Analyse et quantification de la performance en ski de fond avec
GPS
Mémoire
Charles Castonguay
Maîtrise en kinésiologie
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Charles Castonguay, 2016
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Analyse et quantification de la performance en ski de fond avec
GPS
Mémoire
Charles Castonguay
Sous la direction de:
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Résumé
L’objectif principal de l’étude était la quantification de la performance de skieurs de fond à l’aide de données cinématiques obtenues à partir d’un GPS à fréquence d’acquisition de 4Hz (Ublox Xbee) et des enregistrements vidéo. Onze athlètes canadiens en ski de fond (8 hommes et 3 femmes, âge moyen de 22±4 ans) ont réalisés des contre-la-montres en style libre et en technique double poussée. Des analyses de la vitesse, de la fréquence de cycle, de l’amplitude de cycle, de la fréquence cardiaque et du choix technique furent réalisées afin de déterminer leur relation avec la performance (soit le temps total). L’analyse des patrons de vitesse nous permet d’observer des « signatures techniques » en style libre. Selon les résultats, la capacité à atteindre une vitesse maximale élevée et maintenir une vitesse moyenne élevée est un déterminant majeur de la performance, peu importe le choix technique ou la pente. L’utilisation prolongée de la technique G2 induit directement une diminution de la performance, spécialement dans les sections de montée abrupte. L’utilisation prolongée de la technique G3 améliore la performance, surtout en montée. Il existe une relation entre une bonne puissance/force du haut du corps, la performance en double poussée et l’utilisation de la technique G3. Il n’existe pas de relation entre l’amplitude de cycle et la fréquence de cycle et l’amplitude de cycle et la vitesse pour la technique G3. Au sprint final en technique G3, plus la vitesse est élevée, plus la fréquence de cycle l’est aussi. Un pourcentage élevé d’utilisation de la technique G3 correspond à un faible nombre de transitions et à une meilleure performance. De façon générale, on peut affirmer que les sections de montée ont le plus d’influence sur la performance globale. Finalement, en comparant le ski de fond (sur neige) et le ski à roulettes (sur asphalte) en technique G3 et G4, il existe une différence importante pour la fréquence et la durée des cycles; un athlète performant sur l’asphalte en ski à roulettes doit avoir une fréquence de cycle plus élevée pour parcourir la même distance que sur neige en ski de fond. L’analyse et l’interprétation des résultats de cette recherche ont permis d’établir un standard « médaille d’or » de performance, ainsi qu’un profil pour chacun des skieurs, et fût très pratique pour les entraineurs.
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Table des matières
Résumé……….iii
1 Table des matières ... iv
1.1 Liste des tableaux ... vii
1.2 Liste des figures ... viii
2 Remerciements ... ix
3 Introduction : Présentation du ski de fond ... 1
3.1 Historique ... 1
3.2 Les techniques – revue ... 3
3.2.1 Le cycle et ses paramètres ... 4
3.2.2 Le classique ... 5
3.2.3 Le style libre ou « skating » ... 10
3.3 Les déterminants associés à la performance en ski de fond ... 18
3.3.1 Vitesse, technique et performance ... 19
3.3.2 Fréquence de cycle, amplitude de cycle et performance ... 20
3.3.3 Vitesse, fréquence et amplitude de cycle en double poussée ... 24
3.3.4 Vitesse, fréquence de cycle et amplitude de cycle en G3 ... 27
3.3.5 Divergences et autres facteurs influençant la vitesse, amplitude de cycle et fréquence de cycle... 30
3.3.6 La fréquence cardiaque ... 35
3.3.7 L’importance de la force/puissance du haut du corps ... 37
4 L’utilisation du GPS en performance sportive ... 40
4.1 Historique et fonctionnement ... 40
4.1.1 Historique ... 40
4.1.2 Fonctionnement et couverture terrestre ... 41
4.1.3 Précision des données de position et de vitesse ... 42
4.1.4 Fréquence d’acquisition et échantillonnage ... 44
4.1.5 Théorème de l’échantillonnage ... 44
4.2 GPS : évaluation de la performance et validité ... 50
4.2.1 La fréquence d’acquisition et validité ... 51
v
4.2.3 Vitesse de déplacement et validité ... 54
4.2.4 Quantification de la performance en ski de fond par GPS et dGPS ... 54
4.2.5 Accélérométrie et identification technique en ski de fond ... 56
5 Méthodologie ... 58
5.1 Informations préliminaires ... 58
5.1.1 Concept général de l’étude ... 58
5.1.2 Sujets ... 59
5.1.3 Matériel ... 59
5.1.4 Évaluation de la précision du système GPS ... 61
5.2 Tests et méthodes d’analyse ... 63
5.2.1 Protocoles ... 63
5.2.2 Traitement et analyse des données ... 65
6 Résultats ... 69
6.1 Topographie du parcours ... 69
6.2 Fréquence cardiaque ... 70
6.3 Temps, vitesse et performance ... 71
6.4 Signatures techniques ... 74
6.5 Choix techniques ... 76
6.6 Fréquence et amplitude de cycle ... 77
6.7 Test de double poussée ... 81
7 Analyses Corrélationnelles ... 83
8 Discussion ... 86
8.1 Vitesse et performance ... 86
8.2 Fréquence cardiaque et performance ... 88
8.3 Choix technique et performance ... 89
8.3.1 La technique G2 et performance ... 89
8.3.2 G2 Vs G3 ... 90
8.3.3 Hypothèses sur la relation entre G2, G3 et la pente ... 92
8.3.4 La technique G4 et la performance ... 97
8.3.5 Côté du corps en technique G2/G4 et performance ... 98
8.4 Nombre de transitions et performance ... 99
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8.6 Relation entre le test de double poussée et la performance en style libre ... 103
8.7 Comparaison des patrons de vitesse; ski de fond et ski à roulettes ... 107
8.7.1 Analyse des courbes de vitesse ... 107
8.7.2 G3 ; ski de fond VS ski à roulettes ... 109
8.7.3 G4 ; ski de fond VS ski à roulettes ... 112
9 Conclusion ... 114
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1.1 Liste des tableaux
Tableau 1. Vitesse (V, km/h), vitesse maximale (Vmax, km/h) fréquence (F, Hz) et amplitude de cycle (AC, m) en double poussée selon diverses études……...25 Tableau 2. Vitesse (V, km/h), vitesse maximale (Vmax, km/h) fréquence (F, Hz) et amplitude de cycle (AC, m) en technique G3 selon diverses études………28 Tableau 3. Distance totale mesurée par GPS (DT GPS, m) et distance totale mesurée par circonférence de roue (DT CR, m) sur la piste de 422.37m selon les différents essais…………61 Tableau 4. Distance totale mesurée par GPS (DT GPS, m) et distance totale mesurée par circonférence de roue (DT CR, m) sur le parcours « style libre » selon les différents essais…..61 Tableau 5. Description, distance (m), dénivelé positif (m) et pourcentage d’inclinaison moyen (% incl moy) de chacun des segments du parcours en style libre selon les données de l’athlète A.65 Tableau 6. Description, distance (m), dénivelé positif (m) et pourcentage d’inclinaison moyen (% incl moy) de chacun des segments du parcours en style libre selon le trajet Google Earth de l’athlète A………65 Tableau 7. Description, distance (m), dénivelé positif (m) et pourcentage d’inclinaison moyen (% incl moy) de chacun des segments du parcours en style classique selon les données GPS de l’athlète A………65 Tableau 8. Description, distance (m), dénivelé positif (m) et pourcentage d’inclinaison moyen (% incl moy) de chacun des segments du parcours en style classique selon le trajet Google Earth de l’athlète A………..65 Tableau 9. Fréquence cardiaque maximale (FCmax) (bpm), FCmax segmentaires (bpm), fréquence cardiaque moyenne (FCmoy) segmentaires (bpm) et pourcentages moyens de la FCmax (%moyFCmax) segmentaire selon la position finale………..72 Tableau 10. Temps total (s), vitesse maximale (Vmax) (s), vitesse moyenne (Vmoy) (km/h), temps segmentaires (s), Vmoy segmentaires (km/h) et Vmax segmentaires (km/h) selon la position finale………..………...72 Tableau 11. Temps total (s), temps d’utilisation des techniques G2, G3 et G4, pourcentage total d’utilisation de G2 (%G2), G3(%G3), G4(%G4), vitesse maximale (Vmax, km/h), Vmax de G2 (km/h), Vmax de G3 (km/h) et Vmax de G4 (km/h) selon la position finale………...78 Tableau 12. Temps (s) et pourcentage total d’utilisation des techniques G2 (%G2), G3 (%G3) et G4 (%G4) pour chaque segment selon la position finale………..78 Tableau 13. Amplitude de cycle (AC, m), fréquence de cycle (F, Hz) et vitesse moyenne (Vmoy, km/h) de la technique G3 selon 10 cycles consécutifs de chaque segment………81 Tableau 14. Temps total (s), fréquence de cycle (F, Hz) par segment en double poussée selon la position finale en test style libre………..………81 Tableau 15. Amplitude de cycle (AC, m), fréquence de cycle (F, Hz) et vitesse moyenne (Vmoy, km/h) de la technique G3 selon 10 cycles consécutifs de chaque montée du segment 2………94 Tableau 16. Amplitude de cycle (AC, m), fréquence de cycle (F, Hz), durée de cycle (DC, s) vitesse moyenne (Vmoy, km/h), gain de vitesse par cycle (GV, km/h), perte de vitesse par cycle (PV, km/h) et fréquence cardiaque (FC, bpm) de la technique G3 et G4 en ski à roulettes (SR) et en ski de fond (SF) pour l’athlète A………..………109
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1.2 Liste des figures
Figure 1. La technique du « pas alternatif » en ski de fond………...….…..……6
Figure 2. La technique du « un pas double poussée » en ski de fond………..…….7
Figure 3. La technique de « double poussée » en ski de fond………...10
Figure 4. La technique « G2 » en ski de fond………...13
Figure 5. La technique « G3 » en ski de fond………...14
Figure 6. La technique « G4 » en ski de fond………...16
Figure 7. La technique « G5 » en ski de fond………...17
Figure 8. Les techniques « G6 » et « G7 » en ski de fond………...18
Figure 9. Évolution de la fréquence et amplitude de cycle selon la vitesse en double poussée selon diverses études………...26
Figure 10. Fréquence et amplitude de cycle en fonction de la vitesse en technique G3 selon diverses études………...28
Figure 11. Principe de positionnement par satellites………...40
Figure 12. Répartition des échantillons traités selon la fréquence d’acquisition, en fonction du temps et de la vitesse du skieur………...44
Figure 13. Vitesse du skieur en fonction du temps, selon des GPS cadencés à 20Hz (a) et 1Hz (b) ……….………...46
Figure 14. Vitesse du skieur en fonction du temps, selon des GPS cadencés à 20Hz et 1Hz….46 Figure 15. Vitesse variante d’un cycliste en fonction du temps, selon un GPS cadencé à 1Hz et un odomètre instrumenté………...48
Figure 16. Vitesse constante d’un cycliste en fonction du temps, selon un GPS cadencé à 1Hz et un odomètre instrumenté………...49
Figure 17. Le sac à dos expérimental………59
Figure 18. Parcours vue à vol d’oiseau (18.1) et profil d’élévation (altitude) (18.2) selon le temps de l’athlète A………...68
Figure 19. Profil de variation de la fréquence cardiaque selon le temps de l’athlète A…………69
Figure 20. Médiane, minimum et maximum des temps totaux et des temps segmentaires du parcours………..71
Figure 21. (21.1) Profil de variation de la vitesse selon le temps de l’athlète A et (21.2) « zoom » sur les fluctuations de vitesse de la partie cadrée………71
Figure 22. Patrons de courbe de vitesse des techniques G3 (22.1) et G4 (22.2) de l’athlète A………...74
Figure 23. Patrons de courbe de vitesse des technique G2, G3 et G4 de l’athlète K………74
Figure 24. Pourcentage d'utilisation total des techniques de ski G2, G3 et G4 pour l’athlète A et K, et la moyenne du groupe………...77
Figure 25. Patrons de courbe de vitesse de la techniques G3 (25.1) et G4 (25.2) en ski à roulettes et sur neige de l’athlète A………..………109
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Remerciements
Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de recherche, Normand. Merci d’avoir cru en moi pour la concrétisation de ce projet. Merci de m’avoir donné
envie de continuer. Merci pour votre support quotidien. Merci pour votre expérience. Merci pour tout le temps consacré à ce document. Vous êtes un
véritable mentor pour moi.
Merci,
À mes évaluateurs, Richard et François, professeurs et collègues d’exception, qui m’ont beaucoup appris et épaulés.
Aux entraineurs du CNEPH, Louis, François et Godefroy, qui nous ont tant aidés dans ce projet, et qui ont été compréhensifs dans les moments plus
difficiles.
Aux athlètes qui ont participés aux tests, sans qui tout ceci n’aurait pas eût lieu.
À tout le personnel du GRAME, pour leurs temps et précieux conseils. À l’INS et au CSHNQ, pour leur support financier et moral.
À tout le département de kinésiologie de l’université Laval, qui ont su éveiller et faire grandir cette passion qui est aujourd’hui ma carrière.
À Maxime, Vincent et Catherine, mes chers amis et partenaires de « bacc », qui sont toujours dans ma vie après ces longues années d’étude.
Et, finalement, à mes parents et mon frère, mes plus grands supporteurs et professeurs de vie, sans qui je ne serais pas où j’en suis aujourd’hui.
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Introduction : Présentation du ski de fond
Le ski de fond est un sport d’hiver, un sport de glisse comprenant une combinaison de techniques et de styles où chaque geste est crucial, où chaque seconde est importante. C’est un sport stratégique où l’économie d’énergie est reine, mais où l’athlète doit repousser ses limites physiologiques en tout temps. De quelques minutes à plusieurs heures, l’endurance, la puissance, la coordination y sont de rigueur. Le ski de fond est passé de simple plaisir de glisser, à un sport olympique. Il est devenu synonyme de performance, de perfection. Une perfection de plus en plus atteignable pour l’athlète grâce à l’amélioration des techniques, mais également en raison des percées technologiques bonifiant le sport de haut niveau. Le document suivant vise à montrer comment l’utilisation de systèmes de localisation géospatiale (« Global Positionning System » ou GPS) peut aider à mieux comprendre la performance d’un athlète en ski de fond.
3.1 Historique
Pratiqué depuis plus de 4500 ans, le ski de fond est sans conteste le plus ancien sport d’hiver. Utilisé pour la première fois dans les pays scandinaves, les skis servaient de moyen de locomotion. Leur grande efficacité à limiter l’enfoncement des pieds dans la neige conférait à l’homme préhistorique une plus grande mobilité sur la neige lors de la chasse ou pour tous autres déplacements. Les skis vont, au fil des siècles, être davantage utilisés à des fins militaires, ce qui raffine grandement leur conception et augmente de façon considérable leur utilisation. C’est vers le milieu du 19e siècle que l’on recense
les premières utilisations des skis sous forme de loisir, avec l’apparition des premiers clubs de skis nordiques en Norvège. Au 20e siècle, le ski de fond fait
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d’hiver, en se dissociant de ses fonctions militaires et utilitaires et également de son proche, le ski de descente (ski alpin). À partir de ce moment, le ski de fond sportif connait un essor important; il fait sa première apparition aux Jeux Olympiques en 1924, avec des épreuves de 18 et de 50km. En 1968, la diffusion télévisuelle des jeux olympiques (JO) d’hiver de Grenoble fait connaître celui-ci au monde entier et augmente considérablement sa popularité auprès des adeptes des sports d’hiver. À ce moment, au Canada, on peut compter par milliers les gens qui pratiquent le sport, et une poignée d’entre eux tente de briller sur la scène internationale (Fédération internationale de ski; http://history.fis-ski.com).
Le premier canadien à se démarquer en ski de fond fût Pierre Harvey, lorsqu’il remporte la médaille d’or lors d’une coupe du monde en Suède, en 1987. Sa participation aux jeux olympiques d’hiver de Calgary, en 1988, augmente davantage l’engouement des canadiens envers ce sport autrefois peu répandu. À ce moment, quelques athlètes canadiens de haut niveau réalise que le ski de fond offre la possibilité de briller sur la scène olympique. Depuis, plusieurs athlètes canadiens ont eut droit aux grands honneurs; Beckie Scott, avec ses deux médailles olympiques, et Chandra Crawford, également championne olympique. Dernièrement, des athlètes tels Devon Kershaw et Alex Harvey brillent sur la scène internationale. Ce dernier est devenu le premier skieur canadien à remporter une médaille individuelle aux Championnats du monde de ski de fond en mettant la main sur le bronze du sprint individuel (Encyclopédie canadienne en ligne 2015, Ski de fond Canada 2015).
Le ski de fond a beaucoup évolué depuis la victoire de Pierre Harvey à Falun. Prônant autrefois l’endurance musculaire et aérobique en style classique seulement, ce sport d’hiver est devenu un mélange intéressant de vitesse et de puissance musculaire, d’endurance aérobie et de puissance anaérobie, de technique et de fartage…et tout cela est maintenant réparti sur deux styles bien distinct. Les sections suivantes présentent l’analyse des deux différents styles
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en ski de fond (de leurs techniques respectives) et des déterminants de la performance en ski de fond.
3.2 Les techniques – revue
Autrefois axé sur un seul style, le sport s’est complexifié au cours des dernières décennies pour comprendre à ce jour deux techniques distinctes; le style classique et le style skating (ou style libre). Le skating fait son apparition au cours des années 80, lorsque l’athlète américain Bill Koch et le finlandais Puli Siitonen utilisent des skis sans fart de retenue lors de coupes du monde. Un nouveau mouvement s’intègre également dans leur innovation; les poussées latérales. Aucun règlement n’empêche ce type de mouvement ou l’utilisation de skis sans fart de retenue pendant les courses, ce qui sème la confusion dans la communauté du ski de fond, qui ne sait comment réagir à tout cela. En 1985, le norvégien Ove Aulni concrétise l’émergence d’un nouveau style en remportant avec brio les championnats du monde en utilisant des skis sans fart de retenue
(Fédération internationale de ski 2015, Zory 2006a). En 1990, après quelques années de « désordre », la Fédération internationale de ski (FIS) reconnaît le skating (style libre) comme un style à part entier et distinct du classique. Plusieurs critères et restrictions sont également ajoutés dans la description des deux styles afin de mieux les différencier et d’éviter toute confusion lors des évènements compétitifs. Par exemple, les poussées latérales sont interdites dans les courses de ski classique, sous peine de disqualification du fautif. Depuis, les courses de haut niveau sont partagées entre les deux styles (FIS 2015).
Le milieu scientifique s’intéresse depuis longtemps à l’efficacité technique des mouvements en ski de fond (biomécanique et paramètres de cycle). Afin de mieux comprendre les mouvements complexes qui composent ce sport, une analyse approfondie de ces deux styles et de leurs techniques est nécessaire.
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3.2.1 Le cycle et ses paramètres
Le développement et le perfectionnement des techniques par la recherche est sans doute une des causes de l’amélioration exponentielle des performances des skieurs, caractérisée en particulier par des vitesses de déplacement plus élevées pour les différentes techniques des styles classique et skating. Dès le début des années 80, l’efficacité biomécanique et technique fait l’objet de plusieurs travaux. En majeure partie, on y étudie l’application de force sur les bâtons, de même que la biomécanique du mouvement par cycle (Marino 1980, Ekstrom 1981 et Nilsonn 2004a). Un cycle est une séquence de mouvements techniques permettant à l’athlète de se déplacer (en course à pied, par exemple, elle correspond à une foulée). En ski de fond, une séquence de double poussée complète correspond à 1 cycle de cette technique. Les sections 1.2.2 et 1.2.3 définissent intégralement ce qui correspond à un cycle pour chaque technique de chacun des styles. Depuis plusieurs années, les chercheurs se sont intéressés à mieux comprendre les paramètres du cycle qui influenceraient la performance du skieur (Smith1992 et 1996, Bilodeau 1996, Nilsson 2004a et Holmberg 2005). La définition d’un cycle varie grandement d’un style et d’une technique à l’autre, mais les paramètres définis caractérisant le cycle en ski de fond sont :
- la fréquence de cycle (F) ; c’est le nombre de cycles réalisés par unité de temps. L’unité de mesure est l’Hertz (Hz), soit des cycles par seconde (c/s). Elle est peut aussi être exprimée en cycles par minute (c/min).
- l’amplitude de cycle (AC) ; c’est la distance parcourue par le skieur (centre de gravité) au cours d’un cycle. Cette distance s’exprime en mètres (m).
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- et la vitesse; c’est le produit de l’amplitude de cycle par la fréquence de cycle (V = AC × F). La vitesse (de cycle) est exprimée en mètres par seconde (m/s), ou en kilomètres par heure (km/h) (Zory 2006a).
Le cycle est composé de deux phases : la phase « propulsive » et la « phase de glisse ». Malgré quelques divergences, la plupart des études décrivent de façon similaire chacune ces phases, décrites ici-bas. Les portraits de chacun des cycles composant les techniques de ski de fond sont nombreux et très variés. Pour chacun de ces cycles, le skieur doit démontrer un parfait synchronisme de tous les segments de son corps, une coordination entre les membres supérieurs, le tronc et les membres inférieurs afin de produire le mouvement parfait à chaque poussée. La section suivante décrit les particularités de chacune de ces techniques et de leurs cycles respectifs.
3.2.2 Le classique
Le style classique est la méthode traditionnelle en ski de fond. Dans la littérature, la classification et descriptions des techniques répertoriées en style classique est assez uniforme et est divisée en trois catégories : le pas « alternatif », le « un pas double poussée » et la « double poussée » (Bilodeau 1996; Nilsonn 2004a; Ski de fond Canada, 2012. http://cccski.com/).
Le pas « alternatif »
Le pas alternatif se décrit comme une alternance de propulsion entre les membres supérieurs et inférieurs controlatéraux; on le compare aux patrons moteurs de la course à pied. Pour l’élite des skieurs de fond, cette technique classique est généralement utilisée pour l’ascension de faux plats montants et de pentes modérées à très abruptes. Elle est également utilisée lors des départs accélérés au début d’une course, pour atteindre une vitesse supérieure sur une courte distance (10 à 20m). Cependant, d’autres facteurs entrent en
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équation lors d’une course et peuvent influencer le choix de la technique en tout temps malgré l’inclinaison du terrain : l’efficacité du fart de retenue et de la glisse du ski (friction), la résistance du vent, etc. Un cycle complet, comme illustré dans la figure 1, se déroule comme suit :
Phase propulsive - Le cycle débute lorsque le premier bâton (droit) est en contact avec le sol et que la jambe de glisse (gauche) est tendue, le tronc légèrement incliné vers l’avant. C’est la phase de transition de glisse à propulsion, où la jambe gauche qui glisse devient la jambe de poussée en effectuant une pré-charge. Il y alors extension de la jambe gauche et du bras droit. En même temps s’amorce le retour de la jambe droite et du bras gauche vers l’avant.
Phase de glisse - Au moment où le pied gauche croise le pied droit, le skieur transfert son poids complètement sur le ski de glisse en contact avec la neige (jambe droite) et effectue une flexion du bras gauche afin d’amener le bâton gauche vers l’avant. Le poids du corps doit passer d’un ski à l’autre pour permettre la propulsion du corps de l’axe sagittale. Le même patron est répété du côté opposé. Le cycle se termine lorsque le premier bâton (droit) est en contact avec le sol et que la jambe de glisse (gauche) est tendue (Zory 2006a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015) (figure 1).
Figure 1. La technique du « pas alternatif » en ski de fond
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Le « un pas double poussée » se décrit souvent comme technique transitoire entre le pas alternatif et la double poussée, et est très apparent à cette dernière. Pour l’élite des skieurs de fond, cette technique classique est généralement utilisée sur terrain plat ou pour l’ascension de faux plat montant. En d’autres mots, elle sert lorsque le pas alternatif ou la double poussée ne suffisent plus à augmenter ou maintenir la vitesse sans effort excessif. Un cycle complet correspond à la poussée d'une jambe associée à une double poussée sur les bâtons (ratio haut/bas du corps de 1 pour 1) (Nilsson 2004a), et se déroule comme suit :
Phase propulsive - Le cycle débute lorsque la jambe gauche complète son extension et que le tronc se redresse. Le poids du corps se déplace légèrement sur la jambe droite qui demeure en contact avec le sol pour permettre une première glisse dans l’axe sagittale sur le ski droit seulement. À ce moment, le tronc est relevé et les bras sont clairement vers l’avant et prêt à planter les bâtons. Ensuite vient une action de pré-charge de la jambe de glisse droite qui initie la descente du haut du corps. Les bâtons se plantent au sol. Le tronc se fléchit et les bras effectuent une extension complète, ce qui produit une compression du haut du corps ou double poussée qui se termine avant l’horizontale.
Phase de glisse - Au même moment, la jambe gauche de propulsion revient au sol à la hauteur de la jambe droite, ce qui permet une deuxième phase de glisse sur deux skis. Le cycle se termine lorsque la jambe droite amorce son extension et que le tronc se redresse (Zory 2006a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015) (figure 2).
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Figure 2. La technique du « un pas double poussée » en ski de fond
La « double poussée » (DP)
En double poussée, contrairement aux autres techniques, le déplacement du corps est presque uniquement produit par les membres supérieurs. Pour l’élite des skieurs de fond, cette technique peut être utilisée à tout moment si la propulsion des membres supérieurs est suffisante à la production ou à la conservation de la vitesse (que ce soit sur le plat, les faux plats descendants, les descentes ou même pour l’ascension de faux plats montants ou de pentes abruptes). Il n’est pas rare de voir les skieurs de fond finir leur course en double poussée, car elle est sans doute la technique pouvant produire la plus grande vitesse maximale en classique. En double poussée, un cycle complet correspond à une poussée simultanée et symétrique sur les bâtons tout en gardant les deux pieds adjacents, est généralement défini entre deux plantés consécutifs des bâtons (Smith 1992 et 1996, Bilodeau 1996, Nilsson 2004a, Holmberg 2005, Zory 2006a). Un cycle complet se déroule ainsi, comme illustré dans la figure 3 :
Phase propulsive - Le cycle débute au moment de planter les bâtons. Les hanches sont vers l’avant, le tronc redressé et les bras sont en flexion, clairement relevés. Les bâtons se plantent au sol (devant les fixations) à la largeur des épaules et parallèle l’un à l’autre; le skieur applique un maximum de puissance sur les bâtons, vers le bas et vers l’arrière. Le tronc se fléchit les bras effectuent une extension complète, ce qui produit une compression du haut du corps ou double poussée qui se termine avant l’horizontale. Les genoux sont
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légèrement fléchis au moment de planter les bâtons et fléchissent un peu plus durant l’action de double-poussée. Les pieds demeurent adjacents en tout temps.
Phase de glisse - La compression du haut du corps se termine avant l’horizontale, le bassin est vers l’arrière. La phase de double poussée achevée, le bassin et les bras se redirigent vers l’avant et le tronc se redresse. Le cycle se termine juste avant de planter les bâtons. (Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015).
En double poussée, la durée de la phase propulsive est brève comparée à la phase de glisse. Des durées de phase propulsive de 0,3s et de phase de glisse de 0,83s sont notées par Holmberg et al. (2005), pour un test en ski à roulettes sur le plat (tapis roulant) à 85% de la vitesse maximale. Ceci représente respectivement 26.9 et 73.1% du cycle total. Par contre, en pente, le skieur doit ajuster différemment sa technique pour éviter une perte de vitesse en raison des forces gravitationnelles; une augmentation relative de la phase propulsive et une diminution relative de la phase de glisse. Lors d’un segment en pente légère (3º), Stöggl et al. (2005) observent des valeurs différentes, soit 51% de phase propulsive (0.51s) et 49% de phase de glisse (0.5s). On peut également noter de telles modifications pour d’autres techniques des styles classique et libre.
La technique de double poussée des skieurs de haut niveau a beaucoup évolué durant les dernières années, et peut varier de cette dernière. Lors de la phase retour (le bassin et les bras se redirigent vers l’avant et le tronc se redresse), le skieur effectue littéralement un saut vers l’avant. Dans la même étude de Holmberg et al. (2005), on affirme que « les skieurs adoptent une position haute caractérisée par une forte extension de la hanche, du genou et de la cheville afin de déplacer le poids du corps vers l’avant ». Ceci permet au skieur de transférer une plus grande partie de son poids corporel sur les bâtons, ce
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qui confère une puissance nettement supérieure au haut du corps. D’ailleurs, la double poussée est depuis longtemps reconnue, dans le domaine du ski de fond, comme une technique axée sur l’utilisation des membres supérieurs. Plusieurs chercheurs ont étudiés le sujet et les conclusions sont similaires; la performance en double poussée et en style classique est directement associée au niveau de force/puissance musculaire du haut du corps. Par exemple, une étude d’Alsobrook et al. (2009) établit une relation directe entre la performance et la vitesse pour une course de distance en classique de 10km et les résultats pour des tests de puissance pour le haut du corps (en double poussée sur ergomètre) de 10s, 60s, et 240s à 620s. Que se soit pour une longue ou une courte durée, les athlètes produisant les puissances moyenne et maximale les plus élevées pour le haut du corps obtiennent également les meilleurs résultats en course de 10 km. Ces résultats se reflètent également dans plusieurs autres études, c’est pourquoi les tests de double poussée sont un bon indicateur du niveau de force/puissance musculaire du haut du corps et sont souvent utilisés en ski de fond (comme dans la présente étude).
Figure 3. La technique de « double poussée » en ski de fond
3.2.3 Le style libre ou « skating »
Avec l’apparition officielle du style libre en 1985, une évolution marquée s’est produite dans le domaine des courses de ski de fond, depuis la modification drastique de l’équipement jusqu’au changement dans la configuration des
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pistes. La raison; le style libre est plus rapide, comme le montrent plusieurs études réalisées vers la fin des années 80; des vitesses moyennes plus élevées et un avantage net de près de 20% plus rapide que le style classique (Karvonen 1987 et 1989; Bilodeau 1991). Le style libre a fait évoluer le ski de fond, mais est lui aussi en constante progression grâce au peaufinement des techniques. La classification et les descriptions des techniques répertoriées en style libre varient davantage qu’en style classique. Dans la littérature, on dénombre trois principales techniques sous divers noms, et plusieurs autres techniques complémentaires. Une classification intéressante introduite par Holmberg et al. (1996) et complétée par Nilsson et al. (2004a) introduit ces trois techniques principales avec le terme "gear" de 2 à 4 (respectivement G2, G3 et G4). Ces chercheurs mentionnent également une technique "gear" 5 (G5). Une étude d’Andersson et al. (2011) introduit les "gear" 6 et 7 (G6, G7) pour identifier deux autres techniques et faciliter l'analyse de la performance. Comme pour le style classique, l’utilisation de ces techniques varie en fonction de plusieurs facteurs : la pente, la vitesse, le coefficient de friction, la résistance à l’air, etc. (Kvamme 2005).
Le "pas décalé" (G2)
Les appellations du "pas décalé" varient beaucoup selon les auteurs et les années de publications. Par exemple, il est appelé « offset » (déphasé) ou V1 par Bilodeau et al. (1992) et "gear 2" (G2) par Nilsonn (2004b) et Smith (2004). Selon Zory (2006a), le "pas décalé" est caractérisé par une poussée asymétrique et asynchrone des bâtons, où deux poussées des membres inférieurs correspondent à une poussée des membres supérieurs (ratio haut/bas du corps de 1 pour 2). Le "côté dominant" ou "côté fort" du corps est utilisé pour effectuer la double-poussée décalée des membres supérieurs avec une poussée de jambe du même côté. Cette technique est utilisée principalement pour l’ascension de pente modérée à très abrupte. En effet, en pente ascendante, elle est idéale pour permettre à l'athlète de maintenir une vitesse,
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ou du moins de limiter la perte de vitesse en raison de la force gravitationnelle. Elle est transitoire au "pas de un-patin", lorsque ce dernier ne suffit plus à maintenir la vitesse sans effort excessif. Elle peut aussi être de mise lorsque le coefficient de friction est très élevé sur le plat, et que la vitesse du skieur est très basse (Nilsonn 2004a). Il est plutôt rare pour des skieurs d'élite d'utiliser cette technique dans d'autres circonstances, car celle-ci est souvent synonyme de fréquence de cycle élevée et de vitesses limitées (Nilsonn 2004a). Le cycle complet se déroule ainsi, comme illustré dans la figure 4 :
Phase propulsive - Le cycle est décrit ici pour un skieur dont le "côté dominant" est le gauche. Le cycle débute au moment de planter les bâtons. Les bâtons entre en contact avec la neige (un planté asymétrique) au même moment que le ski de glisse, celui de jambe gauche (côté dominant). La main gauche se situe à la hauteur de la tempe gauche, et la main droite à la hauteur de l'épaule droite. Il y a alors un mouvement de double-poussée en décalé des membres supérieurs ainsi qu'une poussée de la jambe gauche se traduisant par une extension complète de la jambe gauche, afin de propulser le corps vers l'avant. L’extension des bras arrête généralement au niveau des hanches.
Phase de glisse - Le genou gauche et la hanches sont dirigés vers l'avant (et vers le haut de la pente) et sont alignés au-dessus du ski de glisse, devenu celui de droite. En une fraction de seconde, il y a transfert de poids sur la droite, qui ne sert que très peu à la glisse, suivi d’une poussée de la jambe droite. Dême que pour la gauche, il y a extension complète de la jambe gauche, afin de propulser le corps vers l'avant. Au même moment, le tronc se redresse légèrement et les membres supérieurs reviennent à la position originale de planté des bâtons. Le cycle se termine juste avant le moment de contact des bâtons et du ski droit avec la neige. Lors des poussées de jambe respective, le ski opposé est légèrement soulevé du sol (parallèle au sol) en préparation à la phase de glisse. À noter que les angles au niveau du tronc, des chevilles, des genoux et des hanches sont variables en fonction du degré de la pente. Les
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pieds demeurent relativement écartés durant tout le cycle, contrairement aux techniques "pas de un-patin" et "pas de deux-patin" décrient ici-bas (Nilsonn 2004a, Zory 2006a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015).
Figure 4. La technique « G2 » en ski de fond
Le "pas de un-patin" (G3)
En style libre, cette technique est la traditionnelle, la première à avoir été répertoriée et étudiée (début des années 80). Bilodeau et al. (1992) la nomme "1-skate" (traduit par "pas de un patin"), et Boulay et al. (1994) "V2". Holmberg (1996) et Nilsson (2004a) adopte la nomenclature "G3" pour en simplifier l'identification. Elle est caractérisé par une poussée des membres supérieurs pour chaque poussée des membres inférieurs (ratio haut/bas du corps de 1 pour 1). La technique "G3" est sans doute la plus observée dans les courses de style skating. Elle est utilisée dans plusieurs situations: sur le plat, les faux plats montants, les pentes abruptes, ou à tout moment ou une augmentation rapide de la vitesse doit être effectuée par le skieur (sprint final, dépassement, lancée avant une descente, etc.). Un cycle complet correspond à une poussée symétrique sur les bâtons et d'une jambe, légèrement décalées dans le temps (Nilsonn 2004a, Zory 2006a). Il se déroule comme suit :
Phase propulsive - Le cycle débute au moment de planter les bâtons, quand les pieds sont le plus rapprochés. Le tronc du skieur est relevé pour initier le
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mouvement des membres supérieurs. Les bâtons entre en contact avec la neige; il y a alors double-poussée du haut du corps, ainsi qu'une mise en charge sur la jambe gauche (flexions légères de la hanche et du genou). Vers la fin l'extension des bras, il y poussée de la jambe gauche (extension complète et abduction), ce qui fait que les mouvements du haut et du bas du corps) sont complétées presque simultanément.
Phase de glisse - À ce moment, le transfert de poids sur la jambe droite (ski de glisse) est complété; le tronc se redresse légèrement. Les bras amorce leur retour en position initiale et le pied gauche passe alors sous la hanche gauche pour se regrouper au centre avec le pied droit (pieds presque joints). Le cycle se termine juste avant le moment de contact des bâtons avec la neige. Le cycle est répété sur la droite. Selon certains auteurs, plus la fréquence de cycle est élevée (selon le contexte de course, le terrain, etc.), plus l’amplitude de l’extension des bras sera réduite (Nilsonn 2004a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015) (figure 5).
Figure 5. La technique « G3 » en ski de fond
Le pas de deux-patins (G4)
De même que pour G2 et G3, les termes employés pour désigner le "pas de deux-patins" varient. Des appellations telles "gunde skate" (Boulay 1994) ou "open field skate" (Smith 1994) ont été utilisées. Bilodeau et al. (1992) nomme
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cette technique libre la "2-skate" ou "V2 alternée". Nous utiliserons ici l'abréviation simple instaurée par Holmberg (1995) et soutenue par Nilsonn (2004a), c'est-à-dire la technique "gear 4" (G4).
La technique « G4 » est caractérisée par deux poussées des membres inférieurs pour une poussée symétrique des membres supérieurs sur les des bâtons (ratio haut/bas du corps de 1 pour 2). En observant cette technique, on peut voir un mélange de technique G2 et G3; pour le ratio haut/bas du corps de 2/1 et pour l'aspect symétrique des poussées, respectivement. Pour un "côté dominant", il y a donc double-poussée des membres supérieurs (symétrique) avec une poussée de jambe, suivi d'une poussée singulière de l'autre jambe. Cette technique est utilisée principalement sur les segments de terrains où la glisse est rapide, c'est-à-dire les plats, les faux plats descendants et même parfois les faux plats montants (si le coefficient de friction est bas). La technique G4 sera pratique pour maintenir une vitesse déjà élevée; elle est plus économique que la technique G3 étant donné son ratio haut/bas du corps avantageux. Cependant, les skieurs de haut niveau n’utilisent guère cette technique outre ces circonstances particulières, car celle-ci est peu efficace en montée (G2 ou G3), ou en descente (voir les techniques suivantes) ou pour augmenter la vitesse rapidement (Nilsonn 2004a, Zory 2006b). Le cycle complet se déroule ainsi, comme illustré dans la figure 6 :
Phase propulsive - Le synchronisme de la première phase du mouvement est similaire à la technique G3. Le cycle débute au moment de planter les bâtons, quand les pieds sont le plus rapprochés. Le tronc du skieur est relevé pour initier le mouvement des membres supérieurs. Les bâtons entre en contact avec la neige; il y a alors double-poussée du haut du corps, ainsi qu'une mise en charge sur la jambe droite (flexions légères de la hanche et du genou). La flexion du tronc est plus grande que pour la technique G3 dû à une plus grande vitesse et une plus longue phase de glisse. Vers la fin l'extension des bras (plus longue que pour G3), il y poussée de la jambe droite (extension complète et
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abduction), ce qui fait que les mouvements du haut et du bas du corps sont complétées presque simultanément.
Phase de glisse - À ce moment, le transfert de poids sur la jambe gauche (ski de glisse) est complétée. Il y a alors poussée de la jambe droite (extension complète et abduction) et le tronc et les membres supérieurs se redressent au même moment. Les bras terminent leur retour en position initiale et le pied gauche est passé sous la hanche gauche pour se regrouper au centre avec le pied droit (pieds presque joints). Le cycle se termine juste avant le moment de contact des bâtons avec la neige. Le cycle est répété en amorçant la double poussée, toujours du même côté (droit pour cette description) (Nilsonn 2004a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015).
Figure 6. La technique « G4 » en ski de fond
Le patin libre (G5)
La technique « patin libre » est unique au style libre. Sa première appellation fût le « combiskate », utilisée par Skard (1986). Par la suite, dans la littérature, on la retrouve sous le nom de « patin libre ». Nilsonn (2004b) propose la nomenclature "gear 5" (G5) pour en simplifier l'identification, qui sera utilisée ici. La technique G5 est une méthode où seulement les jambes sont utilisées. Elle est utilisée dans les sections de plats ou de pentes (ou faux plats) descendantes légères, où lorsque la vitesse du skieur est si élevée qu’elle ne permet pas une poussée du haut du corps efficace sans perte de vitesse. Un
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cycle complet correspond à une poussée d'une jambe et la glisse sur l’autre. Une flexion prononcée au niveau des hanches et du tronc est toujours présente lors du cycle, de même que pour les genoux et les chevilles (le centre de masse du skieur demeure bas en tout temps). Les bras sont repliés sur le tronc en position de recherche de vitesse et les bâtons n’entrent jamais en contact avec le sol.Le cycle complet se déroule comme suit, comme illustré dans la figure 7 :
Phase propulsive - Le cycle débute au moment de la mise en charge sur la jambe droite (flexion augmentée de la hanche et du genou). Le skieur maintient un bon équilibre sur la jambe droite de poussée; il y a alors poussée de la jambe droite (extension complète et abduction). Pour que le transfert de poids soit bien exécuté, le centre de gravité doit être au-dessus du ski de glisse (gauche) dès que la poussée de jambe droite est initiée.
Phase de glisse - Le skieur réalise un transfert de poids complet du ski droit au ski gauche; la glisse est complétée. Le pied droit revient alors vers le pied gauche pour se regrouper. Le cycle se termine et est répété sur l’autre côté. Pendant la technique G5, le skieur peut également balancer les bras d’un côté à l’autre, ce qui peut augmenter la puissance de propulsion des jambes (Nilsonn 2004a, Ski de fond Canada Programme National de Développement Canadien, 2015).
Figure 7. La technique « G5 » en ski de fond
Autres techniques : G6 et G7
Les différentes techniques classées « gear » le furent en grande partie par Holmberg (1996) et Nilsson (2004a). Andersson (2010) définie deux autres techniques avec cette terminologie. La technique G6 est une technique
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ressemblante à G3, mais utilisée dans les courbes prononcées où le skieur doit adopter des mouvements de jambes plus courts et centrés. Habituellement, une des jambes sert à propulser et l’autre à diriger (glisser) le skieur dans la direction voulue, ce qui crée un mouvement plutôt regroupé au niveau des pieds. On utilise cette technique en style libre et en classique. La technique G7, également appelé « tuck » dans le milieu du ski de fond, est une technique de recherche de vitesse maximale utilisée dans les sections de descendantes modérées à très abruptes, où la vitesse du skieur est très élevée et aucune poussée des membres supérieurs et inférieures n’est requise. Cette technique est caractérisée par une flexion prononcée (et maintenue) au niveau des hanches et du tronc, de même qu’au niveau des genoux et des chevilles (le skieur demeure bas en tout temps). Les bras sont repliés sur le tronc et les bâtons n’entrent jamais en contact avec le sol, ce qui confère au skieur un niveau inférieur de résistance à l’air. On utilise cette technique en style libre et en classique. La figure 8 illustre les techniques « G6 » et « G7 ».
Figure 8. Les techniques « G6 » et « G7 » en ski de fond
3.3 Les déterminants associés à la performance en ski de
fond
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Depuis son apparition sur la scène olympique, le ski de fond s’est considérablement transformé. Une des raisons principales de ces changements est sans doute l’étude exhaustive des déterminants de la performance, qui a permis de modifier ou d’ajuster le type d’entrainement et la technique. La section suivante présente une revue de plusieurs déterminants de la performance qui ont été utilisés dans notre étude.
3.3.1 Vitesse, technique et performance
Pour l’ensemble des activités sportives chronométrées (course à pied, cyclisme, patin de vitesse, etc.), une vitesse plus élevée est synonyme de meilleurs résultats. Depuis toujours, l’objectif principal de ces athlètes est l’amélioration de l’accélération de départ, de la vitesse maximale, l’endurance de vitesse, etc. Pour un skieur, le lien entre la performance et la vitesse est indéniable.
Certains auteurs suggèrent que la vitesse maximale seraient le déterminant de la performance le plus important en épreuve de sprint de ski de fond; les athlètes étant aptes à atteindre des vitesses maximales supérieures sont ceux qui obtiennent les meilleurs temps dans un contre-la-montre. De plus, les skieurs ayant la capacité de maintenir les vitesses moyennes les plus élevées lors de différents tests auraient aussi de meilleures performances, évidemment. On attribue à ces athlètes de meilleures habiletés techniques, en ce qui concerne l’exécution des mouvements et les choix technique, ce qui expliquerait en partie leurs performances. Étant donné les variations de conditions atmosphériques et de terrain, la vitesse du skieur de fond est continuellement en changement. L’athlète doit constamment adapter ses patrons moteurs et le choix technique en fonction de ces variations de vitesse, car elles influencent beaucoup le coût énergétique de l’effort exigé. Les skieurs les plus expérimentés démontreraient donc une stratégie de choix technique ou de « gestion d’énergie » plus efficace selon la topographie et la longueur du parcours (Sandbakk 2010 et 2011; Stöggl 2006 et 2007; Vesterinen 2009,
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Andersson 2010). La vitesse est le produit de deux déterminants également important dans la performance en ski de fond : la fréquence de cycle et l’amplitude de cycle.
3.3.2 Fréquence de cycle, amplitude de cycle et performance
La fréquence de cycle (ou cadence) est un déterminant très important dans l’analyse de la performance avec la technologie GPS. Le GPS acquiert les données spatio-temporelles à une certaine fréquence; la fréquence d’acquisition du GPS combinée à la fréquence de cycle choisi par le skieur détermine la qualité des données recueillies sur le terrain. Nous approfondirons ce thème à l’aide du Théorème de Nyquist dans la section 2.2.
Dans les sports d’endurance, la fréquence de cycle est cruciale; de nombreuses études réalisées en cyclisme et course à pied ont démontrées qu’elle affecte directement le mouvement technique, l’efficacité brute et l’économie d’énergie. Plusieurs auteurs arrivent à la conclusion que très souvent, l’optimisation de la performance et de l’efficacité brute passe par la minimisation des coûts énergétiques à l’effort, donc par l’établissement de cadences optimales (Ettema 2009, Lucia 2004, Hunter 2007, Leirdal 2007). En course à pied, la cadence établie est de 80 à 90 cycles/min (1 cycle = 2 pas) selon la morphologie du coureur et le type d’épreuve. En cyclisme, les cadences optimales varient de 80 à 100 cycles/min (ou rpm) selon le type de cyclistes et de dénivelés. Pour le ski de fond, la fréquence de cycle optimale dépend de plusieurs facteurs. En effet, selon le choix du style (classique ou libre), de la technique, de la morphologie du skieur, du terrain et de son dénivelé, la fréquence optimale ne sera pas la même. En technique G3, par exemple, la choisie par les skieurs les plus efficaces se situent entre 60-70 cycles/min (1 à 1,17c/s) (Sandbakk 2010, Leirdal 2011b). En général, les choix de cadence en ski de fond s’avèrent légèrement inférieures à celles annoncées en cyclisme et course à pied.
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D’autre part, dans les sports d’endurance, on note que, pour des vitesses choisies, des fréquences de cycle «basses » conduisent à une efficacité brute supérieure comparées à des fréquences de cycle élevées. C’est le cas du cyclisme, en autre, où l’efficacité brute d’une fréquence de cycle de 80-100rpm est supérieure à celle des fréquences de cycle de plus de 100rpm (également de celle trop basse de 40-80rpm) (Lucia 2004, Leirdal 2007). Le facteur qui influence le plus la fréquence de cycle est l’accroissement de la puissance/vitesse; l’augmentation de la puissance (application de force sur les pédales) augmente légèrement la fréquence de cycle, qu’elle soit à l’origine basse, dans la zone optimale, ou élevée. En général, la puissance augmentera aussi l’efficacité brute, sauf si la fréquence de cycle devient trop élevée (Ettema 2009, Leirdal 2011a). Les mêmes constats sont faits en ski de fond. Dans une étude de Leirdal et al. (2011b) 8 skieurs de fond mâles et entrainés devaient exécutés 4 tests progressifs en ski à roulettes sur tapis roulant à 5% d’inclinaison avec la technique pas de un-patin du style libre. Pendant le test de 5min, l’athlète devait skier 1min à 10, 13 et 16km/h, puis 2min à 20km/h et sa fréquence de cycle choisie (FCC) étaient enregistrée. Au premier test, la cadence n’était pas imposée, donc libre au skieur. Pour les trois autres tests, un métronome imposait une cadence à respecter, soit une basse fréquence de cycle (=FCC-10c/min), une fréquence de cycle élevée (=FCC+10c/min) et une fréquence de cycle choisie (similaire au premier test). On conclut que l’imposition d’une fréquence de cycle élevée induit directement une diminution de la performance et de l’efficacité brute pour des vitesses choisies. En particulier, à vitesse maximale, le choix d’une fréquence de cycle élevée diminue nettement l’efficacité brute. L’efficacité brute étant calculée ici en divisant la puissance (puissance = puissance contre les forces de friction + puissance contre la gravité) par le coût métabolique (consommation d’oxygène et concentration de lactate sanguin). De même, en cyclisme, on observe qu’avec une vitesse augmentant progressivement, la fréquence de cycle augmente légèrement (Leirdal 2011a).
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Évidemment, on ne peut parler de vitesse et de fréquence de cycle sans parler d’amplitude de cycle. Ces trois paramètres sont inter-reliés, car la fréquence de cycle et la l’amplitude de cycle sont les déterminants majeurs de la vitesse, selon Nilsson et al. (2004a). L’amplitude de cycle correspond à la distance parcourue par le skieur par cycle, calculée en mètre. La relation entre la l’amplitude de cycle et la fréquence de cycle à travers différentes gammes de vitesses fait l’objet de nombreuses recherches en ski de fond. Dès le début des années 80, les recherches sur le style classique formulent des constats pratiquement similaires à la natation. Selon plusieurs auteurs, par exemple, en pas alternatif style classique, l’augmentation de l’amplitude de cycle entre en forte corrélation avec l’augmentation de la vitesse (Dillman 1979, Marino 1980, Gagnon 1980), et ce même pour des efforts très longs tel un 50 km (Bilodeau 1996). Dès l’apparition du style libre, plusieurs chercheurs utilisent également ces déterminants pour comparer la performance des skieurs « rapides » et « lents ». Malgré quelques mésententes, ces études suggèrent que les skieurs les plus performants lors des courses sont ceux ayant des longueurs de cycle plus grandes. Comme en natation, une fréquence de cycle trop élevée à vitesse maximale induit une diminution de l’amplitude de cycle, et donc de la vitesse et de la performance (Smith 1988, 1989 et 1994, Stöggl 2007a, Mikkola 2010).
Hoffman et al. (1995) arrivent à des conclusions similaires avec une étude réalisée en ski à roulette avec 8 skieurs de haut niveau, incluant 3 différentes techniques en ski à roulettes (double poussée classique, un pas double poussée classique et pas de un-patin libre) à une gamme de vitesse croissante, jusqu’à vitesse maximale (sprint). Pour les techniques étudiées, la moyenne d’amplitude de cycle entre 6,5 et 7,5m et celle de fréquence de cycle variait entre 0,6 et 0,8 Hz à travers une gamme de vitesses sous-maximales et maximales. Cette étude a démontré que l’augmentation d’une vitesse sous-maximale est directement associée à une augmentation d’amplitude de cycle et de la fréquence de cycle, sauf pour la technique de double poussée. Cependant, lors des tests progressifs atteignant des vitesses maximales, on
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observait une augmentation significative de la fréquence de cycle, mais une diminution de l’amplitude de cycle pour les trois techniques. Hoffman et al. (1995) en viennent donc à la conclusion qu’il existe des différences entre les techniques en ce qui concerne l’augmentation d’une vitesse sous-maximale sur les ajustements techniques du skieur; soit l’amplitude de cycle ou la fréquence de cycle sera altérée. Par contre, pour toutes les techniques, l’atteinte de la vitesse maximale ne peut se faire que par une augmentation de la fréquence de cycle, ce qui semble engendrer une légère « re-diminution » de l’amplitude de cycle. Donc, les ajustements de l’amplitude de cycle et de la fréquence de cycle selon la modification de la vitesse du skieur sont fonctions des gammes de vitesses analysées. Ces résultats soulèvent beaucoup de questions sur l’optimisation de la technique à vitesses sous-maximales et maximales et ouvrent le chemin à davantage d’investigations. Une étude comparable de Nilsonn et al. (2004a) réalisée avec des skis de fond sur neige corroborent les conclusions de Hoffman et al. (1995) en ski à roulettes. D’ailleurs, plusieurs autres études arrivent aux mêmes conclusions : pour qu’un fondeur puisse skier « efficacement » à différentes vitesses et dénivellations de terrain, ce dernier doit obligatoirement modifier sa technique (amplitude et fréquence de cycle) de façon appropriée afin de converser sa vitesse, que ce soit en ski de fond ou en ski à roulettes (Bilodeau 1992, Stöggl 2009, Sandbakk 2010).
Dans notre étude, les deux tests sont réalisés en ski à roulettes; le premier en style libre et le deuxième en style classique. Pour le style libre, les paramètres de cycle de la technique G3 de tous les sujets sont analysés sur trois différentes sections. La raison principale du choix de la technique G3 est la disponibilité de données de paramètres de cycle dans la littérature, beaucoup plus important que n’importe quelle autre technique style libre. Pour le style classique, les paramètres de cycle de la technique double poussée de tous les sujets sont analysés sur deux différentes sections. La technique double poussée était imposée sur tout le parcours; le test de double poussée est un bon indicateur du niveau de force/puissance musculaire du haut du corps, et il permet d’établir
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des relations entre ce dernier et le test en style libre. Les deux prochaines sections présenteront les données de paramètres de cycle (fréquence et amplitude de cycle) des techniques de double poussée (style classique) et G3 (style libre) disponibles dans la littérature.
3.3.3 Vitesse, fréquence et amplitude de cycle en double poussée
En style classique, l’optimisation de la technique double poussée est devenue cruciale pour atteindre un niveau supérieur de performance. Les skieurs de fond l’utilisent de plus en plus durant les courses, et parfois même exclusivement lors des épreuves courtes « sprint » style classique. Depuis plusieurs années, les chercheurs se penchent sur la biomécanique et les paramètres de cycle de cette technique, permettant de favoriser son développement.
Le tableau 1 présente des résultats de quatre études réalisées sur les paramètres de cycle de la double poussée sur différents terrains. On peut observer des vitesses sous-maximales variant respectivement de 11.2 à 29.5km/h à des fréquences de cycle de 0.55 à 1.04Hz et des amplitudes de cycle de 5.4 à 8.2m. On peut également observer des vitesses maximales variant de 22 à 31.7km/h à des fréquences de cycle de 1.08 à 1.23Hz et des amplitudes de cycle de 5.4 à 7.5m. Les données tirées du tableau 1 montrent une grande variance dans les résultats obtenus lors des différents tests. Toutefois, pour chacune des études, on peut observer une augmentation de la fréquence de cycle avec l’augmentation de la vitesse. De plus, on peut observer une augmentation de l’amplitude de cycle avec l’augmentation de la fréquence de cycle et de la vitesse, mise à part à vitesse maximale, où elle semble « re-diminuer » légèrement dans chacun des cas. La figure 9 illustre bien ce phénomène.
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Tableau 1. Vitesse (V, km/h), vitesse maximale (Vmax, km/h) fréquence (F, Hz) et amplitude de cycle (AC, m) en double poussée selon diverses études
Étude Terrain V (km/h) F(Hz) AC (m) Vmax (km/h) F Vmax (Hz) AC Vmax (m) Hoffman 1995 Plat Asphalte Ski Roue 14.4 ~0.62 ~6.4 22 ~1.08 ~5.7 16.2 ~0.7 ~6.6 18.4 ~0.78 ~6.7 Nilsonn 2004 Varié Neige Ski Fond 11.2 ~0.55 ~5.4 22.7 ~1.18 ~5.4 14.8 ~0.66 ~6.2 19.1 ~0.9 ~5.8 Stöggl 2009 Plat Tapis R Ski Roue 25.2 ~0.85 ~8.2 31.7 ~1.23 ~7 28.4 ~1.03 ~7.8 29.5 ~1.04 ~8 Lindinberg 2009 Plat Tapis R Ski Roue 15 ~0.69 ~6 ~29.5 ~1.08 ~7.5 21 ~0.82 ~7.1 27 ~0.98 ~7.68
Nous avons vu dans la section précédente que, pour différentes techniques, l’augmentation d’une vitesse sous-maximale était associée à une augmentation de la fréquence et de l’amplitude de cycle. La double poussée fait donc exception à la règle; une augmentation de la vitesse sous-maximale n’est pas directement associée à une augmentation d’amplitude de cycle et de la fréquence de cycle. Elle est plutôt caractérisée par une augmentation de la fréquence de cycle seulement, et non de l’amplitude de cycle. Une partie de ce phénomène, spécifique à la double poussée, serait attribuable aux contraintes techniques de cette dernière, où la propulsion est limitée à la phase propulsive des membres supérieurs seulement (Hoffman 1995, Millet 1998a, Nilsson 2004b, Stöggl 2007b). À vitesses maximales, plusieurs auteurs notent une amplitude de cycle inchangée (Nilsson 2004a) ou légèrement diminuée (Hoffman 1995, Millet 1998a, Stöggl 2007a). Ces études démontrent donc que le skieur de fond ne contrôle sa vitesse que par l’ajustement de la fréquence de cycle en technique double poussée. La double poussée en pente en est un
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autre bon exemple, où le skieur aurait tendance à augmenter drastiquement sa fréquence de cycle, en raison de la perte de vitesse que cause l’inclinaison, et ne diminuer que légèrement son amplitude de cycle (Millet 1998c). Lindinger et al. (2011) ont réalisé une étude très intéressante sur l’amplitude de cycle avec neuf athlètes d’élite en ski à roulettes. Grâce à un métronome et à un tapis roulant, des fréquences de cycle de 0.66, 1 et 1.33Hz étaient imposées aux skieurs à des vitesses de 12, 18 et 24km/h. La conclusion est que les skieurs génèrent les plus longues amplitudes de cycle à 0.66Hz qu’à 1 et 1.33Hz, de
Figure 9. Évolution de la fréquence et amplitude de cycle selon la vitesse en double poussée selon diverses études
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même qu’à 1Hz versus 1.33Hz, et ce à toutes les vitesses (les amplitudes variant de 10.04 à 2.48m). Donc, selon eux, les skieurs de fond aurait tendance à diminuer l’amplitude de cycle à des fréquences de cycle élevées, peu importe la vitesse. La relation entre la performance et l’amplitude de cycle est plutôt ambigüe, mais certains auteurs affirment que cette dernière aurait quand même une part à jouer sur la performance du skieur, même si ce dernier n’a pas tendance à l’ajuster d’instinct. En effet, il a été démontré que la performance en double poussée pouvait être améliorée au augmentant l’amplitude de cycle à vitesse élevée. Ceci serait possible grâce au développement de la puissance musculaire (Hoff 1999, Nilsson 2004b, Lindinger 2009) ou à une amélioration technique du skieur (Holmberg 2005). Bilodeau et al. (1996) notent de grandes variations d’amplitude de cycle et de fréquence de cycle en double poussée à différentes vitesses, qu’ils attribuent aussi à l’expertise technique du skieur, et à son niveau de compétition.
3.3.4 Vitesse, fréquence de cycle et amplitude de cycle en G3
Tout comme la double poussée en classique, la technique G3 est la plus étudiée en style libre en raison de sa grande utilisation durant les courses. La technique G3 est sans doute la technique la plus complexe pour le skieur..
Le tableau 2 présente les résultats de 4 études réalisées sur les paramètres de cycle de la technique G3 sur différents terrains. On peut observer des vitesses sous-maximales variant respectivement de 14.4 à 31.7km/h à des fréquences de cycle de 0.6 à 1.30Hz et des amplitudes de cycle de 4.1 à 7.2m. On peut également observer des vitesses maximales variant de 22.3 à 33.4km/h à des fréquences de cycle de 0.92 à 1.46Hz et des amplitudes de cycle de 5.4 à 7.3m. De même que pour la double poussée, les données tirées du tableau 2 montrent une grande variance dans les résultats obtenus lors des différents tests. En technique G3, la plupart de ces études ont démontrées qu’une
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Tableau 2. Vitesse (V, km/h), vitesse maximale (Vmax, km/h) fréquence (F, Hz) et amplitude de cycle (AC, m) en technique G3 selon diverses études
Étude Terrain V (km/h) F(Hz) AC (m) Vmax (km/h) F Vmax (Hz) AC Vmax (m) Hoffman 1995 Plat Asphalte Ski Roue 14.4 ~0.6 ~6.6 22.3 ~0.92 ~6.7 16.2 ~0.64 ~7 18.4 ~0.69 ~7.2 Nilsonn 2004 Varié Neige Ski Fond 13.3 ~0.7 ~5.6 25.9 ~1.28 ~5.4 16.9 ~0.84 ~5.7 22 ~1.14 ~5.6 Stöggl 2009 Plat Tapis R Ski Roue 25.2 ~1.03 ~6.8 33.4 ~1.46 ~6.5 28.4 ~1.15 ~7 31.7 ~1.30 ~6.6 Anderson 2011 Varié Neige Ski Fond Mont. 16.7 ~1.24 ~4.1 Plat 29.7 ~1.14 ~7.3 Mont. 19.22 ~1.26 ~4.3 Plat 28.2 ~1.3 ~6.1
Figure 10. Fréquence et amplitude de cycle en fonction de la vitesse en technique G3 selon diverses études
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augmentation de la vitesse induit directement une hausse de la fréquence de cycle (Hoffman 1995, Nilsonn 2004a, Stöggl 2009, Andersson 2010). La figure 10 montre l’évolution de la fréquence et amplitude de cycle selon l’augmentation de la vitesse en technique G3.
Selon Nilsson et al. (2004a), la fréquence de cycle serait doublée (approximativement) d’une vitesse basse à une vitesse élevée. Pour ce qui est de l’amplitude de cycle, la relation avec la vitesse est plus ou moins claire ; ces derniers n’observent aucun changement significatif d’une vitesse basse à une vitesse maximale. Ils concluent donc que les variations de l’amplitude de cycle en technique G3, comme chez les autres techniques classiques et libres, dépendent de l’augmentation de la fréquence de cycle en adaptation à l’augmentation de la vitesse. Cette conclusion ne fait cependant pas l’unanimité; Leirdal et al. (2011b) concluent que pour une vitesse (20km/h) et fréquence de cycle (1,17Hz) élevée imposée en technique G3 sur tapis roulant, l’efficacité brute (puissance en watts) et la performance était significativement réduite. Selon eux, la meilleure stratégie pour le skieur semble être l’auto-ajustement de la technique afin de maximiser l’efficacité brute et la performance globale. À vitesse maximale, Stöggl et al. (2009) concluent qu’en technique G3, les skieurs de fond utilisent des stratégies contraires pour maintenir la vitesse, contrairement à la double poussée où tous semblent opter pour les mêmes ajustements de la fréquence et amplitude de cycle.
En montée, par contre, les skieurs de fond semblent opter pour une stratégie similaire en technique G3. En effet, selon Andersson (2010), ces derniers optent pour une augmentation de la fréquence de cycle et une diminution de l’amplitude de cycle, dont la phase « propulsive » relative est plus longue et la phase de « glisse » relative raccourcie. Stöggl et al. (2008) nomment cette modification technique « G3 double poussée ». Cette dernière serait utilisée par les skieurs les plus performants dans les montées abruptes, car elle permet une production de force plus élevée (comparée à la technique G3 traditionnelle). Le
