Le Rendementen Cyclisme

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1 Le Rendementen Cyclisme W. Bertucci, A. Arfaoui, S. Duc Biomechanics Laboratory, GRESPI EA4694, Faculty of Sciences, Reims, France 1

2 Plan 1.Définitions 2. Le Rendement en cyclisme dans sa globalité 3. Le Rendement net 4. Le Rendement du Travail 5. Le Rendement Delta 6. Facteurs qui influencent le Rendement

3 C est un des déterminants importants de la Performance. (e.g. Ettawaet al., 2009; Jobson et al., 2012, Horowitz et al. 1994) Une amélioration de 1% du rendement sur un CLM de 40km à 300 W permet un gain de 63 s. (Moseley and Jeukendrup 2001)

4 1. Définitions Concernant un exercice de plusieurs minutes à «vitesse constante» «Potentiel physique», capacité à produire de l énergie Performance en cyclisme : Vitesse Résistances à l avancement (e.g. Ra, Rr, Rg, Friction mécanique) Puissance mécanique externe 4

5 1. Définitions Concernant un exercice de plusieurs minutes à «vitesse constante» «Potentiel physique», capacité à produire de l énergie : Consommation d oxygène Thermolyse Performance en cyclisme : Vitesse Résistances à l avancement (e.g. Ra, Rr, Rg, Friction mécanique) Puissance mécanique externe Rendement brut global Puissance mécanique (W) = Rendement (%) Production d énergie (W) GE: % 5

6 Production totale d énergie (W) Production de chaleur (W) Puissances mécaniques externe + interne (W) Perte totale de chaleur (W) Thermorégulation Figure: Balance thermique et puissance mécanique % de l énergie métabolique n est pas convertie en énergie mécanique : - Maintient des équilibres physiologiques - Dissipée sous forme de chaleur (Faria et al., 2005) 6

7 S Perrey

8 2. Le Rendement en cyclisme dans sa globalité Evaluation Puissance Métabolique Puissance mécanique Biopsie Mesure de la lactatémie Mesure des échanges gazeux Mesurée avec un Wattmétre Rendement Brut (%) = (Puissance externe (W) / Puissance Métabolique (W)) 100 (e.g. Ettema and Wuttudal Loras 2009) 8

9 Mesure par calorimétrie-indirecte en mesurant les échanges gazeux. Lien entre : Consommation d oxygène et dépense production d énergie Formule de Brouwer 1957: Puissance méta (W) = Par exemple lorsque le QR = 1 ( I4) : Pour 1 LO 2 consommé on a 21,3 KJ produit QR= VCO 2 /VO 2

10 Nécessité de mesurer les échanges gazeux: 10

11 Nécessiter de Mesurer la puissance mécanique externe SRM PowerTap Quarq Vector Lode 11

12 Energie mécanique Energie physiologique 12

13 Rendement brut : Gross Efficiency (%) = Energie mécanique utile produite (J) Energie métabolique (J) GE = rendement global du corps (ne représente pas que le rendement musculaire) (e.g. Coast 1996, Moseley et Jeukendrup 2001)

14 Comme indice similaire : Cycling economy (e.g Coyle et al. 1992) Cycling Economy = VO 2 (intensité sous max en LO 2 /min) / puissance Ou bien exprimée en W/LO 2 /min.

15 3. Le Rendement net But Eliminer la part de l Energie utilisée à la maintenance de l organisme au repos: - Digestion - Ventilation - Circulation - Répartition du flux sanguin - Nécessité de mesurer la dépense énergétique au repos lorsque le sujet est assis immobile.

16 Rendement net (%) = (Net efficiency) Travail mécanique utile (J) Energie utilisée (J) Energie de repos (J) Puissance métabolique moyenne au repos : ~ mlo 2.kg -1.s -1 ~ 5 mlo 2.kg -1.min -1 16

17 4. Le Rendement du Travail Intérêt: Eliminer la part d énergie métabolique non impliquée dans la production de puissance mécanique motrice. De l énergie est utilisée pour le travail interne : - Pour le métabolisme de base - Par les membres supérieurs pour tenir le guidon, stabiliser le haut du corps, s équilibrer - Par les muscles ventilatoires et cardiaques - Mettre en mouvement les membres inférieurs = Pas de production de puissance mécanique motrice 17

18 Work efficiency (%) = Travail interne Travail mécanique utile (J) Energie utilisée (J) Energie métabolique liée au pédalage à vide (J) 18

19 Limites : - La définition du travail interne n est pas très précise. - Le travail interne semble varié avec le niveau de puissance (Kautz et al. 1994) WE = Pas conseillé pour la mesure de l efficience musculaire. (Ettema and Loras, 2009) 19

20 5. Le Rendement Delta Objectif : Éliminer la part de l énergie métabolique non impliquée dans la production de puissance. Delta Efficiency (%) = Energie mécanique (J) Energie métabolique (J) Grappe

21 DE : % Hypothèse: Le rendement Delta est indépendant de l intensité de l exercice Avantage: Évite le calcul de la dépense énergétique lié au travail interne et n est donc pas affecté par sa variation. Evite la mesure du métabolisme de repos Inconvénient: Nécessite de faire des exercices à plusieurs niveaux constants 21

22 6. Facteurs qui influencent le Rendement 6.1 L intensité de l exercice Effets principalement sur les rendements brut et de travail. due à la de la part relative du métabolisme de repos 22

23 6.2 Effets de la cadence de Pédalage Puissance de 150W (Hintzy et al. 1999) 23

24 Ergomètre : Ergo-metrics 900 Mesure des échanges gazeux : CPX (Medical Graphics, USA) 7 cyclistes compétiteurs Cadence rpm 24

25 Mesure des rendements brut et Delta Exercice de 6 min, mesure sur les 2 dernières minutes Ordre aléatoire Récup : 3-5 min, hydratation, refroidissement par un ventilateur Exercice à 54, 63, 73, 80 et 93 % de VO 2max Fréquences de pédalage : 60, 80, 100 et 120 rpm 25

26 Augmentation du travail interne avec la cadence engendre une sous-estimation de la puissance mécanique produite (externe + interne) et donc du GE GE = pour 60 et 120 rpm à 367 W 26

27 Pour optimiser le rendement Chavaren et Calbet (1999) suggère d adapter le cadence de pédalage en fonction de : 1) la typologie musculaire: 2) la puissance produite qui génère un recrutement additionnel de fibres rapides 5 sujets entrainés Coast et Welch

28 6.3 Effets de l entrainement ou du niveau Hintzy et al (sujets sédentaires, Ergomètre Monark, CPX) 28

29 Une optimisation de la biomécanique du pédalage : (e.g. Coyle et al. 1991, Takaishi et al. 2005) - coordination musculaire - réduction des forces non motrices A un même niveau de puissance le cycliste entrainé dépense moins d énergie (attention à la méthodologie de comparaison / travail interne) L entrainement peut permettre une amélioration du rendement 29

30 13 hommes et 13 femmes, Lode Excalibur, Quark b2 ( Cosmed, Italy) 8 min de repos, puis départ 150 et 120 W pour les hommes et femmes. Incrément 35W / 8min, mesure des gaz 3 dernières minutes. (Jusque lactatémie de 4 mmol.l -1 (au dessus d un QR de 1)) Puis un test incrémental pour obtenir la VO 2max (150W puis 20W/min, moyenne de VO 2max sur 60s) 30

31 - Métabolisme de base (5-10%), - Impact du volume musculaire sur GE Si l on considère le volume musculaire des membres inférieurs la différence n est plus évidente. 31

32 13 cyclistes compétiteurs (10 hommes et 3 femmes) 32

33 Ergomètre : Lode Mesure des échanges gazeux : SensorMedics Vmax Spectra Test du LT, de la VO 2max, du temps limite à VO 2max Mesure de l économie (CE) et du Rendement Net à 70% de VO 2max (à partir de la régression linéaire (R²= ± 005) VO2 / puissance obtenue lors du test incrémental (25 W/ 60s, départ en dessous de LT précédemment déterminé.) Test de la 1 RM en demi squat sur une Smith Machine Mesure du RFD à l aide du Muscle lab system (Ergo test technology, Norway) (Calcul du RFD : utilisation du poids de la barre et de la vitesse de montée, N m.s -1 ou W) 33

34 8 semaines d entrainement de la force maximale en musculation - 3 jours par semaine (20 min) - 4 séries de 4 RM (3 min de récup) (A chaque fois le cycliste essaie de faire 5 répétitions, si il y parvient il ajoute 2,5kg) Ce protocole permet une activation neuro-musculaire max avec un gain de masse minimal sans altération de la VO 2max (Hoff et al. 2002) 34

35 + 14 % + 17 % + 5 % + 5 % + 17 % NE 35 + pour CE signifie amélioration, en réalité la valeur brute diminue

36 Pas de modification de fréquence de pédalage préférée. 36

37 37

38 11 cyclistes Professionnels Ergomètre : Ergometrics 900, Ergo-line, Espagne) Mesure des échanges gazeux: CPX, Medical Graphic Cadence de 70 à 90 rpm Test incrémental : début 20 W puis 25 W/min (fin si moins de 70 rpm) Echauffement 15min puis: Test rectangulaire à 80% de la VO 2max 38

39 Un GE ou CE (W.L. -1 min -1 ) élevé pourrait compenser une VO 2max plus basse. Dans cette étude pas d effet significatif de la cadence (71-88 rpm) sur le GE. 39

40 Le meilleur dans cet étude, 2 fois champion du monde à l une des VO 2max les plus basse mais associée à l un des GE le plus élevé (Abraham Olano). Limites : Valeur élevée de GE? Valeur de QR? Ici apparition de la composante lente de VO 2 40

41 Lode, Oxycon Alpha Début 95 W puis 35W / 3min, mesure sur les 2 dernières minutes jusque un QR de 1 41

42 42

43 6.4 Effets de la technique de pédalage 10 Sujets non cyclistes Début 100 W puis 30 W / 5min, Mesure des gaz 30 dernières sec et 16 sec pour les forces. 43

44 Dans la phase de remontée: Possibilité de réduire les forces non-propulsives par une action musculaire. 44

45 11 cyclistes entrainés, Lode BV, Gas: VIAYS HealthCare (USA), EMG 80 % de VO 2max, 90rpm sur 6 min (15 min recup) Mesure 2 dernières minutes. 45

46 46

47 6.5 Conditions de la mesure du rendement 19 cyclistes, Tapis roulant / Taxc Fortius SRM et Powertap, sac de Douglas 5 min à 150, 200 et 250 W 47

48 GE : Fortius, 18,8 ± 0,7 % Tapis roulant, 18,5 ± 0,6 % 48

49 LABORATOIRE / TERRAIN 49

50 Comparaison LABORATOIRE / TERRAIN 50

51 6.6 Reproductibilité de la mesure du rendement Elle peut dépendre notamment de : - La reproductibilité du capteur de puissance - La reproductibilité du système d analyse des échanges gazeux - Du protocole - Des conditions du test 51

52 Ergomètre : Lode Excalibur Sport Position identique a chacun des tests (e.g. hauteur, recul, angle du tube de selle) Mesure des échanges gazeux : Oxycon Alpha (moyennage sur 30s) 3 tests séparés de 5-7 jours Départ 60W puis augmentation de 35W / 3min, cadence de 80 rpm. Calcul de l énergie : Formule de Brouwer Calcul à partir de 95W et jusqu à un QR = 1, moyenne sur les 2 dernières min de chaque palier 52

53 Détection par exemple d une de 20 à 20,6 % CV = 4,2 % (95%CI 3,2-6,4%) Plus difficile de détecter une CV = 6,7 % (95%CI ) Mesure reproductible CV = 3,3 % (95%CI 2,4-4,9) 53

54 Exemple de l amélioration théorique de la performance par une optimisation du GE Vitesse (km/h) Vitesse (km/h) Montée 8 % Plat Puissance (W) Rendement Brut (%) 14,6 40, ,18 15,4 41, ,19 16, ,2 16,8 42, ,21 17,6 43, ,22 18,2 44, , , ,24 19,7 45, ,25 Masse Cycle-Cycliste : 85kg Cr : 0,003 SCx: 0,3 54

55 Conclusions Le rendement d un cycliste peut varier notamment selon : L intensité de l exercice La fréquence de pédalage La technique de pédalage L entrainement Le niveau d expertise La fatigue Les vibrations La position sur le vélo La typologie musculaire L anthropométrie Nécessité de Rigueur dans la mesure et l interprétation 55

56 Relationship between the gross efficiency and muscular skin temperature of lower limb in cycling : a preliminary study W. Bertucci, A. Arfaoui, L. Janson, G. Polidori Biomechanics Laboratory, GRESPI EA4694, Faculty of Sciences, Reims, France Regional Training Structure in triathlon, High School ARAGO, 1 rue Arago, Reims, France 56

57 ŋ = 23.6 % Thermolyse : Convection, Rayonnement puis Evaporation de la sueur. ŋ = 18.2 % Fin de l exercice : Evaporation et Rayonnement ŋ = 18.2 % ŋ = 23.6 % Lorsque le rendement est faible : Diminution plus importante de la température cutanée pour augmenter le gradient thermique. Figure 2(a): Skin temperature evolution (%) of thighs versus time, Figure 2(b): Skin temperature rising of thighs versus adimensionless time. 57