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L3 UE38

« BIOMÉCANIQUE DE LA PERFORMANCE SPORTIVE

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TOULOUSE

PERFORMANCE SPORTIVE »

Amarantini David

[email protected] Pôle Sport – 3ème étage – Bureau 301

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TOULOUSE

L3 UE38

Puissance, Travail et Energie Dépense énergétique

Rendement

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

• Production de mouvement :

– Locomotion / Préhension / Manipulation

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

• Maintien de la posture :

– Gestion de l’équilibre dynamique (muscles squelettiques)

• Stabilisation des articulations :

– Collaboration muscles squelettiques + ligaments + tendons

• Dégagement de chaleur:

– Régulation de la température corporelle interne – Conditions pour que les réactions biochimiques s’effectuent

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Activité électrique

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

Activité chimique

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

E

^ie

électrique

E

^ie

chimique

Activité mécanique

(mouvement des ponts actine-myosine)

E

^ie

mécanique

Fibres motrices (motoneurones) :

Véhiculent l’information, sous forme de potentiel d’action électrique, depuis le

système nerveux jusqu’au(x) muscle(s).

Fibres musculaires

Plaque motrice :

Jonction fibre motrice / fibre Jonction fibre motrice / fibre musculaire

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

… qui va entraîner le couplage excitation-contraction :

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

La multiplication de ces mouvements explique la

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

L’énergie chimique est transformée en énergie mécanique par la contraction musculaire.

Ainsi :

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

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

E

^ie

chimique

(dégradation des substrats)

E

^ie

ATP

(dégradation de l’ATP : ATP ADP + Pi + E_ATP)

Re-synthèse de l’ATP

(ECHIM+ ADP + Pi ATP)

Activité mécanique

(mouvement des ponts actine-myosine)

E

^ie

mécanique

MOUVEMENT

Quelle relation existe-t-il entre :

?

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

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

augmentation de la production de lactate ;

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

… et l’énergie mécanique qui correspond à la capacité de l’individu à

effectuer un travail mécanique (ce que « produit » l’individu).

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Notion de rendement :

Définition générale :

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

Rendement mécanique : q

Remarque :

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

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

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

biceps

M

triceps

M

biceps

M_biceps M

triceps

M_triceps M

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

Ce phénomène est réduit, voir optimisé (ex.

escalade) sous l’effet de l’entraînement.

Notion de rendement :

Définitions complémentaires :

Rendement brut :

Rendement net : Rendement net :

Rendement apparent

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Problème(s) :

Pour calculer le rendement, il faut être capable de quantifier : - Le travail produit (généralement noté W en Joules (J)) - L’énergie métabolique dépensée

- L’énergie métabolique de repos

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

W = F · d F est l’intensité de la force

d est la valeur du déplacement créé selon la direction et le sens de la Détermination du travail mécanique : biomécanique

Exemple : déplacement d’une charge

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

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

W = M · θ M est l’intensité du moment de force

θ

est la valeur du déplacement angulaire

Détermination du travail mécanique : biomécanique

θ

est la valeur du déplacement angulaire.

Rappel :

θ F

M O d

θ θθ F F M M O

O ddd θθ

F OM F M

_o



_/

( F )  OM  F M

_o



_/

( )  

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Travail externe / travail interne :

En biomécanique on distingue deux types de travail :

- Le travail interne ( ou des forces internes) : travail réalisé par Détermination du travail mécanique : biomécanique

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

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

• Notion de puissance :

• La puissance s’exprime en Watt (W)

Lapuissancecorrespond à laquantité

Détermination du travail mécanique : biomécanique Relation travail / puissance :

p p q

de travail fournie par unité de temps

• Puissance

≠ explosivité

Définitions de la PUISSANCE

Cas de mouvements linéaires : la puissance instantanée est égale auproduit de la composante « utile » de laforcepar lavitesse instantanée.

Détermination du travail mécanique : biomécanique

Cas de mouvements angulaires : la puissance instantanée est égale au produit dumomentpar lavitesse angulaire instantanée.

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Travail = force x distance

E l l id d 10 k

Puissance = travail x temps

E l Ré li 200 J d t il

Détermination du travail mécanique : biomécanique

Travail & puissance :

résumé

Exemple : lever un poids de 10 kg sur une distance de 2 m

= 2 m10 kg9.81m/s²

~ 200 kJ

Exemple : Réaliser 200 J de travail en 5 secondes

= 40 W

Unités : J (joules)).

1 kgm = 9,81 J

• Kcal (kilocalories).

1 kcal = 426,85 kgm

Unités :

• kgm/min

•Watts (W) = 6,12 kgm/min

• Kcal/min

• J/min

Puissance

et Contraction musculaire

Contraction concentrique : Contraction isométrique :

Définitions de la PUISSANCE

Contraction excentrique : Contraction concentrique :

Action musculairerésultante  (+ extension / - flexion)

Orientation du mouvement (+ extension / flexion)

Définitions de la PUISSANCE

(+ extension / - flexion)

Activité musculaire (+ concentrique / - excentrique)

Triceps Concentrique

Biceps Excentrique

Biceps Concentrique

Triceps Excentrique

(8)

PUISSANCE & muscle isolé

PUISSANCE in situ

(9)

PUISSANCE in situ

Relation force-vitesse, PUISSANCE & entraînement

(10)

Gardien

V F

F

Pliométrie / résistance / combiné

Pointe

V

Extérieurs

V F

Mesure du travail et de la puissance sur Ergocycle Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle

X 9,81 (m/s²) Xπ

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

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

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Mesure du travail et de la puissance sur ergocycle

Exemple :

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

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

placée sur le volant d inertie est de 3 kg.

Quel travail a été réalisé ?

W = F d

W = 3 kg 50 trs/min6 m/tr30 min9.81 m/s² W = 270 kJ

Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant

X 9,81 (m/s²)

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

Exemple :

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

Mesure du travail et de la puissance sur tapis roulant Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

min.

Quel travail a été réalisé ?

W = F d

W = 70 kg 50 m/minsin(10)30 min 9.81 m/s² W = 182 kJ

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Exemple de la natation :

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

Exemple de la natation :

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

Q l t il t il d it ?

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

Quel travail a-t-il produit ?

Quelle puissance a-t-il développé ?

W = F · d

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

P = 51428,57 / (20 · 60) = 42,86 W

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

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

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

W = m x g x (h

_max

– h

_min

)

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Différents types de sauts verticaux

• Le Squat Jump (SJ) :

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

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

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

j p ( _min)

puis saute le plus haut possible (mesure de hmax)

•Le Countermovement Jump(saut avec contre mouvement, CJ): Le sujet part puis effectue une flexion jusqu’à effleurer la chaise (pour hmin) puis saute immédiatement après la flexion le plus haut possible (h_max)

• Le Drop Jump (DJ ou saut en contre bas) :

Le sujet part debout sur une chaise, saute au sol puis saute immédiatement le plus haut possible (attention, difficile de mesurer hmin)

• Saut vertical (test de Sargent) :

(formule de Lewis)

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

• Formule de Bosco (succession de CMJ) :

• Test RAST :

(Running-based Anaerobic Sprint Test)

Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

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Quantification de la PUISSANCE maximale Détermination du travail et de la puissance : tests de terrain

RAPPEL



Notion de rendement :

Rendement mécanique :

T il é i

Travail mécanique :

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

W = F · d

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

W = M · θ

Principe général

CO2

O2

RESPIRATION

Laconsommation d’oxygène(VO2) lors de la respiration est

On mesure la VO

2

par calorimétrie indirecte :

Différences entre les pourcentages d’O2et de CO2entre l’air ambiantet l’air expiré

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

O2

CO2

Circulation sanguine p

proportionnelleà la quantité d’O2

utilisée pour la respiration cellulaire

La respiration cellulaire correspond à l ’ oxydation des substrats énergétiques c’est à dire au

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Principe expérimental de mesure de la VO

₂

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

Principe expérimental de mesure de la VO

2

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

VO₂= Q x d_(a-v)O₂

VO2absolue(ml.min^-1) VO₂relative(ml.kg^-1.min^-1)

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

La consommation d’oxygène est un

débit

mLd’O2consommé/ kgmasse corporelle/min Q = Débit cardiaque

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

Q = Fc x VES

Fc = Fréquence cardiaque VES = Volume d’éjection systolique

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Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Rappels sur la consommation d’oxygène

Fréquence cardiaque (bpm)

Consommation d’O2 (l/kg/min)

• La VO2 estproportionnelle à la fréquence cardiaque

• Pour Fc max on atteint VO2max

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie Rappels sur la consommation d’oxygène

Consommation d’O₂

Consommation d’O₂ Consommation

d’O₂ Consommation

d’O₂ VO₂max VO₂max

• Proportionnalité entre l’intensité de l’exercice aérobieet la VO2

• A VO2 max correspond une Vitesse Maximale Aérobie(VMA) La VO2max est un indice de la capacité d’un individu à produire et à maintenir un effort d’endurance(aérobie)

Intensité de l’exercice

Intensité de l’exercice Vitesse Vitesse VMAVMA

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

E

_met

= VO

₂

 Eq

_{energ O2}

Eq

_{energ O2}

= équivalent énergétique de l’O

₂

• C’est la quantité d’énergie libérée chaque fois qu’on

« brûle » 1 litre d’O

₂

.

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

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Contribution des substrats énergétiques: quotient respiratoire Quotient respiratoire (QR)= VCO

₂

/VO

₂

• QR permet d’estimer la part relative d’utilisationdes substrats glucidiques et lipidiquesdans la production totale d’énergie

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

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

• QR =0,85 50%lipides/ 50%glucides

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

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

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

Équivalent énergétique de l’O

₂

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

Eq

_{energ O2}

= 5,2 kCal / l = 21,7 kJ / l si QR = 1

(1kCal = 4,18 kJ)

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

_{energ O2}

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

Eq

_{energ O2}

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

Eq

_{energ O2}

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

• Equations de Harris et Benedict (1919)

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

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

P id k T ill â é

Détermination de l’énergie métabolique : physiologie

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

• Equations de Black et al (1996)

• MB (Hommes, MJ/j) = 0,963*Poids^0,48* Taille^0,50* Age^-0,13

• MB (Femmes, MJ/j) = 1,083*Poids^0,48* Taille^0,50* Age^-0,13

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

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Détermination du rendement : biomécanique et physiologie

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

• Quel travail a-t-il accompli ?

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