Influence de la cadence gestuelle sur le rendement énergétique du pédalage de bras.

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I

Ann. Kinésithér., 1992, t. 19, nO 1, pp. 3-11

MÉMOIRE

Influence de la cadence gestuelle sur le rendement énergétique du pédalage de bras.

J.-P. ECLACHE (1), F. LIEUPART (2), P. LAMARZELLE (3).

(1) Médecin Chef; Spécialiste de Recherche S.S.A., Médecin des équipes de France F.F.c.K. (2) C. T.R. ; Entraîneur National F.F.c.K.

(3) Professeur de Sport; C.T.D.F.F. c.K.

Le métabolisme énergétique de l'exercice de bras a été analysé sur 4 sujets réalisant à une semaine d'intervalle 4 épreuves de pédalage de 6 minutes à 20, 40, 60 et 80 % de 1702 max et 4 cadences, 65, 80, 95 et 110 rpm. Pour une même puissance, les consommations d'oxygène, fréquence cardiaque et lactatémie présentent en fonction de la cadence une allure

curvilinéaire dont le minimum est d'autant plus élevé que la puissance est forte,. la dépense

énergétique résulte du coût: de la mobilisation des masses corporelles et accessoires (fonction de la cadence) et du coût de la résistance du pédalier (qui diminue avec la cadence par

réduction des forces et de l'anaérobiose).

Introduction

Différentes études tendaient à prouver que, lors de l'exercice de pédalage de jambes, le meilleur rendement énergétique était obtenu pour une fréquence comprise entre 30 et 60 r.p.m. (6, Il, 15). Ceux-ci furent confirmés par différents auteurs fournissant comme gamme de moindre dépense énergétique ou de meilleur rendement des cadences comprises entre 50 et 60 r.p.m. (1, 18,21). De ces travaux découlèrent un certain nombre d'indications pratiques sur la fréquence à imposer lors des épreuves d'effort en Laboratoire pour déterminer l'aptitude éner- gétique ou vérifier l'intégrité et l'adaptation

Tirés à part: J.-P. ECLACHE, Laboratoire de la Performance, Association Sport Biologie, 10, rue des Tulipes, F69680 Chassieu.

cardiovasculaire à l'effort. Un certain nombre d'auteurs en tirèrent même argument pour conseiller des cadences gestuelles relativement basses dans les activités sportives caractérisées par des gestes cycliques ou répétitifs. En dépit de ces recommandations, et du fait de l'observa- tion empirique d'une quasi impossibilité d'atteindre la puissance aérobie maximale dans de telles conditions, des cadences supérieures furent progressivement retenues; il en fut de même des cadences spontanément utilisées dans différentes disciplines sportives, en particulier en cyclisme.

'Le bien fondé de ces cadences supérieures fut mis en évidence par différents auteurs (13, 17) en particulier lorsque l'analyse du rendement fut réalisée pour des puissances plus fortes (2,3,22).

Ces apparentes contradictions qui firent l'objet d'un premier travail expérimental (10) tiennent en réalité à la définition même du rendement et à la puissance de l'exercice imposé relativement aux possibilités énergétiques individuelles:

le rendement énergétique généralement utilisé (W /V02) ne tient compte que du travail restitué au niveau du pédalier (W) et de la dépense énergétique aérobie correspondante estimée à partir de la consommation d'oxygène (V02);

il néglige le travail de mobilisation des masses corporelles et musculaires et la part énergétique revenant au métabolisme~a:naérobie.

Or- s'il èsf exact que des fréquences voisines de 50 I.p.m. s'accompagnent d'un rendement optimal pour des puissances moyennes, des fréquences supérieures sont nécessaires pour des puissances plus élevées et inversement.

Qu'en est-il de l'exercice de pédalage de bras caractérisé par une masse corporelle et mus- culaire inférieure? Les quelques rares travaux

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4 Ann. Kinésithér., 1992, t. 19, n° 1

présentés sur ce sujet tendent à prouver que la cadence optimale est inférieure à 50 r.p.m. (20).

Cependant les puissances imposées restent très faibles et inférieures à 70 W.

C'est pour vérifier l'évolution de la dépense énergétique et du rendement à des puissances supérieures qu'a été réalisé ce travail avec pour objectif essentiel de mettre au point, pour les athlètes pratiquant le Canoë-Kayak, une métho- dologie permettant de préciser la gamme de cadence gestuelle induisant, pour une puissance donnée, le meilleur rendement énergétique.

Matériel et méthodes

SUJETS D'EXPÉRIENCE

Quatre sujets pratiquant ou ayant pratiqué le canoë- kayak à un bon niveau ont participé à l'expérimentation.

Leur âge, leurs données biométriques et leurs possibilités aérobies maximales sont présentées sur le tableau 1.

Chaque sujet subit en premier lieu une détermination de ses possibilités énergétiques sur bicyclette ergométrique de bras en position assise « Kayak » (10). L'épreuve consiste à augmenter progressivement la puissance impo- sée au niveau du pédalier par paliers de courte durée et

TABLEAU J. -Âge (A),. Poids (P),. Taille (T),. Masse Maigre (MM) et possibilités aérobies maximales des quatre sujets d'expérience.

Variab.T^P ^A

MM _VO,

a

kgkgm

ml/mnml/mn.kg Sujets

L.F.

72,559,6315043,41,7629 L.P.

77,265,0 3599 46,41,7833 M.R.

67,055,73369 50,31,74 22 M.H.

69,357,22742 39,61,73 37

de faible puissance de façon à atteindre et dépasser la puissance aérobie maximale en 12 à 15 minutes (10).

Le sujet est équipé d'un masque FORM IT de grande taille couplé à un jeu de soupapes (Valves TBM VS1).

Sur le circuit expiratoire est interposé un système de mélange cycle à cycle (MGC03) permettant un prélève- ment continu des gaz expirés homogénéisés et leur analyse grâce à deux analyseurs rapides d'02 (W.O.M.) et de C02 (Capnographe IV) ; un système de vannes électromagnéti- ques inclues dans ce système permet de remplacer à volonté le gaz à analyser par des gaz étalons humidifiés pour recalibrer automatiquement la chaîne d'analyse. Un pneumotachographe (PN TBM) est interposé sur le circuit inspiratoire pour transformation du signal débimétrique en gradient de pression. Un signal analogique proportion- nel au débit instantané est obtenu grâce à un capteur de pression différentielle MP45 couplé à un auxiliaire (CD23). Un robinet automatisé quatre voies en X (4V A)

PNEUMOTACHOGRAPHE MASQUE MELANGEUR

-d;.~ ~'--- -,1""1,-- ----

1

IOLUMES ETALONS ^SOUPAPES

REPART ITEUR

GAZ

1__

,-

ETALONS 1 CAPTEURS

SIG NAUX

ANALOGIQUES

1 CONVERSION ANb.LOG./OIGiT

-- -- --

- - ~----

CALCULATEUR

PERIPHERIQUES

1 ACQUISITIONTRAITE MEN T

---

1VISUALISATION IMPRESSION

FIG. 1. - Schéma de principe du système de mesure automatisée cycle à cycle des échanges gazeux (type Mariane MET2).

(3)

couplé à une pompe alternative étalon (PEAOI) interpo- sée sur ce circuit, permet de remplacer à volonté le signal inspiratoire du sujet par un signal inspiratoire étalon et de recalibrer la chaîne de pression.

Ces différentes manœuvres, comme le traitement des signaux en provenance de ces capteurs, sont traitées et gérées par un calculateur Apple IIe intégré à ce système de mesure de métabolisme Marianne Met 2 (fig. 1) (10).

Les valeurs de métabolisme obtenues cycle à cycle sont moyennées chaque minute et imprimées sur une impri- mante Apple Writer. Une fiche synthèse faisant apparaître les principales caractéristiques métaboliques et conclu- sions est délivrée en plusieurs exemplaires à la fin de l'opération.

Par ailleurs, le sujet est équipé de trois électrodes thoraciques Contrôle Graphique F 2lE pour surveillance de l'activité électrique cardiaque grâce à un Cardiorater CR7.

l'activité électrique cardiaque s'effectue pendant les 3 minutes précédant chaque épreuve, les 6 minutes d'activité et les 6 premières minutes de récupération.

Des prélèvements sanguins de 100 fLl sont effectués à partir d'un cathéter Angiocath 20 G, placé une demi- heure avant chaque épreuve dans la veine antécubitale de l'un des deux avant-bras, au temps To de début d'exercice, T6 de fin d'exercice, T8,

no

^{et Tl2} de récupération immobile. Les échantillons, transférés immédiatement dans des microtubes contenant 300 fLld'acide perchlorique à 6 % glacé, sont dosés par technique enzymatique classique après agitation, déprotéinisation, centrifugation et prélèvement du surnageant (23).

Résultats

PROTOCOLE

Chaque sujet subit ensuite à un intervalle d'une semaine environ, quatre épreuves d'une durée de 6 minutes et de puissance représentant environ 20, 40, 60 et 80% de V02 max. individuelle et à quatre 'cadences différentes imposées par un métronome Taktell 870 : 65, 80, 95 et

110 r.p.m. ; chaque phase « active » est séparée de la suivante par une période de récupération de 24 minutes (fig.2). L'enregistrement des échanges gazeux et de

, , ,

" ,

~

fl11 FREQUENCES :~

rpm MASS 195:::

lAMA :80:: :

LIEU :65:::

MAse 111011 1

1 Il' 1 Il! 1

1111 ,"

Les puissances sélectionnées pour représenter environ 20, 40, 60 et 80 % des possibilités aérobies maximales individuelles ont été déter- minées à partir des relations individuelles V02/P obtenues lors de l'épreuve triangulaire maximale de détermination de la V02 max.

Ces puissances ainsi que les consommations d'oxygène correspondantes réellement obtenues à 80 tours par minute sont présentées figure 3.

Pour une fréquence donnée, les principales grandeurs cardiorespiratoires et en particulier

150 200 50 100

o o 50

40

~ ^ïOJL

ïe:

~ E 30

-

E 20

ru .>

0

10

120

110

65 80 95 1 lUI

90

--

65 110 95 80 1 1111

60

- -

80 95 110 65 1 1111

- -

o 6 12 16 ~430

TEMPS min PUISSANCE ECHANGES GA ZEUX FREQUENCE CARDIAQUE SANG

100,'"

120.40,60.8OJ

PUISSRNCE (Watt)

FIG. 2. - Représentation temporelle schématique de l'une des 4 séquences expérimentales subies par chaque sujet, caractérisée par quatre épreuves de 6minutes à quatre cadences différentes séparées de 24 minutes de repos.

FIG. 3. - Quels que soient les sujets, pour une cadence de pédalage fixe, la consommation d'oxygène, V02, est une fonction

sensiblement linéaire de la puissance imposée (P).

V02

=

401&7.Sw.u •

'c:

---.---.

-

E 30

•

110 Hat.'t.

•

FIG 5. - Pour une puissance donnée, la consommation d'oxygène va" présente, en fonction de la cadence, une allure curvilinéaire à concavité tournée vers le haut.

FREQUENCE (Tours/min.)

50 60 70 80 90 100 110 120

TABLEAU II. - Dans la relation linéaire qui lie V02 à P (V02

=

AP +B) les coefficients A et B sont fonction de la cadence imposée .

F ^A^B^r

rpm

ml/mn. ml/mn.kg. W kg 65

0,182570,9907,479 80

0,169530,9859,234 95

0,157910,970Il,970 110

0,142040,95616,273

E

ru 20

.> o

113

o

50 W.tt.

..J.. ,

10

8

10

8

1/) Q)

oE

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WH 1:W 1-a:

1-U a:

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4

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ID

oE E

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1-U

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6

4

2

-

c•...

• /

o 50 ¹⁰⁰ ¹⁵⁰ ²⁰⁰ ^o ₅₀ ₆₀ ₇₀ ₈₀ ₉₀ 100 110 120

PUISSANCE (Watt)

FIG. 4. - Quelle que soit la cadence imposée la lactatémie de fin d'exercice présente une allure curvilinéaire classique fonction

de la puissance,. pour une cadence donnée la concentration minimale s'observe pour une puissance relative voisine de 40 % de V02 max. a :40% V02 max. b :60% V02 c:80% V02 max.

Cadences: • 65 rpm, .Â43 80 rm, • 95 rpm,

*

^{110 rpm.}

FREQUENCE (Tours/min)

FIG. 6. - En dehors du pédalage à vide, pour une puissance donnée, la lactatémie de fin d'exercice présente en fonction de la cadence une allure curvilinéaire à concavité tournée vers le haut. a : 40 % V02• b : 60 % V02 max. c :80 % V02 max.

d : a ^watt.

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vide; celles-ci sont inférieures pour 62.5 Watts, pour s'élevent de nouveau pour 110 Watts et de façon encore plus marquée à 167.5 Watts

(fig. 4). Pour une puissance fixe imposée au niveau du pédalier les différentes variables cardiorespiratoires sont fonction de la fréquence de pédalage :

- la consommation d'oxygène présente une allure curvilinéaire à concavité orientée vers le haut; le minimum situé en dessous de 65 r.p.m.

pour 0 Watts se déplace vers les fréquences plus élevées pour les puissances supérieures (fig. 5) ; - la lactatémie de fin d'exercice, en dehors du pédalage à vide, présente une évolution tout à fait comparable avec une accentuation de la courbe pour les puissances élevées (fig. 6).

Discussion

PROTOCOLE

Le nombre restreint de sujets n'a pas permis une randomisation parfaite de la distribution des fréquences permettant de faire disparaître l'effet d'une épreuve sur la suivante. Il aurait été nécessaire pour ce faire de réaliser 24 arrange- ments de fréquence donc de sélectionner 24 sujets. Une autre méthode aurait été de séparer

de plusieurs jours d'intervalle chacune des 16 expériences réalisées par chaque sujet, soit réaliser 64 épreuves indépendantes. Pour éviter l'écueil temps et les phénomènes intercurrents susceptibles de modifier l'aptitude des sujets d'expérience, les quatre épreuves correspondant à une même puissance ont été réalisées le même jour en respectant un intervalle de 24 minutes

entre chacune d'entre elles; l'amortissement des effets entre épreuves a été réalisé grâce à une randomisation par couples de fréquences 65-110 et 95-80 de façon à obtenir par ailleurs sur l'ensemble des 4 sujets, pour chaque épreuve, quel que soit son n° d'ordre (1, 2, 3 ou 4), les quatre fréquences de pédalage sélectionnées

(fig. 2).

RÉSUL TA TS

Les résultats concernant la dépense énergéti- que en fonction de la fréquence de pédalage de

bras sont superposables à ceux obtenus avec le pédalage de jambes. En fonction de la fréquence, la V02 présente une allure curvilinéaire à concavité supérieure dont le minimum se dé- place vers les fréquences plus élevées quand la puissance est supérieure (3, 7, 22). Cependant, à puissance et fréquence identiques et en dépit de masses corporelles mobilisées inférieures, l'exercice de bras s'accompagne d'une dépense énergétique supérieure (4), d'une V02 et d'un taux de lactate plus élevés. Ce sûrcroît de dépense énergétique par rapport aux jambes est à rapporter à un rendement inférieur .lié à une mise en jeu d'un plus fort pourcentage de laV02

max. et de force maximale, et donc un pourcentage plus élevé de fibres rapides de type II et un métabolisme anaérobie plus important.

Les pentes A et les ordonnées à l'origine B des relations linéaires liant laV02 à la puissance apparaissent directement liées à la fréquence. Le traitement mathématique de ces liaisons fait apparaître que la meilleure relation :

8 Ann. Kinésithér., 1992, t. 19, ^nO 1 50

'c

⁴⁰

E 30

,...

613 '0)^~^...,^(J)

⁰ - 'c - z

^H^:Jâ..^Q::â...wÊÊ

⁰

^-1~ ⁴¹³³¹³²¹³

le

⁵¹³

C\I

YD2 mobilisationL bras +manivelles

0

_.> ₅₁₃¹³ ¹¹³¹³⁷⁵¹²⁵¹⁵⁰

50 30 40

20 10

10

oo

W

-1_::J 20

u

-1

cr:U

(\j

o

.>

\102 REEL

FIG. 7. - Les valeurs de VO, calculées à partir de l'équation prédictive prenant en compte la puissance et la cadence imposées sont très proches des valeurs réellement mesurées. VO,c =

VO,r XO,955 + 1,156. n = 72. r = 0,977.

FREQUENCE (Tours/min)

FIG 8. - Les relations curvilinéaires entre la VO, et fréquence de pédalage présentent un minimum pour des fréquences d'autant plus élevées que la puissance est forte.

le suivi des athlètes à savoir la relation V02-FC et la V02 max. (7).

Cette mobilisation permet en outre de définir avec précision l'allure des courbes de la V02 en fonction de la fréquence pour différentes puissances et le lieu des minima correspondant à la dépense énergétique la plus faible (fig. 8).

Celui-ci passe de 50 tours par minute lors du pédalage à vide à environ 90 r.p.m. pour 240 Watts pour l'échantillon testé, soit des valeurs superposables à celles obtenues avec les jambes pour des pourcentages de V02 max.

comparables (3).

Le fait que, pour une puissance donnée, la dépense énergétique soit supérieure pour les faibles ou les hautes fréquences s'explique par les raisons suivantes.

La dépense énergétique totale est en effet la résultante de deux dépenses complémentaires (fig. 9) :

- d'une part, la dépense énergétique liée à la simple mobilisation des masses accessoires (manivelles) et corporelle (avant-bras, bras, torse ...) dont l'amplitude dépend strictement de la fréquence de mobilisation et est relativement indépendante du couple résistant imposé au niveau du pédalier. Celle-ci permet d'estimer que

50

,...

'0).::t.

40

'c ^,~

e ₃₁₃

.- 0

^.>_(\j^...•.^E ²⁰

le

50 60 '713 813 90 11313 Ile 1213

FREQUENCE(tours/min)

FIG 9. - La dépense énergétique liée au manivelage est la somme du coût demobilisation des masses corporelles et matérielles et duCcoût nécèssaire pour vaincre les résistances imposées au niveau du pédalier.

le surcroît de puissance développée est d'environ 35 Watts à 50 r.p.m. et 90 Watts à 100 r.p.m. ;

- d'autre part, la dépense énergétique utilisée pour vaincre les résistances mécaniques impo- sées au niveau du pédalier; or, si celle-ci est

(7)

15

10 20

4 L • ⁶⁵ rpm"

1"50 200 50 100

• 110 rpm 5

e

z

HZ 3 H

::E:

0:1 ..:J'"

=>

ou

• 65 rpm }

la } couples réels

• 1 rpm)

251 couple théorique

FIO 10. - Les couples moyens théoriques obtenus par le calcul en fonction des puissances et cadences imposées sont quasiment confondus avec les couples moyens réellement mesurés: ils sont d'autant plus élevés que la puissance est forte et/ou la cadence basse.

généralement considérée comme linéairement liée à la puissance (et donc indépendante de la fréquence), il est indispensable de se rappeler que pour une même puissance, lorsque la fréquence diminue, non seulement le couple moyen aug- mente (19) mais aussi l'amplitude des variations du couple lors d'un cycle (fig. 10 et 11),' en d'autres termes, il y aura d'autant plus de fibres anaérobies (type II ou FT) mises en jeu que la fréquence est basse; ceci est confirmé par une élévation de la concentration de lactate supé- rieure pour les fréquences basses, une participa- tion du métabolisme anaérobie plus conséquente, et, comme on l'observe généralement, une élévation parallèle du métabolisme aérobie né- cessaire à la remétabolisation d'une partie de ce lactate produit (12).

Ces deux composantes énergétiques de l'acti- vité de pédalage de bras sont modélisées par les deux termes de l'équation théorique proposée dônt l'un ne dépend que de la fréquence, l'autre de la fréquence et de la puissance. Chacun des termes pris isolément permet donc d'estimer d'une part la dépense énergétique « inefficace » liée à la mobilisation des masses corporelles et la dépense énergétique « efficace » permettant de vaincre les résistances extérieures, par exem- ple les résistances à l'avancement; le calcul des dépenses énergétiques absolues et relatives de bras mises en jeu à 155 Watts, pour 60 et 90 r.p.m., met bien en évidence que la mobilisation est moins coûteuse que celle des jambes (9) mais, qu'en revanche, le coût total (V02, dLA) est supérieur du fait d'une dépense « efficace » supérieure par mise en jeu d'un plus fort pourcentage de la V02 max. et du métabolisme anaérobie (tableau III) .

Conclusion

FIO. 11. - La différence moyenne entre les valeurs maximales et minimales des couples enregistréslors d'une révolution complète est d'autant plus conséquente que la cadence est basse.

•

COUPLE MOYEN (N.m)

La dépense énergétique liée à toute activité gestuelle périodique ayant pour objectif le déplacement de l'individu avec ou sans matériel associé comporte deux composantes : l'une correspond à la mobilisation des masses accessoires et corporelles actives ou inactives, l'autre au coût nécessaire pour vaincre les résistances

H

~ 110' '-o.•••••

::E:

0:1 ..:J'"

=>

ou

'Û

a 5 la 15 20 25

(8)

10 Ann. Kinésithér., 1992, t. 19, n° 1

TABLEAU III. - En dépit d'une dépense de mobilisation des masses corporelles supérieure, les consommations d'oxygène obtenues à une même puissance avec lesjambes sont inférieures à celles obtenues avec les bras. Cette moindre dépense énergétique est en relation avec une lactatémie inférieure et une aptitude supérieure.

Var.

Cad.100 V02Dépense énergétique[AL]

V02max Memb.

Efficacemmol. 1 - 1rpmMobilisa.TotaL% 60

29,1 (803,5180,97,3 (20%)36,4 %)

Sup. 90

25,0 (703,1580,011,0 (30%)36,0 %) 60

20,7 (7255,51,128,2 (28%)28,9 %)

ln! 90

20,0 (612,9512,7 (3962,9%)32,7 %)

opposées au déplacement; pour une même puissance nécessaire au déplacement du couple individu-matériel ces deux composantes évo- luent en sens inverse : l'élévation de cadence améliore le rendement métabolique par réduc- tion des forces développées et utilisation préfé- rencielle des fibres 1 et du métabolisme aérobie ; en revanche, elle majore la dépense énergétique liée à la mobilisation du matériel et des membres actifs.

Il existe donc, du fait de ces deux composantes, une gamme de fréquence optimale s'accompagnant d'un rendement maximal qui dépend par ailleurs des caractéristiques biolo- giques individuelles ('V02 max., type de fibres musculaires, masses corporelles actives).

Il apparaît à l'évidence qu'entre deux sujets ayant même potentiel énergétique et mêmes caractéristiques biométriques, se trouvera gran- dement avantagé celui qui est à même de sélectionner le matériel lui permettant d'obtenir, pour une puissance donnée, la cadence optimale.

L'application pratique de ces travaux nécessite qu'une dernière étape soit franchie en définissant pour chaque athlète, soit en situation, soit sur ergomètre spécifique permettant une simulation gestuelle fiable, les deux termes de l'équation proposée.

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23. VIRET R. - Mise au point et intérêt d'une microméthode de dosage de l'acide lactique et du glyeérol pour l'étude du métabolisme au cours de l'exercice. Mémoire CI Physiologie, 1979, Lyon.

TRAUMATOLOGIE DU SPORT

R. DANOWSKI

J.-c. CHANUSSOT Col/ection des Abrégés de Médecine 1991, broché, 336 pages, 299 figures, (13,5 X 21), 173 F*.

MASSON

Cet ouvrage traite de l'ensemble des pathologies traumatiques et microtraumatiques rencontrées chez le sportif, qu'il présente de façon claire et pratique sous leurs différents aspects. Une très large place est faite à l'iconographie et à des tableaux de synthèse permettant d'appréhender rapidement les signes cliniques, les exa- mens complémentaires ainsi que les protocoles de traitement propres à chaque pathologie.

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Influence de la cadence gestuelle sur le rendement énergétique du pédalage de bras.

Influence de la cadence gestuelle sur le rendement énergétique du pédalage de bras.

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