«Patron d application des forces et efficacité du pédalage lors d un test force vitesse : Comparaison entre pistards et routiers.»

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1 UNIVERSITE PARIS XII / I.N.S.E.P U.F.R S.T.A.P.S de Créteil Année MASTER : Sciences de la société Mention : Sports : usages sociaux et pédagogiques «Patron d application des forces et efficacité du pédalage lors d un test force vitesse : Comparaison entre pistards et routiers.» Présenté par Brice Faugeron DIRECTEUR DE RECHERCHE : Sylvain Dorel Laboratoire de Biomécanique 1

2 Sommaire 1. Introduction générale Revue de littérature Notion de pattern et de cycle de pédalage Les quatre phases du cycle de pédalage Les forces appliquées sur la pédale et l indice d efficacité du pédalage (IE) Relation Force Vitesse (FV) et Puissance Vitesse (PV) Hypothèses et questions de recherche Méthodes Participants Protocole Matériels Méthodes de calcul Cycle entier Par cadrans Résultats Analyse sur le cycle entier Relation Force efficace Vitesse et Puissance Vitesse Indice d efficacité Analyse par cadrans Relation Force efficace Vitesse Indice d efficacité sur les cadrans de poussée et de traction Discussion Relation Force Vitesse et Puissance Vitesse sur le cycle entier Relation Force Vitesse sur les cadrans de poussée et de traction IE Sur le cycle entier Sur les cadrans de poussée et de traction Conclusion

3 1. Introduction générale Dans toutes les activités du cyclisme, la puissance dégagée est représentative de la vitesse de déplacement du cycliste et indirectement synonyme de performance. L augmentation de cette vitesse peut être expliquée par une multitude de raisons dont fait partie la technique du pédalage. Historiquement, l entraînement technique du pédalage a longtemps été délaissé par les entraîneurs et les cyclistes pour des raisons méthodologiques voire philosophiques, au profit d une prédominance physiologique de l entraînement et de la performance. Actuellement, les moyens technologiques permettent d améliorer l ensemble physiologie -biomécanique technique dans une optique d optimisation perpétuelle de performance. Nous pensons qu il n est pas inutile d optimiser l efficacité du pédalage, pour retransmettre à chaque coup de pédale une puissance supérieure, répercussion d autant plus importante dans les puissances élevées. Dans cette étude menée au laboratoire de biomécanique de l INSEP, nous avons étudié l application des forces au cours du cycle de pédalage, reflétant indirectement l efficacité biomécanique du pédalage. Cette étude transversale d une population de sprinters et d une population de routiers s est concentrée aux efforts maximaux par la réalisation d une épreuve de force vitesse (FV). 2. Revue de littérature 2.1. Notion de pattern et de cycle de pédalage Kautz et al ont comparé le pattern des forces appliquées au cours du cycle de pédalage par des cyclistes élites à deux niveaux de puissances différents, respectivement 120 W et 200 W avec une cadence fixe de 90 rpm. La figure 1 présente 3 patterns possibles. Figure 1 : Pattern de pédalage de 3 cyclistes élites illustrant la force totale (F (tot) ) appliquée sur la pédale au cours du cycle de pédalage à une puissance de 200 W, représentative de 90% de Vo2max (Kautz et al 1991) 3

4 L application de la force est différente pour chacun des 3 cyclistes, en intensité par une vectorisation plus ou moins importante, en orientation par une angulation sur la pédale variable. La production de puissance qui permet l avancement du cycliste est crée par la force efficace, notée F eff. Elle est dirigée perpendiculairement par rapport à la manivelle dans le sens de rotation de celle-ci et ceci à tout point du cycle de pédalage. L évolution de la force efficace au cours du cycle de pédalage (un tour de pédale) a été présentée graphiquement par plusieurs auteurs (Kautz et al Coyle et al. 1991, David Hull 1981) et plus récemment schématiquement par Cavanagh et Sanderson 1996 (Figure 2) Figure 2 : a) Répartition de la force efficace (N) au cours du cycle de pédalage (0-360 ) à faible et haute puissance. D après Kautz et al b) Répartition en % de la force au cours du cycle de pédalage répartie en 12 secteurs de 30 chez des poursuiteurs. D après Cavanagh Sanderson La répartition de la force au cours du cycle de pédalage permet de mettre en évidence 4 phases Les quatre phases du cycle de pédalage Le cycle de pédalage correspond à une révolution complète du pédalier. Il comprend quatre phases pour chaque jambe, présenté en figure 3. o La phase de poussée o La phase de traction o Le passage du point mort bas o Le passage du point mort haut Figure 3 : les quatre phases du cycle de pédalage 4

5 o La phase de poussé de la pédale Cette phase comprise entre 30 et 150 met en jeu les muscles générateurs de l extension du genou et de la hanche (Vaste médial, vaste latéral, vaste interne, grand fessiers, soléaire Jorge et Hull 1986 ; Ericson 1985) et représente le secteur le plus productif en terme de force et donc de puissance, à hauteur de 96% lors d un effort sous maximal (Kautz et al. 1991). En effet, la force efficace est susceptible d être la plus importante lorsque les manivelles et les pédales sont à l horizontale (90 ). o La phase de remontée de la pédale La phase de traction, qui se situe entre 210 et 330, se caractérise par une problématique de tirage dans le but de réduire et de compléter la production de force au niveau de la jambe opposée. Cette action de tirage serait principalement due aux fléchisseurs de cheville et de genou, respectivement tibial antérieur et biceps fémoral (Ericson MO, Nisell R et al. 1985) La force positive ou propulsive serait alors d avantage répartie lors du cycle de pédalage, et ne serait non plus l unique résultante de l application «simpliste» de forces de poussée, couplées à une «remontée passive» de la jambe opposée soumise à son propre poids et qui serait dans ce cas précis représentative de l application d une force de résistance. Il a été conclu (Kautz et al. 1991) trois stratégies, trois patterns de tirage possibles : o Tirage de la pédale vers le haut, qui implique un verrouillage de la cheville où le pied reste dans l axe horizontal, (Cf. figure 1) o Tirage de la pédale vers l avant, par une rotation positive de la pédale à 45 le pied étant en pointe) o Remontée passive Cette part de force négative tend à diminuer lorsque la puissance augmente et à l inverse à augmenter lorsque la fréquence de pédalage augmente, au-delà de 90 rpm (Kautz et al ; Neptune et Herzog 1999) (Figure 4). Ceci serait dû au délai liant le phénomène d activation contraction des fléchisseurs de genou. Figure 4 : Représentation graphique du couple propulsif C p (Nm) au cours du cycle de pédalage en degré (0-360 ) en fonction de la vitesse de pédalage 5

6 o Les «points morts» haut et bas Ces deux phases comprises respectivement entre pour le point mort haut et pour le point mort bas effectuent la transition entre la poussée et la traction. Dans ces secteurs angulaires, l intensité de la force diminue par la faible mise en jeu musculaire (Pour le point mort bas, seulement le triceps sural, biceps fémoral ; pour le point mort haut, le tibial antérieur (Jorge et Hull 1985) et la direction de la force efficace à appliquer (respectivement vers l arrière et l avant) tendent à rendre ces secteurs peu productif en terme de puissance Les forces appliquées sur la pédale et l indice d efficacité du pédalage (IE) La force efficace est la force qui permet au cycliste d avancer. Mais, la force totale F tot appliquée sur les pédales n est pas exclusivement efficace. Une force inutile F inu, appliquée parallèlement à la manivelle existe. La force totale F tot est la résultante de la force efficace F eff et de la force inutile F inu (Figure 5) Cette force F appliquée sur la pédale peut être aussi décomposée en trois composantes (Fx, Fy et Fz dans un repère orthonormé sur la pédale), respectivement la force tangentielle F tan, la force transversale (en latéral ; de gauche à droite mais n intervenant pas dans la production de puissance d avancement) et la force normale F N. Les forces normales et tangentielles déterminent donc indirectement la force efficace. Figure 5 : a) Schématisation de l application des forces sur la pédale par rapport à la manivelle. La force efficace F eff est représenté en rouge, la force inutile F inu, en vert et la force totale F tot en noire. b) Représentation des composantes Fx, Fy, Fz de la force F appliquée sur la pédale En biomécanique, pédaler avec efficacité c est prendre en compte l orientation et l intensité des forces appliquées sur la pédale en fonction de sa position ( d orientation de la pédale par rapport à la manivelle et à l horizontale) et des manivelles ( de positionnement de la manivelle dans le cycle par rapport à la verticale) au cours du cycle de pédalage. 6

7 L indice d efficacité du pédalage représente le ratio entre la force efficace et la force totale, d où IE = (F (eff) / F (tot) ) x 100. Il est pour ainsi dire le reflet mécanique de la technique du pédalage. L IE est influencé par plusieurs paramètres : le niveau de puissance, la fréquence de pédalage (Patterson et Moreno 1990). Davis et Hull 1981 ; Ericson et Nisell 1988 ; Patterson et Moreno 1990 ont aussi démontré que l IE évolue au cours du cycle de pédalage. Historiquement, l IE a été proposé pour la première fois par Lafortune et Cavanagh en 1983 puis repris par d autres auteurs (Coyle et al ; Patterson et Moreno 1990 ; Sanderson 1991) mais tous tendent à confirmer la double affirmation suivante : l IE augmente avec la puissance mais diminue avec l augmentation de la fréquence de pédalage pour un niveau de puissance donnée. Les recherches concernant l IE n ont été réalisé que lors d efforts sous maximaux et ne se sont pas intéressées aux efforts maximaux. Pour ces derniers, on mesure les qualités physiques maximales en cyclisme à partir d une épreuve classique «force vitesse» effectué sur bicyclette ergométrique Relation Force Vitesse (FV) et Puissance Vitesse (PV) Le test Force Vitesse (FV) permet de mesurer la «puissance mécanique maximale» et non la puissance maximale anaérobie alactique, même si c est ce métabolisme qui assure l essentiel de la fourniture d énergie. Pour cause, les qualités physiques de Force maximale (Fmax) et de Vitesse max (Vmax) sont plus limitant à la performance que le métabolisme énergétique en lui-même. On parle alors plutôt d un test indirect de la puissance anaérobie alactique. Différents tests ont été proposés pour mesurer la puissance mécanique maximale, à savoir le test de détente verticale (Vertical Jump), le test de l escalier de Margaria (1966), les tests effectués sur ergo cycle. Ces derniers consistent en une série de courts sprints de 6-7 secondes contre des résistances différentes. Il existe toutefois des corrélations positive et significatives entre la puissance maximale sur bicyclette ergométrique et les autres tests (Vandewalle et al. 1987). Les différences relèvent de la précision des résultats (Puissance maximale instantanée ou moyenne), du caractère mono ou poly articulaire, de la spécificité de la motricité A partir de ces tests, il a été démontré que la force diminue linéairement avec la vitesse de pédalage (Sargeant et al. 1981). Les valeurs de force maximale, Fmax (voire même force maximale isométrique théorique) et de vitesse maximale, Vmax, peuvent être extrapolé à partir de cette relation linéaire liant la force et la vitesse comme le montre la figure 6 cidessous. De plus, la puissance étant définie comme le produit de la force par la vitesse, une relation polynomiale du second degré entre la puissance et la vitesse peut être déterminé où l apex de la parabole correspond à la valeur de puissance maximale, Pmax. Cette dernière est atteinte à vitesse optimale, Vopt qui est généralement égale à ½ de Vmax (Figure 6) 7

8 Figure 6 : Relation Force (rond blanc) et Puissance Vitesse (rond noir) obtenues au cours du test Force Vitesse (FV). Dorel et al Hypothèses et questions de recherche L étude s est penchée sur l application des forces au cours du cycle de pédalage. En plus des valeurs classiques de Fmax, Vmax et Pmax que l on a pu comparer avec les études précédentes menées aussi lors d efforts maximaux à partir d un test Force Vitesse, il a été intéressant de vérifier si la relation Force Vitesse globale (du cycle entier) se retrouve dans les différents cadrans. Il a aussi été question de la répartition de la force au cours du cycle de pédalage, c'est-à-dire de voir quelle part de la force totale chaque cadran occupait? A partir de la force efficace F eff et de la force totale F tot, nous avons pu considérer l évolution de l IE sur le cycle entier et dans les différents cadrans. Nous considérons qu une efficacité supérieure permet d accroître la force efficace et indirectement la puissance mécanique produite. Dans ce contexte, l étude de l IE sur des efforts maximaux présente nombre d intérêts dans la mesure où on peut penser que plus l effort est intense plus la notion d efficacité est importante. On peut se demander si l IE est représentatif de la technique de pédalage, voire même dans les cadrans, des stratégies empreintées par chacun? Ou reste t-il un paramètre biomécanique du pédalage? Dans une perspective d entraînement ou éventuellement de détection, nous nous sommes interrogé pour savoir si l IE pouvait être considéré comme un critère représentatif du niveau d expertise. Pour cela, nous proposons de comparer une population de sprinters et une population de routiers. Il s agit de vérifier où contredire l hypothèse selon laquelle les sprinters présentent une efficacité supérieure à celle des routiers? 8

9 3. Méthodes 3.1. Participants Cette étude regroupe deux populations de cycliste : un groupe de 11 routiers homme de niveau national / élite (2 ème et 1 ère catégorie de la Fédération Française de Cyclisme (FFC)) et un groupe de 9 sprinters élites (1 ère catégorie). Les caractéristiques anthropométriques des participants prenant en compte l age (années), la masse (kg), la taille (cm), le pourcentage de masse grasse (Durnin et al ; Durnin et Womersley 1974) et le volume des membres inférieurs total (LV, en l) et dégraissé (LLV, en l) (Jones and Pearson s, 1969) sont synthétisées dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 : Caractéristiques anthropométriques des participants. Sujet Routiers Sprinters Age (années) Masse (Kg) Taille (cm) Masse grasse (%) LV (l) LLV (l) R ,5 7,73 7 R ,2 8,6 7,91 R ,5 10,59 8,94 R ,8 8,09 6,89 R ,8 8,47 7,44 R ,1 7,59 6,96 R ,6 12,02 9,81 R ,9 8,83 8,06 R ,4 9,24 8,43 R ,6 10,05 9,13 R ,9 9,22 7,9 Moyenne (Ecart type) 21 (3) 68 (6) 181 (6) 9,7 (2,4) 9,1 (1,33) 8,0 (0,96) S ,0 9,77 8,00 S ,5 13,56 11,18 S ,1 10,7 8,85 S ,2 9,31 7,61 S ,8 11,58 9,67 S ,6 10,33 8,66 S ,3 12,01 9,8 S ,5 12,78 10,66 S ,7 10,37 8,55 Moyenne (Ecart type) 21 (3) 84 (7) 180 (4) 11,9 (1,9) 11,16 (1,42) 9,22 (1,19) 9

10 3.2. Protocole Après un échauffement de minutes, les cyclistes effectuaient sur la même bicyclette ergométrique une série de 3 tests d intensité maximale et d une durée de 5-7 secondes entrecoupés d une récupération de 5-7 minute, suffisamment importante pour permettre une récupération relativement complète des stocks de créatine phosphate. Les conditions de compétition étant favorisées, chaque sprint était réalisé en position assise et avec des pédales automatiques. Les trois sprints sont effectués à trois niveaux de résistances différents en ordre aléatoire, moment résistant qui correspond à 0 ; 0,6 et 0,9 N.Kg -1 de masse corporelle. Le sprint à résistance nulle était débuté lancé à rpm pour réduire la phase d accélération de la roue Matériels L étude a été réalisée sur une bicyclette ergométrique de type Lode Excalibur Sport, sur laquelle a aussi été monté une paire de pédale instrumentée permettant de mesurer l ensemble des forces appliquées sur la pédale. (Figure 7) Cette paire de pédale dynamométrique est apte à recevoir des cales automatiques dont on voit une photo en Figure 7. Les pédales sont munies de jauges qui enregistrent en volt les valeurs de forces tangentielles (en X, i.e horizontalement d avant en arrière) et normales (en Z, verticalement de haut en bas) appliquées sur la pédale. Un encodeur fixé sur la pédale permet de connaître la position angulaire de celle-ci par rapport à la manivelle. Les composantes efficace, Force efficace F (eff) perpendiculaire à l axe longitudinal de la manivelle et inutile, Force inutile F (inu) dans l axe de la manivelle, ainsi que la résultante de ces deux force, la force totale F (tot) sont calculées par trigonométrie. L ensemble des données est enregistré à 1000 Hz via un système d acquisition de données ISAAC. Figure 7 : matériels utilisé ; A gauche, la bicyclette ergométrique Lode Excalibur Sport Pédale dynamométrique, a droite la pédale instrumenté Plus précisément, un potentiomètre fixé sur le cadre et relié à l axe de la manivelle par une courroie permet de connaître la position de la manivelle dans le cycle (en ). La synchronisation à partir d un top tour et le signal d acquisition du déplacement de la manivelle apporte alors les données de vitesse (en m.s -1, puis en rpm), que l on peut maintenant couplées aux données de forces efficaces acquises par les pédales instrumentés pour en déduire les données de puissance. 10

11 3.4. Méthode de calcul Cycle entier Les relations Force Vitesse et Puissance Vitesse (Figure 6) ont été modélisé respectivement par une régression linéaire et une régression polynomial du 2 ème degré. (Méthode des moindres carrés). A partir de la relation Force Vitesse, par prospective on peut observer une valeur de Vmax et de même en rétrospective on obtient Fmax. A partir de la relation Puissance Vitesse, la puissance maximale Pmax et la vitesse optimale Vopt lui correspondant sont obtenues par dérivation mathématique, la dérivée étant nulle en ce point. (Dorel et al. 2005). Les relations Force Vitesse et Puissance Vitesse moyennes des deux populations ont été tracé en absolu respectivement de force (N) et de puissance (W) en fonction de la fréquence de pédalage (en nombre de rotation par minute (rpm)). L IE est calculé suivant IE = (F (eff) / F (tot) ) x 100. On va étudier l évolution de l IE en fonction de la fréquence de pédalage, en valeur absolue d une part, et en normalisé d autre part, selon la valeur de Vmax de chacun Par cadrans Les cadrans sont définis par l angulation : le cadran allant de 30 à 150 correspond à la phase de poussée, de 210 à 330 à la phase de traction, et les cadrans de 150 à 210 et de 330 à 30 aux phases de transition, respectivement au point mort bas et au point mort haut. Pour chaque cadran dans la relation Force Vitesse, on a moyenné les deux populations en absolu de force (N) et de vitesse (rpm). Cependant, nous nous sommes contenté à l étude des cadrans de poussé et de traction, une relation linéaire décroissante étant encore exploitable (r² ( ) = r² ( ) = 0,99). Nous présentons visuellement seulement la relation force vitesse dans les deux phases de transition. La relation Puissance Vitesse par cadran n a pas été abordée. En conséquence, l IE n a été étudié que sur les cadrans de poussée et de traction. On a moyenné l IE de chaque population et on a tracé la relation en fonction de la fréquence de pédalage normalisée par rapport à la Vmax de chacun des cyclistes. 11

12 4. Résultats 4.1. Analyse sur le cycle entier Relation Force efficace Vitesse et Puissance Vitesse La figure 8 présente un une première comparaison visuelle entre les deux populations des relations force vitesse (FV) et puissance vitesse (PV) sur le cycle entier par l intermédiaire de deux sujets représentatifs. Figure 8 : Exemple de relation force et puissance vitesse sur le cycle entier sprinter vs routier Les valeurs de Pmax (absolue en W et relative en W/Kg), de Fmax (N), de Vmax (rpm) et de Vopt (rpm) sont significativement supérieures chez les sprinters sur le cycle entier (p<0,001). L ensemble des valeurs est relaté dans le tableau 2. 12

13 Tableau 2 : Valeurs individuelles de puissance maximale (Pmax), Force maximale (Fmax), vitesse maximale (Vmax) et Fréquence optimale (Vopt) obtenues au cours des tests Force Vitesse. Sujet Pmax (W) Pmax (W/Kg) Fmax (N) Vmax (rpm) Vopt (rpm) R1 892,1 15,1 823, ,6 R2 1116,9 17,2 1045,8 240,6 120,6 R3 1163,7 16,9 1144,8 229,4 115 R4 919,5 14,1 868,1 238,7 119,6 R5 1026,1 15,5 922,8 250,6 125,9 R6 951,3 15, ,8 117,4 R7 1351,9 16,3 1128,9 242,5 132,5 R ,1 1024,5 239,5 119,3 R9 921,1 14,4 939,9 218,7 108,9 R ,6 15,6 1106,3 236,8 118,1 Routiers Sprinters R11 785,8 11,6 808,1 215,2 106,7 Moyenne (Ecart type) 1036 (161) 15,3 (1,6) 974 (121) 235 (10) S1 1800,2 22,7 1522,5 264,8 132 S2 1992,9 21,9 1702,1 265,3 133,5 S3 1480,7 19,2 1282,5 257,6 128 S4 1644,9 21,4 1487,6 246,6 122,5 S5 1803,7 20,5 1548,6 262,0 131,2 S6 1718,9 21,0 1497,1 256,6 127,8 S7 2030,4 22,8 1708,2 265,8 132,2 S8 2029,5 21,7 1696,2 263,3 130,3 S9 1584,4 20,7 1404,3 251,6 125,2 Moyenne (Ecart type) IE 1787 (200) *** 21,3 (1,1) *** 1538 (145) *** 259 (6) *** 118 (7) 129 (3) *** L indice d efficacité du pédalage (IE) représente le ration entre la force efficace (F eff ) et la force totale (F tot ). La figure 9 présente un exemple d évolution de la force efficace F eff et de la force totale F tot sur la pédale droite au cours d un sprint réalisé avec une résistance faible. Figure 9 : Exemple d'évolution de la force efficace et de la force totale au cours d'un sprint 13

14 On remarque que plus la fréquence de pédalage augmente plus l écart entre la force efficace F eff et la force totale F tot augmente également, ce qui témoigne d une diminution de l IE avec l augmentation de la fréquence de pédalage. La figure 10 retrace l évolution de l IE moyenné sur le cycle entier en fonction de la fréquence de pédalage absolu (rpm) et normalisé par rapport à la Vmax de chacun pour les deux populations. Figure 10 : A gauche : Comparaison des IE moyen sprinters vs routiers en fonction de la vitesse absolu ; A droite : IE moyen en fonction de la vitesse normalisé par rapport à la Vmax de chacun Les IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax), à Vopt (à V=50% de Vmax) et de vitesse (V=81% de Vmax) sont retranscrit dans le tableau 3. Il n y a pas de différence significative entre les IE (V31) et IE (Vopt) (p=ns). Seul l IE (V81) est significativement supérieurs chez les sprinters (p<0,05). Tableau 3 : IE normalisé en fonction de Vmax Sujet IE (V31) IE (Vopt) IE (V81) Routiers Moyenne 78,8 73,4 31,9 (Ecart type) (1,7) (4,2) (6,0) Sprinters Moyenne 78,3 75,1 37,2 (Ecart type) (1,7) (2,1) (4,6) * 14

15 4.2. Analyse par cadrans Relation Force efficace Vitesse La figure 11 décrit les relations Force efficace Vitesse moyennes sur l ensemble de chaque population en absolu de force (N) et de vitesse (rpm) sur chaque cadrans. Figure 11 : Relation Force efficace Vitesse dans les 4 cadrans Visuellement, il apparaît que la force efficace est supérieure chez les sprinters dans tous les cadrans sauf à vitesse élevée au point mort bas. On retrouve une relation linéaire décroissante dans les cadrans de poussée et de traction pour lesquels on peut déterminer les valeurs de Fmax et de Vmax. 15

16 Les valeurs de Fmax (N) et de Vmax (rpm) des cadrans de poussée et de traction sont significativement supérieures chez les sprinters comparées aux routiers (p<0,001). Elles sont regroupées dans le tableau 4. Tableau 4 : Valeurs de Fmax (N) et de Vmax (rpm) dans les cadrans de poussée ( ) et de traction ( ) Sujet Phase de poussée Phase de traction Fmax Vmax Fmax Vmax Routiers Moyenne 719,8 232,4 151,5 162,7 (Ecart type) (114,7) (15,0) (17,1) (16,8) Sprinters Moyenne 1097,1 260,5 255,7 197,5 (Ecart type) (101,2) *** (11,3) *** (39,0) *** (14,6) *** La figure 12 présente la relation force vitesse dans les cadrans de poussée et de traction de façon normalisé par rapport à la Fmax (% de Fmax) et de Vmax (% de Vmax) Figure 12 : Relation force vitesse normalisée par rapport à la Fmax et à la Vmax de chacun En poussé, les routiers ont une contribution de la force significativement supérieure à celle des sprinters (p<0,05) avec une valeur de Fmax ( ) 2% plus élevée. Il n y a pas de différence notable Vopt et à Vmax (p NS). L écart reste très faible par rapport à la valeur de la contribution de la phase de poussée (75% de la production totale) En traction, les valeurs de force à Fmax, Vopt et Vmax sont significativement supérieurs chez les sprinters (p<0,05), à hauteur de 20%. 16

17 Indice d efficacité sur les cadrans de poussée et de traction Les cadrans de poussée et traction étant étudiés au cours de la relation Force Vitesse, nous nous somme penché sur l IE dans ses mêmes cadrans, comme présenté dans la figure 13. Figure 13 : A gauche : IE moyen sprinters vs routiers sur la poussée ; A droite : IE moyen sprinters vs routiers sur la traction Les IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax) sur la phase de poussé et aux points extrêmes de vitesse (V=81% de Vmax) dans la phase de traction sont significativement supérieurs chez les sprinters (respectivement p<0,01 et p<0,001). L ensemble des valeurs des IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax), à Vopt et aux point extrêmes de vitesse ((V=81% de Vmax) sont retranscris dans le tableau 5. Tableau 5 : IE en fonction de Vmax sur les cadrans de poussée ( ) et de traction ( ) IE par cadrans Phase de poussée Phase de traction Sujet IE (V31) IE (Vopt) IE (V81) IE (V31) IE (Vopt) IE (V81) Routiers Sprinters Moyenne (Ecart type) Moyenne (Ecart type) 86,5 (1,2) 87,8 (0,6) ** 84,3 (2,6) 83,4 (1,0) 66,3 (11,2) 75,2 (7,3) 89,4 (5,4) 89,2 (2,7) 71,5 (17,8) 81,4 (6,6) -26,1 (10,2) -5,0 (14,7) *** 17

18 5. Discussion 5.1. Relation force vitesse et puissance vitesse sur le cycle entier Les valeurs de Vopt (rpm) des routiers (Vopt = 118 ± 7 rpm) sont en accords avec les publications précédentes (Sargeant et al ; 1984 avec une Vopt = 119 rpm ; Arsac et al où Vopt = 125 ± 9 rpm ; Hautier et al ± 8 rpm). En revanche, les Pmax absolue (W) et relative au poids de corps (W.kg -1 ) sont nettement supérieurs (Cf. Tableau 2) à celles obtenues par Sargeant et al et Arsac et al (Pmax absolue = 868 W et Pmax relative = 11,52 W/Kg) et légèrement supérieurs à celles obtenues chez une population de cyclistes par Hautier et al (Pmax relative = 14,36 ± 2,37 W/Kg) et Dorel et al (Pmax relative = 12,80 W/Kg). Nous expliquons les différences par le protocole d une part (test force vitesse effectué sans pédales automatiques, traitement et acquisition des données à 200Hz et uniquement dans la phase de descente) et en ce qui concerne les deux premiers auteurs par la population étudiée non spécialiste. La différence vis-à-vis du dernier auteur peut aussi s expliquer par le niveau des routiers de notre étude successible d être supérieur. Pour les sprinters, les valeurs de Vopt (rpm), de Pmax absolue (W) et relative au poids de corps (W/Kg) sont en accords avec les résultats obtenus par Dorel et al (Pmax absolue = 1600 ± 116 W et Pmax relative = 19,3 ± 1,3 W/Kg et Vopt = 129,8 ± 4,7 rpm) et Gardner et al (Pmax absolue = 1791 ± 0,01% Pmax relative = 20,82 W/Kg et Vopt = 128 rpm ± 0,2%) Les sprinters sont en tout point supérieurs : ils sont plus forts (la Fmax (N) des sprinters est 58% supérieurs à celle des routiers), plus véloces (la Vmax et la Vopt en conséquence (en rpm) des sprinters sont 10% supérieurs à celles des routiers), plus puissants (Pmax relative (en W.kg -1 ) des sprinters sont 40% supérieurs aux Pmax des routiers). Ses écarts sur la relation force vitesse en absolue tendent à décroître avec la vitesse. Nous pensons que l écart en force est dû au volume des membres inférieurs significativement supérieurs chez les sprinters que chez les routiers (respectivement p=0,025 (dégraissé en LLV) et p=0,027 (total en LV)). Ceci est en accord avec ce que Mc Lean and Parker, 1989 qui montrent que les caractéristiques anthropométriques de 35 sprinters élites australiens qui sont significativement plus lourd, plus fort et qui ont des tours de cuisse, de bras et de jambes plus importante que les cyclistes d endurance. Pour les valeurs de vitesse, la littérature révèle que Vmax et Vopt dépendent de la typologie musculaire et notamment du pourcentage de fibres Fast Twitch (FT). Thorstenson et al ont démontré que les sujets avec un plus grand pourcentage de fibres FT produisaient un plus grand pic de force et une plus grande Vmax que des sujets à dominante fibres Slow Twitch (ST), repris par Sargeant et al Mc Cartney et al et Sargeant 1994 qui ont montré que les sujets présentant un pourcentage de FT plus important ont une Vopt plus élevée, confirmé chez une population de cycliste par Hautier et al L étude permet aussi d analyser plus en détails la relation force vitesse dans les différentes phases du cycle, plus précisément dans les phases de poussée et de traction. 18

19 5.2. Relation force vitesse sur les cadrans de poussée et de traction Une régression linéaire liant la force et la vitesse se retrouve dans les cadrans de poussée et de traction (r²>0,99) (Figure 11 et 12). En absolu En absolu, les valeurs de force dans la phase de poussée des routiers (Cf. Tableau 4 et Figure 11) sont indirectement en accords avec les résultats obtenus par Hautier et al (Downstroke Force = 835,5 N à 20 rpm, soit 12,75 N/Kg). Pour cause, dans leur étude il n y a pas de dissociation des deux jambes. Les données de la phase de poussée décrite sont l addition de la poussée d une jambe et de la traction de l autre. Dans la traction et pour les efforts sous maximaux, la force devient négative dans les vitesses élevées (> à 90 rpm selon Neptune et Herzog 1999). Ici et dans le cas d exercices maximaux, la force devient aussi négative mais à partir de fréquence de pédalages plus élevés, respectivement pour les routiers 160 rpm et 202 rpm pour les sprinters (Figure 11). En relatif Les données relatives de chaque cadran décrivent la contribution de chaque cadran dans la production de la force totale produite sur le cycle entier. Il semble intéressant de voir quelle est la part de la phase de poussée, de la traction, des points morts et comment chacun d eux évoluent en fonction de la vitesse (Cf. Figure 12) Nous présentons en figure 14 la contribution de chaque cadran à la production de la force normalisé en fonction du % de Vmax et ceci pour chacune des deux populations. Figure 14 : Contribution des cadrans de poussée et de traction à la production de la force normalisé en fonction de Vmax 19

20 Kautz et al ont décrit que 98,6% du travail total est effectué lors de la phase descendante à faible puissance alors que cette contribution diminue à 96,3% lors d un exercice effectué à puissance élevée. Cette baisse de contribution de la phase descendante est en partie comblée par l augmentation de la part de la phase de traction qui augmente avec la puissance. Nous pensons d abord que nos données sont quelque peu inférieures étant donné que la phase descendante décrite par Kautz et al comprend aussi les phases de transition que nous avons choisi de séparer de notre étude. Aucune étude n a révélé la contribution de chaque secteur à la production de la force dans les efforts maximaux. Pour notre part, la phase de poussée est beaucoup plus faible comparé aux efforts sous maximaux. Elle reste même relativement stable, à hauteur de 75% de la force totale produite sur le cycle entier. Les sprinters ont une contribution de la poussée qui se maintient y compris dans les hautes vitesses contrairement aux routiers qui chute une fois passé Vopt (p<0,001). La contribution de la phase de traction se montre plus importante lors d efforts maximaux (12% de la force totale produite sur le cycle entier) comparé aux valeurs presque négligeables (2-3% selon Kautz et al. 1991) obtenues lors d efforts sous maximaux. Les sprinters tirent plus, c est à dire maintiennent une part de traction plus importante surtout dans les vitesses élevées et limitent ainsi la phase négative du cycle de pédalage. Nous pensons que le travail de vélocité et notamment les exercices de survitesse qu effectuent les sprinters apportent une coordination neuromusculaire supérieure dans les vitesses élevées IE Sur le cycle entier Grâce aux auteurs qui ont traité de cette problématique d efficacité de pédalage (Lafortune et Cavanagh 1983 ; Patterson et al ; Patterson et Moreno 1990 ; Sanderson 1991, Coyle et al ), il est admis que l IE augmente avec la puissance mais diminue avec l augmentation de la fréquence de pédalage pour un niveau de puissance donnée. Dans le cas d un exercice sous maximal, Patterson et Moreno 1990 ont donc démontré cette double affirmation : A partir de deux niveaux de puissances, respectivement 100 et 200 W et par augmentation de la fréquence de pédalage par incrément de 10 rpm entre 60 et 120 rpm, ils ont donc obtenu les IE suivants ; respectivement pour 100W une décroissance linéaire de 46% à 16% et de 53% à 26% pour une puissance de 200W (Figure 15). Sanderson 1991 a aussi montré cela chez des cyclistes compétiteurs réalisant des exercices à 100 Watts et à 235 Watts où l IE augmente respectivement de 32% à 56%. 20

21 Figure 15 : IE en fonction de la fréquence de pédalage ( rpm) à deux niveaux de puissance, respectivement 100 et 200W, Patterson et Moreno Cette diminution de l IE avec l augmentation de la fréquence de pédalage est due à l augmentation de force négative dans la phase de traction (Neptune et Herzog 1999). Ceci est à mettre en parallèle avec l étude de Korff et al qui ont démontré que la technique de pédalage affecte significativement l IE. A 200W et à 90 rpm, lorsque les participants ont pour consigne de tirer sur la pédale pendant la phase de traction («pulling conditions»), l IE est alors à hauteur de 62,4 % (±9,8). Dans les 3 autres conditions («prefered», «circling» and «pushing»), l IE atteint 48.2% (±5,1). Dans notre cas, l IE diminue également avec l augmentation de la vitesse, de 78% dans les faibles fréquences de pédalage (31% de Vmax) à respectivement 31% pour les routiers et 37% pour les sprinters dans les vitesse élevées (81% de Vmax) (p<0,05). En revanche, on voit ici que les valeurs d IE sont nettement supérieures dans notre étude. Ceci pourrait être expliqué par le type d effort maximale et des valeurs de puissances maximales obtenues (Cf. Tableau 2). Nous émettons l hypothèse que la capacité des sprinters à produire un IE significativement supérieurs dans les vitesses élevées est due à une meilleure coordination neuromusculaire d une part et à une capacité à limiter les forces négatives dans la phase de traction d autre part, ce que nous avons mis en évidence dans le paragraphe précédent. Cela constitue un paramètre explicatif d une force efficace supérieure des sprinters aux vitesses élevées Sur les cadrans de poussée et de traction Coyle et al ont étudié l IE sur ces deux cadrans dans les efforts sous maximaux sur deux groupes de cyclistes sur route, respectivement une population élite (groupe 1) et une population nationale (groupe 2). Ils ont obtenu un IE pour le cadran de poussée (défini par l angulation ) de 70,8% pour le groupe 1 et de 74,8% pour le groupe 2. Dans notre étude, l IE avoisine les 85% pour les deux populations. 21

22 Coyle et al ont montré un IE dans la phase de traction définie par l angulation de 63,5% pour le groupe 1 et 69,3% pour le groupe 2. Dans notre étude, l IE dans la phase de traction est très élevé aux faibles fréquences de pédalage, au même titre que la phase de poussée (85%). Visuellement les sprinters présentent un plateau d efficacité jusqu à Vopt contrairement aux routiers qui perdent très rapidement de leur efficacité. Cependant, les données ne sont pas significative (p=0,22 NS). Les sprinters ont un IE significativement supérieur de 19% en Vmax (p<0,001) avec respectivement un IE négatif de -5% pour les sprinters contre -26% pour les routiers. L IE devient négatif à 78% de Vmax pour les sprinters contre 68% de Vmax pour les routiers. Cela peut être un facteur explicatif de la diminution de l IE sur le cycle entier dans la mesure où l IE sur la phase de poussée reste stable à 80-85% jusqu à 70-80% de Vmax. 6. Conclusion L étude a confirmé que les sprinters sont significativement plus forts (1538 N ±145 vs 974 ±121), plus véloces (259 rpm vs 235 rpm) et plus puissants (21,3 W/Kg vs 15,3 W/Kg) que les routiers en absolu et sur le cycle entier. La relation linéaire liant la force et la vitesse se retrouve dans les cadrans de poussée et de traction, mais pas dans les phases de transition. L analyse de ces deux cadrans conclus qu ils tirent surtout plus que les routiers. Elle a présenté aussi la contribution de chaque cadran à la production de la force totale en fonction de la vitesse et non en fonction de l angulation (de la région du cycle) comme l on fait nombre d auteurs (Kautz et al. 1991, Coyle et al. 1991, David Hull 1981, Cavanagh et Sanderson 1996 ). Nous avons montré que la phase de traction a une contribution plus importante à la production de la force totale produite sur le cycle entier dans les efforts maximaux (12%) par comparaison à la part négligeable que l on peut lui apporter dans les efforts sous maximaux (Kautz et al. 1991). La phase de poussée se stabilise à hauteur de 75% de la production de la force totale. Les conclusions des auteurs ayant traité de la thématique de l IE concernant l affirmation que l IE diminue avec l augmentation de la fréquence de pédalage ont été confirmées dans les efforts maximaux, de 78% à respectivement 37% pour les sprinters et 31% pour les routiers. Ceci est expliqué par l IE dans la phase de traction diminuant brutalement passé Vopt et devenant négatif jusqu à respectivement -5% pour les sprinters et -26% pour les routiers à des fréquences de pédalages proches de Vmax. L IE dans la phase de poussée tend à rester stable à 85%. Coyle et al ne considère pas l IE comme représentatif de la technique de pédalage étant donné la complexité du mouvement de pédalage qui doit prendre en compte aussi les aspects de cinématiques, de dynamique et de coordination musculaire en plus du fait de l orientation de la force efficace, pour faire ressortir la véritable efficacité du pédalage. Sur des efforts sous maximaux Coyle et al et Sanderson 1991 ont démontré que l IE était indépendante de la performance et du niveau d expertise. Dans une perspective d application pratique pour l entraînement, nous reposons la question de savoir si l IE peut il être considéré comme un facteur de performance dans les exercices maximaux étant donné que cette affirmation se retrouve aux fréquences de pédalage faibles proche de Fmax mais qu elle tend à être fausse à des fréquences de pédalage élevées proche de Vmax. 22

23 Bibliographie Arsac LM, Belli A, Lacour JR. Muscle function during brief maximal exercise: accurate measurements on a friction-loaded cycle ergometer. Eur J Appl Physiol 1996; 74: Capmal S., H. Vandewalle. EurJ Appl Physiol ; Torque-velocity relationship during ergometer sprints with and without toe clips. Cavanagh PR, Sanderson DJ. The biomechanics of Cycling : studies of the pedaling mechanics of elite pursuit riders. In E.R Burke (Ed), The science of cycling 1986: Champaign, IL: Human kinetics Coyle EF, Feltner ME, Kautz SA, Hamilton MT, Montain SJ, Baylor AM, braham LD, Petrek GW. Physiological and biomechanical factors associated with elite endurance cycling performance. Med Sci Sports Exerc 1991; 23: Davis, R.R., & Hull, M.L. Journal of Biomechanics (12), Measurement of pedal loading in bicycling: II. Analysis and results. Dorel S, Bourdin M, Van Praagh E, Lacour JR, Hautier CA. Influence of two pedalling rate conditions on mechanical output and physiological responses during all-out intermittent exercise. Eur J Appl Physiol 2003; 89: Ericson, M.O., & Nisell, R. (1988). Efficiency of pedal forces during ergometer cycling. International Journal of Sports Medicine, 9(2), Guillaume Mornieux, Karim Zameziati, Elodie Mutter, Régis Bonnefoy, Alain Belli. Journal of Biomechanics A cycle ergometer mounted on a standard force platform for three dimensional pedal forces measurement during cycling Hautier CA, Linossier MT, Belli A, Lacour JR, Arsac LM. Optimal velocity for maximal power production in non-isokinetic cycling is related to muscle fibre type composition. Eur J Appl Physiol 1996; 74: Hintzy F, Belli A, Grappe F, Rouillon JD. Optimal pedalling velocity characteristics during maximal and submaximal cycling in humans. Eur J Appl Physiol 1999; 79: Hull M. L. and M. Jorge A method for biomechanical analysis of bicycle pedalling. Journal of Biomechanics 1985 Vol 18 No 9, pp Kautz, S.A., Feltner, M.E., Coyle, E.F. and Baylor, A.M. The pedalling technique of elite endurance cyclists: changes with increased workload at constant cadence. Journal of Sport Biomechanics, 7, (1991). Korff T., Lee M. Romer, Ian Mayhew, and James C. Martin. Effect of pedalling technique on mechanical effectiveness and efficiency in cyclists. Med Sci Sports Exerc Lafortune, M.A. and Cavanagh, P.R.. Effectiveness and efficiency during bicycle riding. In Biomechanics VIIB: International Series on Biomechanics 4B pp

24 Lafortune, M.A., Cavanagh, P.R., Valiant, G.A. and Burke, E.R. A study of the riding mechanics of elite cyclists. Medicine and Science in Sports and Exercise, 15, 113. (1983). McLean BD, Parker AW. An anthropometric analysis of elite Australian track cyclists. J Sports Sci 1989; 7: Neptune RR, Herzog W. The association between negative muscle work and pedalling rate. J Biomech 1999; 32: Patterson, R.P., & Moreno, M.I. Bicycle pedalling forces as a function of pedalling rate and power output. Medicine & Science in Sports & Exercise, (4), Sanderson DJ. The influence of cadence and power output on the biomechanics of force application during steady-rate cycling in competitive and recreational cyclists. J Sports Sci summer; 9(2): Sanderson, D.J. and Cavanagh, P.R. An investigation of the effectiveness of force application in cycling. Medicine and Science in Sport and Exercise, 17, 222. (1985). Sargeant AJ, Hoinville E, Young A. Maximum leg force and power output during short-term dynamic exercise. J Appl Physiol 1981; 51: Alf Thorstensson, Gunnar Grimby and Jan Karlsson. Force-velocity relations and fiber composition in human knee extensor muscles. Journal of applied physiology Vol 40 No1 January 1976 Vandewalle H, Peres G, Heller J, Panel J, Monod H. Force-velocity relationship and maximal power on a cycle ergometer. Correlation with the height of a vertical jump. Eur J Appl Physiol 1987; 56: Van Soest O, Casius LJ. Which factors determine the optimal pedalling rate in sprint cycling? Med Sci Sports Exerc 2000; 32: