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COUT ENERGETIQUE DES LOCOMOTIONS HUMAINES ET TERRESTRES

Préambule : Ce document constitue une aide pour les étudiants de Deug 1 (UE 5.8.5, enseignement dispensé par Robin Candau). Il s’agit plutôt d’une synthèse du cours que d’un document qui traite le programme de façon exhaustive.

Malgré un intérêt croissant pour le sport et de nombreuses études conduites sur les processus énergétiques, les connaissances relatives au coût énergétique des locomotions humaines demeurent peu répandues. Notre but est de combler cette lacune. Ce cours reprend en partie le plan de l’article de synthèse proposée par di Prampero (1986) ; des travaux récents y sont intégrés.

Definition du cout energetique Le coût énergétique représente une quantité d’énergie consommée par unité de distance parcourue. Il est quelquefois confondu avec le rendement. Cependant ces deux grandeurs sont bien distinctes (voir figure générale présentée en cours). Le rendement musculaire est défini comme le rapport entre l’énergie mécanique et l’énergie chimique consommée à partir des substrats. La mesure avec précision du travail mécanique n’est possible tous les modes de locomotion. L’énergie chimique consommée à partir des substrats est généralement appréciée par la méthode de thermochimie respiratoire. Le principe de cette méthode repose sur la connaissance de l’équivalent énergétique du litre d’oxygène consommé lorsqu’un type particulier de substrats est oxydé. Lorsque des glucides sont oxydés, un litre d’oxygène consommé, correspond à 21,3 kJ d’énergie chimique dégradée. Lorsque des lipides sont oxydés, un litre d’oxygène consommé, correspond à 19,6 kJ. Or, pour une oxydation de lipide, le quotient respiratoire (QR) caractérisé par le rapport de la production de dioxyde de carbone et de la consommation d’oxygène possède une valeur de 0,7. Pour une oxydation de glucides, le QR possède une valeur de 1. Et pour une oxydation comprenant à la fois des glucides et des lipides l’équivalent énergétique du litre d’O2 (EO2) peut être déterminé avec l’équation suivante :

(1)

La mesure de l’énergie libérée lors la dégradation des substrats peut être réalisée avec précision, en l’absence d’oxydations de protides et dans des conditions strictement aérobie. Cependant, sur une préparation d’un muscle extenseur isolé, en mesurant la concentration artérielle et veineuse en lactate, Bangsbo et al. (1990) ont montré que le métabolisme anaérobie entrait déjà en jeu pour une intensité d’exercice correspondant à 60% de la consommation maximale d’oxygène ( max). Lorsque max est atteinte, 10% de l’énergie chimique consommée provenait la glycolyse anaérobie. Il en résulte que la mesure précise de l’énergie consommée par la méthode des échanges gazeux doit être réalisée à une intensité inférieure à 60% de max .

Le coût énergétique est généralement normalisé en fonction de la masse corporelle du sujet et exprimé en J . m-1. kg-1 (unité internationale). Cependant, le coût énergétique est aussi exprimé en ml O2 . m-1. kg-1. L’énergie consommée pour assurer le métabolisme basal est retranchée à la dépense énergétique totale, de façon à faire apparaître le coût énergétique directement lié au déplacement.

RELATION ENTRE COÛT ÉNERGÉTIQUE ET PERFORMANCE Pour des valeurs de puissance métabolique maximale très proches (à quelques pour-cent près), chez les cyclistes, les patineurs, les coureurs, les marcheurs appartenant à l’élite mondiale, une grande disparité dans les vitesses moyennes maintenues lors des records du monde est relevée entre les quatre modes de locomotions humaines les plus utilisés (Figure présentée en cours). Comme le fait apparaître l’équation suivante, cette grande disparité provient essentiellement de différences importantes dans le coût énergétique. La vitesse moyenne soutenue lors des records ( ) résulte d’'un rapport entre la puissance métabolique développée par l’athlète (dépense d’énergie chimique par unité de temps, ) et le coût énergétique (C) :

(2)

Où est exprimé en m. s-1, et C en J . kg-1 . m-1, et est exprimé en unités congrues (w . kg-1). Il apparaît dans cette équation que les locomotions pour lesquelles est faible (marche, course à pieds) sont caractérisées par un coût énergétique élevé. Cette équation montre aussi que, quel que soit le mode de locomotion considéré, une amélioration des performances peut être obtenue aussi bien par une augmentation de la puissance métabolique que par une diminution du coût énergétique. Le rôle de la puissance métabolique dans la performance, et notamment celui de la consommation maximale d’oxygène ( O2max), est maintenant bien établi. En revanche, celui du coût énergétique est moins bien connu. Ces deux grandeurs sont indépendantes l’'une de l’'autre et représentent deux aptitudes essentielles. Dans le cadre du suivi des effets de l’'entraînement de l’'athlète, ces deux aptitudes doivent être mesurées de façon séparée.

CARACTERISTIQUES COMMUNES AUX LOCOMOTIONS TERRESTRES COUT ENERGETIQUE LIE AUX FORCES EXTERNES

Dans la locomotion, une partie du travail mécanique fourni par les muscles est dissipée contre les forces externes. Sur terrain plat, les forces qui retardent le mouvement sont caractérisées par les résistances aérodynamiques et de friction. Par ailleurs, la gravité détermine une force qui s’oppose ou au contraire favorise le mouvement suivant l’inclinaison positive ou négative du terrain.

Les résistances aérodynamiques

Les résistances aérodynamiques sont dues à la viscosité de l’'air. Elles possèdent deux origines distinctes : la traînée de pression et la traînée de frottement. Les filets d’'air à proximité des parois de l’objet en mouvement glissent en frottant les uns sur les autres. Ce phénomène fait apparaître une traînée dite de frottement qui dépend de la rugosité de la paroi. Cette source de résistances à l’avancement généralement négligée dans les locomotions humaines représente une faible part dans les résistances totales. Toutefois, dans le cyclisme, l’'utilisation de roues lenticulaires (grandes surfaces) nécessite sa prise en compte. La traînée de pression, qui représente l’essentiel des résistances aérodynamiques, provient de l’'asymétrie entre les pressions qui règnent en amont et en aval de l’'objet en mouvement (ou de l’athlète dans le cas présent). Cette différence de pression est le résultat de l’écoulement de l’air (fluide visqueux) sur l’'objet. La traînée évolue en fonction du carré de la vitesse de déplacement (par rapport à l’'air) :

RA = ½ SCx r v2 (3)

où SCx est le coefficient de résistance aérodynamique en m2, r est la masse volumique de l’'air en kg . m-3. Il en résulte que les locomotions qui permettent d’'atteindre des vitesses élevées (ski alpin, cyclisme, patinage) sont associées à de fortes résistances aérodynamiques. Aussi, pour ce type de locomotion, le coût énergétique dépend essentiellement de l’aérodynamique.

Les résistances de friction

Les résistances de friction (RF) sont présentes dans les locomotions qui nécessitent l’utilisation de matériel (vélo, ski, patin) et sont essentiellement dues au contact entre le matériel et le sol. Dans le cyclisme, les résistances de friction proviennent de la déformation du pneumatique à l’endroit où il est en contact avec le sol et du frottement des molécules qui composent sa structure entre elles (voir schéma avec élipse de contact du pneu au sol).

Lors du déplacement en ski ou en patin, les résistances de frottement dépendent de la nature de l’interface entre le ski et le cristal de neige. Quatre types de phénomène sont distingués : 1/ frottement solide contre solide (i.e. semelle du ski contre cristaux de neige). C’est le cas pour les neiges froides. 2/ frottement solide contre solide avec lubrification. Un film d’eau se forme en raison d’une température de la neige relativement élevée et/ou d’un réchauffement de la neige dû à la friction entre le ski et les cristaux de neige. Une faible épaisseur du film d’eau produit une lubrification de l’interface ski-neige et contribue à une meilleure glisse. 3/ frottement solide contre liquide. Lorsque l’épaisseur du film d’eau augmente, un phénomène d’adhésion des molécules d’eau sur la surface de la semelle apparaît. Cette situation est particulièrement fréquente pour des neiges printanières gorgées d’eau et détermine d’importantes résistances à l’avancement. 4/ Pertes hystérétiques. Lorsque les cristaux de neige n’ont pas encore subi de transformation (neige poudreuse) des pertes hystérétiques surviennent par suite d’une déformation du manteau neigeux lors du passage du skieur. Là encore, les résistances à l’avancement sont très importantes en raison de l’énergie dissipée pour déformer le manteau neigeux. En plus de l’état des cristaux de neige, et des qualités intrinsèques de glisse du ski (densité du constituant de la semelle, état de surface, rigidité et forme du ski...), le comportement du skieur modifient les résistances de friction. En effet, le degré de prise de carre (angle entre le ski et la neige), modifie grandement les résistances de friction. Plus le ski est maintenu à plat sur la surface de la neige, meilleure est la glisse.

La gravité.

L’ascension d’une côte requiert un surcroît d’énergie (Es, en J) pour élever la masse de l’athlète (m, en kg), plus celle de son matériel (m*, en kg) :

Es = (m+m*) g DH T -1 h -1 (4)

où g, exprimée en m . s-2, est la gravité ; DH, exprimée en mètre, est la hauteur sur laquelle m est élevé, T est le temps en s, qui correspond à cette élévation, et h est le rendement musculaire (sans dimension). Pour des exercices ne faisant pas intervenir les éléments élastiques du muscle (absence de stockage restitution d’énergie élastique), tel que le cyclisme la valeur du rendement généralement rapportée est de 25%. Sur un terrain ascendant, il peut raisonnablement être supposé que quel que soit le mode de locomotion, la valeur du rendement est similaire à celle mesurée lors d’exercices de pédalage. L’évolution en terrain descendant nécessite une faible quantité d’énergie lorsque le mouvement est assuré par la gravité. Le coût énergétique est alors orienté pour contrôler la vitesse.

COUT ENERGETIQUE INDEPENDANT DES FORCES EXTERNES

Pour les locomotions permettant d’'atteindre des vitesses maximales modestes (marche, course à pied) l’'essentiel de la dépense énergétique est indépendant des résistances à l’avancement. Le coût énergétique indépendant des résistances à l’avancement possède 4 origines : 1/ variations cycliques de vitesse dans le plan horizontal et oscillations verticales du centre de masse du sujet. Les locomotions pédestres (la marche, la course) comportent une phase de freinage lors du début de la phase de contact du pied au sol, au cours de laquelle la vitesse du centre de masse diminue (variation d’énergie cinétique). Ensuite, une deuxième une phase survient nécessairement. Pendant la phase de poussié de la deuxième partie de la phase de contact la vitesse du centre de masse augmente. Ces variations d’énergie cinétique représentent la majeure partie de l’énergie mécanique dépensée lors de la course. 2/ mouvements des segments corporels autour du centre de masse (travail interne).

CARACTERISTIQUES SPECIFIQUES A DIVERSES LOCOMOTIONS

COURSE à PIED De nombreuses études ont été conduites sur la course car elle représente un mode de locomotion universel et parce qu’elle peut être investiguée facilement en laboratoire.

INFLUENCE DE LA VITESSE

Un grand nombre d’'auteurs se sont intéressés à la relation -vitesse car la pente de cette relation permet de caractériser le coût énergétique. Il apparaît que cette relation est linéaire pour des intensités de course modérées. Une étude comportant 240 mesures de , à des vitesses sous-maximales (Medbø et al., 1988) a confirmé la linéarité de cette relation et a montré qu’'elle est caractérisée par une valeur d’ordonnée à l’orogine de 5,1 mlO2 . min-1 . kg-1 commune au sujets étudiés. Si la dépense énergétique est estimée uniquement à partir de ,, le coût énergétique est indépendant de la vitesse. Cependant, l’expérience conduite par Bangsbo et al. (1990) remet en cause la relation supposée linéaire entre la dépense d’'énergie et l’'intensité de l’'exercice. A partir de 60% de O2max, une contribution du métabolisme anaérobie est présente. En outre, Lacour et al., (1990) ont quantifié la dépense énergétique de la course jusqu’à des vitesses supra-maximales en prenant aussi en considération l’énergie d’origine anaérobie, à partir de l’'élévation de la concentration sanguine du lactate. Comme l’indique l’équation suivante, ces auteurs ont observé une augmentation marquée de la dépense énergétique pour des vitesses de courses supra-maximales (Figure 3) :

ECP = 5,1 + 6,829 v + 0,1127 v3 (5)

Cette augmentation marquée de la dépense énergétique concorde avec celle de la puissance mécanique développée dans la course. En effet, Fukunaga et al. (1980) ont rapporté une augmentation de la puissance mécanique en fonction du carré de la vitesse. L’'explication d’'un coût énergétique non-constant, en fonction de la vitesse, réside essentiellement dans l’'accroissement particulièrement important de la puissance mécanique pour les vitesses de course élevées. Enfin, il convient de souligner le fait que la puissance nécessaire pour vaincre les résistances aérodynamiques évolue avec le cube de la vitesse. Cet élément est également cohérent avec le fait que le coût énergétique augemente pour les vitesses élevées. Cependant, lorsque le coût énergétique est mesuré sur une faible étendue de vitesse et a fortiori à de faibles vitesses, la relation entre et v peut être assimilée à une relation linéaire.

MÉTHODE DE MESURE

Procédure classique

La procédure classique consiste à mesurer à une vitesse donnée et à en retrancher l’'énergie correspondant au métabolisme de base et à diviser l’ensemble par la vitesse de déplacement (coût énergétique net). Le coût énergétique brut est quelques fois utilisé (consommation d’'oxygène divisée par la vitesse).

Procédure de MedbØ et al., (1988)

Elle consiste à bâtir individuellement la relation entre et vitesse avec 20 mesures d’échanges gazeux réalisées au cours de paliers à vitesse constante, entrecoupés par une période de repos. Une procédure simplifiée a été proposée et validée par ces mêmes auteurs. Elle consiste à bâtir cette relation à partir d’'une valeur d’y intercepte de 5,1 ml . min-1 . kg-1 et de deux mesures de , lors des deux derniers paliers précédant celui où l’'épuisement est survenu. Cependant, cette méthode ne prend pas en considération l’énergie qui provient du métabolisme anaérobie et conduit vraisemblablement à une sous-estimation du coût énergétique à partir de 60%..

Procédure de Margaria et al. (1971). Dans cette méthode, la participation du métabolisme anaérobie (en plus de celle du métabolisme aérobie) est estimée à partir de l’élévation de la concentration sanguine du lactate et en prenant en compte l’équivalent énergétique du lactate sanguin. La proportionnalité directe qu’il existe entre l’élévation du lactate sanguin et la quantité d’énergie libérée est maintenant bien établie car cette relation a été observée dans des situations diverses et indépendantes les unes des autres. En revanche, la valeur précise de l’équivalent énergétique de lactate denmeure un sujet de controverses :. Cette dernière est vraisemblablement comprise entre 2,7 et 3,3 mlO2 . kg-1. mmol-1. l-1. Il est probable qu’il n’existe pas de valeur fixe, mais une qui varie en fonction de la masse musculaire mise en jeu, du volume des espaces liquidiens de l’organisme, du débit de transport et du métabolisme du lactate au cours de la récupération.

Variabilité du coût énergétique Au sein de groupes d’athlètes d’élite de niveau homogène, une variabilité jusqu’à 30% a été observée. Comparativement aux aptitudes énergétiques (capacité anaérobie, max et endurance), qui sous-tendent la performance, le coût énergétique est éminemment variable entre les individus. Et comme le montre l’équation (2), il permet d’expliquer en partie les différences de performances entre les athlètes. Le coût énergétique présente aussi une variabilité intra-individuelle.

Variabilité intra-individuelle Cette source de variabilité est relativement faible. Pour un même individu, la reproductibilité dans la mesure du coût énergétique est très élevée. Cependant, dans des conditions particulières, plusieurs facteurs sont susceptibles de l’altérer.

Effet de la longueur des foulées. Il existe une longueur de foulée optimale qui permet de minimiser le coût énergétique pour une vitesse donnée. En deça et surtout au delà de cette longueur optimale de foulée, le coût énergétique augmente. La comparaison de deux groupes de coureurs l’un composé d’athlètes d’élite, l’autre d’athlètes de niveau inférieur a montré qu’à une vitesse donnée, les meilleurs coureurs ne possédaient pas une longueur de foulée plus importante mais au contraire légèrement plus courte. Chez 80% des athlètes entraînés, la longueur de foulée, choisie spontanément correspond à la longueur de foulée la plus économique. Après un entraînement spécifique à la longueur de foulée optimale grâce à un système de feedback sonore, pour les athlètes qui n’adotaient pas spontanément une longueur de foulée optimale, le coût énergétique était amélioré et leur longueur de foulée devenait adaptée.

Effet de l’entraînement Une diminution du coût énergétique chez des coureurs de fond a été rapportée au cours d’une période d’entraînement. De plus, plusieurs observations supportent un effet positif de l’entraînement : comparativement à des sédentaires ou des athlètes non-spécialistes de la course, un coût énergétique moindre est couramment rapporté chez les coureurs.

Effet du port de semelles amortissantes et de charges additionnelles Le port de chaussures avec semelles amortissantes détermine une augmentation du coût énergétique par comparaison avec une course en condition normale. Cette augmentation attendue a été interprétée comme la manifestation d’une impossibilité pour les composantes élastiques du muscle de stocker de l’énergie, lors de la phase excentrique en raison de l’absorption de l’énergie par les semelles. Par ailleurs, une expérience antérieure avait montré une diminution de 25% de pour un travail identique consistant en des flexions-extensions des membres inférieurs effectuées sans interruption par comparaison avec un exercice comportant une interruption entre les flexions et les extensions. Ces résultats indiquent une plus faible dépense énergétique dans la situation où l’intervention d’un cycle étirement-raccourcissement est possible. Enfin, dans la course à pied, Bosco et al (1987) ont trouvé une relation négative entre le coût énergétique et un index d’élasticité musculaire. Cet index a été bâti, de façon astucieuse, à partir de la mesure du rendement musculaire lors de sauts verticaux enchaînés sans interruption (faisant intervenir le cycle étirement-raccourcissement) et de sauts verticaux enchaînés avec interruptions (sans cycle étirement-raccourcissement). Cette expérience fournit un argument supplémentaire en faveur de l’existence du cycle étirement-raccourcissement dans la course et de d’un effet positif d’un tel phénomène sur l’économie de déplacement.

Lors d’une expérience avec transport de charges additionnelles fixées sur le tronc, il a été noté une diminution du coût énergétique exprimé en mlO2 . m-1 kg-1 de masse transportée (masse corporelle + masse additionnelle). Ce phénomène pourrait être expliqué par des conditions favorables pour l’intervention d’un cycle étirement-raccourcissement. Dans la situation avec charge, une plus grande mise sous tension (étirement) des muscles extenseurs des membres inférieurs, lors du début de la phase de contact du pied au sol, est suspectée. Une quantité d’énergie plus importante pourrait être stockée dans les composantes élastiques du muscle, puis restituée dans la phase concentrique subséquente (raccourcissement). En réalité des résultats récents semblent plutôt indiquer que le port de charges additionnelles est associé avec une adaptation de la foulée qui va dans le sens d’une minimisation du travail mécanique nécessaire pour mouvoir le centre de masse. Les sujets chargés s’organise leur motricité avec des foulées plus courtes des temps de contact au sol réduit et surtout une phase de freinage optimisée et donc avec une phase de poussée plus économique. Le coût énergétique est donc diminué par suite d’une diminution du coût mécanique (travail mécanique fourni par mètre parcouru et par unité de masse).

Effet de la fatigue Au cours d’un marathon, la moitié des sujets étudiés ont maintenu un coût énergétique stable, l’autre moitié des sujets, bien qu’aussi entraînés à la course, ont vu leur coût énergétique se détériorer au fil de l’épreuve. Cette altération de l’économie de déplacement, nomée aussi dérive de , atteignait 5,4% en moyenne sur la fin de l’épreuve. De plus, au sein du deuxième groupe, 69% de la variabilité inter-individuelle dans la performance était expliquée par l’importance de la dégradation du coût énergétique. Il semble qu’il existe une grande variabilité inter-individuelle dans la réponse à la fatigue ; et cette variabilité est susceptible d’expliquer les différences d’aptitude à l’endurance entre les sujets. Dans le même sens, une expérience conduite sur 7 marcheurs de compétition a montré une augmentation du coût énergétique de 6,5% au cours de 3 heures d’exercice à vitesse de compétition. Cette dégradation de l’économie de déplacement était associée à une diminution du quotient respiratoire de 0,92 à 0,86 indiquant un faible accroissement de la part relative des lipides dans la couverture énergétique. Or, pour une même quantité d’énergie fournie, l’oxydation exclusive de lipides requiert 8% de plus d’oxygène que pour des glucides. Aussi, dans cette étude, l’augmentation du coût énergétique ne pouvait être expliquée que dans une faible proportion par l’accroissement de la part relative des lipides dans la couverture énergétique. La dégradation du coût énergétique avec la fatigue possède, sans doute, une origine mécanique.

Pour des exercices plus intenses conduisant à l’épuisement sur des durées d’exercice comprise entre 5 à 20 min, une augmentation de la consommation d’ O2 est notée jusqu’à l’atteinte de ou de l’impossibilité de poursuivre l’exercie. Cette phase est nomée composante lente de la cinétique de . Les mécanismes physiologiques sous-jacents semblent distincts de ceux mis en jeu lors du phénomène de dérive de . L’origine de la composante lente semble résider essentiellement au niveau des muscles périphériques actifs. Et l’hypothèse a plus souvent mise en avant considère que les fibres recrutées au début de ce type d’exercice sont les fibres musculaires de petit diamètre donc les fibres de type lent. Avec la fatigue qui s’installe progressivement, de nouvelles unités motrices semblent recrutées dont des fibres rapides moins économiques sur le plan énergétique.

Effet de la pente L’augmentation du coût énergétique en fonction de la pente a été étudiée de façon extensive. Plusieurs faits sont maintenant établis :

· Pour des inclinaisons de terrain comprises entre 0 et 30% et une gamme de vitesse relativement réduite, la relation entre et vitesse est quasiment linéaire (i.e. coût énergétique constant si l’énergie provenant du métabolisme anaérobie est négligée).

· Les valeurs de coût énergétique les plus faibles sont obtenues pour une pente négative (descendante) de -10%. Pour des pentes plus marquées, il augmente.

· Le coût énergétique de la course est deux fois plus élevé que celui de la marche pour une vitesse de 4 km . h-1 (vitesse la plus économique pour la marche). Cette différence semble liée à un coût mécanique plus faible pour la marche et notamment à un transfert d’énergie permanent entre énergie potentielle et cinétique et vise versa. Alors que dans le cas de la course l’énergie potentielle et cinétique sont en phase ce qui exclut la possibilité de transfert d’énergie de cette sorte et nécessite donc plus d’énergie consommée pour parcourir la même distance. Cette différence de coût énergétique entre ces deux modes de locomotion se maintient pour des pentes variant entre de 0 à -10% et s’estompe progressivement pour des pentes croissantes de 0 à 15%.

· La pente optimale sur le plan énergétique pour gravir un dénivelet est de 25% et la vitesse optimale de déplacement est environ de 2 km ; h-1.

Variabilité inter-individuelle Les valeurs de coût énergétique rapportées sont comprises entre 0,160 et 0,240 mlO2 . m-1 . kg-1. Cette variabilité inter-individuelle importante du coût énergétique possède plusieurs origines.

Masse corporelle Plusieurs études indiquent une corrélation négative entre la masse et le coût énergétique : les individus corpulents ont un coût énergétique faible (lorsque celui-ci est rapporté à la masse corporelle du sujet) et inversement. Ce fait est sans doute à rapprocher des expérimentations rapportées précédemment où des charges additionnelles étaient utilisées : pour des individus possédant une masse corporelle importante. La relation masse corporelle et coût énergétique est également valable chez les espèces animales : les animaux les plus économes dans leur locomotion possèdent une masse corporelle très élevée et inversement. Afin de faire disparaître l’effet de la masse corporelle sur le coût énergétique, il semble qu’il faille exprimer ce dernier en fonction des ¾ de la masse et non en fonction de la masse totale. En d’autres termes, le fait d’exprimer le coût énergétique en J . m-1 . kg-0,75 et non en J . m-1 . kg-1 permet d’estomper l’effet dû à la masse corporelle et souligne ainsi les différences d’efficacité de foulée au sein d’un groupe de coureurs.

Taille et âge.

La masse corporelle étant corrélée avec la taille et avec l’âge il n’est pas surprenant que plusieurs études aient rapporté une corrélation négative entre le coût énergétique d’une part et la taille et l’âge d’autre part. Au cours de la croissance, le coût énergétique exprimé en J . m-1 . kg-1 diminue. Les différences de coût énergétique quelquefois attribuées au facteur taille ou âge dépendent principalement de la masse corporelle.

Sexe. Des différences de coût énergétique entre femmes et hommes ont été rapportées. Cependant quand le facteur masse corporelle est contrôlé, les différences s’estompent.

CYCLISME

Sur terrain plat, le cyclisme représente le mode de locomotion le plus économique (Figure 3). Cet avantage provient de l’utilisation de la roue qui autorise un déplacement du centre de masse de l’individu à une vitesse quasi constante et un transfert d’énergie cinétique en énergie nécessaire pour vaincre les résistances aérodynamiques et de roulement. Quand un cycliste décélère son énergie cinétique et convertie en énertie dissipée pour vaincre les résistances externes. Ce type de transfert d’énergie n’est pas possible dans les locomotions pédestres et la succession de phases de freinage et poussée sont à l’origine d’un coût énergétique particulièrement élevé pour ces modes de déplacement. Comme l’indique la Figure 3 et l’équation suivante, la dépense énergétique en cyclisme (Ec en W . kg-1) augmente de façon importante en fonction de la vitesse de déplacement :

Ec = MR + (SCx r 0,5 v3 + CR (m+m*) g v). h-1 . m-1 (6)

où MR est le métabolisme de repos (W . kg-1), S est la surface frontale de l’ensemble cycliste-machine (m2), CX est le coefficient de forme (sans dimension). Au niveau de la mer, r est égal à 1,225 kg . m-3. Pour des pneumatiques de faible masse, gonflés à 8 bars, et sur un revêtement du bitume, la valeur de CR est d’environ 0,004. Pour des vitesses de compétition proches de 50 km . h-1, le coût énergétique lié aux résistances aérodynamiques représente 90 % du coût énergétique total. En outre, l’équation (6) permet de prédire un coût énergétique pour une vitesse et une position du cycliste donnée (les valeurs de SCx associées à chacune des positions classiquement utilisées sont rapportées dans le paragraphe suivant).

Parmi les facteurs qui affectent la dépense et le coût énergétique en cyclisme, deux (S et Cx) ont une influence majeure en raison de leur grande possibilité de variation. S et Cx fluctuent en fonction de la position du cycliste et de l’utilisation (ou l’absence) d’artifice aérodynamique. Ainsi, il existe deux principales possibilités pour améliorer l’économie de déplacement et la performance :

1/ la diminution de la surface frontale peut être obtenue sur bicyclette par une simple inclinaison du buste en avant. Le coefficient de résistance aérodynamique, qui résume les qualités aérodynamiques d’un véhicule, possède une valeur d’environ 0,61 m2 en position relevée sur vélo standard et une de 0,39 m2 en position relevée, mains au-dessus du guidon, sur vélo de course. Cette diminution de SCx détermine une décroissance du coût énergétique de 33% à 30 km . h-1. De la même façon, SCx diminue de 0,27 m2 en position classique de compétition (les mains en bas du guidon) et le coût énergétique est alors minimisé de 29% pour une vitesse de 45 km. h-1 par rapport à la position précédante. Par ailleurs, l’équation (6) indique que lors du record du monde l’heure établi par Toni Rominguer (55291m), pour un SCX de & 0,22 m2 sa dépense énergétique était de 72 mlO2 . min-1 . kg-1. Cela correspondrait à un max de 85 ml . min. kg-1 (pour une fraction de max de 90% maintenue pendant une heure, et un métabolisme de repos de 5,1 ml . min-1 . kg-1). Cette valeur de max concorde parfaitement avec celles rapportées pour des athlètes de l’élite mondiale.

2/ L’utilisation de forme du type profil d’aile d’avion pour les éléments constituant le vélo ou pour les accessoires vise à améliorer Cx. Ainsi le simple ajout d’un petit déflecteur à l’avant du vélo (du même type que celui monté sur certaines motos) détermine une diminution de la traînée aérodynamique et du coût énergétique d'environ 20%. De même, l’utilisation de roues lenticulaires et d’un casque et d’une gourde avec formes profilées détermine un gain de performance respectivement de 28 s, 14 s et 14 s sur un parcours de compétition de 40 km. Avec un cadre de vélo profilé et en position de triathlon, les valeurs de SCx mesurées en soufflerie sont comprises entre 0,22 et 0,26 m2.

Pour optimiser le coût énergétique, il est aussi possible d’agir sur trois autres facteurs (r, h, CR) ; mais les effets sont relativement faibles. La diminution de r avec l’altitude implique une réduction du coût énergétique de 26,6% pour une altitude de 3417 m correspondant à La Paz (ville de Bolivie). Cependant, la diminution de pression partielle en O2 pour cette altitude, détermine une réduction de la puissance maximale aérobie d’environ 16%. Sur ces bases, cette altitude devrait représenter une altitude proche de celle optimale pour réaliser le record du monde de l’heure. Toutefois, un léger vent (conditions fréquentes à ces altitudes) est susceptible d’annuler les effets bénéfiques de l’altitude sur la performance.

Par ailleurs, parce que les résistances de roulement représentent seulement 10% des résistances totales à l’avancement, pour des vitesses de compétition, de faibles gains sur le coût énergétique sont attendus à la suite d’une diminution de CR. Quoi qu’il en soit, pour minimiser CR, les trois principaux éléments sont une pression dans les pneumatiques supérieure à 12 bars et des pneumatiques de faible masse (faible épaisseur de gomme), un revêtement du sol élastique (au sens de la loi de Young : l’énergie stockée lors d’une déformation est totalement restituée).

Les possibilités d’améliorer le rendement musculaire paraissent réduites. En effet, les cyclistes professionnels ne semblent pas posséder pas un meilleur rendement que des sujets actifs.

Enfin, le coût énergétique varie de façon importante avec l’inclinaison du terrain. En combinant l’équation (4) et (6), la dépense énergétique (Ec, en W . kg-1) peut être prédite lorsque la dénivellation et la vitesse sont déterminées :

Ec = M R + ((S Cx r 0,5 v3 + CR (m+m*) g v) + (m+m*) g DH T -1 ). h-1 . m-1 (7)

Cette équation s’applique à une dénivellation positive et à une vitesse de déplacement constante. & L’équation (7) prévoit que la dénivellation maximale que peut réaliser un athlète d’élite en une heure est de 2024 m (pour max = 85 ml . min-1 . kg-1, fraction de max soutenue = 0,90%, v = 20 km . h-1, SCX = 0,39 m2, CR = 0,004, m = 75 kg, h = 0,25). Cette performance est comparable à celle correspondant au record d’ascension dans les Alpes (e.g. 40 min pour gravir 1250 m dans la montée de l’Alpe d’Huez).

Ski de fond

Le coût énergétique du ski de fond varie en fonction de quatre principaux facteurs :

1/ des résistances de friction entre le ski et la neige. Ces dernières dépendent essentiellement de la température et l’hygrométrie de la neige et du degré de métamorphose des cristaux de neige.

2/ des résistances aérodynamiques. L’équation (6) permet d’estimer la dépense d’énergie pour vaincre les résistances aérodynamiques (en l’absence de vent). Pour un individu de 70 kg, SCX est proche de 0,60 m2.

3/ du mode de propulsion employé. Dans les années 1980, l’apparition du pas de patineur a déterminé une augmentation de 10 à 30%, selon le type de neige, des vitesses moyennes maintenues en compétition. Cet avantage se manifeste particulièrement pour des neiges dures et transformées (très glissantes). Ce gain suggère une diminution du coût énergétique. Ce résultat a d’ailleurs été confirmé par des mesures directes (Saïbene et al., 1989). Un coût énergétique plus faible de 15 à 35% en technique de patinage (à résistances de friction égales) a été mesuré sur une large étendue de vitesses, chez des athlètes d’élite. Ces auteurs ont proposé deux équations qui permettent de prédire une dépense énergétique (en ml . min-1 . kg-1) respectivement en technique classique ( C) et en pas de patineur ( P, Figure 3), pour une vitesse et une résistance de friction ski-neige connues :

C = -23,09 + 0,189 V + 0,62 F (8)

P = -32,63 + 0,171 V + 0,68 F (9)

où V est la vitesse de déplacement du skieur en m . min-1, F est la force de friction ski neige en N. F est généralement comprise entre 10 et 60 N.

4/ de l’inclinaison du terrain. Pour une pente positive, l’équation (4) permet d’estimer le surcroit de dépense énergétique. Pour une descente raide (cas fréquent en ski alpin), la dépense énergétique est orientée pour contrôler la vitesse et la direction du déplacement (virage, dérapage, chasse-neige). En situation de compétition en slalom Géant, il a été mesuré des dépenses énergétiques atteignant 75 à 95 ml . min-1 . kg-1 chez des compétiteurs de niveau international.

REFERENCES

Bangsbo, J., Gollnick, P.D., Graham, T.E., Juel C., Kiens, B, Mizuno, M. Saltin B. (1990) Anaerobic energy production during exautive exercise in humans.
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