evaluation de la puissance maximale est actuellement abusif de dénommer « tests d’évaluation de...
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Evaluation
de la
Puissance maximale
Il est actuellement abusif de dénommer « tests d’évaluation de la puissance maximale anaérobie alactique » des tests fondés sur la mesure d'une puissance mécanique. Ceci suppose implicitement que le métabolisme énergétique (resynthèse de l’ATP) représente le facteur limitant la performance à ces tests.
Puisqu’actuellement l’ensemble de ces tests consistent à mesurer une puissance mécanique, il est préférable de les appeler « tests de puissance mécanique maximale » et non pas test de puissance maximale anaérobie alactique, même si c’est ce métabolisme qui assure l’essentiel de l’apport énergétique.
Différents tests ont été proposés pour mesurer la puissance maximale :
- tests de détente verticale, - test de l’escalier de Margaria, - tests sur bicyclette ergométrique (Wingate test, tests force-vitesse...).
Quel que soit le protocole utilisé, la mesure de la puissance maximale dite « anaérobie alactique » nécessite trois conditions :
- l’exercice doit être réellement maximal ; - la durée de l'exercice doit être très courte ; - les conditions de force et de vitesse doivent être optimales.
L’exercice doit être maximal
Sur le plan psycho-moteur, les sujets ne doivent pas éprouver de difficulté à réaliser l’épreuve.
Une motivation suffisante des sujets est indispensable.
Il est donc préférable de faire réaliser des épreuves proches sur le plan biomécanique de la discipline pratiquée.
Brièveté des épreuves
La durée de l'exercice doit être très courte :
- la puissance maximale décroît rapidement lorsque l'exercice se prolonge (Wilkie 1960, Davies 1971, Kyle et Caizzo 1986).
- Plus la durée de l'exercice est brève plus la participation des métabolismes anaérobie lactique et aérobie est limitée.
Contrairement aux conceptions anciennes, la production d'acide lactique est précoce et commence dès les premières secondes d'exercice. Seuls les exercices très brefs (1 seconde et moins) sollicitent, préférentiellement, le métabolisme anaérobie alactique.
Conditions optimales de force et de vitesse
La puissance, quotient d'un travail par un temps, est égale au produit d'une force et d'une vitesse. Depuis les travaux de Fenn, Hill et Aubert, il est connu que la vitesse de raccourcissement musculaire dépend de la force qui s'oppose au déplacement. Réciproquement la force que peut exercer un muscle dépend de la vitesse du raccourcissement.
RelationForce-Vitesse
du muscle isolé
Capteur de force
Muscle
Butée
Levier
Poids
Ergomètre utilisé pour l'étude d'un muscle isolé
Stimulateur
La forceest mesurée
Le muscle seraccourcit
Poids
Stimulation du muscle
La vitesse du déplacementest mesurée
PoidsStimulateur
Il est possible de faire varier la valeur des poids que le muscle soulève.
PoidsStimulateur
En faisant varier les poids, il est possible de déterminer une relation entre la force et la vitesse de raccourcissement.
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
= force à vitesse nulleF 0
= force maximale isométrique
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
V 0 = vitesse à charge nulle= vitesse maximale
vitesse calculée par extrapolation
La relation la plus connue, liant la vitesse de raccourcissement V et la force F est celle de Hill :
(F + a)(V + b) = b(F0 + a) = a(V0 + b) où F0 est la force maximale isométrique, V0 la vitesse maximale de raccourcissement, « a » et « b » des paramètres ayant respectivement la dimension d'une force et d'une vitesse.
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
( F + a )( V + b ) = b ( F + a )0
= a ( V + b )0
= constante
Relation force-vitesse hyperboliqueproposée par AV Hill
0,0 0,25 0,50 0,75 1,0
Vitesse
0,0
1,0
2,0
3,0
Force ( fraction de F )0
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
Force
Vitesse
La relation vitesse-force peut être transformée en relation force-vitesse
RelationVitesse-Puissance
du muscle isolé
Une des conséquences essentielles de cette relation force-vitesse est que la puissance produite lors d'une contraction (égale au produit FV) dépend donc de la vitesse et de la force selon les relations suivantes :
P = a.V(V0 - V) / (V + b) P = b.F(F0 - F) / (F + a)
0
20
40
60
80
100
Puissance
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
La puissance produite lors d’unecontraction est égale au produitde la force par la vitesse deraccourcissement.
Puissance = Force x Vitesse
Force
0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
40
60
80
100
Puissance
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Force
Puissance = Vitesse x Force
0
20
40
60
80
100
120
140
0
40
60
80
100
Puissance
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
ForcePuissance = Vitesse x Force
20
0
20
40
60
80
100
120
140
0
40
60
80
100
Puissance
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Force
20
0
20
40
60
80
100
120
140
Vitesse optimalepour la puissance
Vopt
Puissance
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,20
20
40
60
80
100
120
140
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Puissance
Vitesse3,0
0
20
40
60
80
100
120
140
2,4
1,8
1,2
0,6
ForceF( fraction de )0
De la relation force-vitesse, ilpossible de déduire la relationentre la force et la puissanceproduite lors d’une contraction .
0,0 0,25 0,50 0,75 1,0
Puissance = Vitesse x Force
Puissance
Vitesse3,0
0
20
40
60
80
100
120
140
2,4
1,8
1,2
0,6
0,0 0,25 0,50 0,75 1,0
ForceF( fraction de )0
Relation force-puissance
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
0,0 0,25 0,50 0,75 1,0
ForceF( fraction de )0
Force optimalepour la puissance
Fopt
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Les relations entre la force et la vitesse produites et mesurées au cours d’exercices mono ou polyarticulaires, in vivo chez l’homme, sont souvent différentes de cette relation hyperbolique. Quel que soit le test utilisé, celui ci ne peut permettre de mesurer la puissance maximale que si les conditions de force et de vitesse sont optimales (F et V proches de Fopt et Vopt).
Effets du type de fibres musculaires
0,80,6
1,0
0
Force (F/F )0
3,0
2,0
4,0
- 0,00,4
Vitesse de raccourcissementdes sarcomères (µm/s)
0,2 1,0
Muscle rapide
Muscle lent
F0
V0
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Force
fibre rapide
f. lente
0
40
60
80
100
20
Comparaison des relations vitesse-forced’une fibre musculaire et d’une fibrelente rapide
Vitesse
Relation vitesse-force et vitesse-puissanced’une fibre musculaire lente
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Force
0
40
60
80
100
20
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Vitesse
Relation vitesse-force et vitesse-puissanced’une fibre musculaire rapide
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Force
0
40
60
80
100
20
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
0
20
40
60
80
100
120
140
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
A cette vitesse, les fibres lentes ne produisentplus de puissance alors que les fibres rapidessont proches de leur vitesse optimale. .
Fibre rapide
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Puissance
Fibre lente
0
20
40
60
80
100
120
140
R + L
R
L
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
La contribution des fibres lentes à la productionde puissance n’est significative qu’aux faiblesvitesses et nulle aux vitesses élevées. .
Puissance
0
20
40
60
80
100
120
140
Puissance
Une des conséquences essentielles de cette relation force-vitesse est que la puissance produite lors d'une contraction (égale au produit FV) dépend donc de la vitesse et de la force selon les relations suivantes :
P = a.V(V0 - V) / (V + b) P = b.F(F0 - F) / (F + a)
Les relations entre la force et la vitesse produites et mesurées au cours d’exercices mono ou polyarticulaires, in vivo chez l’homme, sont souvent différentes de cette relation hyperbolique. Quel que soit le test utilisé, celui ci ne peut permettre de mesurer la puissance maximale que si les conditions de force et de vitesse sont optimales (F et V proches de Fopt et Vopt).
Test de l’escalier de Margaria (1966)
En 1966 Margaria a proposé un test de mesure de la puissance maximale anaérobie qui consiste en la montée à vitesse maximale d'un escalier. La vitesse de montée est mesurée selon les protocoles soit entre les 4ème et la 8ème marches soit entre les 6ème et 12ème marches. Une course d'élan sur un palier horizontal précède cette montée qui est réalisée deux marches par deux ou trois par trois selon le protocole.
4
8
H
h
H = h
0.42
Chronomètre
Margaria 1966 : montée des marches parentre la et la marche
2 2
4ème 8ème
Compte-tenu de la phase d'élan avant la sixième marche, il est supposé que :
- la vitesse du sujet (et de ses différents segments corporels) est constante à la sixième et à la douzième marche, - la résistance de l’air est négligeable à cette vitesse - le seul travail réalisé pendant ce temps est donc celui réalisé contre la force de pesanteur.
La puissance en watts, produite contre la force de pesanteur est donc égale à :
P(W) = 9,81.m(kg).h(m) / t(s) où « 9,81.m(kg) » est le poids du sujet en newtons, h(m) la différence de hauteur entre la 6ème et la 12ème marche et t(s) le temps en secondes, écoulé entre ces marches.
h
Variante : montée des marches parentre la et la e marche
2 2
6ème 12èm
6
12
12
Variante : montée des marches parpuis par entre la et la e marche
2 2
3 3 6ème 12èm
La comparaison des résultats obtenus avec les protocoles « 2 par 2 », « 3 par 3 » et « 2 par 2 puis 3 par 3 », donne statistiquement les meilleurs résultats avec le protocole « 2 par 2 puis 3 par 3 ». Ce meilleur résultat est en fait dû à l’inadaptation du protocole « 2 par 2 puis 3 par 3 » à la détermination du travail réellement effectué entre la 6ème marche et la 12ème marche.
6
12
h
HH = h
0.42
Chronomètre
Montée des marches parentre la et la e marche
3 3
6ème 12èm
12
h
HH < h
Montée des marches parpuis par entre la et la e marche
2 2
3 3 6ème 12èm
Ce test qui a été très utilisé dans les années qui suivirent sa publication a été abandonné par la suite pour les raisons suivantes :
- la puissance mesurée était inférieure à la puissance maximale qui nécessite l'utilisation de surcharge (par exemple un gilet lesté) afin d'être dans les conditions optimales de force et de vitesse ;
- certains sujets éprouvent des difficultés à monter l'escalier à vitesse maximale tout en posant les pieds à un endroit déterminé (6ème et 12ème marches par exemple).
Le désintérêt actuel pour ce test n'est peut-être que temporaire. En effet, des modifications de protocole et l’utilisation des techniques actuelles de mesure des déplacements des sujets devraient améliorer la faisabilité de cette épreuve.
Evaluation de la
puissance maximale sur
bicyclette ergométrique
Bicyclette ergométriqueà freinage mécaniquemis au point en 1954
par von Döbeln.
Bicyclette ergométriqueà freinage mécaniquemis au point en 1954
par von Döbeln.
Wingate-test
Le Wingate test (Ayalon et coll 1974) et ses dérivés sont probablement les tests anaérobies les plus utilisés dans le monde actuellement. Ce test consiste en un exercice de pédalage à vitesse maximale pendant 30 secondes contre une force de freinage constante établie en fonction du poids corporel.
Pour une bicyclette ergométrique dont le développement est de 6,1 m, la force de freinage proposé était 75 g par kilogramme de poids corporel dans la première étude. Une force de 87 g par kilogramme de poids corporel a été proposée par la même équipe dans une étude plus récente. Il est probable qu’une résistance de 100 g par kilogramme soit préférable dans une population sportive moyenne (Vandewalle et coll 1987).
Trois indices sont mesurés dans le Wingate test :
- la valeur du pic de vitesse, - la quantité de travail effectuée pendant les 30 secondes, - la baisse de puissance au cours de l'épreuve.
La valeur du pic de vitesse multipliée par la force de freinage donne la valeur du pic de
puissance (Ppic) pendant l'épreuve :
Ppic (watt) = F (kg). V pic (tours/min) Formule valable pour tout ergomètre dont le développement est de 6,11m. Cette valeur de puissance est présentée comme une estimation de la puissance maximale anaérobie.
La quantité de travail réalisée pendant les 30 secondes l'épreuve est présentée comme une estimation de la capacité maximale anaérobie (c’est-à-dire de la quantité maximale de travail pouvant être réalisée grâce à l’énergie fournie par le métabolisme anaérobie).
La baisse de puissance (différence entre le pic de puissance et la valeur la plus basse de la puissance pendant l'épreuve divisée par le temps écoulé entre le pic et le moment où la valeur la plus basse est atteinte) est un indice de fatigabilité.
L'intérêt de l’indice de fatigue du Wingate test est qu'une corrélation positive a été trouvée entre cet indice et le degré d'hypertrophie des fibres musculaires de type rapide (Bar-Or et coll. 1980). Cet indice de fatigue aurait donc pu être un test d'évaluation indirecte de la typologie musculaire.
Les études les plus récentes remettent en question l'intérêt du Wingate test dans l'exploration fonctionnelle du métabolisme anaérobie. Comme pour tout test, les critiques portent sur :
- sa validité , - sa reproductibilité.
Validité du Wingate test
Le Wingate test mesure-t-il réellement ce qu'il est supposé mesurer ?
- Le pic de puissance est-il une bonne estimation de la puissance maximale anaérobie ?
- La quantité de travail réalisée pendant l'épreuve est-elle une estimation de la capacité anaérobie ?
- L'indice de fatigue est-il un bon reflet de la typologie musculaire ?
La critique essentielle de la validité du pic de puissance comme estimation de la puissance maximale est d'ordre biomécanique :
il n'est pas possible de déterminer la force de freinage d'un Wingate test qui soit a priori optimale (Vandewalle et coll. 1987, 1988, 1989).
Le caractère très éprouvant de ce test empêche de recommencer l'épreuve dans le cas où la force de freinage utilisée s’avérerait a posteriori trop différente de la force optimale. L'estimation de Wmax est donc a priori moins précise que celles obtenues au moyen d'exercices plus brefs qui permettent la réalisation de sprint contre différentes forces de freinage dans une même séance.
Cependant, compte tenu de la relation parabolique entre la force de freinage et le pic de puissance, une force de freinage différente de la force optimale donne un pic de puissance peu inférieure à Wmax. Ainsi, on peut démontrer que lorsque la force de freinage est de 50 % inférieure à la force optimale, le pic de puissance n’est que de 25 % inférieur à Wmax.
Reproductibilité du Wingate test
La reproductibilité de la mesure du pic de puissance est très bonne dans toutes les études (r >0,90 pour Bar-Or et coll. 1977 et Patton et coll. 1985).
La reproductibilité de la quantité de travail réalisée en 30 secondes est moins élevée que celle du pic de puissance mais reste bonne (0,90 < r < 0,93 pour Bar-Or et coll. et Patton et coll.).
Par contre, la reproductibilité de l'indice de fatigue est mauvaise (0,43 < r <0,74), ce qui limite sérieusement l’intérêt de cet indice. Cette mauvaise reproductibilité peut être expliquée par le fait que les sujets qui ne produisent pas un effort maximal au début du test, devraient être capables de produire plus de puissance à la fin de celui-ci.
Applicationsde la relationForce-Vitesseaux exercicessur bicyclette
Un test simple appelé test "force-vitesse" sur ergocycle mécanique à force de frottement (par exemple du type Monark) a été mis au point à partir de travaux antérieurs sur la relation force-vitesse du muscle isolé et des protocoles préexistants concernant la mesure de la puissance maximale sur bicyclette ergométrique (Ayalon et coll. 1974, Pirnay et Crielaard 1979).
Ce test a dans un premier temps été conçu pour évaluer la puissance maximale des membres supérieurs. Il consiste en la réalisation de sprints maximaux de quelques secondes contre différentes force de freinage (F). La valeur du pic de vitesse de moyenne sur un tour (Vpic) est mesurée.
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
19 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
Effets de la force de freinage sur la courbe de vitesse au coursd'un sprint maximal sur bicyclette ergométrique Monark.
Pic de vitesse
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
38 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
Effets de la force de freinage sur la courbe de vitesse au coursd'un sprint maximal sur bicyclette ergométrique Monark.
Pic de vitesse
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
57 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
Effets de la force de freinage sur la courbe de vitesse au coursd'un sprint maximal sur bicyclette ergométrique Monark.
Pic de vitesse
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
76 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
Effets de la force de freinage sur la courbe de vitesse au coursd'un sprint maximal sur bicyclette ergométrique Monark.
Pic de vitesse
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
19 N
38 N
57 N
76 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
Effets de la force de freinage sur la courbe de vitesse au coursd'un sprint maximal sur bicyclette ergométrique Monark.
0
200
100
Il est possible de déterminer une relation entre la force defreinage et le pic de vitesse (flèche) lui correspondant.
Fréquence de pédalage(tours / min)
19 N
38 N
57 N
76 N
0 1 2 3 4 5 6 7 8
secondes
La valeur de ce pic de vitesse (Vpic) est d’autant plus faible que la force de freinage est élevée. Différentes études ont montré que pour les pics de vitesse Vpic compris entre 100 et 200 tours par minute, la relation entre la force de freinage F et Vpic peut être écrite par une relation linéaire (Vpic = a - b F).
50
200
100
250
0
V0
150
Fréquence de pédalage(tours / min)
0 2 4 6 8 Charge (kg) d'après Vandewalle et coll 1983
200
500
800
Puissance (watts)
V = 254 - 22 F
r = 0,996
F0
Ergomètre Monarkexercice réalisé avec
les membres supérieurs
d'après Vandewalle et coll. 1983
5 10 15 20 25
Wmax(watts)
1000
850
700
550
400
250
V (tours / min)0
F
(kg)0
300
200
tennis
sédentairesboxe
canoé-kayak (hommes)
canoé-kayak (femmes)équipe olympique 1980
Une relation linéaire a aussi été observée entre le moment maximal exercé sur les manivelle et la vitesse de pédalage sur cyclo-ergomètre isocinétique (Sargeant et coll 1981) ou électronique (Buttelli et coll 1996).
Ces relations linéaires peuvent être réécrites sous la forme suivante :
Vpic ou V = V0( 1 – F / F0 )
V0 intersection de la droite représentative de la relation force-vitesse avec l'axe des vitesses ; F0 intersection de cette même droite avec l'axe des forces.
V0 et F0 ont la dimension respectivement d'une fréquence maximale de pédalage et d'une force maximale. La puissance maximale Wmax est obtenue pour un pic de vitesse égal à 0,5 V0 et une force égale à 0,5 F0. Wmax est donc égal à 0,25 V0F0.
Les valeurs de puissance maximale anaérobie sont supérieures chez les athlètes pratiquant des sports de puissance et de vitesse (Komi et coll. 1977, Vandewalle et coll. 1987, Seresse et coll. 1989).
300
200
W / kg
20
17
14
118
0,2 0,3
12 18
kg / kg
J / kg / tour
sédentaires (H)
canoé-kayak (H) équipesde
France
Paramètres V , F et W de la relation force vitesse sur
bicyclette ergométrique (membres supérieurs).0 0 max
VO (tours/ min)
FO
canoé-kayak (F)
Hand-ball (H)
Volley-ball (H)
Boxe (H)niveau
régional
d'après Vandewalle et coll. 1987 et Driss et coll. 1998
300
200
W / kg
20
17
14
118
0,2 0,3
12 18
kg / kg
J / kg / tour
Paramètres V , F et W de la relation force vitesse sur
bicyclette ergométrique (membres inférieurs).0 0 max
VO (tours/ min)
FO
Garçons11 à 13 ans
Hommes
Femmes
sprinteur olympique
d'après Vandewalle et coll. 1987
Cependant, la puissance maximale Wmax peut être mesurée au cours d’un sprint unique contre une force de freinage inférieure à la force optimale (F < 0,5 F0) à condition de calculer à chaque tours la variation d’énergie cinétique du volant d’inertie de l’ergomètre et d’ajouter cette valeur à la puissance dépensée contre la force de freinage (Lakomy 1986).
1000
500
00 1 2 3 4 5 6 7 8 secondes
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
Puissance
Puissance(watts)
Vopt
Force de freinage = 19 N
En effet, la vitesse de pédalage passe de la valeur zéro au début du sprint jusqu'à la valeur Vpic. La valeur de Vpic est supérieure à la vitesse optimale (Vopt vitesse permettent de produire sa puissance maximale) si F < 0,5 F0. Si Vpic est supérieure à Vopt, le sujet produit alors sa puissance maximale lorsqu’il atteint Vopt à conditions que l’activation des muscles soit maximale à cet instant.
1000
500
00 1 2 3 4 5 6 7 8 secondes
Force de freinage = 19 N
Force de freinage = 76 N
La valeur du pic de puissance ainsi calculé est indépendante de la force de freinage (Lakomy 1986) à condition que celle-ci soit inférieure à 0,5 F0. Cette relative indépendance du pic de puissance de la force de freinage ne signifie pas que la puissance est indépendante de la force ou de la vitesse.
1000
500
00 1 2 3 4 5 6 7 8 secondes
Force de freinage = 19 N
Force de freinage = 76 N
1000
500
00 1 2 3 4 5 6 7 8 secondessecondes
0
200
100
Fréquence de pédalage(tours / min)
Puissance
Vopt
Force de freinage = 76 N
Relation moment-vitesse au cours d'un sprintsur bicyclette ergométrique
Des études (Seck et coll 1995, Arsac et coll. 1996) ont montré qu’il est possible de déterminer la relation entre la vitesse de pédalage et le moment maximal correspondant à cette vitesse au cours d’un sprint unique contre une seule force de pédalage.
Les forces exercées sur le pédalier au cours d’un sprint correspondent non seulement aux forces de freinage mais aussi à la force nécessaire pour accélérer le volant cinétique de l’ergomètre. A partir des variations d’énergie cinétique du volant entre le début et la fin de chaque tour de pédalier, il est possible d’évaluer la force moyenne correspondant à la vitesse moyenne de ce tour pédalier.
0
20
10
200
100
0 40 80 120 160moment exercé sur les manivelles (N.m)
Vitesse de rotation(rad / s)
Fréquence de pédalage(tours / min)
Force de freinage = 19 N
0
0
20
10
200
100
0 40 80 120 160moment exercé sur les manivelles (N.m)
Vitesse de rotation(rad / s)
Force de freinage = 76 N
0
Fréquence de pédalage(tours / min)
Puisque la vitesse de pédalage passe de la valeur zéro au début du sprint jusqu'à la valeur Vpic il est possible de reconstituer la relation force-vitesse à partir des valeurs de force calculée à chaque tour de pédalier. L’utilisation d’une faible force de freinage est conseillée afin que Vpic soit suffisamment élevée et qu’ainsi la relation force-vitesse (ou moment-vitesse) soit déterminée sur une gamme de vitesse assez large.
0
20
10
200
100
0 40 80 120 160moment exercé sur les manivelles (N.m)
Vitesse de rotation(rad / s)
Force de freinage = 19 N
Force de freinage = 76 N
0
Fréquence de pédalage(tours / min)
V0
T0
180
Relation moment-vitesse au cours d'un sprintsur bicyclette Lode Excalibur
Il est possible de déterminer la relation moment-vitesse au cours d’un sprint unique sur un cyclo-ergomètre électronique disposant de jauges de contrainte collées sur les manivelles (Buttelli et coll. 1996, Capmal et Vandewalle 1997). Le moment moyen sur un tour de pédale peut être calculé en intégrant la courbe moment-angle.
Effet de la vitesse de pédalage sur le moment produit au cours d’un tour de manivelle à faible vitesse (1er tour, 90 rev/min) et à vitesse élevée ( 196 rev/min) lors d’un sprint maximal de brève durée (< 6 s). d'après Buttelli et coll 1996.
9ème tour,
360270180
0,0
0
Angle de la manivelle (°)
0,4
0,2
0,6
0,8
- 0,090
Moment (M/M )0
er1 tour
ème9 tour
Ergomètre Lode
La relation entre le moment moyen sur un tour et la vitesse moyenne sur ce tour est linéaire. Les valeurs de Wmax sur ce type de bicyclette électronique sont légèrement supérieures à celles mesurée au cours d’un sprint unique sur ergocycle Monark parce que les frottement dans le pédalier, la chaîne et le pignon ne pas pris en compte dans les ergocycles mécaniques de ce type.
50
0
200
100
250
0
V0
160120
Moment (N.m)8040 200
150
Fréquence de pédalage(tours / min)
Relation entre le moment moyen sur un tour et la vitesse moyenne de ce même tour, au cours d’un sprint maximal partant de la vitesse zéro.(durée du sprint < 6s).
Le premier tour, incomplet, n’est pas représenté.
Données collectées chez trois sujets. d'après Buttelli et coll. 1996.
Comparaison des puissances maximales
obtenues avec différents protocoles
Les études ayant comparé les valeurs des puissances maximales obtenues avec différents protocoles de mesure ont généralement trouvé des coefficients de corrélation significatifs mais des valeurs moyennes statistiquement différentes.
Il existe des corrélations positive et significatives entre la puissance maximale sur bicyclette ergométrique et le pic de puissance sur plateforme de force (Davies et Young 1984) ou la détente verticale (Vandewalle et coll. 1987) .
20
00
10
0,2 0,4 0,6 0,8 m
détente verticale
Bicyclette ergométrique
W = 0,53 + 0,231 DVmax
Puissance maximale (membres inférieurs)
W en W / kgmax
d'après Vandewalle et coll. 1987
1000
800
600
400 900 1300 1700 2100 (W) test de Margaria
W ergocycle (W)maxY = 0,49X + 167r = 0,67
d'après Pérès et coll.1988
Cyclistes / piste
Cyclistes / route
Autres
Les différences entre les puissances maximales obtenues selon différents protocoles ont de nombreuses origines :
- puissance maximale instantanée ou puissance moyenne ;
- exercice est mono ou poly-articulaire ;
- un ou deux membres inférieurs actifs ;
- durée d'exercice plus ou moins longue ;
- inertie des segments corporels prise ou non en compte.....
Prise en compte du travail interne
Le calcul de la puissance P doit tenir compte non seulement de la puissance Pext dissipée contre les forces externe (résistance de l’ergomètre, force de la pesanteur) mais aussi de la puissance Pcine nécessaire pour augmenter l’énergie cinétique des différents corps mobilisés au cours du test :
P = Pext + Pcine
Il faut ainsi tenir compte des variations d’énergie cinétique :
- des différents segments corporels du sujet ; - des différentes parties de l’ergomètre utilisé :
- volant d’inertie des bicyclettes ergométriques, - leviers et manivelles, - etc.
Soit G le centre des masses (centre de gravité du corps), la somme ES des énergies cinétiques des différents segments corporels du sujet est égale à : ES = ½ [ MV2 + Σ( IiAi
2 + miVGi2)]
où M est la masse corporelle totale, V la vitesse de G, VGi les vitesses de translation des i segments par rapport à G, mi et Ii leurs masses et moments d’inertie et Ai leurs vitesses angulaires .
On peut donc écrire :
P = Pext + dES/dt P = Pext + ½ d[ MV2 + Σ( IiAi
2 + miVGi2)]/dt
La valeur de ΣΣΣΣ( IiAi2 + miVGi
2) est généralement ignorée dans le calcul de la puissance produite au cours des différents tests. Cette erreur devrait être nulle si la vitesse de chaque segment corporel est la même au début et à la fin de la période prise en compte dans les cas où la puissance calculée correspond à la valeur moyenne sur un nombre entier de mouvements.
L’erreur sur la valeur de la puissance n’est pas négligeable dans les autres situations (Duboy et coll. 1994) en particulier si la puissance calculée correspond à la valeur instantanée (et non pas moyenne) de la puissance.
La combinaison de ces différents facteurs explique que, par exemple, chez un même sujet, le pic de puissance sur plate-forme de force puisse être quatre fois plus élevée que la puissance moyenne sur un tour de pédalier.
Quels que soient les tests utilisés ceux ci montrent que les valeurs de puissance maximale anaérobie :
- sont supérieures chez les athlètes pratiquant des sports de puissance et de vitesse ;
- sont nettement plus faibles chez l'enfant que chez l'adulte ;
- décroissent avec le vieillissement,
- sont supérieures lorsque les épreuves sont proches des exercices réalisés à l’entraînement ou en compétition.
Les résultats des tests de puissance maximale sont supérieurs chez des athlètes qui sont supposés posséder une prédominance de fibres musculaires rapides. Les performances aux tests de puissance maximale sont corrélées avec le pourcentage de fibres de type rapide (généralement exprimé en pourcentage de la surface de section sur des coupes transversales de biopsies musculaires)
300
200
W / kg
20
17
14
118
0,2 0,3
12 18
kg / kg
J / kg / tour
Paramètres V , F et W de la relation force vitesse sur
bicyclette ergométrique (membres inférieurs) chez l'homme.0 0 max
VO (tours/ min)
FO
sportifs
football
hockey/gazon
cyclisme/route
cyclisme/piste
course endurance
course sprint
tennis
rugby avantsrugby arrières
niveauinternational
niveaurégional
volley-ball
garçons11 à 13 ans
d'après Vandewalle et coll. 1987 et Driss et coll. 1998
300
200
W / kg
20
17
14
118
0,2 0,3
12 18
kg / kg
J / kg / tour
sédentaires (M + SD)
400-800 m
heptathlon
100-200 m équipede
Franceathlétisme
Paramètres V , F et W de la relation force vitesse sur
bicyclette ergométrique (membres inférieurs) chez la femme.0 0 max
VO (tours/ min)
FO
d'après Vandewalle et coll. 1987
Quels que soient les tests utilisés ceux ci montrent que les valeurs de puissance maximale anaérobie :
- sont supérieures chez les athlètes pratiquant des sports de puissance et de vitesse ;
- sont nettement plus faibles chez l'enfant que chez l'adulte ;
- décroissent avec le vieillissement,
- sont supérieures lorsque les épreuves sont proches des exercices réalisés à l’entraînement ou en compétition.
Vitesse verticale (m / s) Puissance (W / kg)
0 10 20 30 40 50 60
2,0
1,5
1,0
0,5
Age (années)
20
15
10
5
00,0
population alpine
italiens
eskimos
africains
adapté d'après Margaria et coll. 1969
Test de l'escalier deMargaria
20
00
10
0,2 0,4 0,6 0,8 m
Détente verticale
Puissance maximale (membres inférieurs)
W en W / kgmax
Bicyclette ergométrique
W = 0,39 + 0,237 DVmax
garçons(11 à 13 ans)
femmes gymnastes(18 à 22 ans)
d'après Vandewalle et coll. 1987
Age (années)12
5
40
10
W.kg-1
14 16 18
60
cm
50
70détente verticale
pédalagemembres supérieurs
d'après Vandewalle et coll. 1989
Evolution des indices de puissance maximalechez des jeunes nageurs (M SD)+
Age (années)12 14 16 18
détente verticale
pédalagemembres supérieurs
60
70
80
90
100
d'après Vandewalle et coll. 1989
Evolution des indices de puissance maximalechez des jeunes nageurs (% de la valeur à 17,5 ans))
6 8 10 12 14 16 180
20
40
Masse musculaire (kg)
Age (années)
30
10
Garçons
Filles
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Testostérone (µg/l)
0
1
2
3
4
5
Age (années)
Après la naissance, d le taux
de testostérone est aussi élevé qu’à l’âge de 15 ans puis décroit pour rester très bas jusqu’à la puberté.
e façon transitoire,
Garçons
Type de fibres
Naissance
1 an
6 ans
30 ans
I
40
60
59
60
IIa
30
30
21
20
IIb
10
10
20
20
IIc
20
0
0
0
Distribution des différents types de fibres musculaires en % du nombre total (d’après les données de Gollnick 1973, Bell 1980, Colling-Saltin 1980 ).
Hommes
Femmes
Fibres I Fibres IIA Fibres IIB
Valeurs moyennes et écarts-types des surfacesde section transversale des différents types defibres musculaires chez les hommes et lesfemmes adultes (d’après Glenmark et coll. 1992)
Quels que soient les tests utilisés ceux ci montrent que les valeurs de puissance maximale anaérobie :
- sont supérieures chez les athlètes pratiquant des sports de puissance et de vitesse ;
- sont nettement plus faibles chez l'enfant que chez l'adulte ;
- décroissent avec le vieillissement,
- sont supérieures lorsque les épreuves sont proches des exercices réalisés à l’entraînement ou en compétition.
20
00
10
0,2 0,4 0,6 0,8 m
Détente verticale
cyclistes
autres
Bicyclette ergométrique
Puissance maximale (membres inférieurs)
W en W / kgmax
d'après Vandewalle et coll. 1987