STP Connaissances scientifiques et théoriques : Pour aller plus loin I. Principes de développement des processus énergétiques : 1 II. Approfondissement des notions : 2 1. Le processus aérobie : 2 2. Le VO2max : 3 3. Les seuils et la lactatémie : 4 4. Les adaptations respiratoires et la dette d O2 : 5 5. La récupération et le phénomène de surcompensation: 6 6. Les méthodes d entraînement : 7 Cet article a pour objectif de rappeler quelques notions théoriques ; ces informations font référence à certaines données scientifiques permettant de nous donner des repères mais elles sont à recontextualiser avec nos élèves la dérive à éviter serait «l applicationnisme scientifique» (M. Pradet) consistant à appliquer «au pied de la lettre» une connaissance scientifique dans nos cours d PS. Dans les activités aérobies, comme le step, les performances dépendent des : Facteurs physiologiques (ndurance aérobie, VO2max) Facteurs biomécaniques (Coût énergétique, technique, morphologie ) Facteurs psychologiques (Motivation, mental, gestion du stress ) I. Principes de développement des processus énergétiques : Selon M. Pradet, pour développer les processus énergétiques, il existe 5 principes et 5 paramètres: 5 principes : 1. Utilisation des efforts globaux supérieurs à 2/3 des masses musculaires dans les activités physiques (course, ski, natation ) 2. Sollicitation au-delà du seuil à développer : pour chaque processus, il existe, un seuil en dessous duquel il y aura aucune amélioration fonctionnelle. On fait de l'entretien. Cette intensité minimale augment avec le niveau de l'athlète doit cependant se situer à des valeurs proches des limites maximales du processus travaillé. 3. Développement parallèle de la capacité et de la puissance : Pour obtenir une amélioration durable d'un processus, il faut développer sa puissance (intensité maximale) et sa capacité (quantité d'énergie totale qu'il est capable de fournir). Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 1
4. Pour le développement de la puissance : intensité d effort à l'intensité maximale de ce processus ou à des intensités dépassant ce maximum (intensité supra-maximale). Par contre, la durée des efforts doit jamais dépasser la durée du processus (sinon travail capacité). 5. Pour le développement de la capacité : intensités inférieures à l'intensité maximale du processus. Leur durée sera supérieure à la durée à laquelle le processus finit par s'épuiser. 5 paramètres : 1. L intensité 2. Durée de l activité 3. Durée de la récupération 4. Nature de la récupération 5. Quantité de travail totale II. Approfondissement des notions : 1. Le processus aérobie : La production oxydative (en présence d O2) de l ATP se réalise dans les mitochondries situées dans la fibre musculaire grâce aux enzymes.lle se fait grâce à l oxydation des glucides (glycolyse cycle de Krebs chaîne respiratoire), des lipides voire des protéines (dans les cas «extrêmes»). Selon l intensité de l exercice, les glucides ou les lipides seront utilisés majoritairement : Les lipides sont surtout utilisés lorsque l exercice est de faible intensité, continu et prolongé. Ils sont surtout métabolisés par les fibres lentes. Au repos, on utilise environ 1/3 de glucides et 2/3 de lipides. Les glucides sont utilisés à toutes les puissances d exercice dans des proportions croissantes en fonction de l intensité. A intensité proche de VO2max, ils restent le substrat majeur. La notion de «cross-over point» (Brooks et Mercier, 1994) Le «cross-over point» est le point de croisement où la quantité d énergie provenant des glucides devient supérieure à celle fournie par les lipides. On peut visualiser ainsi à partir de quelle intensité d exercice, la dépendance glucidique devient supérieure à celle des lipides. Au-delà de ce point toute augmentation de puissance entraîne une utilisation plus grande des glucides L entraînement va déplacer le point de croisement vers des valeurs de puissances plus importantes. Autrement dit, après entraînement un individu sera moins dépendant des glucides tout en utilisant plus de lipides. Ainsi il économisera son glycogène et augmentera son potentiel d endurance. Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 2
2. Le VO2max : Le VO2max est un des facteurs de performance les plus importants dans les activités de type aérobie. C est aussi un indicateur de santé. Il dépend des capacités de prélèvement (au niveau pulmonaire), de transport (au niveau cardio-vasculaire) et d utilisation (au niveau musculaire) de l oxygène par l organisme. Le VO2max est exprimé en valeurs absolues (l/min) ou en valeurs relatives rapporté au poids de corps (ml/min/kg). Niveau des pratiquants Valeurs absolues l.min-1 Valeurs relatives ml.min-1.kg-1 Sédentaires 2,5 40-45 Sportifs non-endurants 3 50-55 Coureurs : - niveau régional - niveau international 3,5 4,5-5 65-70 80-85 Le VO2max peut varier en fonction du sexe et de l âge : - statistiquement plus faible (environ 25%) chez la femme adulte que chez l homme adulte (jusqu à la puberté, on n observe pas de différence de VO2max significative entre les deux sexes). Le pourcentage de masse grasse plus élevé chez la femme que chez l homme explique en partie cette différence ainsi que l hématocrite (= concentration de globules rouges dans le sang, et donc d hémoglobine) des femmes qui est légèrement plus faible que celle des hommes. - augmentation jusqu à l âge de 20 ans en moyenne, puis stabilisation jusqu à 30 ans et baisse progressive avec l augmentation de l âge (à 60 ans, ne représente que 70% de sa valeur initiale). L entraînement régulier et endurant peut retarder cette régression. Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 3
Formule de Fick : VO2max = Qcmax X (CaO2 - CvO2) Qcmax= débit cardiaque max = FCmax X VSmax (fréquence cardiaque max X volume d éjection systolique) (volume sanguin éjecté à chaque battement cardiaque). Le débit cardiaque correspond à la quantité de sang transportée dans l'organisme pendant une minute. Son augmentation durant l effort entraîne une accélération de la distribution d O2. (CaO2 - CvO2)= différence artério-veineuse (différence de concentration entre le sang artériel et le sang veineux). A l effort, il y a une forte diminution du «CvO2». Plus cette différence artério-veineuse est importante, plus le muscle a utilisé un pourcentage important d O2. VO2max= FCmax X VSmax X (CaO2 - CvO2) D après cette formule, on peut dire que le débit cardiaque ainsi que la capacité du muscle à utiliser l oxygène (grâce à l activité enzymatique) sont les principaux facteurs de la consommation maximale d O2 par l organisme. n général, on considère qu est limitant du VO2max : - chez les sédentaires : le système musculaire (enzyme, mitochondries ) - chez les sportifs entraînés : système cardiovasculaire - chez les sportifs très entraînés : système respiratoire (Hypoxémie Induite à l ffort) 3. Les seuils et la lactatémie : La notion de seuil, liée à la zone de «transition aérobie anaérobie», est à mettre en relation avec l accumulation d acide lactique dans l organisme. A partir d une certaine intensité d effort, ce taux augmente, sa production est supérieure à son élimination. n effet, dans un travail en aérobie, à partir d une certaine intensité, le métabolisme anaérobie apporte également sa contribution pour fournir de l énergie. La glycolyse anaérobie entraîne la production de lactates, déversés dans le sang, s accompagnant d une baisse du ph sanguin et musculaire (acidose) par une augmentation de proton H+, qui perturbe les contractions musculaires. Les lactates peuvent être «recyclés» pour produire de l énergie. L entraînement permet une meilleure utilisation des lactates. Glycogène Glucose Acide pyruvique Avec O2 Cycle de Krebs H2O, CO2, 38ATP (Mitochondrie) Sans O2 Acide Lactique Acide Lactates Tampon liminé + O2 (Sang) (Urines) Glycogène ATP (Foie, Cœur) Fibre musculaire Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 4
Jusqu à 60% du VO2 max, c est le seuil aérobie ; Le taux de lactates reste faible (2mmol) et stable. C est la zone d endurance fondamentale de récupération. Au-delà de 60% et jusqu à 80% du VO2 max, c est la zone de transition aérobie-anaérobie ; On accumule progressivement des lactates, mais on peut encore continuer l exercice durant environ 30mn chez le sédentaire et 60 mn chez le sportif entraîné. Le taux de lactates augmente mais le taux de production et le taux d élimination s équilibrent. Seules les réserves de glycogène limitent la capacité de travail. Vers 85% du VO2 max et 4 mmol de lactates, c est le seuil anaérobie. Toute augmentation de l allure provoque une montée brutale du taux de lactates et réduit la poursuite de l effort. Le taux de production est supérieur au taux d élimination. Au-delà du seuil anaérobie, c est la zone de développement de la puissance aérobie. A 100% du VO2 max, la consommation d O2 est maximale. La durée de l exercice varie selon le niveau de chacun, car l accumulation lactique est importante. L entraînement décale la courbe vers la droite. 4. Les adaptations respiratoires et la dette d O2 : L élévation de l intensité musculaire entraîne une augmentation de l amplitude et la fréquence des mouvements respiratoires. Si cette intensité qui était pénible au début devient modérée, les rythmes respiratoires et circulatoires se stabilisent : il y a équilibre entre la consommation et les apports d O2. C est un état stable, il correspond à la notion de second souffle où l effort paraît facile. Cela correspond à un travail en capacité aérobie. Plus l athlète soutient un effort intense, plus le débit augmente jusqu au VO2max. Si l intensité est encore augmentée, l athlète créera une importante dette d O2 (essoufflement entraînant l arrêt) qu il devra payer pendant la récupération. n effet, bien que la demande énergétique soit réduite au cours de la récupération, quand l exercice est terminé, la consommation d O2 reste élevée pendant une période. Sa durée est fonction de l intensité de l exercice. La dette d O2 se définit comme la quantité d O2 consommée en excès pendant la période de récupération par rapport à la période de repos. Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 5
Il est aisé de constater que les valeurs respiratoires et cardiaques à la fin d'un effort, quel qu'en soit le type, ne reviennent que progressivement à leurs valeurs initiales. Cette récupération lente signifie que la consommation d'oxygène retourne lentement à sa valeur de départ. 5. La récupération et le phénomène de surcompensation: Durant un exercice musculaire, les fonctions cardio-respiratoires sont mises en jeu pour assurer la production d énergie grâce à l apport d O2 et l utilisation des carburants (substrats énergétiques). Le débit ventilatoire et le débit cardiaque augmentent proportionnellement à l intensité de l exercice. La récupération, pendant et après l effort, permet de diminuer les fréquences respiratoires et cardiaques ainsi que de restaurer les stocks énergétiques. Les délais de récupération sont variables selon le type et la durée d effort réalisé. La récupération «cardio-respiratoire» est plutôt rapide (quelques minutes) même après un exercice intense ; celui des réserves métaboliques est plus longue. Selon les substrats et la filière énergétique utilisée, les délais de récupération des réserves peuvent aller de quelques minutes (phosphagènes) à plusieurs heures et jours (glycogène). La récupération active permet d assurer une élimination rapide de l acidose sanguine et musculaire (Choi et coll. 1994) en favorisant la métabolisation du lactate, source d énergie. Ainsi, le lactate «recyclé» permet de préserver l utilisation du glucose sanguin et donc de retarder la baisse de la glycémie. Il faut compter 60 à 90 minutes pour retrouver une concentration en lactates au niveau des valeurs de repos. La récupération active en améliorant l irrigation sanguine est 6 fois plus efficace qu une récupération passive. Classiquement une bonne récupération permet une diminution de la FC (par rapport à celle obtenue à la fin de l effort) de 10% après 1 min et 30% après 3 min. Cette diminution est corrélée à la dette d O2 contractée. L'hydratation va permettre une récupération plus rapide. lle va augmenter l'élimination des protons H+ provenant de l'acide lactique, tout en réhydratant l'organisme. L'alimentation va reconstituer les réserves glucidiques. (Il est préférable de consommer des sucres rapides immédiatement après une charge de travail importante, plutôt que des sucres lents).(j. Weineck ) Substrats Phosphagènes (ATP +PC) Glycogène AGL Protéines Temps pour reconstituer les réserves 2 à 5 minutes 24 à 48h 1h à 3jours si exercices répétés Plusieurs jours Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 6
Dès que l'effort s'arrête, le processus de reconstitution prédomine sur celui de dégradation. On parle ici de la phase récupération. nsuite, les réserves énergétiques sont reconstituées à un niveau supérieur du niveau initial. Cette augmentation de ce capital s appelle la surcompensation. Pour optimiser sa progression et améliorer son état de forme, l'athlète a tout intérêt à recommencer un nouvel effort lorsqu'il est en phase de surcompensation, car il possède un réservoir énergétique supérieur à celui de départ. Les temps de récupération sont donc importants pour l efficacité de l entraînement (Cf. courbe) Surcompensation T A T D effort Surcompensation T A T D effort effort 2 F O R M Récupération F O R M Récupération Si les charges d entraînements sont trop espacées, il n y aura aucune amélioration du potentiel. Si les charges d entraînement sont trop rapprochées, les périodes de récupérations ne permettent pas l installation de la surcompensation. L état de forme risque de diminuer. C'est ce qu'on appelle le surentraînement. Les délais de surcompensation varie entre 12 et 72h selon le type d effort réalisé (Aérobie /anaérobie alactique lactique). C est pourquoi, la fréquence conseillée des entraînements se situe autour de 2 à 3 entraînements par semaine. 6. Les méthodes d entraînement : «S entraîner sert à augmenter puis à ajuster sa réserve d énergie» C. Vaast.2003. Pour développer les processus énergétiques, l entraînement doit solliciter l organisme, le «stresser» pour le pousser à s adapter. Rappel : tout entraînement doit être défini en fonction de 5 paramètres : L intensité, la durée de l activité, la durée et la nature de la récupération, la quantité de travail totale. Il existe plusieurs méthodes d entraînement : La méthode d entraînement continue : lle consiste à réaliser des exercices sur des durées relativement longues de façon ininterrompue à Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 7
des intensités moyennes ou élevées mais en général inférieures à 80 à 85% du max. lle est essentiellement destinée à travailler l endurance fondamentale et la capacité aérobie (On améliore la contenance du réservoir). La méthode d entraînement type «Fartlek» : Le Fartlek est une méthode développée Suédois Gösta Holmer dans les années 60 ; Fartlek veut dire littéralement «fart : vitesse, lek : jeu». Avec cette méthode d entraînement l'athlète choisit sa vitesse et la durée d effort selon ses sentiments ; il court à basse et à haute vitesses. Il établit son d entraînement en fonction de "ce qu il ressent", de sa FC, de son essoufflement, du terrain. Il peut varier aussi sa technique de course, sa motricité (montées de genoux, talons-fesses, multi-bonds, montées d'escaliers...) Cela permet d adapter l entraînement à soi, de se centrer sur ses ressentis, de varier les exercices et ainsi de lutter contre la monotonie du travail. Cette forme de travail est adaptée à un développement de la capacité aérobie, et de l endurance fondamentale (On augmente la contenance du réservoir). La méthode d entraînement par intervalles (ou intermittents) : Fox et coll. (1973) : l entraînement par intervalles ou "interval training"(i.t.) est une méthode basée sur la répétition d exercices intenses entrecoupés de période de repos ou de périodes d exercices modérés. L intérêt principal est d augmenter la durée totale d exercice à haute intensité. Les périodes de récupérations sont partielles (Notion de «pause utile»). L intensité d un entraînement en I.T. pourra être plus importante que lors d un exercice en continu, avec un degré de fatigue moindre, ainsi que la durée totale de travail (jusqu à 1.5 à 3 fois plus élevée). Les exercices intermittents sont le meilleur moyen pour développer le système aérobie. Ils évitent la monotonie, source de démotivation. L intensité, la durée des exercices choisis, la durée et le type de récupération, ainsi que le nombre de répétitions et de séries détermineront le développement du processus visé. (On augmentera soit la contenance, soit le débit du réservoir : soit la capacité soit la puissance aérobie). On distingue 3 types d exercices intermittents ou «Interval training» : L IT court (30 /30-15 /15 ) L IT moyen (1 à 3 ) L IT long (3 à 15 ) Pour déterminer le volume de travail nécessaire et stimuler le processus visé, il peut être intéressant de s appuyer sur la notion de Tlim (Billat 1996). «Le temps limite représente le temps maximal qu un sujet est capable de passer à une intensité donnée, en termes de % de VO2max.» (Schnitzler C). Le Tlim100 est le temps maximum tenu à une intensité à 100% de VO2max. Il varie dans une fourchette moyenne de 5 et 8 minutes. xemple Modèle de V. Billat: Intensité (% max) ffort ()/ Récup.(R) Volume de travail dans la séance Rapport /Tlim/R 105-120 / 60 2.5 X Tlim100 =30 R=30 xemple de séance Pour un Tlim100 de 5 2x(10x (30 /30 ) R=4 Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 8
100 /60 2.5 X Tlim100 =0.5 Tlim100 R= 90-95 / 60 4 X Tlim100 =2 Tlim100 ou 1.5Tlim100 R=1/2 Pour un Tlim100 de 5 = 5x(2 30 x2 30 ) Pour un Tlim100 de 5 = 2x (10 /5 ) Ou 3x(8 /4 ) La méthode d entraînement pyramidale : C est un entraînement par intervalles où l on augmente à chaque répétition un paramètre (durée ou intensité) jusqu à un point puis ensuite on diminue ce même paramètre jusqu au point de départ : on dit qu on réalise une pyramide. lle permet d assurer une progressivité dans le volume de travail dans la séance : croissant/ décroissant, d adapter la difficulté des exercices à la diminution des capacités motrices (dues à la fatigue) et psychiques (car il faut résister mentalement à la fatigue et aux douleurs éventuelles, mécanisme de la motivation), mais aussi de limiter le risque de blessures. lle permet de s habituer à une charge de travail supérieure à celle demandée en compétition. (On améliore le débit du robinet, la résistance à la fatigue) L entraînement «en pyramide» peut être intéressant pour un individu qui veut travailler la Puissance sans diminuer sa Vitesse (rappel : P = F x V). Le fait de diminuer le temps des 2 dernières séries permet de conserver sa vitesse de contraction (avec la fatigue musculaire c est elle qui diminue le plus, on ne devrait pas voir de diminution de l amplitude des mouvements en Step). Références bibliographiques : Billat, V. Physiologie et méthodologie de l'entraînement: de la théorie à la pratique.1996 D.L. Costill-J. Wilomre Physiologie du sport et de l exercice : Adaptations physiologiques à l exercice physique. De Boeck.2006 stripeau P. «L acide lactique, un ami qui vous veut du bien!»instructrice Nationale, Master Recherche en Physiologie de l xercice Garnier S. «Les filières énergétiques» L1 STAPS Toulouse-U.6.2 - U.13.3 Méthodologie du travail universitaire APDP : Activités Physiques de Développement Personnel Gerbeaux et al. «Fondamentaux d une pratique aérobie en milieu scolaire», revue PS N 259-1996 Guezennec C.Y. «aspect physiologiques de la récupération» essonne.franceolympique.com Kedra Ph. «Mécanismes physiologiques d adaptation à l exercice musculaire» 2008 Leca R., «La notion de transition aérobie-anaérobie», «La consommation maximale d O2»Licence STAPS, Centre universitaire Condorcet Le Creusot.2011 Mary X., «La course de durée au collège»-www.ac-reims.fr/datice/eps/...course...mary/fpc_course_duree.pdf Menetrier A. et al «Les filières énergétiques à travers les méthodes d entrainement à la course à pied». Schnitzler C. «La course de durée en cycle terminal: La notion d allure cible comme aide à la construction des contenus», Strasbourg Vaast C., Les fondamentaux du cyclisme. Amphora 2003 Verson T. «L entraînement»- «Physiologie de l exercice» -http://t.verson@free.fr http://www.staps.uhp-nancy.fr/foad_natation/physiomusculaire/basesphysio.pdf http://www.preparation-physique.net/physiologie-staps/235.html Académie de Lyon- Groupe CP5- FABR Annie-LYONNT Isabelle- 2013 SOMMAIR Page 9