Le Rendementen Cyclisme

Le Rendementen Cyclisme W. Bertucci, A. Arfaoui, S. Duc Biomechanics Laboratory, GRESPI EA4694, Faculty of Sciences, 51687 Reims, France william.bertucci@univ-reims.fr http://grespi.univ-reims.fr/ 1

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

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)

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

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: 16-25 % 5

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 75-90 % 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

S Perrey 2005 7

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

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

Nécessité de mesurer les échanges gazeux: 10

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

Energie mécanique Energie physiologique 12

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)

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.

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.

Rendement net (%) = (Net efficiency) Travail mécanique utile (J) Energie utilisée (J) Energie de repos (J) Puissance métabolique moyenne au repos : ~ 0.083 mlo 2.kg -1.s -1 ~ 5 mlo 2.kg -1.min -1 16

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

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

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

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 2009 20

DE : 27-29 % 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

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

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

Ergomètre : Ergo-metrics 900 Mesure des échanges gazeux : CPX (Medical Graphics, USA) 7 cyclistes compétiteurs Cadence 80-90 rpm 24

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

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

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 1985 27

6.3 Effets de l entrainement ou du niveau Hintzy et al. 2005 (sujets sédentaires, Ergomètre Monark, CPX) 28

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

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

- 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

13 cyclistes compétiteurs (10 hommes et 3 femmes) 32

Ergomètre : Lode 906900 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= 0.992 ± 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

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

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

Pas de modification de fréquence de pédalage préférée. 36

37

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

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

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

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

42

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

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

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

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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

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

LABORATOIRE / TERRAIN 49

Comparaison LABORATOIRE / TERRAIN 50

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

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

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 5.0-10.0 ) Mesure reproductible CV = 3,3 % (95%CI 2,4-4,9) 53

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 40,5 300 0,18 15,4 41,3 317 0,19 16,1 42 333 0,2 16,8 42,8 350 0,21 17,6 43,5 367 0,22 18,2 44,2 383 0,23 19 44,9 400 0,24 19,7 45,5 417 0,25 Masse Cycle-Cycliste : 85kg Cr : 0,003 SCx: 0,3 54

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

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, 51687 Reims, France Regional Training Structure in triathlon, High School ARAGO, 1 rue Arago, 51100 Reims, France 56

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