Évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique -SIMMEA (Poitiers)

Secteur de recherche : Biomécanique et bio-ingénierie

Présentée par : Julien Bernard

Évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste

Directeur(s) de Thèse : Patrick Lacouture, Arnaud Decatoire Soutenue le 25 juin 2015 devant le jury Jury :

Président Simon Bouisset Professeur émérite, Université de Paris Sud Rapporteur William Bertucci Maître de conférences, Université de Reims Rapporteur Juan-Lopez Garcia Profesor, Universidad de León

Membre Patrick Lacouture Professeur des Universités, Université de Poitiers Membre Arnaud Decatoire Ingénieur de recherche, Université de Poitiers Membre Frédérique Hintzy-Cloutier Maître de conférences, Université de Savoie

Pour citer cette thèse :

Julien Bernard. Évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste [En ligne]. Thèse Biomécanique et bio-ingénierie. Poitiers : Université de Poitiers, 2015. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>

pour l’obtention du Grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

Ecole Doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique

Secteur de Recherche : Biomécanique et Bio-Ingénierie

Présentée par :

Julien BERNARD

Evaluation du profil biomécanique du coureur cycliste

Directeur de thèse : Patrick LACOUTURE Co-encadrant de thèse : Arnaud DECATOIRE

Soutenue le 25 juin 2015 devant la Commission d’Examen

Jury

Rapporteurs :

William Bertucci, Maître de conférences, HDR, Université de Reims Juan-Lopez Garcia, Professeur des universités, Université de Léon Examinateurs :

Frédérique Hintzy, Maitre de conférences, Université de Savoie Simon Bouisset, Professeur émérite, Université de Paris Sud

Patrick Lacouture, Professeur des universités, Université de Poitiers Arnaud Decatoire, Ingénieur de recherche, Université de Poitiers

Remerciements

Cette thèse a été réalisée au sein de l’équipe Robotique Biomécanique Sport et Santé

du département « Génie Mécanique et Systèmes Complexes » de l’institut Pprime (UPR

3346). Je remercie Yves GERVAIS, Directeur de Pprime et Said ZEGLHOUL, Directeur du

département, de m’avoir accueilli dans le laboratoire.

Ce travail n’aurait pu avoir lieu sans le financement accordé à l’équipe par l’Agence

Française de Lutte contre le Dopage et complété par l’Europe à travers le programme

opérationnel FEDER Poitou-Charentes, qui a également accompagné ce projet de recherche.

J’exprime ici toute ma gratitude aux personnes qui nous ont fait confiance.

Je témoigne ma reconnaissance aux membres du jury, Mme Frédérique Hintzy, Mrs William Bertucci, Juan-Lopez Garcia et Simon Bouisset, pour avoir accepté de participer au

jury montrant ainsi l’intérêt qu’ils portaient à ce travail de thèse.

Je remercie également le Docteur Marie-Carol Paruit, ses collaborateurs Daniel Cornu

et Sylvain Louvet sans oublier l’équipe paramédicale de l’Institut Régional de Médecine du sport des Pays de la Loire, sans qui ce travail n’aurait pas pu se réaliser dans toute sa dimension scientifique que l’on souhaitait lui apporter.

Je remercie, bien entendu, les cyclistes de l’équipe Vendée U qui ont bien voulu

participer aux expérimentations dans le cadre de leur suivi médical.

Mes plus grands remerciements vont à Patrick Lacouture et Arnaud Decatoire. Avec

Patrick, l’histoire a débuté il y a plus de 5 ans, alors que je n’étais qu’un jeune étudiant en master. Il m’a fait découvrir la recherche et m’a fait partager sa passion pour celle-ci. Je n’oublierai pas les heures passées à lire des courbes, à en comprendre le sens et surtout « d’où

ça vient ?». Sa confiance, ses questionnements, sa finesse de lecture et de compréhension, sa

Avec Arnaud, que d’heures passées devant les lignes de codes, à préparer des

expérimentations qui fonctionnent et à répondre à mes nombreuses - le terme est faible - questions. Sa méthodologie, sa rigueur et sa maitrise de MatLab ont été des atouts majeurs dans la réalisation de ce travail.

Merci aux membres de l’équipe du labo : Laëtitia, Tony, Mathieu D, Floren, Khalil,

Vincent, Franco, Sébastien, Arsène, Mathieu M, Alexis, Mathias et David, pour nos

conversations, vos conseils et votre écoute si précieux. Mais surtout à Chris pour m’avoir

transmis ses connaissances expérimentales et mis sur les bons rails.

Je remercie aussi les « potes du hand », surtout le noyau dur : les Betoulle, la grande

famille des Repoussard, les Touzeau, Rapha, … Sans forcément comprendre le pourquoi et le

comment de mon travail, vous m’avez permis de décompresser le week-end.

Je remercie également ma famille et surtout mes parents. Vous avez toujours cru en

moi, vous m’avez poussé. Ce travail est aussi le fruit de vos encouragements et de votre

amour.

Table des matières

Remerciements

5

Table des matières

7

Notation

11

Avant-propos

15

Chapitre I : Revue de littérature

I-1 La performance sportive 19

I-1.1 L’analyse biomécanique de la performance en cyclisme 20

I-1.2 Objectifs des travaux 26

I-2 L’analyse biomécanique du cyclisme en laboratoire 28

I-2.1 La mesure des interactions entre le cycliste et la bicyclette 30

I-2.2 Les différents tests d’évaluation du cycliste 33

I-2.3 Le choix de la cadence de pédalage 39

Chapitre II : Méthodologie de la recherche

II-1 Le choix et pertinence des outils de mesures retenus 43

II-1.1 L’ergocycle et les capteurs associés 45

II-1.2 Le système cinématographique 50

II-1.3 La synchronisation des signaux 51

II-2 La validation des capteurs I-Crankset 52

II-2.1 La méthode 53

a. Matériel 54

b. Protocole 55

c. Acquisition des données 55

d. Analyse statistique 56

II-2.2 La comparaison des couples 57

II-2.3 La comparaison des vitesses angulaires 60

II-2.4 La comparaison des puissances mécaniques externes 61

II-2.5 La comparaison des travaux mécaniques externes 68

II-2.6 Le bilan 69

II-3 Les modèles biomécaniques retenus 73

II-3.1 Le choix du référentiel global 73

II-3.2 La modélisation du cycliste 75

Chapitre III : Analyse biomécanique du mouvement de pédalage

III-1 Etude de la force produite à la pédale 82

III-1.1 Revue de littérature 82

III-1.2 Proposition théorique de la provenance de la force à la pédale. 88

III-2 Analyse énergétique mécanique du mouvement de pédalage 94

III-2.1 Revue de littérature 94

III-2.2 Cadre théorique du calcul des efforts et puissances articulaires 98

III-2.2.1 Les données initiales 99

III-2.2.2 Evaluation des efforts articulaires nets par dynamique inverse (récurrence ascendante). 100 a. Principe de calcul 101 b. Calcul de 0 1 i i S S_

F , force articulaire nette en Ai dans R0 101

c. Calcul de ( ) i i i S S A _1 0 F

M , moment articulaire net en Ai dans R0 102

d. Calcul dePA_i, puissance articulaire nette à l’articulation Ai, dans R0 103

e. Les outils statistiques utilisés 104

III-3 Analyse des puissances instantanées mises en jeu en cyclisme et

application du théorème de l’énergie cinétique.

106

III-3.1 Expression littérale des puissances externes 106

III-3.2 Expression de l’énergie cinétique totale, ScE_{CT du système S}

c 107

III-3.3 Expression littérale de la puissance SvP(_Fint)_{des efforts internes au système}

Sc

108

III-3.4 Le théorème de l’énergie cinétique au système Sc 108

III-3.5 Réflexions sur une proposition simplifiée de calcul de la puissance produite par le cycliste.

109

Chapitre IV

: Effet d’un test incrémentiel sur le mouvement de

pédalage

IV-1 Le protocole expérimental 112

IV-2 Relation entre la technique de pédalage et la production de force à la pédale

115

IV-2.1 Analyse des contributions des poids et des quantités d’accélération des

segments : cuisse, jambe, pied et haut du corps.

117

IV-2.1.1 Contribution des cuisses 117

IV-2.1.2 Contribution des jambes 122

IV-2.1.2 Contribution des pieds 125

IV-2.1.3 Bilan des contributions des membres inférieurs 128

IV-2.1.4 Contribution du haut du corps 129

IV-2.2 Analyse des contributions des forces d’interaction selle/bassin,

cintres/mains.

132

IV-3 L’approche énergétique 139

IV-3.1 Rappel du contexte expérimental 139

IV-3.2 Analyse des puissances mécaniques externes 141

IV-3.3 Analyse de la cinématique articulaire 146

a. Les angles articulaires 146

b. Analyse des vitesses articulaires 149

IV-3.4 Analyse de la dynamique interne : couple et puissance articulaire 151

a. Les couples articulaires 151

b. Les puissances articulaires 154

Conclusion générale et perspective

165

Communications personnelles

171

Bibliographie

173

Annexe A :

Evaluation du moment et de la puissance exercés au pédalier, calculé en

C3 dans R0

184

Annexe B1 :

Puissance mécanique externe droite, gauche et totale 191

Annexe B2 :

Angles articulaires de la hanche, genou et cheville du côté droit 202

Annexe B3 :

Vitesses articulaires de la hanche, du genou et de la cheville du côté droit

213

Annexe B4 :

Couples articulaires de la hanche, du genou et de la cheville du côté droit

224

Annexe B5 :

Puissances articulaires de la hanche, du genou et de la cheville du côté droit

235

Annexe B6 :

Indice de contribution articulaire 246

Notations

R_{0 {O ; X0 ; Y0 ; Z0}} Référentiel lié à l’ergomètre

R _{Ci {Ci ; XCi ; YCi ; ZCi}} Référentiel lié au capteur i

1 → Pédale droite 2 → Pédale gauche 3 → Manivelles 4 → Cintre droit 5 → Cintre gauche 6 → Selle

R _{i {Ai ; Xi ; Yi ; Zi}} Référentiel lié au segment i centré à l’extrémité distale A

R_Vicon Référentiel lié au système de capture de mouvement Vicon

t Temps (s)

Si {mi ; Gi ; iI} Segment i, de masse m, de centre de masse G et de matrice

d’inertie I 1 → Pied droit 2 → Jambe droite 3 → Cuisse droite 4 → Pied gauche 5 → Jambe gauche 6 → Cuisse gauche 7 → Pelvis 8 → Tronc 9 → Main droite 10 → Avant-bras droit 11 → Bras droit 12 → Main gauche 13 → Avant-bras gauche 14 → Bras gauche 15 → Tête

Matrice d’inertie du segment i calculée en j, exprimée dans

le repère R k

i Є {S1 à S15}

j Є {G1 à G15}

Force d’action du capteur i sur le segment j exprimée dans le

repère R k

i Є {1 ; 2 ; 4 ; 5 ; 6} j Є {1 ; 4 ; 7 ; 9 ; 12} k Є {C1 à C6 ; 0 à 15}

Force d’action du segment i sur le segment j exprimée dans

le repère R k

i Є {1 à 15} j Є {1 à 15} k Є {1 à 15}

UtF, NpF Force utile, Force non-propulsive

3 j i C S C Eq  F , 3 i C G Eq a i m , 3 i C G Eq g i

m Force, quantité d’accélération et poids équivalents utiles

Fext, Fint Somme des forces externes et internes au système étudié

Moment en i du segment k sur le segment m exprimé dans le

repère R j

i Є {C1 à C6 ; A1 à A15} j Є {C1 à C6 ; 1 à 15}

k Є {1 à 15} m Є {1 à 15}

Moment en i d’action du capteur k sur le segment m exprimé

dans le repère R j i Є {C1 à C6 ; A1 à A15} j Є {C1 à C6 ; 0 à 15} k Є {1 ; 2 ; 4 ; 5 ; 6} m Є {1 ; 4 ; 7 ; 9 ; 12} 0 3 C

M ou Couple SRM Moment résultant exercé au pédalier exprimé dans R 0 ou

directement mesurer par le système SRM

ou Matrice de passage du repère R i au repère R j

i Є {0 ; C1 à C6 ; 1 à 15}

j Є {0 ; C1 à C6 ; 1 à 15}

Moment cinétique du segment i calculé en j, exprimé dans le

repère R k

i Є {S1 à S15}

j Є {G1 à G15}

k Є {0 à 15}

Vitesse angulaire du segment i calculée en j, exprimée dans

le repère R k

i Є {S1 à S15}

j Є {G1 à G15}

Vitesse angulaire intersegmentaire exprimée dans R0 (entre

le segment Si-1 et Si)

OGi Position du centre de gravité segmentaire Gi dans le

référentiel R0

Vitesse du centre de gravité segmentaire Gi dans le

référentiel R0

Accélération du centre de gravité segmentaire Gi dans le

référentiel R0

Omd et Omg Intersections de l’axe des pédales droite et gauche avec les

manivelles droite et gauche

Position du centre articulaire Ai dans le référentiel R0

Vitesse du centre articulaire Ai dans le référentiel R0

P Poids du système

P ; Pmext totale ; PmextD ;

PmextG ; Pi

Puissance, Puissance mécanique externe totale, Puissance mécanique externe droite, Puissance mécanique externe

gauche, Puissance à l’articulation i

CT c S

E Energie cinétique totale du système cycliste

int

E_C

S_c

,Sc_ECext Energie cinétique interne et externe au système étudié

Travail des forces externes appliquées au système étudié

Γ Torseur des efforts (forces et moments)

max 2

VO Consommation maximale d’oxygène

k ip

CMC Coefficient multiple de corrélation inter-protocole calculé

Avant-propos

Les problématiques scientifiques qui étudient la biomécanique du mouvement de

pédalage en cyclisme ont fait et font toujours l’objet de nombreux travaux. Il suffit d’entrer

les mots clés dans les divers moteurs de recherche pour constater le nombre important

d’articles scientifiques et techniques portant sur cette thématique. Ces travaux touchent de nombreux domaines, technologique par exemple pour l’amélioration du matériel qui a

considérablement évolué (légèreté, rigidité, forme, profilé, etc.), physiologique pour

l’amélioration des capacités physiques, l’évaluation des paramètres physiologiques et des

rendements énergétiques en fonction des styles de pédalage (position assise, en danseuse, par

exemple) et biomécanique pour l’expertise en particulier de l’efficacité de mouvement de

pédalage. Le travail présenté s’inscrit dans ce dernier champ scientifique : la biomécanique du

mouvement.

Depuis quelques années, le laboratoire RoBioSS au sein duquel j’ai effectué ces

travaux de thèse, a investi depuis 2001, la problématique du cyclisme à travers le déroulement de trois thèses. La première portée par A. Riquet, (Riquet [2001]) a proposé une étude critique des tests de type charge-vitesse exécutés sur ergocycle. Ces travaux ont montré, en particulier, les écarts entre les puissances mécaniques externes développées au pédalier et celles retenues

lors de ces tests assimilées à la puissance exercée sur la roue d’inertie des ergocycles de type

Monark, par exemple. Ces travaux ont proposé également une méthode expérimentale afin de

caractériser mécaniquement ces ergocycles en évaluant les moments de frottement et d’inertie

de la roue et le coefficient de friction. La seconde thèse (Boucher [2005]), compte tenu de la

nécessité de mesurer distinctement les efforts générés aux pédales, s’est orientée sur la mise

en point d’une chaine de mesure dynamométrique. Ce travail a conduit à la création de la

société SENSIX spécialisée dans la mise au point de capteurs et des plateformes de force de

haute précision. La dernière thèse soutenue (Louvet [2007]) s’est centrée sur le couplage entre

les différents paramètres mécaniques, physiologiques et respiratoires au cours d’un test de

La poursuite de ces travaux dans l’analyse biomécanique du mouvement de pédalage a bénéficié de l’opportunité d’un appel à projet, porté par l’Agence Française de la Lutte contre le Dopage (AFLD), et initié par le groupe de travail de l’agence « Biomécanique et

physiologie énergétique » dont les objectifs est de « [SIC] se réarmer vis-à-vis du dopage en

adoptant des démarches qui se veulent originales et concrètes, notamment en se plaçant du

point de vue de l’entourage scientifique de sportifs dopés. Il s’agit de passer de la suspicion à

la preuve, en questionnant la notion des limites physiologiques humaines et de leur dépassement » en se focalisant sur le thème « [SIC] Travail, puissance et rendement énergétique et Expérimentation.».

En réponse à cet appel à projet, nous avons déposé un programme de recherche qui a été

retenu par la commission scientifique de l’agence. L’objectif général du programme est l’évaluation du profil biomécanique du coureur cycliste par mesures en laboratoire, puis in situ. Il s’agissait d’aborder les questions d’une part, sur la compréhension du mouvement de pédalage et d’autre part, sur l’évaluation énergétique mécanique selon le protocole des tests établi par la Fédération Française de Cyclisme pour l’obtention de la licence de cyclisme.

Ces deux grandes questions ont animé le déroulement des travaux de thèse et constituent les chapitres III et IV de ce mémoire. Ces deux chapitres présentent une revue de littérature qui leur est propre.

Ainsi, nous proposons d’organiser ce mémoire de la manière suivante. Le premier chapitre est

consacré à une revue de littérature centrée sur l’analyse de la performance en cyclisme en se

limitant, au regard de notre étude, aux aspects biomécaniques de la performance, aux mesures des interactions cycliste/vélo et aux choix des protocoles de tests. Le chapitre II présente la méthodologie retenue en précisant les outils de mesure, les modèles cinématiques et dynamiques retenus. Une validation des capteurs utilisés pour évaluer les grandeurs dynamiques exercées au pédalier (couple, puissance mécanique) est discutée. Le troisième

chapitre est une contribution théorique sur l’analyse biomécanique du mouvement de pédalage évaluée en termes de forces produites à la pédale et d’énergies mécaniques

produites. Le chapitres IV aborde, sur la base des éléments théoriques proposés au précédent

chapitre, deux études de cas. La première présente, à partir d’un exemple, une évaluation

quantitative des contributions des quantités d’accélération segmentaires, du poids des segments et des forces d’interaction selle/bassin et cintre/mains aux forces produites aux

pédales ; une interface permettant d’interpréter les résultats est proposée qui pourrait être une

aide au réglage d’une posture optimale du cycliste. La seconde étude analyse l’influence du

test incrémental sur le profil biomécanique énergétique des cyclistes ; deux cyclistes sont

analysés et l’ensemble des résultats est présenté en annexe. Des conclusions partielles à

chacun de ces chapitres sont proposées. Enfin, ce dernier est finalisé par une conclusion

générale et des perspectives possibles à court et moyen termes compte tenu de l’évolution

C

hapitre I

Revue de littérature

Sommaire

I-1 La performance sportive

I-1.1 L’analyse biomécanique de la performance en cyclisme I-1.2 Objectif des travaux

I-2 L’analyse biomécanique du cycliste en laboratoire

I-2.1 La mesure des interactions entre le cycliste et la bicyclette

I-2.2 Les différents tests d’évaluation du cycliste

I-2.3 Le choix de la cadence de pédalage

I-1. La performance sportive

Lorsque l’on questionne les sportifs sur leur performance, leur réponse se présente le

plus souvent sous la forme d’un classement, d’un temps ou d’une distance parcourue, données

codifiées par les règlements fédéraux. Platonov V.N. (1984) définit la performance sportive

comme étant « les possibilités maximales d'un individu dans une discipline à un moment

donné de son développement ». Cette définition fait référence à trois principaux éléments ; le

premier d’entre eux implique les capacités maximales qu’un individu peut solliciter, ainsi «

[…] On peut parler de performance, quel que soit le niveau de réalisation, dès l’instant où

l’action optimise le rapport entre les capacités physiques d’une personne et une tâche

sportive à accomplir» [Billat V., 2003]. En d’autres termes, la performance doit prendre en

compte l’individu et ne pas se limiter seulement à son classement ; ainsi, réaliser un 10km en

course à pied en 45mn peut être une performance pour certains coureurs car elle sollicite de

manière optimale leurs capacités, ce qui n’est pas forcément le cas pour d’autres coureurs. Le

second élément concerne la discipline sportive ; ainsi, la performance doit aussi prendre en compte le contexte de sa réalisation, à savoir la discipline et les conditions matérielles avec

lesquelles le sujet évolue ; conditions qui peuvent induire de fortes contraintes. Enfin, le

troisième élément fait état du développement de l’individu à un instant donné, qui, de manière

générale, s’appuie sur les transformations psychomotrices, physiologiques et

anthropométriques qui évoluent tout au long de la vie. Nous pouvons aussi inclure à ce niveau

de discussion la notion d’entrainement, et à travers elle, l’identification des paramètres à

optimiser que l’entraineur cherche à perfectionner, à modifier ou simplement à entretenir.

Cela est résumé dans les propos tenus par Weineck [Weineck, 1997]: « La capacité de

performance sportive représente le degré d'amélioration possible d'une certaine activité motrice sportive et, s'inscrivant dans un cadre complexe, elle est conditionnée par une pluralité de facteurs spécifiques ». La performance est effectivement le résultat d’un

processus complexe, impliquant différents paramètres, qu’ils soient physiques,

physiologiques, psychologiques, tactiques ou encore technologiques. Cet aspect multifactoriel de la performance rend son analyse scientifique particulièrement délicate. Dans ce contexte, nous faisons le choix de limiter la notion de performance au fait que le sujet soit capable de réaliser la tâche imposée par un test, par exemple. Par ailleurs, la démarche scientifique

impose, pour étudier l’influence de tel ou tel facteur sur la performance, de pouvoir fixer les

autres paramètres dans la mesure du possible ; cela nous conduira à préciser les conditions expérimentales retenues au cours de ce travail.

Qu’en est-il de la performance en cyclisme ? Afin d’aborder cette question, nous

proposons, d’un point de vue biomécanique, de présenter, au paragraphe suivant, les enjeux

théoriques et expérimentaux indispensables à l’analyse de la performance en cyclisme afin

d’identifier les différents paramètres mis en jeu.

I-1.1 L

’analyse biomécanique de la performance en cyclisme

Comme pour toute activité humaine, la principale source d’énergie en entrée provient

du métabolisme suite à une succession de réactions physico-chimiques mettant principalement

en jeu les apports d’oxygène, de glucide et de lipide. Sans entrer dans les détails, ces réactions produisent des moles d’adénosine triphosphate (ATP), qui en libérant de l’énergie, permettent la contraction musculaire, et ainsi la mise en mouvement des segments corporels. L’énergie

mouvement par les muscles aussi appelés les actionneurs. Plusieurs approches permettent

d’accéder au calcul de cette énergie mécanique de sortie. Ce point est discuté aux chapitres III

et IV de ce mémoire.

Ainsi, par ce processus énergétique, le cycliste bénéficie d’une source d’énergie en

entrée fournie par le métabolisme indispensable pour mettre en action les groupes musculaires qui mobilisent principalement les membres inférieurs, mouvements qui peuvent être analysés sur la base de modèles cinématique et dynamique et caractérisés, par exemple, en évaluant les puissances articulaires. Le cycliste peut alors délivrer une puissance mécanique restituée au pédalier pour déplacer le système « cycliste et bicyclette ».

Tout d’abord, il est important de spécifier le système étudié qui peut être uniquement

la bicyclette Sv ou le couple « cycliste + bicyclette» noté Sc+v.

La figure 1 représente l’ensemble des efforts, internes et externes au système Sc+v

indispensables pour produire le mouvement.

Figure 1 : Efforts internes (bleu) et externes (rouge) qui s’exercent sur le système « cycliste + vélo ». Aux efforts internes doivent être ajoutés les efforts articulaires nets non représentés

Nous trouvons pour les efforts externes :

- le poids du cycliste noté P appliqué au centre de gravité du cycliste ; _c0

- le poids de la bicyclette noté P appliqué au centre de gravité de la bicyclette ; _v0

- la force de trainée aérodynamique notée F_aéro0 _c appliquée au centre de gravité du cycliste ;

- la force de trainée aérodynamique notée F_aéro0 _v appliquée au centre de gravité de la bicyclette ;

- les forces de résistances au roulement appliquées aux contacts roue/sol notées 0

R₁

F et

0 R₂

F qui se décomposent respectivement, sur les roues arrière et avant, en forces

normales au sol, N0R1 et 0 R2 N et tangentielles au sol : _R0 1 T et _R0 2 T . Ces forces

dépendent du type de sol, de pneu et de leur pression et de leur taux d’usure.

- les forces d’adhérence ou forces motrices, actions du sol sur les roues, notées :

0 m₁

F et 0

m₂

F , résultat des forces produites par le cycliste sur les pédales.

Pour les efforts internes :

- les efforts exercés aux interactions guidon/mains se définissent par le torseur

ma ins / Guidon

Γ associant la résultante des forces et des moments de ces forces ;

- les efforts exercés au niveau du selle/fesses définis par Γ_selle/fesses ;

- les efforts exercés par les pédales droite et gauche sur les pieds définis par le torseur

pieds / péda les

Γ . Les pieds sont bloqués dans les pédales par l’intermédiaire des cales

automatiques. 1 1 1 C S C  F et 2 4 2 C S C 

F sont les forces d’action des pédales sur les pieds. Ces forces sont mesurées dans le référentiel propre à chaque capteur pédale ; Elles sont projetées dans le référentiel de la manivelle, pour obtenir les 3 composantes : transverse, radiale et normale à la manivelle. Seules les composantes normales créent

respectivement un couple du côté doit et gauche par rapport à l’axe du pédalier et in

- les efforts articulaires, forces et moments articulaires caractérisés par les forces de

contact os/os, les forces dues aux éléments passifs (ligaments) et les forces

musculaires et les moments de ces forces par rapport à l’axe de rotation de chaque

articulation. Ces efforts articulaires globalisés, aussi appelés efforts articulaires nets

peuvent être évalués soit dans R₀, soit dans le référentiel associé à l’articulation

considérée notée R_i.

Pour aller plus loin dans l’analyse, nous proposons des simplifications et quelques

hypothèses facilitant la formulation des différentes interactions entre les deux systèmes, cycliste et bicyclette et les milieux environnants. Ainsi, le centre de gravité du système étudié,

Sc+v, peut être confondu avec celui du cycliste, la masse de ce dernier pouvant être 7 à 10 fois

supérieure à celle de la bicyclette. Ainsi, nous résumons les interactions suivantes à travers les

forces globales de résistance et motrices au système Sc+v :

- la force globale résistante F composée de : _r0 o _{la force aérodynamique} 0

aéro

F qui s’oppose au déplacement du système Sc+v et

qui globalise les forces F_aéro0 _cet F_aéro0 _v ;

o _{la projection du poidsPc}0_{v, appliqué au centre de gravité de Sc+v,}qui s’oppose également au déplacement lors d’une montée éventuelle de pente d’angle ,

telle queP_c0_v mgsin ;

o _{les résistances globales aux roulements des pneus sur la route, caractérisées par}

0 R

T .

- les forces d’adhérence ou motrices : ces forces motrices, rapportées à la force motrice

résultante F (F_m0 igure 2), s’opposent à la force globale résistanteF . _r0

Ainsi selon le PFD, la quantité d’accélération globale du système Sc+v, ma0G_cvest

égale, à chaque instant, au bilan des forces motrices et résistives, soit F et _m0 F : _r0

0 G 0 r 0 mF ma _cv F

Pour les efforts internes :

Les efforts internes peuvent être calculés par la procédure de calcul de dynamique inverse en ce qui concerne les forces et moments articulaires. Ces efforts représentent les forces nettes et les moments nets calculés aux articulations qui interviennent dans les équations de la

dynamique – résultante dynamique et du moment dynamique – connues sous le nom

d’équations de Newton-Euler, appliquées au système « cycliste ».

En résumé, la figure 2 présente les différentes interactions en prenant en compte les simplifications discutées précédemment.

Figure 2 : En tenant compte des simplifications et hypothèses formulées, présentation des

efforts internes (bleu) et externes (rouge) qui s’exercent sur le système « cycliste + vélo ». Aux

efforts internes doivent être ajoutés les efforts articulaires nets non représentés sur la figure.

En résumé et de manière très générale, la tâche de pédalage peut être définie ainsi: sur

route, le cycliste doit produire une force motrice pour communiquer au système Sc+v une

vitesse de déplacement. Cette force motrice résultante F _m0 créée par l’intermédiaire des forces

produites aux pédales, s’oppose donc à la résultante de l’ensemble des forces résistantes 0 r

En conséquence, l’analyse biomécanique de la performance consisterait, à minima, à

évaluer, en situation écologique, l’ensemble de ces paramètres. Toutefois, cette analyse ne se

limite qu’aux conséquences sans atteindre les causes du mouvement que sont les efforts

générés par les actionneurs, ici les muscles. Par ailleurs, l’évaluation sur le terrain de la

pratique sportive reste difficilement réalisable au regard des exigences tant théoriques

qu’expérimentales ; malgré tout, elle reste un enjeu de premier ordre avec de forts potentiels

de développement, compte tenu de la miniaturisation des capteurs, du transfert sans fil des

données et des capacités de stockage. Aussi, en attente de ces développements, l’essentiel des

études réalisées sur le cyclisme se déroulent en laboratoire, ce qui, bien entendu, élimine les

contraintes environnementales et limite l’expertise de la performance.

Compte tenu de l’aspect multifactoriel qui caractérise l’analyse biomécanique de la performance, de nombreuses études ont été réalisées sur cette problématique scientifique. Bini (Bini [2013a], Bini [2014]), propose une revue de littérature relativement complète sur ces

travaux dont la finalité est pour la plupart d’améliorer la force produite à la pédale aussi bien d’un point de vue de son intensité que de son orientation par rapport à la manivelle. Ainsi,

certains travaux s’intéressent aux aspects instrumentaux pour la mesure soit des forces générées aux pédales, soit du couple et de la puissance mécanique externe produite au

pédalier (Hull [1981], Gregor [1994], Alvarez [1996], Nabinger [2002]). D’autres études se

focalisent sur la relation entre le coût énergétique et la technique de pédalage, ceci pour améliorer l'interaction entre les cyclistes et leurs vélos pour une meilleure performance. L’objectif est une utilisation optimale de la force appliquée aux pédales, guidon et selle afin

d'améliorer la vitesse du système Sc+v pour un coût énergétique minimum (Soden [1979], Bini

[2013], Bini [2012], Dorel [2009], Korff [2007]). Sanderson [2003] étudie l’effet de la fatigue

sur la force produite à la pédale, la puissance externe, la cinématique et les couples articulaires ; il conclut que les coureurs sont devenus moins efficaces pendant la phase de remontée de la pédale, ce qui les conduit à augmenter la production de forces pendant la phase de propulsion pour maintenir une intensité de puissance. Rossato et Sanderson (Rossato

[2008], Sanderson [1991]) évaluent l’effet de la cadence de pédalage. Rossato montre que les

faibles cadences semblent plus efficaces dans la phase de remontée alors que pour une

cadence de pédalage librement choisie, l’indice d’efficacité est meilleur dans les phases

propulsives. Sanderson, quant à lui, montre que pour tous les coureurs, la force normale à la pédale augmente lorsque la cadence diminue alors que la force tangentielle reste constante.

D’autres sujets d’étude portent sur l’évolution des puissances articulaires en fonction de l’augmentation de la charge résistive (Elmer [2011], Grappe [2009]) ; certains travaux

analysent l’effet d’un paramètre sur la valeur des puissances articulaires, comme Bini (Bini

[2009], Bini [2012]) qui évalue les conséquences d’un recul de la selle sur l’intensité des

puissances développées aux genoux. Ces études sont réalisées majoritairement en 2D.

Notre volonté n’est pas ici d’établir une liste exhaustive des études réalisées. Mais le

constat qui peut être fait est qu’il est difficile d’établir un consensus à partir d’une approche

phénoménologique des questions ; l’une des principales raisons est que les modèles

cinématique et dynamique du cycliste restent encore du domaine de l’élaboration et de leur

validation. Si le développement de logiciels comme « AnyBody » ou « Open Sim » sont

relativement avancés pour évaluer les forces musculaires pour l’étude de la marche, leur

intégration au mouvement de pédalage reste encore insuffisante pour pouvoir établir les relations mathématiques validées faisant le lien direct entre les causes : forces musculaires et les conséquences : forces produites aux pédales.

I-1.2 Objectifs des travaux

Nous avons eu l’occasion de présenter, dans l’avant-propos de ce mémoire de thèse, le

contexte général du travail. L’objectif est de répondre à une question, formulée par le groupe

de travail de l’Agence Française de la Lutte contre le Dopage à savoir, proposer un mode

opératoire permettant d’évaluer le profil énergétique mécanique du coureur cycliste et d’en

établir un suivi longitudinal.

Préalablement au développement de cette question centrale qui est l’évaluation du

profil énergétique mécanique, nous avons, comme dans toute démarche scientifique, procédé

à la validation de la station expérimentale puisqu’elle met en œuvre, de manière synchrone,

plusieurs dispositifs de mesure, de l’acquisition de 16 signaux analogiques à la capture du

mouvement de pédalage. Ce travail est présenté au chapitre II.

Cette étape de validation franchie, nous disposons d’une station de mesure de mouvement de pédalage particulièrement performante qui nous permet d’aborder les concepts

énergétiques rencontrés dans le mouvement de pédalage, mais aussi de répondre à une question très peu traitée dans la littérature qui porte sur la production de la force sur la pédale.

Ce questionnement peut paraitre surprenant dans la mesure où les travaux de recherche

portant sur l’optimisation de la performance en cyclisme sont légions. Bien entendu ce

questionnement fait référence aux analyses posturales du cycliste et dans ce domaine, les structures professionnelles proposant leur service sont également nombreuses. Pour autant,

nous nous sommes aperçus, à la lecture d’une bibliographie relativement conséquente, et nous

préciserons cela dans les chapitres III et IV, que l’expression de la force n’était pas reliée d’un point de vue mathématique, d’une part à la cinétique du mouvement des membres inférieurs et d’autre part, aux efforts créés au niveau des appuis mains et fesses respectivement au

guidon et à la selle. La plupart des travaux réalisés sur ce point essaient de montrer les

conséquences d’un phénomène, comme la fatigue, le réglage du vélo, l’intensité de la charge

résistive sur la force mesurée à la pédale à travers des traitements statistiques sans chercher à

modéliser la production de cette force. Qu’est ce qui crée la force à la pédale ? Quel rôle joue

la jambe dans la phase de remontée ? Comment objectiver l’influence d’une posture sur la

bicyclette sur la « qualité de la force créée à la pédale ? ». Tel est le questionnement que nous traitons dans les prochains chapitres en proposant une démarche analytique.

Aussi, le chapitre III a pour objectif de présenter le cadre théorique des deux

principales questions portant sur la force produite à la pédale et sur l’évaluation énergétique

du mouvement de pédalage à travers le suivi longitudinal de coureurs cyclistes. Sur cette base théorique, le chapitre IV exploite les données expérimentales à travers des études de cas.

Dans ce contexte, le travail présenté n’aborde pas l’analyse relative aux forces

musculaires, génératrices du mouvement de pédalage mais à la dynamique articulaire dite

interne évaluée à l’aide des efforts nets articulaires et à la dynamique dite externe à travers les

efforts pédales/pieds produits lors du mouvement de pédalage.

Pour cela il est nécessaire de disposer d’un certain nombre d’outils de mesure dynamique, de mettre en œuvre des systèmes d’acquisition du mouvement et des protocoles

en adéquation avec les objectifs scientifiques fixés. Aussi, préalablement à la présentation des dispositifs expérimentaux et protocoles utilisés dans notre travail, nous proposons, à travers une revue bibliographique, de faire le point sur ce qui a été réalisé en fixant les avantages et les limites.

I-2

L’analyse biomécanique du cycliste en laboratoire

Comme nous venons de le voir, l’aspect multifactoriel de la performance sportive rend

son analyse extrêmement complexe, particulièrement sur le terrain. Pour autant aujourd’hui,

tout le monde s’accorde pour dire qu’il est indispensable d’apporter à l’entraîneur des données chiffrées suffisamment précises pour détecter les modifications éventuelles des

différents paramètres déterminants de la performance. Cela suppose de mettre en œuvre des plateaux techniques d’évaluation en milieu maitrisé. Cette approche est plus facile en

laboratoire où un certain nombre de tests a été développé dont le principal but annoncé est

d’évaluer les capacités physiques des athlètes. Citons les tests i) de détente verticale

(Abalakov, Sargent Test, Test de Lewis), ii) sur tapis roulant (test Vameval, protocole de

Bruce), iii) ou encore sur bicyclette ergométrique (test de charge-vitesse, protocole Elite).

L’utilisation de ces tests est motivée par une approche énergétique du geste réalisé, soit à l’aide de paramètres mécaniques pour les tests de courte durée, soit physiologiques pour les

autres. Les données obtenues, interprétées pour certaines d’entre elles comme une réponse

physiologique, sont alors comparées en fonction de certaines références établies pour le test réalisé. Cela signifie que les résultats obtenus sont fortement dépendants du protocole de mesure mis en place ; cela peut poser quelques problèmes lorsque ce dernier est éloigné de la

pratique sportive de l’athlète testé.

Dans le cas de l’activité cyclisme, les protocoles menés en laboratoire utilisent des

ergocycles permettant un mouvement de pédalage relativement voisin de celui du cycliste

installé sur sa propre bicyclette, même si, comme nous l’avons mentionné, les effets de

résistance aérodynamique et de roulement sont absents de ces protocoles réalisés en milieu fermé. De nombreux auteurs ont fait le constat que les tests réalisés en laboratoire

sous-estimaient les capacités physiologiques (Louvet [2007]) et biomécaniques par une cadence de

pédalage plus faible (Grappe [2000], Lucia [2001]) et le manque de sensation de résistance à

l’avancement (Debraux [2010]). Cela peut être aussi accentué par un aspect motivationnel

différent puisque l’environnement laboratoire ne reproduit pas les mêmes conditions de

pratique. Par le biais de ces critiques, il est aisé de comprendre que l’évaluation du cycliste en

situation réelle de pratique s’avère être la meilleure solution. Les développements

technologiques dans la capture du mouvement et l’acquisition des données dynamiques en

situation offrent de réels espoirs, à moyens termes, quant à l’expertise sur route des

permet d’accéder, avec précision, à l’ensemble de ces paramètres externes et internes au

cycliste.

Cette analyse en laboratoire se limite alors à l’évaluation i) des efforts d’interaction du

sujet avec son environnement matériel (Bertucci [2005], Rossato [2008]), principalement la bicyclette ; ces efforts externes concernent les forces et moments de réaction, la plupart du temps au niveau des pédales/pieds droit et gauche, et pour quelques études au niveau de la

selle/fesses et du guidon/mains droite et gauche et ii) de l’activité musculaire avec des

tentatives de calcul des forces musculaires qui sollicitent les articulations, hanches, genoux et chevilles. Sur le plan biomécanique, et selon le modèle choisi, les forces musculaires peuvent être évaluées (Sarre [2004], Poirier [2009], Grappe [2009]), et/ou les efforts articulaires identifiés comme les forces et les moments nets articulaires résultants (Kautz [2002], Elmer [2011], Ettama [2009]). Le tableau 1 présente de manière synthétique, pour quelques études citées, les outils de mesures utilisés et les problématiques scientifiques abordées.

Auteurs, Année Problématiques Outils de mesure utilisés

Bertucci, 2005 Effet de la cadence et de la pente sur le pattern

du couple global au pédalier.

SRM « Torque Analysis ».

Elmer, 2011 Effet de la charge sur les contributions

articulaires.

SRM, 1 pédale instrumentée 3D, acquisition vidéo 2D

Ettama, 2009 Effet de la cadence sur l’efficacité du pédalage

et les puissances articulaires.

Pédales instrumentées 2D,

acquisition vidéo 3D.

Grappe, 2009 Différentes problématiques synthétisées. SRM « Torque Analysis »,

EMG, VO2, fréquence

cardiaque.

Kautz, 2002 Compréhension du lien entre le travail interne

et externe.

Simulation

Poirier, 2009 Effet de l’adaptation de la posture sur la

propulsion et sur l’activité musculaire.

Ergocycle LODE, une pédale instrumentée 2D, guidon et selle

instrumenté 1D, acquisition

vidéo 3D, EMG.

Rossato, 2008 Effet de la cadence et de la charge sur la

technique de pédalage.

Une pédale instrumentée 2D, Une caméra (angle pédale et manivelle).

Sarre, 2004 Compréhension de la cadence librement

choisie.

Ergocycle LODE, manivelles instrumentées 2D, EMG, VO2, fréquence cardiaque.

I-2.1 La mesure des interactions entre le cycliste et la bicyclette

La plupart des dispositifs utilisés en laboratoire sont constitués d’ergomètres le plus

souvent équipés de capteurs qui affichent, dans leur version scientifique, le couple exercé au pédalier, la fréquence de pédalage, et après calcul, la puissance globale produite au pédalier

que nous notons puissance mécanique externe Pmexttotale, et cela sans distinction des puissances

fournies du côté droit et du côté gauche du pédalier. Le cycliste pédale alors contre une charge

résistive composée d’une roue d’inertie qui peut être plus ou moins freinée par un système d’aimants, par exemple.

Ces différents ergomètres vont se singulariser par (Bertucci [2003]) :

- Leur format: s’agit-il d’un ergomètre complet ajustable pour permettre aux cyclistes

de retrouver leurs propres réglages tels que la hauteur de selle, du guidon, la longueur

des manivelles, la distance selle/guidon ? S’agit-il d’un système type home-trainer sur

lequel on adapte la bicyclette personnelle ou d’un système qui s’intègre directement

sur la bicyclette ? Il en va de la forme de l’ergomètre, de son encombrement et de son

poids. Ainsi, il est possible de pédaler avec un confort optimal avec sa propre bicyclette, ou sur un cycloergomètre aussi appelé ergocycle.

- L’emplacement des capteurs : sur la bicyclette personnelle, le capteur peut être

localisé à divers endroits. Au niveau du pédalier comme le capteur SRM ou l’Ergomo,

dans le moyeu de la roue arrière comme le capteur PowerTap ou le Max One, au niveau de la chaine comme le capteur Polar S710, ou au niveau de chacune des pédales comme le propose la société SENSIX avec les versions I-Crankset.

- Le système de résistance : lorsque la bicyclette est posée sur un home-trainer ou lorsque le cycliste utilise un ergocycle, la résistance au pédalage peut être générée de

plusieurs manières. Nous trouvons le plus souvent : i) un système de friction d’une

courroie sur la roue d’inertie présent sur le Monark par exemple, ii) un dispositif constitué de grandes pales offrant une résistance aérodynamique liée à la vitesse de

rotation comme sur le Kingcycle ou le Repco ; , iii) un frein électromagnétique

comme sur le SRM, le Velodyne, le Cyclus 2, l’Axiom PowerTrain ou le Vélotron, ;

dans ce cas, des aimants produisent une résistance en se rapprochant plus ou moins

- Les informations fournies : certains ergomètres donnent directement la vitesse de

déplacement, la cadence de pédalage, la puissance mécanique externeP_mext, mais

aussi des indices d’efficacité, la fréquence cardiaque, ou encore les calories dépensées.

- La validité et la reproductibilité: l’objectif est d’avoir les mesures les plus justes

possibles, particulièrement lorsque ces outils sont utilisés en milieux médical et scientifique. Cela se caractérise (figure 3) par les qualités de justesse, de fidélité, de

finesse auxquelles s’ajoutent la sensibilité, l’étendue de la plage de mesure et la

facilité d’utilisation (Bertucci [2003], Boucher [2005]). La pertinence des analyses

quant au profil du cycliste dépend de la qualité des mesures établies.

F idèle

Mesures peu dispersées

Juste Mesures proches de la va leur vra ie Exact Fidèle et juste Pas F idèle Pas juste

Figure 3: Fidélité, Justesse, Exactitude d’un capteur.

Plusieurs chercheurs ont donc réalisé des expérimentations afin de valider ces

différents outils. Ainsi, d’après les travaux présentés par Bertucci et Abbiss (Bertucci [2003],

Abbiss [2009]) le SRM (Lawton [1999], Paton [2001]), le Monark (MacIntosh [2001]), le Kingcycle (Palmer [1996], Balmer [2000a], Paton [2001]), le Lode (Earnest [2005]), le Polar S710 (Millet [2003]), le PowerTap (Paton [2006]) ont subi des tests afin de prouver la

pertinence de leurs résultats. L’ensemble des résultats de ces études est présenté dans le

tableau 2.

L’une des limites majeures de ces capteurs est qu’ils mesurent la puissance mécanique

externe globale produite au pédalier, excepté le système Lode. Il n’est donc pas possible de

différencier la puissance développée par chacun des membres inférieurs. Dans l’objectif

d’affiner l’analyse du pédalage, plusieurs auteurs se sont intéressés à la conception et la

validation de capteurs de puissance aux pédales (Soden [1979], Hull [1981], Davis [1981],

Boyd [1996], Reiser [2003], Bini [2011]), ou à l’utilisation de manivelles instrumentées de

jauges de contrainte (Vergara [2014]). Avec l’utilisation de ces pédales instrumentées il est

par chacune des deux jambes tout au long du cycle de pédalage. Nous pouvons dorénavant

différencier l’action des jambes pendant les différentes phases du cycle. A notre connaissance, l’acquisition de ces signaux ne peut se faire, aujourd’hui, que de façon filaire. C’est-à-dire que

des câbles partant des pédales et remontant le long des jambes doivent être utilisés. Cette

contrainte technologique est la principale limite de l’utilisation de ce matériel.

Le tableau suivant récapitule les paragraphes précédents.

Validité Repro ductibilité

Diff G/D

Type de frein Commentaires

Ergomètre intégré à l’ergocycle

Monark X* X* Friction d’une

courroie

Largement utilisé dans le milieu médical et scientifique

Repco X X Résistance de l’aire Puissance dépendante de la cadence

Lode X Electromagnétique

SRM X X Electromagnétique

DynaOne X X Electromagnétique Fonctionne avec un SRM, possibilité

de modifier posture pendant le pédalage Home Trainer

Kingcycle * X* Résistance de l’air

Velodyne Volant d’inertie

Cyclus2 Electromagnétique Oscillations latérales possibles

Axiom PowerTrain * X* Electromagnétique Largement utilisé dans le peloton

Tacx Electromagnétique

Velotron * * Electromagnétique

Ergomètre adaptable sur bicyclette Localisation

SRM X X Pédalier Largement utilisé dans le peloton

PowerTap X* X* Moyeu Arrière Largement utilisé dans le peloton

Ergomo * * Axe du pédalier

Polar S170 * * En fonction de la

chaîne

Problème avec l’état de la route

Max One * X* Moyeu Arrière

Pedal dynamometer X Pédale D et G Mesure 6 composantes

SGI pedals * * X Pédale D et G Mesure en 2D

I-Cranset X Pédale D et G Mesure 6 composantes

*En référence au SRM

Tableau 2 : récapitulatif des principaux capteurs mentionnés dans la littérature avec leurs principales caractéristiques.

Depuis plusieurs années, la plupart des études comparant des ergomètres se font en référence au capteur SRM. Aussi, le SRM est comparé au Kingcycle (Balmer en [2000a] et

Balmer [2000b]), au PowerTap (Gardner [2004], Bertucci [2005]) à l’Axiom Powertrain

(Bertucci [2011]), au Velotron (Abbiss [2009]), au Polar S710 (Millet [2003]) et au Lode et

des outils les plus performants puisqu’il permet l’acquisition de mesures validées,

reproductibles, et cela aussi bien en condition réelle sur route qu’en laboratoire. Le SRM est

donc considéré comme étant la référence des ergomètres. Plusieurs études (Jones [1998], Gardner [2004], Abbiss [2009]), à notre connaissance ont cherché à valider le SRM en le

comparant à l’ergomètre MONARK ou à un capteur de couple disposé sur un banc d’étalonnage ; ce dispositif est très utilisé dans le milieu médical.

Aussi, dans le cadre de notre travail, et au regard des validations des différents

capteurs, nous avons fait le choix d’un ergocycle muni d’un capteur SRM (Schoberer Rad

Messtechnik, Julich, Welldorf, Allemagne) auquel nous avons ajouté des capteurs de pédales I-Crankset (Sensix, Poitiers, France) présentés au chapitre II ainsi que leur validation.

Pour que l’analyse soit complète, il faut associer aux mesures dynamiques, l’évaluation cinématique du mouvement de pédalage. La complémentarité des deux approches

offre, lorsqu’elle est possible et essentiellement en condition de laboratoire actuellement, des

perspectives d’étude très complète, comme nous le ferons aux chapitres III et IV.

I-2.2

Les différents tests d’évaluation du cycliste

La réussite d’une tâche motrice quelle qu’elle soit, dépend principalement des

capacités physiques et métaboliques de chaque sujet, de sa technique d’exécution du geste

aussi appelée coordination segmentaire. Aussi, l’un des objectifs principal recherché à travers

les tests est de quantifier la puissance intrinsèque de l’athlète, souvent encore appelée

Puissance Maximale Aérobie (PMA) ou Anaérobie (PMAn) pour des exercices de courte durée. Cette puissance recherchée est différemment présentée en fonction du domaine scientifique concerné. Ainsi, les physiologistes et les médecins du sport associent la puissance

à une dépense énergétique métabolique, l’homme du terrain à une performance sportive, alors que les biomécaniciens s’intéressent à une variation d’énergie par unité de temps, associant une force à la vitesse de son point d’application



PFV



, et un couple à la vitesse de

En cyclisme, comme dans les autres sports, l’identification des paramètres

énergétiques sont le plus souvent d’ordre physiologique tels que la VO2max



, la Puissance

Maximale Aérobie (puissance maximale à VO2max



: PMA), et la Vitesse Maximale Aérobie

(Vitesse maximal à VO2max



: VMA) obtenus à l’aide de tests. La VO2max



est alors calculée

à partir du volume respiratoire, des temps de cycles respiratoire, des fractions d’O2 inspiré et

de CO2 expiré. Ces caractéristiques physiologiques révèlent l’état de forme du cycliste à un

instant donné et, donne des indications par comparaison, au cours de la saison. L’intérêt de

ces tests porte sur deux points ; tout d’abord ils peuvent s’avérer utiles pour dépister des

pathologies cardiaques, respiratoires et explorer des symptômes engendrés par des efforts

intenses, puis pour mieux guider les séances d’entrainement. Pour cela, plusieurs types de

tests sont retenus.

Tableau 3 : Synthèse des avantages et inconvénients des différentes conditions de tests. La dernière colonne présente les mesures généralement réalisées au cours des tests.

Une première différenciation peut être faite au niveau des conditions expérimentales, à savoir si le test se réalise sur le terrain ou en laboratoire. Leur utilisation est motivée par différents aspects. Les tests de terrain trouvent leur intérêt pour les entraineurs, puisqu’ils sont

faciles à mettre en œuvre et nécessitent l’utilisation de peu de matériel. Dans ce cas, les

entraineurs collectent la distance parcourue ou le temps mis pour parcourir une distance, le palier de vitesse atteint, la fréquence cardiaque de repos et la fréquence maximale, voire la

puissance mécanique produite au pédalier. A l’inverse les tests en laboratoire sont plus

coûteux, mais offrent la possibilité d’une analyse plus complète et plus reproductible puisque

Avantages Inconvénients Mesures

Terrain - Facile à mettre en place (peu coûteux)

- Plusieurs sportifs évalués en même temps

- Condition réelle de pratique

- Problème de standardisation - Les résultats doivent être interprétés en paramètre physiologique VO2max  - Distance, temps, vitesse maximale - Fréquence cardiaque

Laboratoire - Test standardisé

- Matériel de mesure contrôlé - Mesures directes des paramètres dynamiques

- Mesure de la cinématique du mouvement de pédalage

- Plus coûteux

- Un seul sportif évalué par séance

- Conditions éloignées de celles rencontrées sur le terrain

- Des forces aux pédales ou couple au pédalier, de la puissance mécanique externe, de la cadence de pédalage - fréquence cardiaque, 2max VO

dans ce cas, il n’y a pas d’influence des conditions environnementales et météorologiques. Cela apporte une validité et donc une lecture facilitée des résultats pour analyser les capacités

intrinsèques du cycliste.

Une deuxième différenciation peut être faite en fonction de la forme et de la durée du

test. Trois types de tests sont utilisés pour évaluer les caractéristiques du cycliste : i) les tests

rectangulaires, ii) les tests intermittents et iii) les tests triangulaires. Nous rappelons ces

différents tests et les objectifs visés tels que proposés par les spécialistes. L’ensemble de ces

types de tests peut être réalisé en laboratoire et sur le terrain.

i) Les tests rectangulaires sont des épreuves pour lesquelles il faut maintenir une puissance mécanique externe, une vitesse sur une période donnée. De la durée du test va

dépendre l’intensité, allant d’une intensité sous maximale à supra maximale. La cadence de

pédalage peut être contrôlée ou librement choisie. Dans ce type de test, les valeurs de la

puissance mécanique externe Pmexttotaleet de vitesse sont connues, la fréquence cardiaque est

mesurée. Lorsque ce type de test est réalisé sur le terrain, les mesures sont indirectes,

puisqu’une extrapolation de la fréquence cardiaque et de la distance parcourue est nécessaire.

Les tests rectangulaires présentent un intérêt plus particulier lorsque l’objectif est d’évaluer la

fatigue ou la capacité à maintenir un effort pendant une certaine durée. D’un point de vue

général, ce type d’épreuve fait suite à une analyse de la VO2max



. Aussi la Pmexttotale ou la

vitesse de déplacement à maintenir est définie en fonction d’un pourcentage de la valeur de

max 2

VO .

En 2004, Lepers (Lepers [2004]) nous rapporte des études menées sur une durée allant

de 30mn à 5h, sur le terrain, à une intensité fixée à un pourcentage de la VO2max



ou de la

PMA. L’objectif était de mesurer et de détecter la fatigue et son apparition. Dans ces

expérimentations, la fatigue est analysée grâce aux signaux EMG acquis lors de contractions maximales volontaires (CMV), ou de sprint sur bicyclette. Sarre (Sarre [2004]) analyse la performance de cyclistes sur trois sessions de 1h à 65% de PMA. Pour évaluer la fatigue, il

utilise l’EMG lors de tests CMV avant et après l’heure de pédalage. Dès 1991, Kautz (Kautz

[1991]), évalue des coureurs cyclistes sur une distance de 40 km à cadence de pédalage fixée

pour obtenir différents pourcentages de VO2max. L’objectif, dans cette étude est d’analyser

les variations de Pmexttotale en fonction de la charge. Cette analyse est réalisée pour un membre

inférieur, puisqu’il ne possède qu’une seule pédale instrumentée. Rossato (Rossato [2008])

expertise, en laboratoire, 2 sessions de 30mn respectivement à 60% et 80% de la PMA, à différentes cadences de pédalage par tranche de 10mn (3 cadences pour 30mn). Son but est de

mettre en évidence l’effet de la cadence sur les stratégies motrices évaluées à travers l’indice d’efficacité, rapport de la force perpendiculaire à la manivelle sur la force résultante exercée

sur la pédale. Pour cela, il utilise des pédales instrumentées 2D, associées à une prise de vue 2D.

L’inconvénient d’utiliser ce test en laboratoire est qu’il implique une longue capacité d’enregistrement des données. De plus, la modification d’un paramètre suppose que le

cycliste revienne à plusieurs reprises ; en effet, entre deux tests consécutifs, un temps de repos

conséquent doit être observé. Ce type de test est régulièrement utilisé pour tester l’évolution

d’un paramètre sur la fatigue. Aussi, dans le cadre de nos études, nous n’avons pas utilisé ce

type de test.

ii) Les tests à effort intermittent. Dans ces exercices, il faut réaliser des paliers à

totale mext

P ou des paliers de vitesse de déplacement connus sur une durée relativement courte.

La différence avec le test rectangulaire réside dans le temps de récupération entre chaque palier. Les durées des paliers et de la récupération sont variables, de quelques secondes à plusieurs minutes. La cadence de pédalage peut être contrôlée pour les tests dont la durée est

supérieure à 30 secondes. L’intensité des paliers peut être stable ou être évolutive. Ce type de

test se situe donc entre les tests rectangulaires et triangulaires (décrits ci-après). Les cas des tests de sprint ou charge/vitesse de courte durée (8 secondes) ne permettent pas de fixer la

cadence de pédalage. Pour les tests d’évaluation en cyclisme, l’objectif est de développer le

maximum de puissance mécanique externe avec une cadence élevée. Un des intérêts de

l’utilisation de ce type de test est de pouvoir analyser l’effet de la modification d’un élément

sur les paramètres évalués.

Différentes durées de paliers sont rencontrées dans la littérature. Par exemple, 8mn à

72% de la VO2max



pour Ettema (Ettama [2009]), 2mn pour Sarre (Sarre [2004]) et Elmer

(Elmer [2011]), 1mn pour Bertucci (Bertucci [2003]). Avec ce type de protocole, l’objectif est

d’identifier l’effet de la cadence sur plusieurs paramètres tels que les puissances articulaires et

cela, il utilise des pédales instrumentées 3D et un système d’analyse du mouvement. Sarre

étudie l’influence de la cadence de pédalage sur le couple moyen, en utilisant l’EMG et un

ergomètre équipé d’un pédalier instrumenté de jauges de contraintes. Elmer évalue la

production de puissance aux articulations des membres inférieurs, en utilisant un ergomètre

instrumenté au pédalier, des capteurs 3D de force aux pédales, associé à de l’analyse du

mouvement en 2D.

Enfin, il y a la répétition de sprint de 3s à 30s, respectivement pour Elmer (Elmer [2011]) et Martin (Martin [2009]), ou encore Bertucci (Bertucci [2003]) pour des sprints de

80m. Dans ces conditions, Martin analyse l’effet fatigue par comparaison des puissances

articulaires calculées par l’intermédiaire des données fournies par un capteur de force 3D

positionné à la pédale droite et l’analyse vidéo 2D du mouvement de pédalage. Quant à

Bertucci, la mise en évidence d’une relation entre couple, vitesse et puissance se fait par l’exploitation des données d’un SRM.

Ainsi, les tests intermittents sont très utiles lorsque l’objectif de l’étude est d’analyser

l’influence d’un paramètre sur l’évolution d’un autre paramètre. Ce protocole est donc

particulièrement pertinent pour tester différents réglages de la posture du cycliste, favorables à la production du couple optimal développé au pédalier, par exemple.

iii) Les tests triangulaires sont des tests incrémentaux maximaux. Ce type de test peut se

dérouler sur le terrain et en laboratoire. Sur le terrain, c’est le test de Brue qui est le plus

répandu. Il s’agit d’un test triangulaire maximal. Ce test est réalisé sur route et de préférence

dans un vélodrome. Chaque palier de 30 secondes correspond à une augmentation de la vitesse de 0,3 km/h. Le cycliste étalon (traditionnellement sur un solex) donne l'allure au coureur. Le cycliste étalon adapte son rythme de pédalage en fonction des bips sonores. Chaque bip correspond à 1/2 coup de pédale. Le rythme augmente progressivement. Les coureurs doivent rester en file indienne derrière le solex jusqu'à ce qu'ils ne soient plus capables de suivre le rythme imposé. Le dernier palier réalisé correspond à une VMA.

Ce test a été adapté en laboratoire pour évaluer également la VO2max



et la VMA et

PMA correspondante. Il est principalement utilisé en pré-test pour évaluer la VO2max



des cyclistes. Dans cette condition, il est possible de réaliser le test sur un ergomètre dont on

connait les caractéristiques, avec un cardio-fréquencemètre et un système d’analyse de VO ₂