Evaluation des qualités de force et mesure de la puissance maximale au cours du geste sportif

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1 Evaluation des qualités de force et mesure de la puissance maximale au cours du geste sportif Exemples du saut, pédalage, course et mouvements de musculation Cours L3 ES - Nantes Avril 2015 Sylvain DOREL Laboratoire MIP - UFRSTAPS Nantes Sylvain.dorel@univ-antes.fr Puissance maximale Pourquoi? Mesurer la fonction musculaire Caractéristiques puissance-vitesse Mesurer indirectement le métabolisme anaérobie Caractériser les populations Effets de l entraînement Étudier la fatigue Comprendre et prédire la performance sportive + en sous maximal : notion d intensité de l exercice 1

2 1. Quelques préambules Préambule 1 : -Relation force-angle Angle optimal pour lequel la force est maximal 2

3 Préambule 1 : -Relation force-angle -Relation force-vitesse et puissance-vitesse Force Relation force vitesse excentrique Fmax ISO concentrique Vmax lent rapide Vitesse 3

4 Relation puissance - vitesse Force Puissance Pmax force optimale Vitesse optimale Vitesse Préambule 2 : Règles et définitions fondamentales de la (bio)mécanique 4

5 LA PUISSANCE La puissance moyenne se définit comme le rapport entre la quantité de travail effectué et le temps mis pour effectuer ce travail P = W t = travail temps En watt (W) P = F d t = Force Vitesse 2 e loi de Newton ΣF ext = ma 2. Une méthodologie 5

6 Ce qu il y a «à faire» pour mesurer ce paramètre au cours d un geste: décrire le mouvement de façon globale identifier les principaux muscles mis en jeu et type de contraction: identifier le système étudié Corps en entier Segment(s) EXEMPLES Corps externe Influence sur l interprétation des valeurs vis-à-vis des qualités musculaires, tendineuse mises en jeu choisir une des 2 approches possibles : F V ou travail/temps F V : Calculs des différentes variables 1. force du sujet : mesure directe (capteur) ou calculs à partir de la 2e loi de Newton : ΣF ext = ma Identifier et mesurer les forces externes et extraire la force du sujet Rappels des différentes forces : Poids, frottements - frictions, résistance de l air ou autre, Mesurer l accélération : directe ou à partir de la dérivée de la vitesse 2. la vitesse : mesure directe ou à partir du déplacement et du temps 6

7 Travail/temps : Calculs des différentes variables Raisonnement «énergétique» 1. Travail du sujet : mesure directe de la force (capteur) ou calcul à partir de la loi de non conservation de l énergie mécanique : ΣW(F ext ) = E méca Identifier et mesurer le travail des forces externes et extraire le travail du sujet Mesurer l énergie potentielle (Ep) et l énergie cinétique (Ec) au début et à la fin de la période considérée et ainsi calculer leur variation Rappels: Ep = m g h Ec = ½ m v 2 2. Le temps correspondant à la période de moyennage : t Travail/temps : Calculs des différentes variables ΣW(F ext ) = E méca! L énergie potentielle est liée à l existence de la gravité. Lorsque vous utilisez un théorème concernant l énergie vous ne pouvez pas faire intervenir à la fois l énergie potentielle et le travail du poids dans la même équation. Ainsi, attention à ne pas faire intervenir le travail du poids dans la somme des travaux des forces dans le théorème de conservation d un système ouvert. 7

8 3. Les différents tests mesurant la force et/ou la puissance musculaire La qualité évaluée diffère selon les contraintes de force et vitesse et le type de contraction La question à se poser Le mieux : où est-on situé sur la relation force - vitesse? 8

9 1. Force maximale isométrique Capteur de force ou plate-forme de force ΣF ext = 0 1. Force maximale isométrique Fmax ISO : moy du plateau RFD : pente de la montée en force RFD F T 90% 90% F T 10% 10% 9

10 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs A. Mesure isocinétique Rappel : impose une vitesse constante ΣF ext = 0 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs A. Mesure isocinétique Rappel : impose une vitesse constante Mouvement mono ou poly-articulaire : Cybex, ARIEL mais aussi Kincom, Biodex, Lido 10

11 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs A. Mesure isocinétique Avantages Contraction musculaire maximale à chaque instant (à tous les angles): si on ne pousse pas à la vitesse préréglée pas de mesure. Résistance jamais plus grande que la force appliquée : si la vitesse est trop basse on ne peut pas soulever le levier. Adaptable à la fatigue et à la douleur : bien pour la rééducation Choix du type de contraction : Excentrique - Concentrique - Isométrique 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs A. Mesure isocinétique Mouvement non naturel Inconvénients Nombreux essais pour tracer la relation force-vitesse il faut tenir compte des inerties du bras de levier, et des membres impliqués. Évaluation d un seul membre à la fois, excepté pour les dynamomètres pluri-articulaires. Prix très élevé 11

12 DISPOSITIF ERGOMETRIQUE : ARIEL CES 5000 Développer-couché LES MOUVEMENTS TESTES Tirage 1/2 Squat Vitesses testées Vitesse maximale 200 cm.s-1 150cm.s cm.s-1 70 cm.s-1 50 cm.s-1 32 cm.s-1 16 cm.s-1 8 cm.s-1 Paramètres mécaniques enregistrés : Force Vitesse Puissance Force + poids de corps (Kg) RESULTATS : mesure de la force /2 SQUAT Vitesse cm.s -1 12

13 DEFINITIONS RESULTATS : DES les relations CAPACITES force-vitesse MUSCULAIRES et puissance-vitesse Force + poids de corps (Kg) FORCE MAXIMALE PUISSANCE MAXIMALE Force à P. Max W Poids de corps VITESSE MAXIMALE Puissance (W) Vitesse cm.s -1 DETERMINATION DES ZONES DE TRAVAIL selon les capacités musculaires («max» et «dynamique») ZONES DE TRAVAIL Force Max. (120% de 1RM) (85% de 1RM) Zone detransition Puis. Force (70% de 1RM) (48% de 1RM) Puis. Vitesse (30% de 1RM) Force - Vitesse élevée Poids de corps F. Max. 1RM 309 Kg 276 Kg Puissance Max. P = F.v 205 Kg P = f.v 150 Kg Force à grande vitesse = explosivité 103 Kg 87 Kg Puissance (W) 80% de Pmax Vitesse cm.s -1 13

14 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs Le cas du test de la répétition maximale Méthode directe : 1 RM Définition Masse qu une personne parvient à soulever une seule fois lors d un mouvement complet avec des charges libres ou un appareil avec charges guidées. Force max concentrique Méthode indirecte : table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM Pas pour l athlète sauf la toute 1 ère fois Méthode indirecte : table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM Avantages Peut être réalisé sur n importe quel mouvement de musculation Limites? Pas de mesure de la vitesse et donc de l accélération de la barre : pas tout à fait la «vrai valeur de force» Uniquement la qualité de force max 14

15 2. La relation force maximale vitesse : squat et membres inférieurs B. Mesure isotonique Rappel : le mouvement peut être accéléré Important : la force du sujet dépend des forces externes mais aussi de l accélération ΣF ext = ma Force du sujet = (masse x accélération ) + forces externes (poids, frott ) Puissance au cours du mouvement de squat (Rahmani, 2001) Système? Le corps entier + la charge externe Travaux des forces externes? Travail du poids + Frottements de la barre 15

16 Puissance au cours du mouvement de squat (Rahmani, 2001) CALCULS de la puissance : P = force vitesse P s = m tot g V + m tot a V Avantages? 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Plate-forme de force Mouvement type Squat Tracé de la relation force - vitesse Mesure directe de la force du sujet Calculs de la vitesse par intégration de l accélération 16

17 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique de BOSCO : Bio-robot 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique de BOSCO : Bio-robot Mouvement type Squat, développer couché 17

18 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique de BOSCO : Bio-robot Tous les mouvements avec charge guidé Tracé de la relation force - vitesse : 1 ou 2 essais par charge Mesure indirecte de la force du sujet : poids de la barre, du sujet et accélération Calculs de la vitesse par dérivation du déplacement 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique de BOSCO : Bio-robot Avantages Peut s adapter sur de nombreux appareils de musculation classique D autres systèmes similaires apparaissent 18

19 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique MYOTEST 19

20 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique Système cinématique MYOTEST Avantages Encore plus adaptable sur tous les appareils de musculation classique Conseil : même si adapté aux mouvements libres, plutôt utiliser des systèmes guidés (squat, developpé couché ) 2. La relation force maximale - vitesse Mesure isotonique D autres systèmes récents pour barres guidées (et libres) 20

21 GYMAWARE Tendo sport 21

22 3. La puissance maximale au cours du saut vertical Test de Sargent Test d Abalakov Test de Bosco Puissance au cours du saut Ergojump optojump 22

23 3. La puissance maximale au cours du saut vertical Rappel : le mouvement peut être accéléré Tapis de Bosco - Optojump ΣF ext = ma Système? Le corps entier Modèle du centre de masse Travaux des forces externes? Travail du poids Calcul de la hauteur? h 1 g 8 t 2 vol CALCULS de la puissance : P = travail/temps W s = m g h P s = m g h / t Quel temps? ½ t contact 23

24 D où: P s = m g h / ½ t contact P s = 2 m g h / t contact (en W) P s = 2 g h / t contact (en W.kg -1 ) Exercice Limites? Puissance au cours du saut Limites? Pas de mesure directe de la force et surtout de la vitesse Une seule condition force - vitesse : est-ce la même pour tout le monde? 300 Force (Kg) Vitesse 24

25 Puissance au cours du saut Le Squat Jump Puissance au cours du saut Le Contre Mouvement Jump 25

26 Puissance au cours du saut Le Drop Jump Puissance au cours du saut CMJ répétés: endurance musculaire Nombre de saut fixe généralement: Quels critères de perf? Indice de fatigue, travail total (puissance moyenne) 26

27 Puissance au cours du saut Test de raideur : stiffness (réactivité) Sauts répétés jambe tendues: 7-10 sauts Évaluer la raideur musculotendineuse des membres inférieurs Détente moyenne Puissance moyenne Puissance au cours du saut Méthode innovante de terrain (Samozino et al 2010) 27

28 Puissance au cours du saut Méthode innovante de terrain (Samozino et al 2010) CALCULS de la puissance : P = force vitesse Méthode validée/méthode de référence (Margaria, 1966) 4. Le test de la montée d escalier Système? Le corps entier Modèle du centre de masse Travaux des forces? Travail du poids 28

29 Puissance : montée d escalier (Margaria, 1966) Calcul de la vitesse? Vmax h t CALCULS de la puissance : P = travail/temps W s = m g h P s = m g h / t Exercice Quel temps? Temps de course Limites? 5. Puissance en course de sprint Tapis de sprint (Jaskolska, 1998; Funato, 2001) Système? Mesure des forces? CALCULS de la puissance : P = force vitesse 29

30 5. Puissance en course de sprint Tapis de sprint (Morin et al., 2010) Système? Mesure des forces? CALCULS de la puissance propulsive: P = force horizontale vitesse Système? Mesure des forces? CALCULS de la puissance propulsive: P = force horizontale vitesse 30

31 5. Puissance en course de sprint Modèle de terrain (Van Ingen Schenau et al., 1991) Pt P t = Pt H. v H = 0.97 J.kg -1.m -1 P t = H. v 31

32 Pt Ka. v 3 H. v Ka = P t = H. v + Ka. v 3 Pt Ka. v 3 H. v v. dv/dt Exercice P t = H. v + Ka. v 3 Limites? + v. dv/dt 32

33 Cinétique de puissance Mechanical power (W/kg) H.v ka.v 3 v.dv/dt total power Distance (m) Variations de puissance Puissance maximale (100%) = 40 W.kg -1 Baisse de puissance après 3-4 s : - 50% Baisse de puissance à la fin du 100 m : - 65% 33

34 6. Puissance au cours du pédalage sur bicyclette ergométrique a a b c b mono-articulaires bi-articulaires Gmax VL Sol BF RF Gas Mécanique musculaire Mécanique musculaire Mécanique musculaire Mécanique musculaire Mécanique musculaire Mécanique musculaire puissance-vitesse puissance-vitesse puissance-vitesse puissance-vitesse puissance-vitesse puissance-vitesse Puissance mécanique maximale au cours du mouvement de pédalage 34

35 a b c CALCULS de la puissance sur bicyclette ergométrique: P = force vitesse Système? Forces? Roue en rotation Friction de la roue : Fr Puissance au cours du pédalage sur bicyclette ergométrique a b c Données angulaires au niveau du centre de rotation de la roue P s = I o ω o + M o (Fr) ω o Données linéaires à la périphérie de la roue P s = I/R 2 a v + Fr v 35

36 PROTOCOLE épreuve force-vitesse : 3 sprints de 0,3 N.kg -1.. à.... 0,9 N.kg -1 PROTOCOLE épreuve force-vitesse 3 sprints de avec differentes resistances (Lakomy et al, 1986; Arsac et al, 1996) force (N) Puissance (W) 1000 P max V opt

37 Objectifs Méthodes et Protocole Résultats Discussion PROTOCOLE épreuve force-vitesse Relations moment-vitesse et puissance-vitesse P max, V opt F max et V max Force (N) 250 Fmax Vmax Fréquence de pédalage (rpm) Puissance (W) 7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain (Olds et al, 1995; JC Martin et al, 98) Road and endurance track cycling Rolling resistance Air resistance Changes in mechanical energy Potential energy ( Ep ) Kinetic energy ( Ec ) 37

38 7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain (JC Martin, 98) Système? Cycliste + vélo Modèle du centre de masse Forces externes? frottements au sol + résistance de l air + poids 7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain Frottements au sol: P(R r ) = C C r m g V r = 0,002 à 0,010 Facteurs de variations de C r? Pression et type des pneus, surface au sol 38

39 7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain Résistance de l air: P(R a ) = ½ ρ C d A p V 3 ρ = densité de l air 1,225 kg.m -3 C d = coefficient de traînée 0,50-0,70 Facteurs de variations? A p = surface frontale projetée 0,30-0,60 température, pression altitude Forme, position Artifice aérodynamique masse, taille position Artifice aérodynamique Mesure en soufflerie Mesure photographique 7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain Poids: P(poids) = m g sin αinc V ou P(poids) = m g h/ t h Here, the rider has stored up energy equal to the combined weight of rider and bike times the vertical distance climbed. 39

40 Exercices 40

41 bien d autres tests de terrain notamment pour les membres supérieurs Détente horizontale - multi bonds..etc Et les membres supérieurs? Lancer de balles lestées, medecine ball, pompe avec tapis de bosco 41