Propriété mécaniques du muscle Données théoriques et pratiques

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1 Propriété mécaniques du muscle Données théoriques et pratiques 1

2 Structuration du niveau organismique au niveau moléculaire 2

3 Muscle strié squelettique 3

4 Fibre musculaire découpée en 3D 4

5 Filament épais de myosine Filament fin d actine Vue miscroscopique de l arrangement entre les filaments d actine et de myosine Coupe transversale de deux myofibrilles montrant l'arrangement actine -myosine. 5

6 Vue microscopique de sarcomères 6

7 7

8 Mécanismes de la contraction musculaire 8

9 Accrochage actine - myosine ATPase ATP ADP - P Le calcium libéré des citernes du réticulum sarcoplasmique provoque un glissement des protéines régulatrices de l'actine, démasquant les sites d'accrochage des têtes de myosine 9

10 Muscle au repos Myosine attachée à l actine Donne la rigidité musculaire 10

11 1 ère étape de la contraction - L ATP s attache s à la myosine - La tête de myosine se détache d de l actinel 11

12 2 ème étape de la contraction - ATP est hydrolisée - La tête de myosine se déplace d en s accrochant s ailleurs 12

13 3 ème étape de la contraction - P i est libéré - La tête de myosine tire sur l actinel 13

14 4 ème étape de la contraction - ADP libérée - Retour du muscle à la position de repos 14

15 La contraction se termine quand [Ca ++ ] devient trop basse 15

16 REGIMES DE CONTRACTION MUSCULAIRE Concentrique Excentrique Isométrique Pliométrique 16

17 Contraction musculaire concentrique : Développement d une force volontaire raccourcissement du muscle 17

18 Contraction musculaire excentrique : Développement d une force pour résister à une charge importante étirement du muscle 18

19 Contraction musculaire isométrique : Développement d une force volontaire Aucune variation de longueur du muscle 19

20 Contraction musculaire pliométrique : Utilisation de l énergie élastique stockée au niveau du muscle lors de la phase d étirement Contraction excentrique suivie immédiatement d une d contraction concentrique 20

21 Le cycle étirement- détente Exemple de la course à pieds 1 - Pose du pied à terre 21

22 Stockage d éd énergie 2 - Contact au sol 22

23 Restitution de l él énergie 3 - Propulsion 23

24 Le cycle étirement- détente en course à pieds 24

25 Variation de la force appliquée 25

26 En l absence l de fatigue 26

27 Conséquences dues à la flexion du genou 27

28 En cas de fatigue 28

29 Processus d emmagasinage d d énergie à partir des têtes de myosine 29

30 MODELE MECANIQUE DU MUSCLE SQUELETTIQUE HILL (1932) 30

31 MODELE MECANIQUE DU MUSCLE SQUELETTIQUE HILL (1932) Composante élastique série Tendons Stockage-restitution d énergie élastique CES CC Composante élastique parallèle Enveloppes musculaires Liaison actine-myosine Composante contractile Génère une force grâce au glissement des filaments. Variation de la longueur du muscle CEP Stockage-restitution d énergie élastique 31

32 Différentes phases du modèle mécanique de la contraction musculaire 1. Phase de contraction isométrique 2. Phase de contraction isotonique 3. Phase de relaxation isotonique 4. Phase de relaxation isométrique 32

33 1. Phase de contraction isométrique La totalité du muscle garde la même longueur CC se raccourci (raccourcissement des sarcomères) CEP se raccourci (endomysium compressé) CES s étire (étirement des tendons) 33

34 2. Phase de contraction isotonique La totalité du muscle se raccourci CC se raccourci CEP se raccourci CES garde la même longueur 34

35 3. Phase de relaxation isotonique CC s allonge La totalité du muscle s allonge CEP s allonge CES garde la même longueur 35

36 4. Phase de relaxation isométrique La totalité du muscle garde la même longueur CC s allonge CEP s allonge CES se raccourci 36

37 Propriétés mécaniques musculaires Relations : Force - longueur Force - vitesse Puissance - vitesse 37

38 Variables intervenant dans la contraction musculaire Il y a lieu de distinguer : des facteurs chimiques intervenant directement dans la mécanique contractile (organisation des fibres d'actine / à celles de myosine ; proportions de myofibrilles / mitochondries, myoglobine). des facteurs visco - élastiques dus à la présence de différents éléments élastiques dans les myofibrilles, les fibres musculaires et les tendons. 38

39 Contractions isotoniques et isométriques muscle isolé Dispositif permettant l'étude des réponses d'un muscle isolé à la stimulation électrique dans le cadre d'une contraction isométrique ou isotonique En isotonie, le raccourcissement du muscle imprime un mouvement au levier A qui est enregistré par un système de mesure. En isométrie, la tension développée est enregistrée par la jauge de contrainte B. 39

40 Etude de la contraction isotonique 40

41 Etude de la contraction isométrique 41

42 Relation tension - longueur du muscle Chaque contraction musculaire implique : le development d une tension active (ponts d actine-myosine) le development d une tension passive (étirement et compression des éléments élastiques tendons et endomysium) 42

43 Courbe de tension active Sur le sarcomère re En condition isométrique Longueur de repos du sarcomère re Tension Max 43

44 Relation entre la tension développée par la mécanique contractile et la longueur d'un sarcomère Les tensions les plus importantes sont enregistrées aux longueurs offrant le plus d'interactions actine - myosine 44

45 Courbe de tension passive Tendons et endomysium Générée en tirant sur la fibre musculaire Débute à la longueur de repos du sarcomère re 45

46 Courbe de tension totale Addition de la courbe de tension active à celle de tension passive 46

47 Relation force - vitesse en condition isotonique sur un muscle isolé charges à soulever de poids croissants (P 1, P 2, P 3 ) 47

48 Relation force - vitesse du muscle isolé Plus il y a de sarcomères res placés en parallèle le dans la fibre musculaire plus la fibre peut développer de la force (hypertrophie( ou hyperplasie) Plus il y a de sarcomères res placés en série dans la fibre musculaire plus la fibre peut développervelopper de la vitesse Note : La vitesse vitesse de contraction est limitée par le type de myosine ATPase présente dans la fibre. 48

49 Illustration de l hypertrophie d une fibre Développement de la force 49

50 Illustration du développement des sarcomères res en série s dans une fibre Développement de la vitesse 50

51 Potentiel d action d et force musculaire Un simple potentiel d action d musculaire détermine le développement d d une d force submaximale due à la vitesse de libération du Ca ++ qui est dépendante d de la Ca ++ ATPase qui enlève le Ca ++ du sarcoplasme. 51

52 Potentiel d action d et force musculaire 52

53 Potentiel d action d et force musculaire Lorsque la fréquence du potentiel d action augmente,, la Ca ++ ATPase ne parvient pas à enlever le Ca ++ cytosolique assez vite, permettant l augmentation de la force maximale (tétanos). 53

54 Potentiel d action d et force musculaire 54

55 Muscle et fatigue Chez l homme il y a deux types de fatigues : 1. La fatigue de type musculaire 2. La fatigue de type nerveuse En général g les nerfs ne fatiguent pas. La fatigue nerveuse implique la dépld plétion du neurotransmetteur, après s plusieurs millier de décharges d de hautes fréquences. 55

56 Muscle et fatigue Hypothèses / fatigue de type musculaire corrélation avec la déplétion des stockes de glycogène Pour l exercice l de longue durée e : les cellules musculaires deviendraient davantage dépendantes d de la filière énergétique utilisée 56

57 Unités s motrices Le moto neurone alpha plus l ensemble des fibres musculaires qu il innerve forment : l unité motrice musculaire 57

58 Unités s motrices Les unités motrices peuvent être : petites : nerf + 1 fibre musculaire grandes : nerf + plusieurs millier de fibres musculaire. 58

59 2 moto neurones peuvent innerver les mêmes fibres musculaires 59

60 Une contraction musculaire est une réponse graduée commençant avec l activation : des plus petites unités motrices, Recrutement des unités s motrices 60

61 Une contraction musculaire est une réponse graduée commençant avec l activation : des plus petites unités motrices, puis l addition des unités motrices plus importantes jusqu à ce que la force développée soit optimale. Recrutement des unités s motrices 61

62 Illustration du phénom nomène ne de recrutement des unités s motrices 62

63 Types de fibres musculaires Le muscle squelettique est composé de 3 types de fibres differentes : Rapides - glycolytiques (fibres blanches) Rapides - oxydatives-glycolytiques (fibres blanches-rouges) Lentes oxydatives (fibres rouges) 63

64 Illustration des différents types de fibres musculaires 64

65 Types de fibres musculaires Comparison des enzymes Caractéristiques ristiques Rapides Intermédiaires Lentes Type IIb IIa I Glycolytique Oxydative Mitochrondries Glycogène Myoglobine

66 Types de fibres musculaires Influence de l exercicel Le type de fibre musculaire est génétiquement pré-détermin terminé mais il peut être changé en direction d autres d types de fibres à partir de stimuli d entraînement nement spécifiques. 66

67 Types de fibres musculaires Influence de l exercicel EXERCISE % type fibres prédominantes Marathon I 62 Sprint IIb 47 Altérophilie IIa 53 Aviron I 65 Natation IIa 57 67

68 Relation puissance - vitesse HILL (1938) Puissance Pmax Vopt Vitesse 68

69 Relations force - vitesse - puissance lors de l exercice 69

70 RELATION FORCE DEVELOPPEE SUR LES PEDALES ET FREQUENCE DE PEDALAGE : Force Début de sprint, la force est maximale pour une fréquence minimale Fin de sprint, la fréquence est maximale pour une force minimale Fréquence de pédalage 70

71 DETERMINATION DE LA PUISSANCE Puissance = Force. vitesse Puissance en Watt Force en N Vitesse en m.s -1 ou rpm Compromis entre fréquence de pédalage et force 71

72 RELATION PUISSANCE-FREQUENCE DE PEDALAGE Puissance (W) Fréquence (rpm( rpm) 72

73 Relation rendement - vitesse Rendement ρ max Vopt Vitesse 73

74 Données pratiques 74

75 Morin JB, Hintzy F, Belli A, Grappe F Science et Sports, 17 : 78-85,

76 BUTS DE L ETUDE EVALUER : FORCE, VITESSE ET PUISSANCE DES SPRINTERS ETUDIER : CORRELATIONS AVEC LA PERFORMANCE EN SPRINT Sur 7 SPRINTERS ESPOIRS MASCULINS NIVEAU NATIONAL 76

77 MATERIEL ET METHODES Test FORCE-VITESSE en laboratoire ECHAUFFEMENT : 6min pédalage à 60 rpm, charge < 20 N. 3 sprints de 3 secondes, charge < 20 N 3 SPRINTS de 6 sec sur bicyclette ergométrique Monark 818 avec courroie de friction (Arsac, 1995) Ordre aléatoire, résistances de 0,4, 0,6 et 0,8 N / kg MESURE de force (N), vitesse (rpm) et puissance mécanique externe (w) à 50Hz 77

78 SPRINT sur le terrain ECHAUFFEMENT : course lente de 5min + 5 accélérations progressives sur 30m 3 SPRINTS sur 30m départs en starting-blocks sans signal, avec 5min de récupération CHRONOMETRAGE au 1/1000 ème de seconde, aux 5, 10 et 30m par cellules photo-électriques 78

79 Chronométrage des performances en sprint 79

80 Résultats de l étude 80

81 Relation typique entre les valeurs moyennes par coup de pédale p de force (N) et de vitesse (rpm( rpm) ) au cours de trois sprints de 6 s contre des résistances r de 0,4, 0,6 et 0,8 N.kg - 1 chez des sprinters. 81

82 1200 0,4 N/kg 0,6 N/kg 0,8 N/kg puissance (w) Pmax 0 r ² = p < 0, vitesse (rpm) Vopt Relation typique entre la vitesse (rpm( rpm) ) et la puissance (W) au cours de trois sprints contre des résistances r de 0,4, 0,6 et 0,8 N.kg - 1 chez des sprinters. 82

83 5 Temps (s) Distance (m) Temps moyens ± écart-type type (en s) à 5, 10 et 30 m lors d un d départ d en sprint en course à pied. 83

84 Sprint sur bicyclette ergométrique Sprint en course à pied Vmax (rpm) 165 ± 19 Vmoy 0-5 (m.s -1 ) 3,53 ± 0,07 Fmax (N.kg -1 ) 1,21 ± 0,07 Vmoy 0-10 (m.s -1 ) 4,59 ± 0.23 Pmax (W) 835 ± 67 Vmoy 0-30 (m.s -1 ) 6.70 ± 0.16 Pmax.kg -1 (W.kg -1 ) 11 ± 1 Vmoy 5-10 (m.s -1 ) 6,63 ± 0,88 Vopt (rpm) 119 ± 2 Vmoy (m.s -1 ) 8,76 ± 0,56 Valeurs moyennes ± écart-type type des variables mesurées sur bicyclette ergométrique et lors de départs d en starting-blocks. Vmoy 0-5 (m.s -1 ) Vmoy 0-10 (m.s -1 ) Vmoy 0-30 (m.s -1 ) Vmoy 5-10 (m.s -1 ) Vmoy (m.s -1 ) Fmax (N.kg -1 ) - 0,604 0,144 0,295 0,662-0,213 Vmax (rpm) 0,035 0,136 0,308 0,101 0,087 Vopt (rpm) 0,331 0,019-0,142-0,133-0,147 Pmax.kg -1 (W.kg -1 ) - 0,283 0,886* 0,211 0,931* - 0,609 Coefficient de corrélation entre les variables développd veloppées es sur bicyclette ergométrique et les performances en sprint en course à pied. * : p < 0,01 84

85 CONCLUSION La PUISSANCE MUSCULAIRE RELATIVE est le facteur clé de la performance à 10m t 5 est plus influencé par F max (r = - 0,406) t 30 est plus influencé par V max (r = - 0,676) t 30 est fortement lié aux temps d atteinte de V max (r=0,507) et P max (r=0.634) Un sujet puissant est rapide sur les dix premiers mètres. Sa force musculaire semble déterminer son temps à 5 m, et sa vitesse maximale plutôt sa performance à 30 m. Son explosivité sur bicyclette est corrélée à sa performance sur 30 m. 85

86 Données théorique et pratiques générales 86

87 Application du test force - vitesse et des tests de sauts verticaux dans l évaluation fonctionnelle du karatéka competiteur Ravier G, Grappe F, Rouillon JD 87

88 Relation puissance-vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg -1 chez des karatékas 88

89 500 Propulsive force (F, N) Pedalling velocity (V, rpm) Relation force - vitesse obtenue avec 3 sprints (0.5, 0.7, 0.9 N.kg -1 chez des karatékas 89

90 Differences significatives en SJ entre les karatékas kas internationaux et nationaux. 90

91 Differences significatives de V 0 internationaux et nationaux. (V max théorique orique) entre les karatékas kas 91

92 Differences significatives de V 0pt entre les karatékas kas internationaux et nationaux. 92

93 Differences significatives de P max entre les karatékas kas internationaux et nationaux. 93

94 Matrice de corrélation entre les différents tests de P max karatékas kas internationaux et nationaux. entre les Variables CMJ V 0 V opt F 0 (cm) (rpm) (rpm) (N.kg -1 ) (W.kg -1 ) SJ (cm) *** * * NS NS CMJ (cm) * * NS NS V 0 (rpm) *** NS *** V opt (rpm) * *** F 0 (N.kg -1 ) 0.77 *** *: p < 0.05, *** : p < 0.001, NS : p > 0.05 P max 94

95 EFFET DE LA POPULATION Sujets endurants (FI) : Pmax faible (600 W) Sujets explosifs (FII) : Pmax élevée (1000 W) Plus le pourcentage en FII est élevé, plus Pmax est élevée. 95

96 COMPARAISON SUJET LENT - SUJET RAPIDE 900 Puissance (W) Sujet explosif Sujet endurant Vitesse (rpm( rpm)

97 RELATION Pmax-Vopt Pmax Vopt 97

98 Pmax = Fopt. Vopt Compromis optimal de force et de vitesse pour améliorer Pmax. Part relative des paramètres force et vitesse dans la composition de Pmax. 98

99 COMPROMIS Fopt - Vopt Sujet de type fort Fopt++ Fo élevée, Vo faible Force Force Sujet de type vitesse Vopt ++ Vo élevée Fo faible Fréquence Fréquence 99

100 INTERET DE CES MESURES Amélioration de Pmax Elaboration d un programme de musculation individualisé et spécifique à chaque discipline sportive Suivi rapide et objectif de l entraînement 100

101 RAPPORT Fo /Vo Plus le rapport est élevé : discipline axée sur la force Plus le rapport est faible : discipline axée vers la vitesse Mise en adéquation du rapport Fo/Vo du sportif avec le rapport Fo/Vo spécifique à la discipline sportive 101

102 ENTRAÎNEMENT DE LA COMPOSANTE FORCE Notion de vitesse essentielle Relation inverse entre la charge et le nombre de répétitions Types d exercices avec charges : squat jump, contre-mouvement, montée de marche, saut accroupi, fente 102

103 ENTRAÎNEMENT DE LA COMPOSANTE VITESSE Notion de force essentielle Vitesse d exécution maximale Exercices de type plyométrique : sauts en contre-haut et contre-bas, sauts d obstacles avec charges légères 103

104 PRINCIPES GENERAUX D AMELIORATION DE LA PUISSANCE La charge doit être optimale Travailler les muscles agonistes et antagonistes Etirements actifs et passifs Apprentissage du mouvement Individualisation du programme Evaluations fréquentes 104