NOUVELLES METHODES DE MESURE DE

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1 N d ordre : Année 2005 UNIVERSITE JEAN MONNET DE SAINT ETIENNE THESE DE DOCTORAT Présentée en vue de l obtention du grade de Docteur d Université, spécialité Motricité Humaine et Handicap par Guillaume MORNIEUX NOUVELLES METHODES DE MESURE DE L EFFICACITE DE PEDALAGE : APPLICATION A L ETUDE DES FACTEURS BIOMECANIQUES DU RENDEMENT MUSCULAIRE EN CYCLISME. Soutenue publiquement le 12 décembre 2005 JURY : Pr. Alain BELLI Directeur de thèse (PU,Université Jean Monnet Saint Etienne) Pr. Albert GOLLHOFER Co-Directeur de thèse (PU, Université Albert-Ludwig Freiburg) Dr. Frédéric GRAPPE Rapporteur externe (MCF,Université de Franche Comté Besançon) Dr. Christophe HAUTIER Rapporteur externe (MCF,Université Claude Bernard Lyon I) Pr. Frank MAYER (Prof. Dr. med., Universitätsklinikum Freiburg) Dr. Björn STAPELFELDT (MCF, Université Albert-Ludwig Freiburg)

2 REMERCIEMENTS Je remercie tout d abord le Professeur André Geyssant qui, en m accueillant dans son unité de recherche de Physiologie et Physiopathologie de l Exercice et de Handicap, m a permis de débuter ce travail dès mon DEA à Saint Jean Bonnefonds pour le terminer à Bellevue. J ai pu mesurer au cours de ces 5 années la chance que j avais de réaliser mon doctorat dans un laboratoire de cette qualité, regroupant de grands chercheurs dans les différents domaines de la recherche sur l exercice physique. Mes plus grands remerciements vont sans doute au Professeur Alain Belli, qui m a motivé dès mon année de DEUG2 à poursuivre mes études dans la recherche et l entraînement sportif pour finalement réaliser ce travail de thèse sur la biomécanique du cyclisme. Je pense que sa pertinence scientifique font de lui un grand chercheur. Merci pour tous ces congrès, enseignements, protocoles de recherche, collaborations avec l étranger Ces collaborations avec l étranger auraient eu un goût d inachevé si elles ne m avaient pas permis de réaliser un travail de thèse en co-tutelle. Le professeur Albert Gollhofer a accepté de co-diriger ce travail de thèse et je lui en suis très reconnaissant. Ceci m a permis de réaliser la moitié de ce travail à Freiburg (Allemagne) à l Institut Für Sport und Sportwissenschaft, de découvrir d autres manières de faire, de penser et de valoriser ce doctorat. Je tiens également à exprimer ma reconnaissance à mes deux rapporteurs de thèse : les docteurs Frédéric Grappe et Christophe Hautier. Vous étiez déjà rapporteur lors de mon DEA et êtes donc à même de mesurer le travail que j ai accompli durant ces dernières années. J ai pu à plusieurs reprises côtoyer Christophe et apprécier son travail lors de mon doctorat, et j espère qu un homme de terrain et d entraînement comme Frédéric appréciera tout particulièrement la dernière partie de ce travail. Le professeur Frank Mayer a également accepté de juger ce travail. J ai déjà eu l occasion de le remercier de m avoir accueilli à Tübingen puis à Freiburg. Travailler avec lui sur la course à pied n a pas directement fait avancer ma thèse sur le cyclisme mais ses conseils, ses critiques et son aide m ont beaucoup apporté. Un grand merci au docteur Björn Stapelfeldt pour m avoir entraîné dans son aventure au Radlabor à Freiburg et maintenant juger mon doctorat. Mon travail dans son laboratoire ces derniers étés m a permis de me rapprocher du terrain et de découvrir un peu mieux le monde du cyclisme. Ce mélange de terrain, labo, «coups de bourre» et bonne humeur a été des plus instructif. Enfin je n oublie pas tous ceux qui m ont aidé au cours de ces années de Doctorat, en Finlande ou en Allemagne, à Saint Jean ou à Bellevue, lors des protocoles de recherche ou de l écriture des articles. Merci aux profs et étudiants/doctorants que j ai côtoyé dans les différents domaines de la recherche en activité physique, aux techniciens/techniciennes, aux secrétaires, aux médecins, bref à toute l équipe du PPEH et du pavillon de Médecine du Sport et Myologie à Bellevue, à mes collègues du STAPS de Saint Etienne, et aux personnes extérieures à tout cela. Merci à tous ceux qui ont pris de leur temps pour m aider quand je ne comprenais plus, et plus particulièrement, à Régis pour son aide en mécanique et électronique, et à mon équipe de bioméca. Grâce à vous, ce n est que très rarement que réaliser ce travail de thèse ne m a pas apporté du bon temps.

3 Table des matières TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE 1/ Préambule 4 2/ Les paramètres métaboliques / La fréquence cardiaque 5 - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain Relation FC performance / La consommation d oxygène Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain. 6 - Relation V. O 2 - performance 6 3/ Les paramètres biomécaniques / Vitesse et cadence de pédalage Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain / Résistances et puissance mécaniques Méthodes de mesure des résistances en laboratoire et sur le terrain Méthodes de mesure de la puissance en laboratoire et sur le terrain / Le rendement musculaire en cyclisme 11 - Définition / La technique de pédalage 12 - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain des forces appliquées sur les pédales Description des fores appliquées sur les pédales 14 - L efficacité de pédalage Les impulsions. 17 4/ Relation entre les paramètres biomécaniques et la performance / Cadence de pédalage Relation avec V. O 2 en laboratoire Problème des différences entre le laboratoire et le terrain / Force et puissance mécaniques Relation avec la performance Optimisation du matériel et de la position / Le rendement musculaire en cyclisme 21 - Relation rendement musculaire performance / La technique de pédalage 25 - Relation efficacité de pédalage performance Relation impulsion performance / Facteurs influençant la technique de pédalage Niveau d expertise Lien pied-pédale

4 Table des matières 5/ Hypothèses et buts du travail PARTIE 1 : NOUVELLES METHODES DE MESURE DE L EFFICACITE DE PEDALAGE ETUDE I : Nouvelle méthode de mesure en laboratoire des forces appliquées sur les pédales en 3D Introduction Matériel et méthodes Résultats. 44 Discussion. 47 ETUDE II : Nouvelle méthode de mesure sur le terrain des forces appliquées sur les pédales Introduction Matériel et méthodes.. 56 Résultats. 60 Discussion. 62 PARTIE 2 : EFFICACITE DE PEDALAGE ET RENDEMENT MUSCULAIRE ETUDE III : Influence des différences inter et intra-individuelles d efficacité de pédalage sur le rendement musculaire Introduction Matériel et méthodes.. 71 Résultats. 77 Discussion. 80 ETUDE IV : Influence du type de pédale et du niveau d expertise sur la performance en cyclisme Introduction Matériel et méthodes.. 94 Résultats. 97 Discussion. 100 CONCLUSION GENERALE. 108 BIBLIOGRAPHIE. 116 ANNEXES

5 INTRODUCTION GENERALE

6 Introduction générale 1/ Préambule En 2002, Lance Armstrong parcourt entre le 6 et le 28 juillet les 3276 km du Tour de France en 82 h Pendant que L. Armstrong travaille encore aujourd hui sur son positionnement sur la bicyclette afin d améliorer ses performances lors d un contre la montre, on se demande si J. Ullrich ne devrait pas augmenter sa cadence de pédalage et ainsi emmener des braquets moins gros. Il y a bien sûr le ressenti de l athlète, qui lui permet par exemple de régler sa hauteur de selle ou d adopter une certaine cadence lors d un contre la montre et une autre lors d une étape de montagne. Cependant, l athlète parvient-il à comprendre les implications énergétiques, biomécaniques ou autre, derrière le choix de la cadence de pédalage ou de son positionnement, et de ce fait, ne peut-on pas l aider à affiner ces réglages, voire à aller outre son ressenti pour viser l optimisation de la performance. Ces enjeux sont les mêmes pour les différentes épreuves, que ce soit sur route, sur piste ou en tout terrain, et même si les facteurs prépondérants (par exemple la production de puissance ou la minimisation du coût énergétique) ne sont pas toujours les mêmes, l optimisation de chacun d entre eux permet d améliorer la performance. C est dans cette optique que les récents congrès sur le cyclisme, en France (Caen, novembre 2004) ou en Allemagne (Freiburg, novembre 2004), avaient pour volonté de réunir tous les professionnels du cyclisme, de l athlète à l entraîneur, en passant par le préparateur physique, le biomécanicien, le physiologiste ou le médecin. L interaction entre ces «différents mondes» est très riche en informations pour l avancée de la connaissance du cyclisme. Cependant, il se peut qu il soit encore difficile pour tous ces acteurs de travailler ensemble. De son côté, l étude scientifique de la performance en cyclisme permet non seulement aux entraîneurs d orienter l entraînement mais également à l Homme de mieux comprendre le fonctionnement du corps humain. Différentes études, notamment citées dans la revue de littérature de Faria et al. en 2005 ont mis en évidence les différents facteurs de la performance, qu ils soient physiologiques (consommation maximale d oxygène ou seuils de concentration en lactates sanguins par exemple), liés à l entraînement (affûtage, surentraînement) ou biomécaniques. Ce dernier aspect apparaît comme des plus importants pour un cycliste, notamment du fait de son interaction avec sa bicyclette, l air ambiant et le sol. Ainsi, la capacité à résoudre des problèmes tels que 4

7 Introduction générale surmonter les résistances à l avancement ou améliorer l efficacité du transfert de puissance du corps à la bicyclette, devient alors primordiale. L efficacité de transfert de la puissance en cyclisme dépend du matériel et de manière plus empirique de la technique de pédalage. Cependant des travaux de recherche semblent être nécessaires afin de mieux comprendre l influence de l efficacité de pédalage sur la performance. Ainsi, c est autour de la notion d efficacité de pédalage que la majeure partie de ce travail se construira, afin d objectiver son lien avec la performance, et plus précisément de comprendre dans quelles mesures l efficacité de pédalage influence le rendement musculaire. 2/ Les paramètres métaboliques 2.1 / La fréquence cardiaque La fréquence cardiaque (FC) exprimée en battements par minute (bpm), par son accroissement, permet d augmenter le débit cardiaque (autrement dit la quantité de sang sortant de l aorte par minute). Sa mesure est importante car elle peut être utilisée comme repère de l intensité de l exercice. - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain : Alors que la mesure de FC par le biais d un électrocardiogramme est privilégiée lors d une épreuve en laboratoire, on ne peut pas se permettre d encombrer l athlète de fils lorsque ce dernier effectue une épreuve sur le terrain. Dès lors, des cardiofréquencemètres du type Polar ou CicloSport permettent une transmission sans fil de la ceinture pectorale mesurant FC, à la montre ou au récepteur fixé sur la bicyclette. Ce genre de matériel permet une mesure moins encombrante avec une précision demeurant satisfaisante (Treiber et al., 1989). - Relation FC - performance : Classiquement, FC augmente de façon linéaire avec la puissance jusqu à atteindre un maximum et alors observer un plateau. Cependant FC maximale ne détermine pas la performance à haut niveau étant donné que Lucia et al. (1998 et 2002) n ont pas reporté de différence de FC maximale en comparant un groupe de cyclistes professionnels et un 5

8 Introduction générale groupe amateur ou élite. FC est également un moyen simple d évaluer l influence des différents paramètres biomécaniques sur la performance. Par exemple, Lucia et al. (2004) ont obtenu une relation entre FC et cadence de pédalage pour conclure que les faibles cadences n étaient pas appropriées chez les cyclistes professionnels. De même, Heil et al. (1995) ont pu déterminer qu un angle de tige de selle supérieur à 76 (jusqu à 90 ) diminuait significativement les valeurs de FC par rapport à un angle de tige de selle de / La consommation d oxygène en cyclisme La consommation d oxygène ( V. O 2), caractérisée par l équation de Fick, est déterminée par le produit entre le débit cardiaque et la différence artério-veineuse en oxygène. Elle rend compte du débit d oxygène consommé par l athlète et présente de ce fait un intérêt dans l évaluation de la performance. - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain : La méthode de référence permettant d obtenir la meilleure précision de mesure est celle des sacs de Douglas. D autres méthodes utilisées en laboratoire permettent une analyse cycle à cycle du V. O 2. Par exemple, le système CPX/D tend à être limité en précision par rapport à la méthode de Douglas (Gore et al., 2003) mais le système Oxycon-Pro semble présenter des performances proches de la méthode des sacs de Douglas à faible comme à haute intensités (Rietjens et al., 2001). Sur le terrain, la nécessité de système portable se fait sentir. Différents systèmes, comme par exemple le MetaMax I/II ou le K2/K4 ont d ores et déjà donné satisfaction quant à leur validité (Meyer et al., 2005). - Relation V. O 2 - performance : V. O 2 évolue linéairement avec la puissance jusqu à atteindre un plateau à puissance maximale aérobie. A cette puissance, la consommation maximale en oxygène est ainsi atteinte et est notée V. O 2max. Les facteurs pouvant influencer V. O 2 sont par exemple la cadence de pédalage (Hintzy et al., 1999), le surentraînement (Bahr et al., 1991) ou la typologie musculaire (en effet Coyle et al. ont reporté en 1992 une relation positive entre le rendement musculaire et le pourcentage de fibres lentes lors d un exercice de pédalage ou d extension de jambes, 6

9 Introduction générale laissant à penser que V. O 2 tend à diminuer chez les sujets présentant une plus large proportion de ces fibres lentes). De plus V. O 2 dépend de nombreux paramètres technologiques comme par exemple la hauteur de selle (Nordeen-Snyder, 1977) ou l angle de tige de selle (Heil et al., 1995 ; Price et Donne, 1996). V. O 2 évolue de la manière pour des professionnels que pour des sujets élites ou amateurs jusqu à l atteinte de leur seuil lactique (Lucia et al., en 1998 et 2002). Au delà de ce point, les professionnels tendent à consommer moins d oxygène. Même si ces auteurs notent une différence significative de puissance maximale, V. O 2max n est pas différent entre ces populations. Ainsi, de même que pour FC, ce facteur physiologique ne semble pas déterminer la performance dans un groupe homogène à haut niveau. De ce fait, il serait intéressant d analyser si des paramètres mécaniques permettraient d avantage d expliquer ces différences. 3/ Les paramètres biomécaniques 3.1 / Vitesse et cadences de pédalage - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain : Le principe de mesure de la cadence de pédalage et de la vitesse sur le terrain consiste principalement en l utilisation de compteurs de tour. Des capteurs placés sur la partie fixe du cadre et de la fourche détectent le passage de la pédale et celui d un point de la roue et déterminent donc le nombre de tour de pédale et de roue en un temps donné (compteur Polar par exemple). Il est ainsi possible d exprimer la cadence de pédalage en rotations de pédale par minute (rpm) grâce au premier capteur et la vitesse de déplacement grâce au deuxième capteur, en connaissant la circonférence de la roue définissant alors le nombre de mètres parcourus pour un tour de roue. En laboratoire, la méthode la plus simple est d utiliser le même principe bien que l utilisation de la cadence de pédalage soit privilégiée du fait qu il n y ait pas de déplacement de l ergomètre pendant l effort. Etant donné que le braquet utilisé est souvent fixé par l ergomètre, ceci rend possible l utilisation d un seul capteur pour détecter le passage de la roue ou de la pédale. Ce braquet unique autorise le calcul du rapport entre un tour de pédale et un tour de roue permettant de déterminer à partir de 7

10 Introduction générale l une ou l autre des mesures, la cadence et la vitesse de pédalage. Par exemple, en mesurant le nombre de tour de pédale, on calcule la distance parcourue par tour de pédale en multipliant la circonférence de la roue (diamètre de la roue multiplié par π) par le braquet (nombre de dents du plateau divisé par le nombre de dents du pignon). Cependant, il n est alors possible de calculer la vitesse que pour chaque cycle et non de manière instantanée ce qui pose un problème de précision. Ainsi, des capteurs permettant de déterminer le déplacement instantané de la roue en utilisant par exemple un codeur incrémental fixé à une poulie en contact avec le volant d inertie (Arsac et al., 1996) sont utilisés. La cadence de pédalage est alors obtenue en connaissant le développement et la vitesse en fonction du temps d acquisition. 3.2 / Résistances et puissances mécaniques Les résistances à l avancement comprennent la résistance aérodynamique et celle de roulement. La résistance aérodynamique (Ra en N) est la forme de résistance majeure. En effet cette force est proportionnelle au carré de la vitesse de déplacement relative à l air (v en m.s -1 ) et dépend notamment de la masse volumique de l air (ρ en kg.m -3 ), de la surface frontale du couple cycliste-bicyclette (S en m 2 ) et du coefficient de pénétration (Cx) : Ra = 0,5 ρ S Cx v 2 [1] Plus simplement, cette relation peut s écrire en résumant tous les paramètres excepté v sous un coefficient de frottement visqueux, noté b (N.m -2.s 2 ). Ainsi, on obtient : Ra = b v 2 [2] La résistance de roulement (R R en N) est une autre forme de résistance dans le cyclisme, notamment importante à faibles vitesses. Elle est principalement engendrée par la compression des roues et/ou du sol. Cette résistance de roulement est calculable à partir de la masse du cycliste (m en kg), de la gravité (g en m.s -2 ) et du coefficient de roulement (C R ) dépendant principalement des caractéristiques des roues, des pneus et du sol : R R = C R m g [3] La puissance mécanique est classiquement définie comme le rapport entre le travail mécanique du à une application de force sur la durée d application de cette force : 8

11 Introduction générale P = W (F) t -1 [4] avec W (F) le travail exprimé en Joules (J), t la durée en seconde (s) et P la puissance en Joules.s -1 ou Watts. Il est également possible d exprimer cette puissance comme le produit d une force et la vitesse d application de cette force : P = F v [5] avec F la force (N) et v la vitesse (m.s -1 ). - Méthodes de mesure des résistances en laboratoire et sur le terrain : Trois types de méthodes, à savoir par traction, en soufflerie et basée sur les décélérations, sont généralement utilisées. Mesure par traction (di Prampero et al., 1979) : ces auteurs ont déterminé la résistance totale s opposant à l avancement en cyclisme, en tractant à différentes vitesses un cycliste sur sa bicyclette par l intermédiaire d un câble relié à une jauge de contrainte. Il a ainsi été mis en évidence que la résistance totale (R T en N) augmentait linéairement avec le carré de la vitesse de déplacement [v en (m.s -1 ) 2 ]. La figure 1 cidessous permet de mieux comprendre cette relation ainsi que les parts dues à R a et à R R. Figure 1. Résistance totale (R T ) en cyclisme en fonction de la vitesse de déplacement élevée au carré. Cette mesure a été réalisée en descente (cercle vide) et en montée (cercle noir) dans une pente à 0,69 % (d après di Prampero et al., 1979). A partir de cette relation, l équation suivante a pu être déterminée : R T = 3,2 + 0,19 v 2 [6] Cette relation permet de définir la résistance totale engendrée en fonction de la vitesse de déplacement. De plus, elle permet de définir R R comme l ordonnée à l origine et b comme la pente de la relation. Ainsi, des valeurs de 3,2 N et de 0,19 N.m -2.s 2 sont applicables pour respectivement R R et b, avec 0,19 v 2 permettant de calculer Ra. 9

12 Introduction générale Mesure en soufflerie : ce type de mesure permet d imposer une vitesse de vent relatif au cycliste et de calculer la force résultante. Ainsi, une relation correspondant à l équation 2 est obtenue avec des valeurs classiques de b d environ 0,2 N.m -2.s 2 (0,166 N.m -2.s 2 exactement dans l étude de Davies en 1980). Enfin, Candau et al. (1999) ou de Groot et al. (1995) ont utilisé une méthode de mesure basée sur la décélération permettant de déterminer les forces de résistances aérodynamique et de roulement lors d un effort en cyclisme. Ce modèle simple basé sur la deuxième loi de Newton et sur les équations 1 et 3 permet une évaluation sur le terrain de ces résistances à l avancement. Lors d un exercice sur cyclo-ergomètre fixe en laboratoire, l absence de déplacement implique que la charge de friction simule à la fois R R et R a. Les différents ergocyles proposés sur le marché génèrent cette force de friction de différentes manières (Paton et Hopkins, 2001). En effet, le Monark est monté de manière à générer une force de friction par la courroie plus ou moins serrée autour d un volant d inertie et propose une bonne précision (Woods et al., 1994). Le système de résistance du Kingcycle utilise une résistance aérodynamique, qui ne permet pas une mesure précise mais néanmoins reproductible (Balmer et al., 2000a et 2000b ; Palmer et al., 1996) et quant au Velodyne (Caldwell et al., 1998) ou à l Axiom (Bertucci et al, 2004), ils utilisent des freins électromagnétiques. - Méthodes de mesure de la puissance en laboratoire et sur le terrain : Classiquement, on utilise l équation 5 pour déterminer la puissance sur un ergocycle Monark, en utilisant la friction de la courroie comme valeur de force et la vitesse linéaire d un point en périphérie du volant d inertie. Mais en fonction du système de mesure et de la localisation de la mesure de la force, l équation 5 est modifiée. Par exemple, la déformation de la manivelle (de longueur L) engendrée par l application sur la pédale d une force tangentielle au déplacement de la manivelle (F TA ) est mesurée au niveau du plateau de pédalier par l intermédiaire de jauges de contrainte sur le système SRM. A ce couple de force total correspond une vitesse angulaire (ω) exprimée en radians par seconde (rad.s -1 ). Ainsi, la puissance se calcule comme suit : P = F TA L ω [7] 10

13 Introduction générale Les ergomètres présentant les différents systèmes de friction cités précédemment, permettent également la mesure de puissance en laboratoire. D autres wattmètres semblent cependant aussi performants tout en permettant une mesure sur le terrain. C est le cas du SRM (mesure au niveau du plateau de pédalier ; Jones et Passfield, 1998) ou du PowerTap (mesure au niveau du moyeu de la roue arrière ; Gardner et al., 2004) dont la précision et la reproductibilité de mesure sont très satisfaisantes. En revanche, un outil de mesure tel que le Polar S710, mesurant indirectement la puissance à partir des oscillations de la chaîne, n est pas valide (Millet et al., 2003). D autre part, à partir des résistances à l avancement définies par l équation 6 et la vitesse de déplacement (v), di Prampero et al. (1979) ont établi une équation simple permettant de déterminer la puissance externe (P en Watts) produite par un cycliste sur le terrain : P = 3,2 v + 0,19 v 3 [8] avec 3,2 la valeur représentant la résistance de roulement et 0,19 le coefficient de frottement visqueux. 3.3 / Le rendement musculaire en cyclisme La mesure du V. O 2 ne renseigne pas sur les substrats énergétiques utilisés et de ce fait un même V. O 2 peut engendrer différents travaux métaboliques. De plus elle ne permet pas de comparer les sujets à des niveaux différents de travail mécanique. Ainsi, le rendement musculaire (Gaesser et Brooks, 1975) se trouve être un facteur plus intéressant que V. O 2 pour caractériser la performance d un cycliste. - Définition : Le rendement musculaire (η) est défini par le rapport entre le travail mécanique fourni (W) sur le travail métabolique utilisé (Gaesser et Brooks, 1975 ; Stainsby et al., 1980). Lors de l exercice réalisé en condition sous maximale et lorsqu un état stable de consommation d oxygène est atteint, alors la mesure du travail métabolique peut se réaliser uniquement à partir du V. O 2 en connaissant l équivalent énergétique (Eq en Joules) d un litre d oxygène (Garby et Astrup, 1987 ; McArdle et al., 2001) : = W. V O2 Eq 100 [9] 11

14 Introduction générale On peut tout d abord calculer le travail métabolique au moyen du V. O 2 brut mesuré lors de l exercice. Ensuite il est possible de déterminer un V. O 2 net, défini comme le V. O 2 brut auquel on retranche le V. O 2 de repos. Enfin, une mesure du O 2 tenant compte du V. travail interne ( V. O 2 lié au mouvement des jambes à vide soustrait au O 2 brut) a été également proposé dans la littérature. Ces trois façons de calculer le travail métabolique déterminent donc trois types de rendement musculaire, à savoir le rendement brut, le rendement net et le rendement externe (Gaesser et Brooks, 1975). Des valeurs de rendement musculaire allant de 10 à 25 %, selon le calcul utilisé et les conditions de pédalage, sont classiquement reportées (Gaesser et Brooks, 1975). D autre part, une mesure du delta de V. O 2 (différence de O 2 brut entre deux paliers de puissance V. différente) a été utilisée par certains auteurs, qui, relié au delta de travail mécanique, a permis de déterminer le rendement delta (Gaesser et Brooks, 1975). Des valeurs pouvant atteindre 30 % sont alors possibles. V. 3.4 / La technique de pédalage - Méthodes de mesure en laboratoire et sur le terrain des forces appliquées sur les pédales : Les premières études proposaient des systèmes de mesure des forces en une dimension en utilisant par exemple des jauges de contrainte, soit placées sur les manivelles afin d évaluer cette même force tangentielle (Daly et Cavanagh, 1976; Hibi et al., 1996 ; Künstlinger et al., 1984; Sargeant et Davis, 1977), soit fixées directement sous les pédales afin de mesurer le force normale à la surface de ces dernières (Brooke et al., 1981; Hoes et al., 1968). Cependant cette mesure en une seule dimension était bien trop limitée afin de réaliser une analyse des forces et des moments au niveau des articulations du membre inférieur par dynamique inverse, ou afin d explorer le pattern de pédalage complet des sujets et ne permettait pas la détermination de l efficacité de pédalage. Ensuite des mesures de forces sur les pédales en deux dimensions (2D) (Beelen et al., 1994; Gregor et al., 1985; Newmiller et al., 1988; Patterson et al., 1983; Rohmert et Krell, 1980; Soden et Adeyefa, 1979) et en trois dimensions (3D) (Boyd et al., 1996; Hull et Davis, 1981; Reiser et al., 2003 ; Ruby et Hull, 1993; Ruby et al., 1992; Stone et Hull, 1993) ont été réalisées en utilisant des jauges de contrainte fixées sous les pédales. 12

15 Introduction générale De plus, d autres auteurs ont utilisé des capteurs piézo-électriques fixés sous les pédales afin d accomplir une mesure précise des forces en 2D (Wheeler et al., 1992) et 3D (Broker et Gregor, 1990; Ericson et al., 1985). Enfin, certains auteurs ont développé leur système de mesure des forces sur les pédales de manière à permettre cette évaluation en condition réelle de pédalage, c'est-à-dire sur le terrain, en utilisant des jauges de contrainte fixées sous la pédale permettant une mesure en 2D (Alvarez et Vinyolas, 1996 ; Rowe et al., 1998). Figure 2. Systèmes de mesure des forces appliquées sur les pédales développés par Wheeler et al., en 1992 (en haut à gauche), Newmiller et al., en 1988 (en haut à droite) et Boyd et al., 1996 (en bas à gauche). Cependant, ces méthodes utilisant des capteurs spécifiques fixés sous les pédales ne sont de ce fait pas utilisables par tous les laboratoires et cette fixation sur les pédales modifie les propriétés mécaniques de ces dernières par une augmentation sensible de la masse et de l inertie de celles-ci (figure 2). Le système de mesure de Wheeler et al. (1992) semble ne pas trop présenter ce problème et constitue de ce fait un système de mesure pertinent. Mais ces différents systèmes montrent la difficulté qu il existe de réaliser un outil de mesure précis et miniature. Ainsi, la mise au point d un système de mesure ne modifiant pas les caractéristiques mécaniques des pédales et utilisant une méthodologie simple et utilisable par la majeure partie des laboratoires serait d une utilité certaine. De 13

16 Introduction générale plus, le développement de ces mesures sur le terrain permettrait d évaluer les forces appliquées sur les pédales en plaçant les cyclistes dans des conditions réelles de pédalage, autrement dit optimales dans un but d analyse du pattern de pédalage ou dans une optique de suivi de l entraînement. - Description des forces appliquées sur les pédales : Dans un premier temps, ces méthodes ont permis de déterminer non seulement l orientation des forces en fonction d un cycle de pédalage complet mais également les amplitudes de celles-ci à l image des données présentées par Broker et Gregor (1990), pour un exercice à 300 Watts et 90 rpm (figure 3): Force (N) Figure 3. Orientation et amplitude des forces verticale (F Z ), antéropostérieure (F Y ) et médio-latérale (F X ) au cours d un cycle. TDC et BDC représentent respectivement le point mort haut et le point mort bas (d après Broker et Gregor en 1990). La force verticale est orientée vers le bas lors de la phase descendante de la pédale pour atteindre une valeur aux environs de 350 N à un angle de manivelle de 100. Lors de la phase de retour, une force résiduelle de 100 N peut être observée. Dans la direction antéro-postérieure, une force maximale de 120 N est obtenue lors de la phase descendante à un angle de manivelle de 60. Lors de cette phase la force est orientée ver l avant alors qu elle est appliquée vers l arrière lors du passage du point mort bas avec des valeurs atteignant 30 N. Enfin, la force médio-latérale est orientée vers l extérieur lors de la phase descendante de la pédale avec une valeur pic de 50 N à un angle de manivelle avoisinant les 80 et est négligeable lors de la phase de retour. Il est intéressant de noter qu il existe une grande variabilité inter-individuelle d application des forces sur les pédales (Gregor et al., 1985) comme le montre la figure 4 ci-après : 14

17 Introduction générale Figure 4. Variabilité inter-individuelle (zone grisée) dans l application des forces tangentielle et normale à la pédale au cours d un cycle de pédalage (pédalage à 160 Watts et 60 rpm ; d après Gregor et al., 1985). De plus si l on représente classiquement les forces appliquées sur les pédales à l aide d un «clock diagramm», il est alors possible de clairement visualiser les différences inter-individuelles d application des forces durant les différentes phases d une révolution de pédale. La figure 5 illustre ce propos en montrant le force totale appliquée sur la pédale droite pour 2 cyclistes de même niveau et à puissance identique. Figure 5. Pattern de pédalage de 2 cyclistes élites (pédalage à 400 Watts et 100 rpm ; d après Cavanagh et Sanderson, 1986). TDC représente le point mort haut. Sur cette figure 5, il est intéressant de remarquer que le cycliste de droite oriente sa force totale différemment, notamment au niveau du point mort bas où celle-ci est plus dirigée vers le bas. De la même manière, il ne tire pas sur la pédale lors de la phase ascendante sauf sur la fin (position 18 à 1) où il déleste la pédale contrairement au 15

18 Introduction générale cycliste de gauche qui tire légèrement dans le dernier quart du cycle. Ce type d analyse pose le problème de comprendre si les sujets tirent durant la phase ascendante de la pédale et quel serait l éventuel bénéfice d un tel pattern. Ce problème sera plus longuement abordé ultérieurement lorsque la question des impulsions sera traitée. L influence de la position sur le pattern d application des forces, en comparant par exemple la position en danseuse et assise (Alvarez et Vinyolas, 1996 ; Soden et Adeyefa, 1979) ou l influence de l interface pied-pédale sur les forces appliquées sur les pédales (Hull et Davis, 1991 ; Gregor et Wheeler, 1994) ont par exemple été investies. De même que les forces, certains auteurs ont caractérisé les moments appliquées au niveau des pédales (Boyd et al., 1996 ; Broker et Gregor, 1990 ; Wheeler et al., 1992). Ainsi lors des phases descendante et de retour de pédale, les valeurs maximales des moments en trois dimensions peuvent être enregistrées, permettant de mieux comprendre les implications de l interface pied-pédale dans les blessures au niveau des articulations et notamment celle du genou (Gregor et Wheeler, 1994). Cependant, mis à part l analyse des implications au niveau des blessures, une mesure des forces appliquées sur les pédales conduit plus à une description biomécanique du pattern de pédalage qu à une réelle évaluation de la performance. Ainsi, les concepts d efficacité de pédalage (Lafortune et Cavanagh, 1983) ou d impulsion ont été définis, de manière à pouvoir relier l application des forces au niveau des pédales à la performance. - L efficacité de pédalage : Ce concept a été tout d abord étudié par Lafortune et Cavanagh (1983) et reflète en quelque sorte la technique de pédalage puisqu il représente le rapport entre la force efficace et la force totale appliquée sur la pédale. En effet, à partir des forces mesurées sur les pédales, il est possible de définir la force totale appliquée (F TOT ), la composante tangentielle au déplacement de la manivelle, autrement dit la force efficace (F E ) et la composante dans le prolongement de la manivelle, c'est-à-dire la force radiale (F RAD ). La figure 6 ci-après illustre l évolution de ces forces au cours d une révolution de pédale. 16

19 Introduction générale F E F TOT F RAD Figure 6. A gauche : composantes efficace et radiale de la force totale appliquée sur la pédale (d après Ericson et Nisell, 1988). A droite : évolution typique au cours d un cycle de pédalage de F E (ligne en pointillé) avec sa phase négative lors de la phase de retour (aire noire) et de F TOT (trait plein). Ainsi l aire située entre ces 2 courbes représente la force «gaspillée» autrement dit F RAD (d après Cavanagh et Sanderson, 1986). Cette efficacité de pédalage (IE), étudiée par différents auteurs (Coyle et al., 1991 ; Patterson et Moreno, 1990 ; Sanderson, 1991) diffère de l index de performance proposé par Davis et Hull (1981) et étudié par Ericson et Nisell (1988), du fait que ces derniers utilisaient le rapport entre la force efficace moyenne et la force totale maximale donnant lieu à un index de performance inférieur à IE du fait de son calcul. Enfin, IE peut se définir comme le pourcentage d impulsion linéaire utilisé afin de générer une impulsion angulaire : IE = FE ( ) d 100 FTOT( ) d [10] - Les impulsions : Le calcul de l impulsion linéaire comme étant l intégrale de F E en fonction du temps, ou angulaire (intégration de la relation couple de forces-temps), comme du reste l estimation du travail (intégration de la relation couple de forces-angle) sont de bons moyens d évaluer la technique de pédalage (Neptune et Herzog, 1999 ; Sanderson et al., 2000 ; Sanderson et Black, 2003). En effet il est difficile au travers des forces 17

20 Introduction générale appliquées sur les pédales en observant par exemple les variations de leurs valeurs pics et de leurs secteurs angulaires d apparition de réellement analyser des modifications de pattern de pédalage. En revanche, les impulsions permettent par exemple de quantifier la force efficace appliquée sur différents secteurs angulaires (figure 7), ou plus simplement d évaluer les différences entre la phase ascendante de la pédale où il se produit généralement une impulsion négative et la phase descendante de la pédale observant une impulsion positive. Figure 7. Evolution de l impulsion positive (rectangle rayée) et négative (rectangle noire) au cours d un cycle de pédalage. Les rectangles sont exprimés en pourcentage de l impulsion totale avec pour exemple l échelle pour 20 % (d après Cavanagh et Sanderson, 1986). TDC représente le point mort haut. TDC 4/ Relation entre les paramètres biomécaniques et la performance 4.1 / Cadence de pédalage - Relation avec V. O 2 en laboratoire : Dans un but d optimisation de la cadence de pédalage, certaines études se sont tout d abord intéressées à la minimisation de V. O 2 (Hintzy et al., 1999 ; figure 8 ci-dessous). Figure 8. Relation entre V. O 2 et la cadence de pédalage, avec un optimum en condition sous maximale (OVSM) trouvé aux alentours de 60 rpm (d après Hintzy et al., 1999). 18

21 Introduction générale Ces auteurs ont pu mettre en évidence, lors d un exercice sous maximal à puissance constante, que l évolution de V. O 2 en fonction de la cadence présentait un optimum aux alentours de 60 rpm. Cependant, cette relation théorique de laboratoire est assez loin des enjeux du cyclisme en conditions réelles, lors desquelles le stress musculaire, les contraintes articulaires ou la production de puissance apparaissent également importants, d autant plus si l aspect compétition rentre en jeu. - Problème des différences entre le laboratoire et le terrain : Il est intéressant de noter que cette cadence optimale est inférieure à la cadence que choisissent spontanément les cyclistes (Marsh et Martin, 1997). Cependant cette cadence optimale est également fonction de la puissance imposée et tend à croître avec cette dernière (Coast et Welch, 1985). De plus, au regard des études de Marsh et Martin (1997) et Hagberg et al. (1981), il apparaît que cette cadence optimale serait supérieure chez les sujets entraînés qui ont semble-t-il développé un pattern de pédalage différent. En parallèle, le choix de la cadence de pédalage semble être affecté par la typologie musculaire (Hansen et al., 2002). D autres études se sont quant à elles focalisées sur la minimisation de la perception de l effort (Pandolf et Noble, 1973 ; Deschenes et al., 2000). Ces auteurs ont relevé des cadences optimales comprises entre 60 et 80 rpm (en comparaison à des cadences plus faibles de 40 rpm). Ensuite, la recherche de la cadence optimale peut se faire en direction de la minimisation de la fatigue. Les conclusions sont alors qu une cadence de 105 rpm semble limiter les contraintes articulaires (Redfield et Hull, 1986). Enfin la fatigue neuromusculaire serait quant à elle minimisée pour des cadences aux alentours de rpm (Takaishi et al., 1996) voire rpm si on s en réfère au modèle de stress musculaire proposé par Hull et al. (1988). Enfin l optimisation du coût énergétique, facteur important puisqu il renseigne sur l économie de déplacement, se ferait à des cadences comprises entre 105 et 110 rpm (Belli et Hintzy, 2001). 4.2 / Forces et puissance mécaniques - Relation avec la performance : La résistance aérodynamique représente plus de 90 % de la résistance totale lorsqu un cycliste se déplace à plus de 40 km par heure (Burke, 1996). 19

22 Introduction générale Figure 9. Relation entre le gain de temps (s) et la diminution de Ra exprimée en grammes pour différente vitesses de course (kph = km/h) lors d un contre la montre de 40 km (d après Burke, 1996). Afin de réduire cette force, il faut, à vitesse constante, diminuer les facteurs S et Cx et de ce fait la configuration de la bicyclette et la position du corps du cycliste ont reçu une attention toute particulière (Too, 1990). La diminution de R R est également un enjeu important, même si cette résistance n est prépondérante qu à faible vitesse. La production de puissance est certainement l un des facteurs prépondérants de la performance. Lucia et al. (2001) ont évalué que la puissance moyenne fournie durant une heure d effort lors des grandes boucles comme le Tour de France, le Giro d Italia ou la Vuelta était de l ordre de 400 Watts. De plus l étude menée par Padilla et al. (2000) au sujet du record de l heure conclue à une puissance moyenne de près de 510 Watts. Dans ces deux études la puissance moyenne développée était alors à chaque fois proche des 6 Watts/kg. De même d autres auteurs ont situé la production de puissance maximale aérobie aux alentours des 6 Watts/kg pour des cyclistes élites (Wilber et al., 1997). Cette capacité à produire une puissance de 6 Watts/kg semble donc être une condition préalable au succès. Enfin, dans l étude de Coyle et al. (1991), la différence entre des sujets professionnels et élites, ayant un production de puissance plus élevée chez les cyclistes professionnels. V. O 2max identique, était due à une - Optimisation du matériel et de la position : L exemple le plus intéressant est sans doute la position aérodynamique utilisant un guidon de triathlète. Gnehm et al. (1997) ont évalué une baisse de Ra pouvant aller jusqu à 35 % lorsqu un guidon de triathlète était utilisé par rapport à une position classique avec les mains au dessus du guidon. Cependant, ces auteurs ont également noté que cette position aérodynamique engendrait une augmentation du V. O 2 et de FC. 20

23 Introduction générale De plus ils ont conclu à une baisse du rendement musculaire allant jusqu à 3 % en position aérodynamique. Grappe et al. (1998) ont également noté une augmentation significative de la ventilation et de la perception de l effort lors du passage d une position buste droit avec les mains en haut du guidon, à une position avec les mains en bas du guidon. Quoi qu il en soit, le gain engendré par une position aérodynamique au niveau des résistances (baisse de 35 % de Ra) compense largement cette augmentation du V. O 2 ou cette baisse de 3 % du rendement musculaire montrant l intérêt majeur de diminuer Ra. Ainsi, dès lors que la vitesse de déplacement est suffisamment élevée (évaluée à 18 km par heure par Welbergen et Clijsen, 1990) cette position devient avantageuse en terme de performance. Dans ce contexte, il est également important de parler du phénomène d aspiration dont peuvent profiter les cyclistes lorsqu ils se trouvent dans le sillage d autres athlètes. Ce positionnement parmi les autres coureurs permet une réduction de la résistance de l air impliquant notamment une baisse du V. O 2 (Hausswirth et al., 1999 ; McCole et al., 1990), de FC ou de la ventilation (VE) (Hausswirth et al., 1999). Le transfert de puissance du corps aux pédales dépend de la configuration de la bicyclette et du choix du matériel (Gonzalez et Hull, 1989). En effet la longueur des manivelles, la position du pied au niveau de la pédale, la cadence de pédalage, la hauteur de selle ou l angle de tige de selle (Gonzalez et Hull, 1989) sont autant de paramètres influençant ce transfert de puissance. 4.3 / Le rendement musculaire en cyclisme - Relation rendement musculaire - performance : Les études ayant analysé les paramètres affectant le rendement musculaire n ont pas toujours trouvé de consensus comme par exemple au sujet de l effet de la cadence. Alors que Berry et al. (1993) et Chavarren et Calbet (1990) observaient une diminution du rendement brut (GE) avec l augmentation de cadence, l opposé était trouvé par Lucia et al. (2004) et aucune relation n était obtenue chez Sidossis et al. (1992). De leur côté, Coast et al. (1986) trouvaient un optimum entre 60 et 80 rpm. En revanche il semble établi que le rendement delta (DE) tend à croître avec l augmentation de cadence de pédalage (Chavarren et Calbet, 1990 ; Sidossis et al., 1992). D autres études ont montré l augmentation de GE avec la masse corporelle (Berry et al., 1993), avec le pourcentage de fibres lentes (Horowitz et al., 1994) ou avec la puissance (Chavarren et Calbet, 21

24 Introduction générale 1990). Cette dernière relation est d autant plus intéressante qu elle montre qu avec l augmentation de puissance, l effet cadence sur GE (i.e. diminution de GE) tend à diminuer justifiant l utilisation de hautes cadences à puissance élevée (Chavarren et Calbet, 1990). Gaesser et Brooks (1975) ont eux aussi trouvé une augmentation de GE et NE avec la puissance. Cependant, DE tendrait à diminuer chez certains auteurs (Böning et al., 1984 ; Gaesser et Brooks, 1975 ; Stuart et al., 1981). Poole et al. (1992) ont mis en évidence que le calcul de DE à partir du V. O 2 pulmonaire estimait de manière satisfaisante le V. O 2 engendré au niveau des jambes produisant le travail mécanique. Un dernier exemple serait celui de Hintzy-Cloutier et al. (2003) qui ont montré l importance de la méthode de détermination du de définir un rendement externe le plus pertinent possible. V. O 2 du au travail interne, afin Etant donné que le rendement musculaire reflète le rapport entre le travail mécanique et métabolique, ce dernier devrait être un paramètre très intéressant pour analyser les différences de performance qu il existe entre les sujets. Cependant ce lien avec la performance ne semble pas si évident que cela au regard de l absence de relation qu il demeure entre le rendement musculaire et le niveau d expertise en cyclisme (Nickleberry et Brooks, 1996 ; Marsh et al., 2000 ; Moseley et al., 2004). Pourtant Böning et al. (1984) avaient obtenu une différence de GE significative entre des cyclistes entraînés et des sujets non entraînés (GE supérieur en faveur des cyclistes entraînés), pour des cadences situées entre 40 et 100 rpm et à 50, 100 et 200 Watts. Cependant il est vrai qu aucune relation n était obtenue en ce qui concerne le rendement net (NE). Malgré tout, il semble graphiquement que cette relation tende à devenir significative à 200 Watts. Ainsi il se pourrait que NE soit également supérieur chez les cyclistes dans des conditions de puissance plus proche de celles rencontrées lors de leurs entraînements (supérieure à 200 Watts). Si le niveau d entraînement devrait faire ressortir des différences de rendement musculaire, alors celles-ci seraient également observables chez des coureurs à pieds. Ainsi Stuart et al. (1981) ont évalué des sprinteurs et des fondeurs lors d exercices de pédalage et n ont observé aucune différence significative de DE, que ce soit à puissance absolue identique (jusqu à 140 Watts) ou à puissance relative égale lors d un pédalage à 60 rpm. Cependant, dans ces conditions, GE était significativement supérieur chez les fondeurs jusqu à 40 % V. O 2max. 22

25 Introduction générale En revanche la différence n était plus significative à des puissances relatives supérieures. Etant donné que les cyclistes adoptent des cadences de pédalage plus élevées que 60 rpm, ces différences de rendement musculaire pourraient devenir plus importantes lorsque ces derniers sont placés dans des conditions de pédalage optimales à savoir à une cadence proche des 90 rpm (Lucia et al., 2004). Cependant au regard des études de Böning et al. (1984) et Stuart et al. (1981), il apparaît que les différences de performance que l on peut évaluer par la V. O 2max ainsi que le type d entraînement n influencent pas ou peu le rendement musculaire, même si il a été précisé que des conditions optimales aussi bien en terme de puissance que de cadence pourraient affiner ces résultats. Ceci est en accord avec les conclusions de Nickleberry et Brooks (1996) qui observent que des cyclistes compétiteurs, pédalant à 80 rpm et 75 % V. O 2max, produisent 23 % de puissance et consomment 16 % d oxygène de plus que des cyclistes loisirs, impliquant qu aucune différence de GE ne soit présente. Ces auteurs rapportent finalement que le meilleur temps limite observé chez les compétiteurs (35 min versus 20 min chez les loisirs) n est pas du à un meilleur rendement. Enfin, les mêmes relations ont été révélées par les travaux de Marsh et al. (2000), qui n ont observé aucune différence de DE entre des cyclistes, des non cyclistes et des coureurs malgré une tendance pour les cyclistes à avoir un DE supérieur aux deux autres groupes lors d un pédalage à une cadence élevée (> à 90 rpm), c'est-à-dire dans les conditions habituelles d entraînement. La tendance d un meilleur DE aux alentours des 95 rpm pour les cyclistes entraînés est illustrée par la figure 10. Cependant est ce que ces 1 ou 2 % d amélioration non significative du rendement ont une implication dans la performance? Figure 10. Influence de la cadence de pédalage sur DE pour 3 types de population, à savoir des cyclistes, des fondeurs et des sujets non entraînés (d après Marsh et al., 2000). 23

26 Introduction générale Et effectivement, 1 % d augmentation du rendement musculaire conduirait selon Moseley et al. (2004) à un gain de 63 s lors d un contre la montre de 40 km en appliquant le modèle de performance discuté dans l article de Jeukendrup et Martin (2001). Cependant, Moseley et al. (2004) n ont également trouvé aucune influence du niveau d expertise sur le rendement musculaire lors d un pédalage à 165 Watts à des cadences de pédalage comprises entre 80 et 90 rpm. Pourtant, la population de cyclistes examinée dans cette étude couvrait une très large étendue de niveau d expertise avec des V. O 2max allant en moyenne de 56 ml.min -1.kg -1 pour les amateurs à 75 ml.min -1.kg -1 pour les cyclistes professionnels. Ainsi, ces auteurs ont une nouvelle fois conclu au fait que le rendement musculaire n était pas un facteur déterminant du niveau d expertise. Le pattern développé par les cyclistes ne semblent donc pas être plus performant en terme de rendement musculaire. Pourtant, Takaishi et al. (1998) ont observé que des cyclistes consommaient significativement moins d oxygène que des sujets non cyclistes lorsque la puissance et la cadence de pédalage étaient suffisamment élevées (200 Watts et > 75 rpm ; figure 11). Ainsi, cette étude laisse à penser que le rendement musculaire est influencer par le niveau d expertise du sujet lorsque les conditions de pédalage en terme de puissance et de cadence se rapprochent de celles d entraînement, même si celui ci n a pas directement été mesuré. Figure 11. Influence de la cadence de pédalage sur la consommation d oxygène pour des cyclistes et des non cyclises. Les symboles S et SS indiquent pour quelles cadences la différence entre ces 2 groupes est significative (d après Takaishi et al., 1998). Enfin, Lavoie et al., (1978) ont rapporté une V. O 2max significativement plus grande lors d un pédalage avec cales pieds plutôt que sans, et ceci était autant valable pour un groupe de cyclistes entraînés que loisirs. Les résultats de Lafortune et Cavanagh (1983) 24