO2 absolue (ml.min -1)

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


La consommation d’oxygène est un débit

mL d’O2 consommé/ kg masse corporelle/min

Q = Débit cardiaque

d(a-v)O2 = Différence artério-veineuse en O2

Q = Fc x VES

Fc = Fréquence cardiaque

VES = Volume d’éjection systolique

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Rappels sur la consommation d’oxygène

Fréquence cardiaque (bpm)

Consommation d’O2 (l/kg/min)

• La VO2 est proportionnelle à la fréquence cardiaque

• Pour Fc max on atteint VO2max


Rappels sur la consommation d’oxygène

Consommation d’O2Consommation d’O2Consommation

d’O2

Consommation d’O2

VO2maxVO2max

• Proportionnalité entre l’intensité de l’exercice aérobie et la VO2

• A VO2 max correspond une Vitesse Maximale Aérobie (VMA)

La VO2max est un indice de la capacité d’un individu à produire et à maintenir un effort d’endurance (aérobie)

Intensité de l’exerciceIntensité de l’exercice Vitesse Vitesse VMAVMA


Emet = VO2 Eqenerg O2

Eqenerg O2= équivalent énergétique de l’O2

• C’est la quantité d’énergie libérée chaque fois qu’on « brûle » 1 litre d’O2.

• L’équivalent énergétique de l’O2 varie en fonction du QR utilisation de tables du QR

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Contribution des substrats énergétiques: quotient respiratoire

Quotient respiratoire (QR)= VCO2/VO2

• QR permet d’estimer la part relative d’utilisation des substrats glucidiques et lipidiques dans la production totale d’énergie


• QR = 0,70 100% de l’énergie provient de l’oxydation des lipides

• QR = 0,85 50% lipides / 50% glucides

• QR = 1,00 100% de l’énergie provient de l’oxydation des glucides

• QR ne permet pas d’estimer l’énergie qui provient des protéines

• QR permet d’estimer uniquement l’energie produite par oxydation

Équivalent énergétique de l’O2


Eqenerg O2= 5,2 kCal / l = 21,7 kJ / l si QR = 1 (1kCal = 4,18 kJ)

Eq = 5 086 kCal / l = 21 25 k J / l si QR = 0 9Eqenerg O2= 5,086 kCal / l = 21,25 k J / l si QR = 0,9

Eqenerg O2= 4,971 kCal / l = 20,77 kJ / l si QR = 0,8

Eqenerg O2= 4,854 kCal / l = 20,29 kJ / l si QR = 0,7

• Equations de Harris et Benedict (1919)

• MB (Hommes, Kcal/j) = 66,5 +13,8*Poids + 5*Taille - 6,8*Age

• MB (Femmes, Kcal/j) = 655 + 9,6*Poids + 1,9*Taille – 4,7*Age

P id k T ill â é


• Poids en kg, Taille en cm, âge en années

• Equations de Black et al (1996)

• MB (Hommes, MJ/j) = 0,963*Poids0,48 * Taille0,50 * Age-0,13

• MB (Femmes, MJ/j) = 1,083*Poids0,48 * Taille0,50 * Age-0,13

• Poids en kg, Taille en m, âge en années

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Détermination du rendement : biomécanique et physiologie

Exemple : lors d’un test d’évaluation de lacapacité physique sur escalier ergométriqueen conditions aérobie, une personne de 80kg dont la VO2max est de 65 ml d’O2 / kg /min marche avec une fréquence de 20marches / minute. Les marches de l’escalieront une hauteur de 50 cm, le test dure 10min.

• Quel travail a-t-il accompli ?

• Quel est son rendement si il réalisel’exercice à 50 % de sa VO2max ?

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