« Patron d`application des forces et efficacité du pédalage lors d`un

UNIVERSITE PARIS XII / I.N.S.E.P
U.F.R – S.T.A.P.S de Créteil
Année 2007 – 2008
MASTER : Sciences de la société
Mention : Sports : usages sociaux et pédagogiques
« Patron d’application des forces et efficacité du
pédalage lors d’un test force – vitesse :
Comparaison entre pistards et routiers. »
Présenté par
Brice Faugeron
DIRECTEUR DE RECHERCHE : Sylvain Dorel
Laboratoire de Biomécanique
1
Sommaire
1. Introduction générale…………………………………………………………………...3
2. Revue de littérature……………………………………………………………………..3
2.1. Notion de pattern et de cycle de pédalage…………………………………………...3
2.1.1. Les quatre phases du cycle de pédalage……………………………………...4
2.1.2. Les forces appliquées sur la pédale et l’indice d’efficacité du pédalage (IE)..6
2.2. Relation Force Vitesse (FV) et Puissance Vitesse (PV)..…………...………………7
2.3. Hypothèses et questions de recherche………………………………...……………..8
3. Méthodes……………………………………………………………………………..….9
3.1. Participants……………………………………………………………………..……9
3.2. Protocole………………………………………………………………………..…..10
3.3. Matériels……………………………………………………………………..……..10
3.4. Méthodes de calcul…………………………………………………………………11
3.4.1. Cycle entier………………………………………………………………….11
3.4.2. Par cadrans…………………………………………………………………..11
4. Résultats………………………………………………………………………………...12
4.1. Analyse sur le cycle entier...…………………………………………………….….12
4.1.1. Relation Force efficace Vitesse et Puissance Vitesse…….….………….......12
4.1.2. Indice d’efficacité…………………………………………………………....13
4.2. Analyse par cadrans………………………………………………………………...15
4.2.1. Relation Force efficace Vitesse……...……………………………………....15
4.2.2. Indice d’efficacité sur les cadrans de poussée et de traction………………...17
5. Discussion……………………………………………………………………………….18
5.1. Relation Force Vitesse et Puissance Vitesse sur le cycle entier………….………....18
5.2. Relation Force Vitesse sur les cadrans de poussée et de traction…….…………......19
5.3. IE …………………………………………………………………………………....20
5.3.1. Sur le cycle entier………………………………………………………….....20
5.3.2. Sur les cadrans de poussée et de traction……………………………….……21
6. Conclusion…………………………………………………………………………..…...22
2
1. Introduction générale
Dans toutes les activités du cyclisme, la puissance dégagée est représentative de la vitesse de
déplacement du cycliste et indirectement synonyme de performance. L’augmentation de cette
vitesse peut être expliquée par une multitude de raisons dont fait partie la technique du
pédalage.
Historiquement, l’entraînement technique du pédalage a longtemps été délaissé par les
entraîneurs et les cyclistes pour des raisons méthodologiques voire philosophiques, au profit
d’une prédominance physiologique de l’entraînement et de la performance. Actuellement, les
moyens technologiques permettent d’améliorer l’ensemble physiologie -biomécanique –
technique dans une optique d’optimisation perpétuelle de performance.
Nous pensons qu’il n’est pas inutile d’optimiser l’efficacité du pédalage, pour retransmettre à
chaque coup de pédale une puissance supérieure, répercussion d’autant plus importante dans
les puissances élevées. Dans cette étude menée au laboratoire de biomécanique de l’INSEP,
nous avons étudié l’application des forces au cours du cycle de pédalage, reflétant
indirectement l’efficacité biomécanique du pédalage. Cette étude transversale d’une
population de sprinters et d’une population de routiers s’est concentrée aux efforts maximaux
par la réalisation d’une épreuve de force vitesse (FV).
2. Revue de littérature
2.1. Notion de pattern et de cycle de pédalage
Kautz et al. 1991 ont comparé le pattern des forces appliquées au cours du cycle de pédalage
par des cyclistes élites à deux niveaux de puissances différents, respectivement 120 W et 200
W avec une cadence fixe de 90 rpm. La figure 1 présente 3 patterns possibles.
Figure 1 : Pattern de pédalage de 3 cyclistes élites illustrant la force totale (F (tot)) appliquée sur la pédale au cours
du cycle de pédalage à une puissance de 200 W, représentative de 90% de Vo2max (Kautz et al 1991)
3
L’application de la force est différente pour chacun des 3 cyclistes, en intensité par une
vectorisation plus ou moins importante, en orientation par une angulation sur la pédale
variable.
La production de puissance qui permet l’avancement du cycliste est crée par la force efficace,
notée Feff. Elle est dirigée perpendiculairement par rapport à la manivelle dans le sens de
rotation de celle-ci et ceci à tout point du cycle de pédalage. L’évolution de la force efficace
au cours du cycle de pédalage (un tour de pédale) a été présentée graphiquement par plusieurs
auteurs (Kautz et al. 1991 Coyle et al. 1991, David Hull 1981) et plus récemment
schématiquement par Cavanagh et Sanderson 1996 (Figure 2)
Figure 2 : a) Répartition de la force efficace (N) au cours du cycle de pédalage (0°-360°) à faible et haute
puissance. D’après Kautz et al. 1991 b) Répartition en % de la force au cours du cycle de pédalage répartie en 12
secteurs de 30° chez des poursuiteurs. D’après Cavanagh Sanderson 1996.
La répartition de la force au cours du cycle de pédalage permet de mettre en évidence 4
phases.
2.1.1. Les quatre phases du cycle de pédalage
Le cycle de pédalage correspond à une révolution complète du pédalier. Il comprend quatre
phases pour chaque jambe, présenté en figure 3.
o
o
o
o
La phase de poussée
La phase de traction
Le passage du point mort bas
Le passage du point mort haut
Figure 3 : les quatre phases du cycle de
pédalage
4
o La phase de poussé de la pédale
Cette phase comprise entre 30° et 150° met en jeu les muscles générateurs de l’extension du
genou et de la hanche (Vaste médial, vaste latéral, vaste interne, grand fessiers,
soléaire…Jorge et Hull 1986 ; Ericson 1985) et représente le secteur le plus productif en
terme de force et donc de puissance, à hauteur de 96% lors d’un effort sous maximal (Kautz et
al. 1991). En effet, la force efficace est susceptible d’être la plus importante lorsque les
manivelles et les pédales sont à l’horizontale (90°).
o La phase de remontée de la pédale
La phase de traction, qui se situe entre 210° et 330°, se caractérise par une problématique de
tirage dans le but de réduire et de compléter la production de force au niveau de la jambe
opposée. Cette action de tirage serait principalement due aux fléchisseurs de cheville et de
genou, respectivement tibial antérieur et biceps fémoral (Ericson MO, Nisell R et al. 1985)
La force positive ou propulsive serait alors d’avantage répartie lors du cycle de pédalage, et
ne serait non plus l’unique résultante de l’application « simpliste » de forces de poussée,
couplées à une « remontée passive » de la jambe opposée soumise à son propre poids et qui
serait dans ce cas précis représentative de l’application d’une force de résistance. Il a été
conclu (Kautz et al. 1991) trois stratégies, trois patterns de tirage possibles :
o Tirage de la pédale vers le haut, qui implique un verrouillage de la cheville où le pied
reste dans l’axe horizontal, (Cf. figure 1)
o Tirage de la pédale vers l’avant, par une rotation positive de la pédale à 45° le pied
étant en pointe)
o Remontée passive
Cette part de force négative tend à diminuer lorsque la puissance augmente et à l’inverse à
augmenter lorsque la fréquence de pédalage augmente, au-delà de 90 rpm (Kautz et al. 1991 ;
Neptune et Herzog 1999) (Figure 4). Ceci serait dû au délai liant le phénomène d’activation –
contraction des fléchisseurs de genou.
Figure 4 : Représentation graphique du couple propulsif Cp (Nm) au cours du cycle de pédalage en degré (0°360°) en fonction de la vitesse de pédalage
5
o Les « points morts » haut et bas
Ces deux phases comprises respectivement entre 330°-30° pour le point mort haut et 150°210° pour le point mort bas effectuent la transition entre la poussée et la traction.
Dans ces secteurs angulaires, l’intensité de la force diminue par la faible mise en jeu
musculaire (Pour le point mort bas, seulement le triceps sural, biceps fémoral ; pour le point
mort haut, le tibial antérieur (Jorge et Hull 1985) et la direction de la force efficace à
appliquer (respectivement vers l’arrière et l’avant) tendent à rendre ces secteurs peu productif
en terme de puissance.
2.1.2. Les forces appliquées sur la pédale et l’indice d’efficacité du pédalage (IE)
La force efficace est la force qui permet au cycliste d’avancer. Mais, la force totale Ftot
appliquée sur les pédales n’est pas exclusivement efficace. Une force inutile Finu, appliquée
parallèlement à la manivelle existe. La force totale Ftot est la résultante de la force efficace Feff
et de la force inutile Finu (Figure 5)
Cette force F appliquée sur la pédale peut être aussi décomposée en trois composantes (Fx, Fy
et Fz dans un repère orthonormé sur la pédale), respectivement la force tangentielle Ftan, la
force transversale (en latéral ; de gauche à droite mais n’intervenant pas dans la production de
puissance d’avancement) et la force normale FN. Les forces normales et tangentielles
déterminent donc indirectement la force efficace.
Figure 5 : a) Schématisation de l’application des forces sur la pédale par rapport à la manivelle. La force efficace
Feff est représenté en rouge, la force inutile Finu, en vert et la force totale Ftot en noire.
b) Représentation des composantes Fx, Fy, Fz de la force F appliquée sur la pédale
En biomécanique, pédaler avec efficacité c’est prendre en compte l’orientation et l’intensité
des forces appliquées sur la pédale en fonction de sa position (° d’orientation de la pédale par
rapport à la manivelle et à l’horizontale) et des manivelles (° de positionnement de la
manivelle dans le cycle par rapport à la verticale) au cours du cycle de pédalage.
6
L’indice d’efficacité du pédalage représente le ratio entre la force efficace et la force totale,
d’où IE = (F (eff) / F (tot)) x 100. Il est pour ainsi dire le reflet mécanique de la technique du
pédalage.
L’IE est influencé par plusieurs paramètres : le niveau de puissance, la fréquence de pédalage
(Patterson et Moreno 1990). Davis et Hull 1981 ; Ericson et Nisell 1988 ; Patterson et
Moreno 1990 ont aussi démontré que l’IE évolue au cours du cycle de pédalage.
Historiquement, l’IE a été proposé pour la première fois par Lafortune et Cavanagh en 1983
puis repris par d’autres auteurs (Coyle et al. 1991 ; Patterson et Moreno 1990 ; Sanderson
1991) mais tous tendent à confirmer la double affirmation suivante : l’IE augmente avec la
puissance mais diminue avec l’augmentation de la fréquence de pédalage pour un niveau de
puissance donnée.
Les recherches concernant l’IE n’ont été réalisé que lors d’efforts sous maximaux et ne se
sont pas intéressées aux efforts maximaux.
Pour ces derniers, on mesure les qualités physiques maximales en cyclisme à partir d’une
épreuve classique « force vitesse » effectué sur bicyclette ergométrique.
2.2. Relation Force Vitesse (FV) et Puissance Vitesse (PV)
Le test Force Vitesse (FV) permet de mesurer la « puissance mécanique maximale » et non la
puissance maximale anaérobie alactique, même si c’est ce métabolisme qui assure l’essentiel
de la fourniture d’énergie. Pour cause, les qualités physiques de Force maximale (Fmax) et de
Vitesse max (Vmax) sont plus limitant à la performance que le métabolisme énergétique en
lui-même. On parle alors plutôt d’un test indirect de la puissance anaérobie alactique.
Différents tests ont été proposés pour mesurer la puissance mécanique maximale, à savoir le
test de détente verticale (Vertical Jump), le test de l’escalier de Margaria (1966), les tests
effectués sur ergo cycle. Ces derniers consistent en une série de courts sprints de 6-7 secondes
contre des résistances différentes.
Il existe toutefois des corrélations positive et significatives entre la puissance maximale sur
bicyclette ergométrique et les autres tests (Vandewalle et al. 1987). Les différences relèvent
de la précision des résultats (Puissance maximale instantanée ou moyenne), du caractère
mono ou poly articulaire, de la spécificité de la motricité…
A partir de ces tests, il a été démontré que la force diminue linéairement avec la vitesse de
pédalage (Sargeant et al. 1981). Les valeurs de force maximale, Fmax (voire même force
maximale isométrique théorique) et de vitesse maximale, Vmax, peuvent être extrapolé à
partir de cette relation linéaire liant la force et la vitesse comme le montre la figure 6 cidessous.
De plus, la puissance étant définie comme le produit de la force par la vitesse, une relation
polynomiale du second degré entre la puissance et la vitesse peut être déterminé où l’apex de
la parabole correspond à la valeur de puissance maximale, Pmax. Cette dernière est atteinte à
vitesse optimale, Vopt qui est généralement égale à ½ de Vmax (Figure 6)
7
Figure 6 : Relation Force (rond blanc) et Puissance Vitesse (rond noir) obtenues au cours du test Force Vitesse
(FV). Dorel et al. 2003
2.3. Hypothèses et questions de recherche
L’étude s’est penchée sur l’application des forces au cours du cycle de pédalage. En plus des
valeurs classiques de Fmax, Vmax et Pmax que l’on a pu comparer avec les études
précédentes menées aussi lors d’efforts maximaux à partir d’un test Force Vitesse, il a été
intéressant de vérifier si la relation Force Vitesse globale (du cycle entier) se retrouve dans les
différents cadrans. Il a aussi été question de la répartition de la force au cours du cycle de
pédalage, c'est-à-dire de voir quelle part de la force totale chaque cadran occupait ?
A partir de la force efficace Feff et de la force totale Ftot, nous avons pu considérer l’évolution
de l’IE sur le cycle entier et dans les différents cadrans. Nous considérons qu’une efficacité
supérieure permet d’accroître la force efficace et indirectement la puissance mécanique
produite. Dans ce contexte, l’étude de l’IE sur des efforts maximaux présente nombre
d’intérêts dans la mesure où on peut penser que plus l’effort est intense plus la notion
d’efficacité est importante. On peut se demander si l’IE est représentatif de la technique de
pédalage, voire même dans les cadrans, des stratégies empreintées par chacun ? Ou reste t-il
un paramètre biomécanique du pédalage ?
Dans une perspective d’entraînement ou éventuellement de détection, nous nous sommes
interrogé pour savoir si l’IE pouvait être considéré comme un critère représentatif du niveau
d’expertise. Pour cela, nous proposons de comparer une population de sprinters et une
population de routiers. Il s’agit de vérifier où contredire l’hypothèse selon laquelle les
sprinters présentent une efficacité supérieure à celle des routiers ?
8
3. Méthodes
3.1. Participants
Cette étude regroupe deux populations de cycliste : un groupe de 11 routiers homme de
niveau national / élite (2ème et 1ère catégorie de la Fédération Française de Cyclisme (FFC)) et
un groupe de 9 sprinters élites (1ère catégorie). Les caractéristiques anthropométriques des
participants prenant en compte l’age (années), la masse (kg), la taille (cm), le pourcentage de
masse grasse (Durnin et al. 1967 ; Durnin et Womersley 1974) et le volume des membres
inférieurs total (LV, en l) et dégraissé (LLV, en l) (Jones and Pearson’s, 1969) sont
synthétisées dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 : Caractéristiques anthropométriques des participants.
Sprinters
Routiers
Sujet
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
Moyenne
(Ecart type)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
Moyenne
(Ecart type)
Age
(années)
19
25
21
18
20
21
28
18
19
20
20
21
(3)
19
21
19
22
23
22
20
28
19
21
(3)
Masse
(Kg)
59
65
69
65
66
63
83
68
64
75
68
68
(6)
79
91
77
77
88
82
89
93
77
84
(7)
Taille
(cm)
176
170
186
178
185
175
178
185
180
190
185
181
(6)
176
181
174
178
182
188
180
183
180
(4)
Masse
grasse
(%)
8,5
9,2
9,5
12,8
9,8
8,1
14,6
6,9
10,4
6,6
9,9
9,7
(2,4)
11,0
10,5
9,1
12,2
14,8
12,6
11,3
14,5
10,7
11,9
(1,9)
LV
(l)
7,73
8,6
10,59
8,09
8,47
7,59
12,02
8,83
9,24
10,05
9,22
9,1
(1,33)
9,77
13,56
10,7
9,31
11,58
10,33
12,01
12,78
10,37
11,16
(1,42)
LLV
(l)
7
7,91
8,94
6,89
7,44
6,96
9,81
8,06
8,43
9,13
7,9
8,0
(0,96)
8,00
11,18
8,85
7,61
9,67
8,66
9,8
10,66
8,55
9,22
(1,19)
9
3.2. Protocole
Après un échauffement de 15-20 minutes, les cyclistes effectuaient sur la même bicyclette
ergométrique une série de 3 tests d’intensité maximale et d’une durée de 5-7 secondes
entrecoupés d’une récupération de 5-7 minute, suffisamment importante pour permettre une
récupération relativement complète des stocks de créatine phosphate. Les conditions de
compétition étant favorisées, chaque sprint était réalisé en position assise et avec des pédales
automatiques. Les trois sprints sont effectués à trois niveaux de résistances différents en ordre
aléatoire, moment résistant qui correspond à 0 ; 0,6 et 0,9 N.Kg-1 de masse corporelle.
Le sprint à résistance nulle était débuté lancé à 90-100 rpm pour réduire la phase
d’accélération de la roue.
3.3. Matériels
L’étude a été réalisée sur une bicyclette ergométrique de type Lode Excalibur Sport, sur
laquelle a aussi été monté une paire de pédale instrumentée permettant de mesurer l’ensemble
des forces appliquées sur la pédale. (Figure 7)
Cette paire de pédale dynamométrique est apte à recevoir des cales automatiques dont on voit
une photo en Figure 7. Les pédales sont munies de jauges qui enregistrent en volt les valeurs
de forces tangentielles (en X, i.e horizontalement d’avant en arrière) et normales (en Z,
verticalement de haut en bas) appliquées sur la pédale. Un encodeur fixé sur la pédale permet
de connaître la position angulaire de celle-ci par rapport à la manivelle. Les composantes
efficace, Force efficace F(eff) perpendiculaire à l’axe longitudinal de la manivelle et inutile,
Force inutile F(inu) dans l’axe de la manivelle, ainsi que la résultante de ces deux force, la
force totale F(tot) sont calculées par trigonométrie. L’ensemble des données est enregistré à
1000 Hz via un système d’acquisition de données ISAAC.
Figure 7 : matériels utilisé ; A gauche, la
bicyclette ergométrique Lode Excalibur Sport
Pédale dynamométrique, a droite la pédale
instrumenté
Plus précisément, un potentiomètre fixé sur le cadre et relié à l’axe de la manivelle par une
courroie permet de connaître la position de la manivelle dans le cycle (en °). La
synchronisation à partir d’un top tour et le signal d’acquisition du déplacement de la
manivelle apporte alors les données de vitesse (en m.s-1, puis en rpm), que l’on peut
maintenant couplées aux données de forces efficaces acquises par les pédales instrumentés
pour en déduire les données de puissance.
10
3.4. Méthode de calcul
3.4.1. Cycle entier
Les relations Force Vitesse et Puissance Vitesse (Figure 6) ont été modélisé respectivement
par une régression linéaire et une régression polynomial du 2ème degré. (Méthode des
moindres carrés). A partir de la relation Force Vitesse, par prospective on peut observer une
valeur de Vmax et de même en rétrospective on obtient Fmax. A partir de la relation
Puissance Vitesse, la puissance maximale Pmax et la vitesse optimale Vopt lui correspondant
sont obtenues par dérivation mathématique, la dérivée étant nulle en ce point. (Dorel et al.
2005).
Les relations Force Vitesse et Puissance Vitesse moyennes des deux populations ont été tracé
en absolu respectivement de force (N) et de puissance (W) en fonction de la fréquence de
pédalage (en nombre de rotation par minute (rpm)).
L’IE est calculé suivant IE = (F (eff) / F (tot)) x 100. On va étudier l’évolution de l’IE en
fonction de la fréquence de pédalage, en valeur absolue d’une part, et en normalisé d’autre
part, selon la valeur de Vmax de chacun.
3.4.2. Par cadrans
Les cadrans sont définis par l’angulation : le cadran allant de 30° à 150° correspond à la phase
de poussée, de 210° à 330° à la phase de traction, et les cadrans de 150° à 210° et de 330° à
30° aux phases de transition, respectivement au point mort bas et au point mort haut.
Pour chaque cadran dans la relation Force Vitesse, on a moyenné les deux populations en
absolu de force (N) et de vitesse (rpm). Cependant, nous nous sommes contenté à l’étude des
cadrans de poussé et de traction, une relation linéaire décroissante étant encore exploitable (r²
(30°-150°) = r² (210°- 330°) = 0,99). Nous présentons visuellement seulement la relation force vitesse
dans les deux phases de transition. La relation Puissance Vitesse par cadran n’a pas été
abordée.
En conséquence, l’IE n’a été étudié que sur les cadrans de poussée et de traction. On a
moyenné l’IE de chaque population et on a tracé la relation en fonction de la fréquence de
pédalage normalisée par rapport à la Vmax de chacun des cyclistes.
11
4. Résultats
4.1. Analyse sur le cycle entier
4.1.1. Relation Force efficace Vitesse et Puissance Vitesse
La figure 8 présente un une première comparaison visuelle entre les deux populations des
relations force vitesse (FV) et puissance vitesse (PV) sur le cycle entier par l’intermédiaire de
deux sujets représentatifs.
Figure 8 : Exemple de relation force et puissance vitesse sur le cycle entier sprinter vs routier
Les valeurs de Pmax (absolue en W et relative en W/Kg), de Fmax (N), de Vmax (rpm) et de
Vopt (rpm) sont significativement supérieures chez les sprinters sur le cycle entier (p<0,001).
L’ensemble des valeurs est relaté dans le tableau 2.
12
Sprinters
Routiers
Tableau 2 : Valeurs individuelles de puissance maximale (Pmax), Force maximale (Fmax), vitesse
maximale (Vmax) et Fréquence optimale (Vopt) obtenues au cours des tests Force Vitesse.
Pmax (W)
Pmax (W/Kg)
Fmax (N)
Vmax (rpm)
Vopt (rpm)
Sujet
892,1
15,1
823,5
244
122,6
R1
1116,9
17,2
1045,8
240,6
120,6
R2
1163,7
16,9
1144,8
229,4
115
R3
919,5
14,1
868,1
238,7
119,6
R4
1026,1
15,5
922,8
250,6
125,9
R5
951,3
15,1
910
234,8
117,4
R6
1351,9
16,3
1128,9
242,5
132,5
R7
1096
16,1
1024,5
239,5
119,3
R8
921,1
14,4
939,9
218,7
108,9
R9
1172,6
15,6
1106,3
236,8
118,1
R10
785,8
11,6
808,1
215,2
106,7
R11
Moyenne
(Ecart type)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
Moyenne
(Ecart type)
1036
(161)
15,3
(1,6)
974
(121)
235
(10)
118
(7)
1800,2
1992,9
1480,7
1644,9
1803,7
1718,9
2030,4
2029,5
1584,4
22,7
21,9
19,2
21,4
20,5
21,0
22,8
21,7
20,7
1522,5
1702,1
1282,5
1487,6
1548,6
1497,1
1708,2
1696,2
1404,3
264,8
265,3
257,6
246,6
262,0
256,6
265,8
263,3
251,6
132
133,5
128
122,5
131,2
127,8
132,2
130,3
125,2
1787
(200) ***
21,3
(1,1) ***
1538
(145) ***
259
(6) ***
129
(3) ***
4.1.2. IE
L’indice d’efficacité du pédalage (IE) représente le ration entre la force efficace (Feff) et la
force totale (Ftot). La figure 9 présente un exemple d’évolution de la force efficace Feff et de la
force totale Ftot sur la pédale droite au cours d’un sprint réalisé avec une résistance faible.
Figure 9 : Exemple d'évolution de la force efficace et de la force totale au cours d'un sprint
13
On remarque que plus la fréquence de pédalage augmente plus l’écart entre la force efficace
Feff et la force totale Ftot augmente également, ce qui témoigne d’une diminution de l’IE avec
l’augmentation de la fréquence de pédalage.
La figure 10 retrace l’évolution de l’IE moyenné sur le cycle entier en fonction de la
fréquence de pédalage absolu (rpm) et normalisé par rapport à la Vmax de chacun pour les
deux populations.
Figure 10 : A gauche : Comparaison des IE moyen sprinters vs routiers en fonction de la vitesse absolu ; A droite :
IE moyen en fonction de la vitesse normalisé par rapport à la Vmax de chacun
Les IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax), à Vopt (à V=50% de Vmax) et de
vitesse (V=81% de Vmax) sont retranscrit dans le tableau 3. Il n’y a pas de différence
significative entre les IE (V31) et IE (Vopt) (p=NS). Seul l’IE (V81) est significativement supérieurs
chez les sprinters (p<0,05).
Tableau 3 : IE normalisé en fonction de Vmax
Sujet
IE (V31)
Moyenne
78,8
Routiers
(1,7)
(Ecart type)
Moyenne
78,3
Sprinters
(1,7)
(Ecart type)
IE (Vopt)
IE (V81)
73,4
(4,2)
31,9
(6,0)
75,1
(2,1)
37,2
(4,6) *
14
4.2. Analyse par cadrans
4.2.1. Relation Force efficace Vitesse
La figure 11 décrit les relations Force efficace Vitesse moyennes sur l’ensemble de chaque
population en absolu de force (N) et de vitesse (rpm) sur chaque cadrans.
Figure 11 : Relation Force efficace Vitesse dans les 4 cadrans
Visuellement, il apparaît que la force efficace est supérieure chez les sprinters dans tous les
cadrans sauf à vitesse élevée au point mort bas. On retrouve une relation linéaire décroissante
dans les cadrans de poussée et de traction pour lesquels on peut déterminer les valeurs de
Fmax et de Vmax.
15
Les valeurs de Fmax (N) et de Vmax (rpm) des cadrans de poussée et de traction sont
significativement supérieures chez les sprinters comparées aux routiers (p<0,001). Elles sont
regroupées dans le tableau 4.
Tableau 4 : Valeurs de Fmax (N) et de Vmax (rpm) dans les cadrans de poussée (30°-150°)
et de traction (210°-330°)
Sujet
Phase de poussée
Phase de traction
Fmax
Vmax
Fmax
Vmax
Moyenne
719,8
232,4
151,5
162,7
Routiers
(114,7)
(15,0)
(17,1)
(16,8)
(Ecart type)
Moyenne
1097,1
260,5
255,7
197,5
Sprinters
(101,2) ***
(11,3) ***
(39,0) ***
(14,6) ***
(Ecart type)
La figure 12 présente la relation force vitesse dans les cadrans de poussée et de traction de
façon normalisé par rapport à la Fmax (% de Fmax) et de Vmax (% de Vmax)
Figure 12 : Relation force vitesse normalisée par rapport à la Fmax et à la Vmax de chacun
En poussé, les routiers ont une contribution de la force significativement supérieure à celle
des sprinters (p<0,05) avec une valeur de Fmax (30°-150°) 2% plus élevée. Il n’y a pas de
différence notable Vopt et à Vmax (p NS). L’écart reste très faible par rapport à la valeur de la
contribution de la phase de poussée (75% de la production totale)
En traction, les valeurs de force à Fmax, Vopt et Vmax sont significativement supérieurs chez
les sprinters (p<0,05), à hauteur de 20%.
16
4.2.2. Indice d’efficacité sur les cadrans de poussée et de traction
Les cadrans de poussée et traction étant étudiés au cours de la relation Force Vitesse, nous
nous somme penché sur l’IE dans ses mêmes cadrans, comme présenté dans la figure 13.
Figure 13 : A gauche : IE moyen sprinters vs routiers sur la poussée ; A droite : IE moyen sprinters vs
routiers sur la traction
Les IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax) sur la phase de poussé et aux points
extrêmes de vitesse (V=81% de Vmax) dans la phase de traction sont significativement
supérieurs chez les sprinters (respectivement p<0,01 et p<0,001).
L’ensemble des valeurs des IE aux points extrêmes de force (à V=31% de Vmax), à Vopt et
aux point extrêmes de vitesse ((V=81% de Vmax) sont retranscris dans le tableau 5.
Tableau 5 : IE en fonction de Vmax sur les cadrans de poussée (30°-150°) et de traction (210°330°)
IE par cadrans
Phase de poussée
Phase de traction
Sujet
IE (V31) IE (Vopt) IE (V81) IE (V31) IE (Vopt)
IE (V81)
Moyenne
86,5
84,3
66,3
89,4
71,5
-26,1
Routiers
(1,2)
(2,6)
(11,2)
(5,4)
(17,8)
(10,2)
(Ecart type)
Moyenne
87,8
83,4
75,2
89,2
81,4
-5,0
Sprinters
(0,6)
**
(1,0)
(7,3)
(2,7)
(6,6)
(14,7)
***
(Ecart type)
17
5. Discussion
5.1. Relation force vitesse et puissance vitesse sur le cycle entier
Les valeurs de Vopt (rpm) des routiers (Vopt = 118 ± 7 rpm) sont en accords avec les
publications précédentes (Sargeant et al. 1981 ; 1984 avec une Vopt = 119 rpm ; Arsac et al.
1996 où Vopt = 125 ± 9 rpm ; Hautier et al. 1996 120 ± 8 rpm). En revanche, les Pmax
absolue (W) et relative au poids de corps (W.kg-1) sont nettement supérieurs (Cf. Tableau 2) à
celles obtenues par Sargeant et al. 1981 et Arsac et al. 1996 (Pmax absolue = 868 W et Pmax
relative = 11,52 W/Kg) et légèrement supérieurs à celles obtenues chez une population de
cyclistes par Hautier et al. 1996 (Pmax relative = 14,36 ± 2,37 W/Kg) et Dorel et al. 2003
(Pmax relative = 12,80 W/Kg). Nous expliquons les différences par le protocole d’une part
(test force vitesse effectué sans pédales automatiques, traitement et acquisition des données à
200Hz et uniquement dans la phase de descente) et en ce qui concerne les deux premiers
auteurs par la population étudiée non spécialiste. La différence vis-à-vis du dernier auteur
peut aussi s’expliquer par le niveau des routiers de notre étude successible d’être supérieur.
Pour les sprinters, les valeurs de Vopt (rpm), de Pmax absolue (W) et relative au poids de
corps (W/Kg) sont en accords avec les résultats obtenus par Dorel et al. 2005 (Pmax absolue
= 1600 ± 116 W et Pmax relative = 19,3 ± 1,3 W/Kg et Vopt = 129,8 ± 4,7 rpm) et Gardner et
al. 2007 (Pmax absolue = 1791 ± 0,01% Pmax relative = 20,82 W/Kg et Vopt = 128 rpm ±
0,2%)
Les sprinters sont en tout point supérieurs : ils sont plus forts (la Fmax (N) des sprinters est
58% supérieurs à celle des routiers), plus véloces (la Vmax et la Vopt en conséquence (en
rpm) des sprinters sont 10% supérieurs à celles des routiers), plus puissants (Pmax relative (en
W.kg-1) des sprinters sont 40% supérieurs aux Pmax des routiers). Ses écarts sur la relation
force vitesse en absolue tendent à décroître avec la vitesse.
Nous pensons que l’écart en force est dû au volume des membres inférieurs significativement
supérieurs chez les sprinters que chez les routiers (respectivement p=0,025 (dégraissé en
LLV) et p=0,027 (total en LV)). Ceci est en accord avec ce que Mc Lean and Parker, 1989 qui
montrent que les caractéristiques anthropométriques de 35 sprinters élites australiens qui sont
significativement plus lourd, plus fort et qui ont des tours de cuisse, de bras et de jambes plus
importante que les cyclistes d’endurance.
Pour les valeurs de vitesse, la littérature révèle que Vmax et Vopt dépendent de la typologie
musculaire et notamment du pourcentage de fibres Fast Twitch (FT). Thorstenson et al. 1976
ont démontré que les sujets avec un plus grand pourcentage de fibres FT produisaient un plus
grand pic de force et une plus grande Vmax que des sujets à dominante fibres Slow Twitch
(ST), repris par Sargeant et al. 1984. Mc Cartney et al. 1983 et Sargeant 1994 qui ont montré
que les sujets présentant un pourcentage de FT plus important ont une Vopt plus élevée,
confirmé chez une population de cycliste par Hautier et al. 1996.
L’étude permet aussi d’analyser plus en détails la relation force vitesse dans les différentes
phases du cycle, plus précisément dans les phases de poussée et de traction.
18
5.2. Relation force vitesse sur les cadrans de poussée et de traction
Une régression linéaire liant la force et la vitesse se retrouve dans les cadrans de poussée et de
traction (r²>0,99) (Figure 11 et 12).
•
En absolu
En absolu, les valeurs de force dans la phase de poussée des routiers (Cf. Tableau 4 et Figure
11) sont indirectement en accords avec les résultats obtenus par Hautier et al. 1996
(Downstroke Force = 835,5 N à 20 rpm, soit 12,75 N/Kg). Pour cause, dans leur étude il n’y a
pas de dissociation des deux jambes. Les données de la phase de poussée décrite sont
l’addition de la poussée d’une jambe et de la traction de l’autre.
Dans la traction et pour les efforts sous maximaux, la force devient négative dans les vitesses
élevées (> à 90 rpm selon Neptune et Herzog 1999). Ici et dans le cas d’exercices maximaux,
la force devient aussi négative mais à partir de fréquence de pédalages plus élevés,
respectivement pour les routiers 160 rpm et 202 rpm pour les sprinters (Figure 11).
•
En relatif
Les données relatives de chaque cadran décrivent la contribution de chaque cadran dans la
production de la force totale produite sur le cycle entier. Il semble intéressant de voir quelle
est la part de la phase de poussée, de la traction, des points morts et comment chacun d’eux
évoluent en fonction de la vitesse (Cf. Figure 12)
Nous présentons en figure 14 la contribution de chaque cadran à la production de la force
normalisé en fonction du % de Vmax et ceci pour chacune des deux populations.
Figure 14 : Contribution des cadrans de poussée et de traction à la production de la force normalisé en
fonction de Vmax
19
Kautz et al. 1991 ont décrit que 98,6% du travail total est effectué lors de la phase
descendante à faible puissance alors que cette contribution diminue à 96,3% lors d’un
exercice effectué à puissance élevée. Cette baisse de contribution de la phase descendante est
en partie comblée par l’augmentation de la part de la phase de traction qui augmente avec la
puissance. Nous pensons d’abord que nos données sont quelque peu inférieures étant donné
que la phase descendante décrite par Kautz et al. 1991 comprend aussi les phases de transition
que nous avons choisi de séparer de notre étude.
Aucune étude n’a révélé la contribution de chaque secteur à la production de la force dans les
efforts maximaux. Pour notre part, la phase de poussée est beaucoup plus faible comparé aux
efforts sous maximaux. Elle reste même relativement stable, à hauteur de 75% de la force
totale produite sur le cycle entier. Les sprinters ont une contribution de la poussée qui se
maintient y compris dans les hautes vitesses contrairement aux routiers qui chute une fois
passé Vopt (p<0,001).
La contribution de la phase de traction se montre plus importante lors d’efforts maximaux
(12% de la force totale produite sur le cycle entier) comparé aux valeurs presque négligeables
(2-3% selon Kautz et al. 1991) obtenues lors d’efforts sous maximaux.
Les sprinters tirent plus, c’est à dire maintiennent une part de traction plus importante surtout
dans les vitesses élevées et limitent ainsi la phase négative du cycle de pédalage. Nous
pensons que le travail de vélocité et notamment les exercices de survitesse qu’effectuent les
sprinters apportent une coordination neuromusculaire supérieure dans les vitesses élevées.
5.3. IE
5.3.1. Sur le cycle entier
Grâce aux auteurs qui ont traité de cette problématique d’efficacité de pédalage (Lafortune et
Cavanagh 1983 ; Patterson et al. 1983 ; Patterson et Moreno 1990 ; Sanderson 1991, Coyle et
al. 1991…), il est admis que l’IE augmente avec la puissance mais diminue avec
l’augmentation de la fréquence de pédalage pour un niveau de puissance donnée.
Dans le cas d’un exercice sous maximal, Patterson et Moreno 1990 ont donc démontré cette
double affirmation : A partir de deux niveaux de puissances, respectivement 100 et 200 W et
par augmentation de la fréquence de pédalage par incrément de 10 rpm entre 60 et 120 rpm,
ils ont donc obtenu les IE suivants ; respectivement pour 100W une décroissance linéaire de
46% à 16% et de 53% à 26% pour une puissance de 200W (Figure 15). Sanderson 1991 a
aussi montré cela chez des cyclistes compétiteurs réalisant des exercices à 100 Watts et à 235
Watts où l’IE augmente respectivement de 32% à 56%.
20
Figure 15 : IE en fonction de la fréquence de pédalage (60-120 rpm) à deux niveaux de
puissance, respectivement 100 et 200W, Patterson et Moreno 1990.
Cette diminution de l’IE avec l’augmentation de la fréquence de pédalage est due à
l’augmentation de force négative dans la phase de traction (Neptune et Herzog 1999). Ceci est
à mettre en parallèle avec l’étude de Korff et al. 2007 qui ont démontré que la technique de
pédalage affecte significativement l’IE. A 200W et à 90 rpm, lorsque les participants ont pour
consigne de tirer sur la pédale pendant la phase de traction (« pulling conditions »), l’IE est
alors à hauteur de 62,4 % (±9,8). Dans les 3 autres conditions (« prefered », « circling » and
« pushing »), l’IE atteint 48.2% (±5,1).
Dans notre cas, l’IE diminue également avec l’augmentation de la vitesse, de 78% dans les
faibles fréquences de pédalage (31% de Vmax) à respectivement 31% pour les routiers et 37%
pour les sprinters dans les vitesse élevées (81% de Vmax) (p<0,05). En revanche, on voit ici
que les valeurs d’IE sont nettement supérieures dans notre étude. Ceci pourrait être expliqué
par le type d’effort maximale et des valeurs de puissances maximales obtenues (Cf. Tableau
2).
Nous émettons l’hypothèse que la capacité des sprinters à produire un IE significativement
supérieurs dans les vitesses élevées est due à une meilleure coordination neuromusculaire
d’une part et à une capacité à limiter les forces négatives dans la phase de traction d’autre
part, ce que nous avons mis en évidence dans le paragraphe précédent. Cela constitue un
paramètre explicatif d’une force efficace supérieure des sprinters aux vitesses élevées.
5.3.2. Sur les cadrans de poussée et de traction
Coyle et al. 1991 ont étudié l’IE sur ces deux cadrans dans les efforts sous maximaux sur
deux groupes de cyclistes sur route, respectivement une population élite (groupe 1) et une
population nationale (groupe 2). Ils ont obtenu un IE pour le cadran de poussée (défini par
l’angulation 0°-180°) de 70,8% pour le groupe 1 et de 74,8% pour le groupe 2.
Dans notre étude, l’IE avoisine les 85% pour les deux populations.
21
Coyle et al. 1991 ont montré un IE dans la phase de traction définie par l’angulation 180°360° de 63,5% pour le groupe 1 et 69,3% pour le groupe 2.
Dans notre étude, l’IE dans la phase de traction est très élevé aux faibles fréquences de
pédalage, au même titre que la phase de poussée (85%). Visuellement les sprinters présentent
un plateau d’efficacité jusqu’à Vopt contrairement aux routiers qui perdent très rapidement de
leur efficacité. Cependant, les données ne sont pas significative (p=0,22 NS). Les sprinters ont
un IE significativement supérieur de 19% en Vmax (p<0,001) avec respectivement un IE
négatif de -5% pour les sprinters contre -26% pour les routiers. L’IE devient négatif à 78% de
Vmax pour les sprinters contre 68% de Vmax pour les routiers. Cela peut être un facteur
explicatif de la diminution de l’IE sur le cycle entier dans la mesure où l’IE sur la phase de
poussée reste stable à 80-85% jusqu’à 70-80% de Vmax.
6. Conclusion
L’étude a confirmé que les sprinters sont significativement plus forts (1538 N ±145 vs 974
±121), plus véloces (259 rpm vs 235 rpm) et plus puissants (21,3 W/Kg vs 15,3 W/Kg) que
les routiers en absolu et sur le cycle entier. La relation linéaire liant la force et la vitesse se
retrouve dans les cadrans de poussée et de traction, mais pas dans les phases de transition.
L’analyse de ces deux cadrans conclus qu’ils tirent surtout plus que les routiers.
Elle a présenté aussi la contribution de chaque cadran à la production de la force totale en
fonction de la vitesse et non en fonction de l’angulation (de la région du cycle) comme l’on
fait nombre d’auteurs (Kautz et al. 1991, Coyle et al. 1991, David Hull 1981, Cavanagh et
Sanderson 1996…). Nous avons montré que la phase de traction a une contribution plus
importante à la production de la force totale produite sur le cycle entier dans les efforts
maximaux (12%) par comparaison à la part négligeable que l’on peut lui apporter dans les
efforts sous maximaux (Kautz et al. 1991). La phase de poussée se stabilise à hauteur de 75%
de la production de la force totale.
Les conclusions des auteurs ayant traité de la thématique de l’IE concernant l’affirmation que
l’IE diminue avec l’augmentation de la fréquence de pédalage ont été confirmées dans les
efforts maximaux, de 78% à respectivement 37% pour les sprinters et 31% pour les routiers.
Ceci est expliqué par l’IE dans la phase de traction diminuant brutalement passé Vopt et
devenant négatif jusqu’à respectivement -5% pour les sprinters et -26% pour les routiers à des
fréquences de pédalages proches de Vmax. L’IE dans la phase de poussée tend à rester stable
à 85%.
Coyle et al. 1991 ne considère pas l’IE comme représentatif de la technique de pédalage étant
donné la complexité du mouvement de pédalage qui doit prendre en compte aussi les aspects
de cinématiques, de dynamique et de coordination musculaire en plus du fait de l’orientation
de la force efficace, pour faire ressortir la véritable efficacité du pédalage.
Sur des efforts sous maximaux Coyle et al. 1991 et Sanderson 1991 ont démontré que l’IE
était indépendante de la performance et du niveau d’expertise. Dans une perspective
d’application pratique pour l’entraînement, nous reposons la question de savoir si l’IE peut il
être considéré comme un facteur de performance dans les exercices maximaux étant donné
que cette affirmation se retrouve aux fréquences de pédalage faibles proche de Fmax mais
qu’elle tend à être fausse à des fréquences de pédalage élevées proche de Vmax.
22
Bibliographie
Arsac LM, Belli A, Lacour JR. Muscle function during brief maximal exercise: accurate
measurements on a friction-loaded cycle ergometer. Eur J Appl Physiol 1996; 74: 100–106
Capmal S., H. Vandewalle. EurJ Appl Physiol 1997 76 ; 375-79. Torque-velocity relationship
during ergometer sprints with and without toe clips.
Cavanagh PR, Sanderson DJ. The biomechanics of Cycling : studies of the pedaling
mechanics of elite pursuit riders. In E.R Burke (Ed), The science of cycling 1986: 91-122.
Champaign, IL: Human kinetics
Coyle EF, Feltner ME, Kautz SA, Hamilton MT, Montain SJ, Baylor AM, braham LD, Petrek
GW. Physiological and biomechanical factors associated with elite endurance cycling
performance. Med Sci Sports Exerc 1991; 23: 93–107
Davis, R.R., & Hull, M.L. Journal of Biomechanics 1981 14 (12), 857-72. Measurement of
pedal loading in bicycling: II. Analysis and results.
Dorel S, Bourdin M, Van Praagh E, Lacour JR, Hautier CA. Influence of two pedalling rate
conditions on mechanical output and physiological responses during all-out intermittent
exercise. Eur J Appl Physiol 2003; 89: 157–165
Ericson, M.O., & Nisell, R. (1988). Efficiency of pedal forces during ergometer cycling.
International Journal of Sports Medicine, 9(2), 118-22.
Guillaume Mornieux, Karim Zameziati, Elodie Mutter, Régis Bonnefoy, Alain Belli. Journal
of Biomechanics 2005.20.03 A cycle ergometer mounted on a standard force platform for
three dimensional pedal forces measurement during cycling
Hautier CA, Linossier MT, Belli A, Lacour JR, Arsac LM. Optimal velocity for maximal
power production in non-isokinetic cycling is related to muscle fibre type composition. Eur J
Appl Physiol 1996; 74: 114–118
Hintzy F, Belli A, Grappe F, Rouillon JD. Optimal pedalling velocity characteristics during
maximal and submaximal cycling in humans. Eur J Appl Physiol 1999; 79: 426–432
Hull M. L. and M. Jorge A method for biomechanical analysis of bicycle pedalling. Journal of
Biomechanics 1985 Vol 18 No 9, pp 631-644
Kautz, S.A., Feltner, M.E., Coyle, E.F. and Baylor, A.M. The pedalling technique of elite
endurance cyclists: changes with increased workload at constant cadence. Journal of Sport
Biomechanics, 7, 29–53 (1991).
Korff T. , Lee M. Romer, Ian Mayhew, and James C. Martin. Effect of pedalling technique on
mechanical effectiveness and efficiency in cyclists. Med Sci Sports Exerc. 2007
Lafortune, M.A. and Cavanagh, P.R.. Effectiveness and efficiency during bicycle riding. In
Biomechanics VIIB: International Series on Biomechanics 4B pp. 928–936. 1983
23
Lafortune, M.A., Cavanagh, P.R., Valiant, G.A. and Burke, E.R. A study of the riding
mechanics of elite cyclists. Medicine and Science in Sports and Exercise, 15, 113. (1983).
McLean BD, Parker AW. An anthropometric analysis of elite Australian track cyclists. J
Sports Sci 1989; 7: 247–255
Neptune RR, Herzog W. The association between negative muscle work and pedalling rate. J
Biomech 1999; 32: 1021–1026
Patterson, R.P., & Moreno, M.I. Bicycle pedalling forces as a function of pedalling rate and
power output. Medicine & Science in Sports & Exercise, 1990. 22(4), 512-6.
Sanderson DJ. The influence of cadence and power output on the biomechanics of force
application during steady-rate cycling in competitive and recreational cyclists. J Sports Sci.
1991 summer; 9(2):191-203.
Sanderson, D.J. and Cavanagh, P.R. An investigation of the effectiveness of force application
in cycling. Medicine and Science in Sport and Exercise, 17, 222. (1985).
Sargeant AJ, Hoinville E, Young A. Maximum leg force and power output during short-term
dynamic exercise. J Appl Physiol 1981; 51: 1175 – 1182
Alf Thorstensson, Gunnar Grimby and Jan Karlsson. Force-velocity relations and fiber
composition in human knee extensor muscles. Journal of applied physiology Vol 40 No1
January 1976
Vandewalle H, Peres G, Heller J, Panel J, Monod H. Force-velocity relationship and maximal
power on a cycle ergometer. Correlation with the height of a vertical jump. Eur J Appl
Physiol 1987; 56: 650–656
Van Soest O, Casius LJ. Which factors determine the optimal pedalling rate in sprint cycling?
Med Sci Sports Exerc 2000; 32: 1927–1934
24