Approche mécanique de la propulsion 39

Modélisation

Nous nous intéressons à la propulsion du cycliste et plus particulièrement à l’action des membres inférieurs. Le modèle employé est défini selon le plan sagittal. Il se compose de 4 segments indéformables reliés par des articulations. Ces dernières sont considérées comme parfaites, donc ne présentant aucun frottement et ainsi aucune résistance à l’ouverture ou à la fermeture de l’articulation.

Figure 15 : Modèle théorique du cycliste.

Le modèle représente la jambe droite selon le plan sagittal du cycliste (2D). L’axe eY est situé selon l’axe de déplacement de la bicyclette orienté vers l’avant de l’engin. L’axe eZ est perpendiculaire au sol, il traverse le cycliste selon son axe longitudinal et est positif vers le haut. Les dénominations employées sont en accord avec la procédure mathématique décrite en annexe.

Les différents segments sont définis de la manière suivante :

Les moments articulaires sont calculés au niveau de l’axe de rotation de l’articulation. Les masses des différents segments sont appliquées au niveau du centre de gravité de chaque segment. La modélisation du cycliste et la création de repères de référence s’appuient sur des modèles simplifiés déjà employés dans l’étude de la propulsion en cyclisme (Hull et al. 1985; Gonzalez et al. 1989; Ruby et al. 1992; Cappozzo et al. 1995; Cahouet et al. 2002; Gregersen et al. 2003).

Les axes de rotation du modèle sont choisis pour correspondre avec ceux employés dans les tables anthropométriques de Winter (Winter 2005) afin de déduire les masses segmentaires, moments d’inertie et position des centres de gravité.

Un modèle 2D :

Le modèle employé est un modèle plan. L’absence de la troisième dimension ne permet pas de considérer les efforts créés au niveau de la pédale dans la direction medio-latérale (selon l’axe eX). Cependant, les efforts d’abduction et adduction sont très faibles en comparaison avec les efforts dans la direction antéropostérieure ou verticale. Les moments maximaux sont d’environ ±7N.m au niveau de l’axe du pédalier liés aux efforts médio-latéraux durant la phase de propulsion principale ce qui reste faible au regard des 22N.m moyens par cycle nécessaires à la rotation de la manivelle (200W 90rpm) (Gregersen et al. 2003).

Symétrie du pédalage :

Notre modèle théorique étudie une seule jambe. Certains auteurs ont montré des différences significatives entre membre dominant/non dominant lors d’un pédalage à faibles puissances (Dal Monte et al. 1973; Daly et al. 1976). Bien que cette tendance soit très dépendante du cycliste, la jambe droite semble exercer des efforts plus importants que la jambe gauche. Cependant, cette asymétrie disparait avec l’augmentation de la puissance (Daly et al. 1976). De plus, il faut considérer que l’asymétrie peut être issue de la différence de capacité musculaire entre les deux membres et/ou d’une différence de technique de pédalage qui influence l’intensité, la durée et l’orientation des efforts appliqués sur la pédale. Smak a observé une puissance plus importante au niveau du membre dominant qui s’atténue avec l’augmentation de la fréquence de pédalage (Smak et al. 1999). Il est à noter que ces asymétries de pédalage sont extrêmement dépendantes du participant.

Segment Axe de rotation proximal Axe de rotation distal Cuisse (S1) Grand trochanter (A1) Epicondyle latéral de l’humérus (A2) Jambe (S2) Epicondyle latéral de l’humérus (A2) Malléole externe (A3)

Pied (S3) Malléole externe (A3) Axe de rotation de la pédale (A4) Manivelle (S4) Axe de rotation de la pédale (A4) Axe de rotation du pédalier (A5)

La fréquence de pédalage :

L’optimisation de la fréquence de pédalage est un élément qui a reçu une attention particulière dans la littérature et notamment pour la posture classique. Pour Boning ou Hughes, réduire la fréquence de pédalage permet de diminuer la production de lactates et de faciliter l’évacuation des lactates vers le sang (Hughes et al. 1982; Boning et al. 1984). La sensation d’effort est très liée à la présence d’acides lactiques dans le muscle (issus de la dégradation du glucose).Si l’on suppose que le choix postural (classique ou danseuse) est lié à la notion d’économie musculaire, il est alors pertinent de s’interroger sur la notion de fréquence de pédalage. En classique, la fréquence optimale d’un point de vue métabolique est d’environ 70RPM (Horowitz et al. 1994) mais sur le terrain la fréquence utilisée est toujours supérieure (90- 100 RPM) voir plus (Cavanagh et al. 1986; Patterson et al. 1990; Marsh et al. 1998). Pour Belli augmenter la fréquence permettrait de diminuer le coût énergétique de la propulsion ce qui serait l’objectif principal lors de la pratique(Belli et al. 2002). Or le coût énergétique est directement lié à l’effort musculaire. Suite aux observations sur le terrain, la fréquence de pédalage employée augmente avec la puissance (Faria et al. 1982; Boning et al. 1984; Coast et al. 1985). Pour Patterson, l’augmentation de fréquence sert à réduire la force développée tout en maintenant le niveau de puissance (Eq.1) (Patterson et al. 1983). Au delà de 110 RPM l’augmentation de la consommation d’o2 (Vo2) est bien plus importante que l’augmentation de la vitesse ce qui

constituerait la fréquence maximale. Pédaler à 90-110 RPM permet de limiter la création de forces ainsi que la fatigue musculaire tout en optimisant la consommation d’o2 (Patterson et al. 1990). La courbe de la consommation d’o2 en fonction de la puissance est de forme parabolique et devient très pénalisante (du point de vue des dépenses physiologiques) lorsque la fréquence optimale (Vo2 minimum) est franchie (Coast et al. 1985; Hintzy et al. 1999). L’augmentation de la fréquence de pédalage altère l‘efficience mécanique en modifiant l’orientation des forces exercées sur la pédale durant un cycle. La composante propulsive des forces appliquées sur la pédale diminue avec l’augmentation de la fréquence de pédalage (Patterson et al. 1983). De plus, il y a une augmentation de la part de forces anti-propulsives lors du retour arrière de la pédale car le pied a tendance à reposer sur celle-ci plutôt qu’à la tirer (Neptune et al. 1999). Modifier la fréquence de pédalage permet d’alterner entre adaptation physiologique et mécanique pour réagir à la contrainte.