Activité d`enseignement et de recherche. Supports de cours à
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Activité d`enseignement et de recherche. Supports de cours à
L1 UE 22 A. Bases de mécanique : application au mouvement humain Objectif : Comprendre le mouvement humain pour pouvoir l’optimiser 20 h CM cours magistraux (3h pendant le stage puis le jeudi) Bibliographie conseillée 1/ Lamendin H,et Couteix D. In: Masson, ed. Biologie et pratiques . sportives. Paris : Masson, 1995, pp 24-42 2010 2/ di prampero P., Chapitre sur les locomotions humaines, dirigé par Rieux, PUF, Bioénergétique exercice musculaire 1988 [email protected] Support de cours : http://robin.candau.free.fr 3/ http://www4.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed/ Records du monde dans divers modes de locomotion Plan • • • • • Records du monde 80 Vitesse (km/h) Introduction Conversion de l’énergie chimique en mécanique et définitions Travail contre les forces de friction Travail potentiel Travail cinétique Conservation d’énergie Travail et fatigue • Marche Course 60 40 Patinage Cyclisme 20 0 0 20000 40000 60000 Distance (m) Vitesse (km /h) R e cords du m onde 80 M arche 60 C ourse 40 P atinage 20 C yclism e 0 0 20000 40000 60000 Coût énergétique et Performance Coût énergétique et Performance D istance (m) Les vitesses maintenues sont éminemment différentes entre les modes de locomotion. Or Les aptitudes énergétiques des athlètes de l ’élite sont similaires quelque soit le mode de locomotion. Donc Le coût énergétique (C) est très différent d ’un mode de locomotion à l ’autre. Coût énergétique ≈ consommation d ’essence pour 100 km Le coût énergétique définit l ’économie de déplacement dans la locomotion Il représente la quantité d ’énergie consommée pour parcourir 1 m et transporter 1 kg de masse corporelle 1 Coût énergétique et Performance V = Performance en m.s-1 Parce qu’il existe une équivalence entre les ml O2 et les J (1ml ∼ 20,9 J), alors les facteurs de la performance peuvent être exprimés de la façon suivantes : Puissance métabolique en J.s-1.kg-1 E& C Performance en m.min-1 Coût énergétique en J. kg-1 . m-1 Puissance consommée en mlO2.min1.kg-1 E& V = C Coût énergétique en mlO2.m-1 .kg-1 Vue Synthétique V = W aéro E& C W friction W potentiel W cinétique W interne Un honnête homo stapiens sapiens possède une consommation maximale d’oxygène de 55 mlO2.min -1.kg-1 (VO2max). Sachant que : • • Locomotion à htes vitesses Locomotions appareillées Locomotions en côte Locomotions pédestres et sprints Où la fréquence est grande son métabolisme de base est de 5 mlO2.min-1.kg-1 qu ’il est capable de courir pendant 7 min en maintenant 100% de sa VO2max, et • Son coût énergétique est 0.20 ml.m -1.kg -1 quelle est sa vitesse maximale sur une épreuve de 7 min ? Natation Chez des athlètes de niveau homogène En condition aérobie Varie peu E& V&O2max −V&O2repos V= = C C = 55 − 5 = 250 m . min 0 , 20 −1 V = E& C Varie plus = 15 km . h − 1 Le coût énergétique et ses facteurs mécaniques sont des éléments essentiels de la performance 2 Performance ? Deux coureurs disposent des mêmes aptitudes énergétiques (VO2max = 55 ml/min/kg). Marcel possède un coût E& C En appliquant l ’équation 1 pour Marcel : V = V ( m / min) = V& O 2 max − V& O 2 base ( ml . min C ( ml . kg − 1 . m − 1 ) −1 . kg −1 ) En remplaçant chacun des termes par sa valeur : énergétique de 0.20 ml/kg/m et René le second un de 0.15 ml/kg/m, quelles sont leurs vitesses respectives maintenues sur 7 min? = V ( km / h ) = 55 − 5 ( ml . min − 1 .kg − 1 ) = 250 ( m / min) 0 . 20 ( ml .kg − 1 . m −1 ) 250 * 60 1000 = 15 km / h Bilan En remplaçant chacun des termes pour René 55 − 5 ( ml . min − 1 . kg − 1 ) V = = 333 ( m / min) 0 . 15 ( ml . kg − 1 . m − 1 ) V ( km / h ) = Pour de mêmes aptitudes énergétiques, le coureur le plus économique est le plus performant 333 * 60 = 20 km / h 1000 Le coût énergétique et ses facteurs mécaniques représentent des éléments essentiels de la performance Avec l ’entraînement ? ? E& V = C Avec l ’entraînement ? Dépense d ’énergie par unité de temps 4 ans d’entraînement Varie modestement V ? Vitesse (m/s) = E& C Varie beaucoup 3 Avec l ’entraînement V = Varie lentement V = E& C W aéro E& C W friction W potentiel Avec l ’entraînement W cinétique W interne Varie plus facilement Les gains de performance dépendent principalement du coût énergétique et de ses facteurs mécaniques Les gains de performance dépendent principalement du coût énergétique et de ses facteurs mécaniques Le quiz Les performances lors des records du monde sont différentes d'un mode de locomotion à l'autre parce que : 1. les aptitudes énergétiques sont fondamentalement différentes entre les athlètes de l ’élite 2. le coût énergétique et ses facteurs mécaniques sont différents entre modes de locomotion 3. la fatigue musculaire augmente en fonction de la distance parcourue 4. le coût énergétique et les facteurs mécaniques représentent les éléments essentiels ? La performance dans les locomotions humaines dépend : 5. Du coût énergétique ? 6. Des aptitudes énergétiques de l'athlète ? 7. Du rapport du coût énergétique sur les aptitudes énergétiques de l'athlète ? 8. D'une multitude de facteurs et le rapport des aptitudes énergétiques sur le coût de la locomotion n'explique en réalité qu'une faible partie de la performance ? Quiz Quels sont les 5 principaux facteurs mécaniques de la performance dans la locomotion humaine ? V = Waérody Wroule Quiz Quel est le principal facteur mécanique de la performance en cyclisme sur terrain plat ? E& C Wpotentiel V = Wcinétique Winterne Waérody E& C roulement W potentiel W cinétique W interne 4 Quiz Quiz Quel sont les principaux facteurs mécaniques de la performance en course à pied (1/2 fond et fond) ? Quel est le principal facteur mécanique de la performance en côte ? E& V = C aérodynamique roulement W potentiel V = W cinétique W interne aérodynamique roulement W potentiel • • • • • Introduction Conversion Energie chimique en mécanique et définitions Travail contre les forces de friction Travail potentiel Travail cinétique Conservation d’énergie Travail et fatigue W cinétique W interne Conversion de l ’énergie chimique en mécanique Plan • E& C • • • • principes généraux de thermodynamique conversion de l ’énergie chez l’homme définitions rendement musculaire – Quantification de l ’énergie chimique – Rendement de la synthèse d’ATP – Rendement thermodynamique E substrats η synthèse ATP Chaleur E ATP η thermodynamique Chaleur η musculaire 30% E mécanique Principes de thermodynamique Conversion d’énergie chez l’homme E substrats – – – – Energie chimique Energie mécanique Energie thermique Etc. η synthèse ATP 60% E Thermique E ATP η thermodynamique 50% E Thermique • • Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme Transformation d ’un type d ’énergie en un autre s ’accompagne par la production d ’énergie thermique η musculaire 30% C E mécanique E Thermique Coût mécanique Déplacement 5 Quiz Coût mécanique Facteur essentiel du coût énergétique et de la performance • D’où vient l’énergie utilisée pour la locomotion? • Avec quelle efficacité l’énergie contenue dans les sucres et les graisses est-elle convertie en énergie mécanique? Orientation des forces dans le sens du déplacement Optimisation de la vitesse de contraction (Technique sportive) Coût énergétique vs. rendement E substrats η synthèse ATP 60% E Thermiqu e E ATP η thermodynamique 50% E Thermiqu e η musculaire 30% C E mécanique E Thermiqu e E substrats η synthèse ATP 60% E Thermiqu e E ATP η thermodynamique 50% E Thermiqu e C Définitions E mécanique E Thermiqu e Coût mécanique Déplacement Coût mécanique Déplacement • Coût énergétique assimilable à une économie de déplacement • Le rendement représente l’efficacité d ’un système à convertir un type d ’énergie en un autre. principes généraux de thermodynamique conversion de l ’énergie chez l’homme définitions rendement musculaire – Quantification de l ’énergie chimique – Rendement de la synthèse d’ATP – Rendement thermodynamique Coût énergétique • Rendement musculaire = • Rendement synthèse d’ATP = EATP/Esubstrat • Rendement thermodynamique = Eméca/EATP Chaleur ATP 38 x 30 kJ η synthèse ATP Chaleur η musculaire η thermodynamique 30% η synthèse ATP 40% η musculaire η thermodynamique Chaleur 20% Chaleur E ATP Eméca Esubstrat Rendement musculaire Glucose 2867 kJ E substrats = E& V • Conversion de l ’énergie chimique en mécanique • • • • η musculaire 30% E mécanique E mécanique 6 Quantification de l ’énergie chimique Chambre calorimétrique Energie fournie par les substrats • En condition aérobie – Méthode calorimétrique – Méthode de thermochimie respiratoire Pièce étanche Mesure de l’énergie électrique consommée pour maintenir une T° cste • En condition anaérobie – Méthode directe – Méthode du déficit cumulé en O2 – Méthode de Margaria – Méthode électro myographique Méthode quantification dépense d ’énergie aérobie La mesure de l'énergie libérée lors de la dégradation des substrats peut-être réalisée avec précision en l'absence d'oxydation de protéine et dans des conditions strictement aérobies. Helmut Newton Mesure Energie chimique consommée (६ connu) Production de chaleur lors de l’exercice Système de refroidissement asservi Equivalent énergétique du mlO2 (EO2) (i) glucide 1ml O2 EO2 glucide = 21,3 J . mlO2-1 21,3J consommés → E Mécanique (ii) lipide O2 1ml O2 EO2 lipide = 19,6 J . mlO2-1 E Substrats → E Mécanique 19,6 J consommés → E Mécanique VO2net ? Systèmes portables • Un cycliste se déplaçant à 40 km/h consomme 55 mlO2/kg/min. Quelle est sa consommation nette d ’O2 pour se déplacer? Mesure de la concentration d’O2 et de C02 dans les gaz expiré et évaluation du débit ventilatoire grâce à une turbine VO2net = 55-5 = 50 mlO2/min/kg 7 Puissance consommée pour se déplacer (E) ? Rendement musculaire ? • La puissance mécanique développée au niveau de la roue est de 300 W ou 4.3 W/kg (m=70 kg). Quel est le rendement musculaire? E (J/min/kg) = EO2 VO2net = 21.3 x 50 = 1065 J/min/kg E (J/s/kg) = 1065 / 60 = 17.8 W/kg η musculaire = Wméca/E = 4.3 / 17.8 = 0.24 Débit d’énergie (% max) Quantification de l ’énergie chimique 100 % ATP PCr Phosphorylation Oxydative Glycolyse Méthode directe Energie fournie par les substrats 10s 2 min Temps (min) • En condition aérobie Principe : mesure des variations des concentrations en ATP, Phosphocréatine et glycogène • Méthode invasive • Peu précise en raison des approximations nécessaires effectuées pour la masse musculaire active – Méthode calorimétrique – Méthode de thermochimie respiratoire • En condition anaérobie – Méthode directe – Méthode du déficit cumulé en O2 – Méthode de Margaria – Méthode électro myographique Conversion de l ’énergie chimique en mécanique • • • • ATP principes généraux de thermodynamique conversion de l ’énergie chez l’homme définitions rendement musculaire – Quantification de l ’énergie chimique – Rendement de la synthèse d’ATP – Rendement thermodynamique Glycolyse Glucose Relation de proportionnalité entre lactate produit et glucides consommés E substrats ATP η synthèse ATP Chaleur E ATP Chaleur E mécanique η musculaire η thermodynamique 30% Pyruvate O2 ATP lactate mitochondrie 8 Corrélation lactatémie performance Puissance consommée sur 400 m? Quelle est la puissance consommée par Collard, le meilleur coureur du groupe (45 s sur 400 m), sachant que sa VO2 est de 40 ml/min/kg en moyenne sur 400 ? 25 20 90 ELa = 3.3 mlO2.mM-1 (Record du monde 43’18’’ Margaria 1971 de Michael Johnson ) 100 Performance sur 400 m (% meilleure perf) Lactatémie (mM) Lactatémie (mM) 25 20 90 Méthode de Margaria (1971) Perf (%) 100 Parts aérobie et anaérobie? E (mlO /min/kg) = (VO2 -VO2repos) + (∆ [la]*ELa)/T 2 E= (40-5) Part aérobie : VO2net/E = 35/123 =28% Part anaérobie : 100-28 = 72% + (20*3,3)/0,75 (où T= 45 s = 0.75min) (mM) Lactatémie = 123 mlO2/min/kg 25 20 90 Perf (%) 10 0 Puissance consommée en W/kg ? • Quelle est la puissance consommée à partir des substrats sachant qu ’il s ’agit d ’un exercice d ’intensité élevée ? • R: EO2 = 21,3 J/mlO2 unité : W/kg = J/s/kg E = 123/60*21,3 = 43,7 W/kg Rendement musculaire ? Sachant que la puissance mécanique développée par Collard pour courir à une vitesse de 8,8 m/s est de 20 W/kg, quel est son rendement musculaire ? ηmusculaire = Wméca/E = 20 /43.7 = 0.46 Valeur >> au rendement du pédalage !? 9 Rendement en fonction du régime de contraction Conversion de l ’énergie chimique en mécanique 3 types d’action musculaire : 24% vs. • • • • principes généraux de thermodynamique conversion de l ’énergie chez l’homme définitions rendement musculaire – Quantification de l ’énergie chimique – Rendement de la synthèse d’ATP – Rendement thermodynamique 46% E substrats η synthèse ATP Chaleur E ATP η thermodynamique Chaleur η musculaire 30% E mécanique Rendement de la synthèse d’ATP en Rendement énergétique pour le glucose en présence d ’O2 condition anaérobie Glycolyse ATP Glucose E Glucose E Glucose 2867 kJ 2867 kJ η synthèse ATP anaérobie Chaleur ATP Pyruvate O2 Chaleur ATP lactate E ATP (48kJ) E ATP (48kJ) 2 ATP formés 38 ATP formés mitochondrie Glucose Bilan : 2 ATP synthétisés η synthèse ATP lors de la glycolyse + 10 aérobie paires d’atomes d’hydrogènes ATP correspondant à la O ATP Pyruvate formation de 36 ATP par les lactate phosphorylations oxydatives mitochondrie soit 38 ATP. 2 η synthèseATP = EATP/Esubstrat = (48x2)/2867= 3% η énergétique = EATP/Esubstrat = (48x38)/2867= 64% Conversion de l ’énergie chimique en mécanique • • • • Glycolyse ATP Rappel sur l’architecture du muscle principes généraux de thermodynamique conversion de l ’énergie chez l’homme définitions rendement musculaire – Quantification de l ’énergie chimique – Rendement de la synthèse d’ATP – Rendement thermodynamique E substrats η synthèse ATP Chaleur E ATP η thermodynamique Chaleur η musculaire 30% E mécanique http://www.artwiredmedia.com/elements/muscleb.jpg 10 Puissance développée par l’unité contractile Couplage excitation - contraction Sarcomère Force et travail Libération Ca2+ Sensibilité au Ca2+ Contraction RyR .......... .. Ca 2+ Myofilaments Réticulum sarcoplasmique Donald M. Bers. Nature. 2002; 415, 198-205 Relaxation Hydrolyse de l’ATP 4 principales étapes du cycle mécano -chimique Production de force Attachement Pi Pi Puissance consommée par tête de myosine Production de Pi (mol/mol) 2.7 µm 2.1 µm < 1 µm ATP Rendement thermodynamique • Détachement grâce à la fixation de l’ATP • Hydrolyse de l’ATP en ADP et Pi et bascule de la tête • Fixation actine-myosine • Production de force avec bascule de la tête et libération de Pi suivie de celle de l’ADP Puissance mécanique F contraction (F/F0) Temps (s) 1.0 F0 myosine Vitesse max de raccourcissement relax P mécanique (FV) 1.0 Pmax Pi + ADP + myosine 0.5 0.5 P consommée = 50 mol ATP. Tête-1. S-1 E ATP ? V0 η thermodynamique Chaleur ? 0.5 1.0 V contraction (V/V0) Vopt E mécanique F m 11 Puissance mécanique F contraction (F/F0) 1.0 1.0 F0 Pmax 0.5 0.5 Différents types de fibres musculaires Descripteurs des caractéristiques contractiles P mécanique (FV) Les différentes vitesses optimales de raccourcissement permettent d’expliquer la variété des tâches motrices possibles V optimale Vopt 0.5 1.0 V contraction (V/V0) V0 • Pmax = puissance maximale • Vopt = vitesse optimale de raccourcissement • F0 = force maximale isométrique (quand la vitesse est nulle) • V0 = vitesse maximale de raccourcissement (quand la force est nulle) Rome et al.1995 Bottinelli et Reggiani 2000 Plan Rendement thermodynamique Introduction ηThermodynamique = Pmécanique /Pchimique = 50% • Conversion Energie chimique en mécanique et définitions E ATP η thermodynamique 50% Chaleur E mécanique • Travail contre les forces de friction • Travail potentiel • Travail cinétique • Conservation d’énergie • Travail et fatigue Quelques grandeurs et égalités Travail et énergie mécanique Puissances mécanique et consommée Unité : J/s ou W (le plus souvent normalisée par rapport à la masse corporelle dans les locomotions humaines) η = Pméca / Pconsommée (1) La puissance mécanique est proportionnelle à la puissance consommée à un facteur près (le rendement musculaire) : Pméca = Pconsommée η (2) Pméca = F V (F en N et V en m/s) (3) Pméca = w / T (w en J et T en s) (4) Unité : J (le plus souvent normalisée par rapport à la masse corporelle dans les locomotions humaines) w= F d w= ∆ E (F en N et d en m) (E en J) (1) (2) Deux types essentiels d’énergie pour le mvt humain : - Ecinétique - Epotentiel 12 Le Coût énergétique a la dimension d’un travail fourni contre les forces qui s’opposent au mouvement : W aérody Vue Synthétique Synthèse J E Marey, 1899, Chronophotographie E& V = C W friction W potentiel W cinétique • Le coût énergétique renseigne sur l’efficacité globale du mouvement • La conversion de l’énergie chimique contenue dans les substrats dépend : – De la présence ou non d’oxygène – Du mode de contraction (Cycle E-R > concentrique) W interne • La dépense d’énergie est orientée vers 5 types de travaux fondamentalement différents (Waérodynamique, Wfriction, Wpotentiel, Wcinétique, Winterne) Force et résistance • A vitesse constante, la force motrice et les forces qui retardent (RT) le mvt (résistance) sont à l’équilibre : Fmotrice Fmotrice = RT Force et résistance • En phase d’accélération : Fmotrice > RT Fmotrice = Finertie + RT Fmotrice = m a + RT Fmotrice F=ma Finertie + RT RT Plan • Introduction : concept de coût énergétique • Conversion Energie chimique en mécanique • Energie, force, travail, puissance mécanique et consommée • Travail contre les forces de friction (aérodynamique, roulement…) • • • • Travail cinétique Travail potentiel Travail élastique Effet de la fatigue sur le travail mécanique Résistances aérodynamiques • 2 Types de résistances : –Traînée de frottement –Traînée de pression Caractéristiques communes au mouvement humain 13 Traînée de frottement • Les filets d’air à proximité des parois de l’objet en mouvement sont ralentis en raison d ’un phénomène de friction. • La traînée frottement dépend de la rugosité de la paroi et représente une faible part dans les résistances aérodynamiques. • Dans le cyclisme, l’utilisation de roues lenticulaires (grandes surfaces) nécessite sa prise en compte. Traînée de pression Pression positive Traînée de pression • représente l ’essentiel des résistances aérodynamiques • due à une asymétrie de pression entre avant et arrière du corps en mouvement Fluide parfait Dans l’espace, symétrie parfaite => absence de résistance • dépression nbre de Reynolds Fluide visqueux, 15>nbre reynolds <45 Diamètre (m) Vitesse (m/s) Re = DVρ Densité (kg.m-3) µ Apparition d’une dissymétrie de pression Viscosité [kg/(m.s)] 14 2 types d’écoulement • Laminaire La portance ne présente qu’une très faible influence dans les locomotions humaines compte tenu de l’ étendu des surfaces et vitesses modérées atteintes. En revanche, la traînée ou résistance aérodynamique joue un rôle majeur pour les locomotions les plus rapides. Plaque dans l’axe des Filets d’air ou inclinée (<30°) • Turbulent Facteurs de RA Résistances aérodynamiques (N) Surface (m²) Coefficient de forme RA = 0,5 SCx ρ v2 coefficient de traînée aérodynamique (m2) Densité (kg/m3) Traînée et portance Vitesse (m/s) Portance Traînée Résistances aérodynamiques? Pour G. Obree lors de son record du monde de l ’heure établi à 53 km sachant qu’il possédait un coefficient de de traînée aérodynamique de 0.19 m²? Puissance aérodynamique? Résistances aérodynamiques? RA = 0,5 SCx ρ = 0,5*0,19*1,22*(53/3,6)² = 25 N v2 (rappel) P = F v ici Pra = Ra v = 25*(53/3,6) = 370 W Evolution de la puissance humaine en fonction de la durée de l’exercice 15 Puissance consommée? Puissance consommée? η = Sachant que le rendement en cyclisme est de 0,24 quelle était la puissance consommée par Obree? Isoler E W& méca E& = η Dans nos conditions E& 370 0 . 24 = VO2 (ml/min/kg) ? Quelle était sa consommation d ’O2 sachant qu ’il possède une masse corporelle de 65 kg? VO2max (ml/min/kg) ? Sachant que les athlètes d ’élite peuvent maintenir 90% de VO2max pendant une heure, quelle était la VO2max d ’Obree ? W& méca E& = 1542 W VO2 (ml/min/kg) ? VO2exer = ((E (ml/min/kg) = / (J/min)/ EO2)) / m + VO2repos (J/mlO2) / (kg) + (ml/min/kg) = ((1542*60)/21,3) / 65 + 5 = 67 + 5 = 72 ml/min/kg VO2max (ml/min/kg) ? VO2 = VO2max 0,9 d ’où : VO2max = VO2/0,9 ici = 72 /0,9 = 80 ml/min/kg Application pratique : Vmax pendant 7min ~ V VO2max 16 Facteurs des résistances aérodynamiques • Vitesse • Surface frontale – Définition – Exemple sur l ’homme RA augmente avec le carré de la vitesse Résistances Totales (N) RA = 0,5 SCx ρ v2 • Coefficient de forme – Formes simples et cas des locomotions – Position (angle par rapport aux filets d ’air) – nbre de Reynolds Facteurs des résistances aérodynamiques • Vitesse • Surface frontale – Définition – Exemple sur l ’homme RA = 0,5 SCx ρ v2 V² (m/s)² Surface frontale (maître couple) RA = 0,5 SC x ρ v2 • Coefficient de forme – Formes simples et cas des locomotions – Position (angle par rapport aux filets d ’air) – nbre de Reynolds RA = 0,5 S Cx ρ Coefficient de forme http://www.staps.uhp-nancy.fr/ La résistance est proportionnelle à la surface : Cx v2 Cx 0.47 0.04 1.8 17 Cx : Influence de la vitesse SCx ~ 0.35m² CX Zone sous critique Zone critique Nombre de Reynolds ~ vitesse SCx ~ 0.30 m² Très difficile de distinguer S de Cx. En pratique on considère globalement SCx, le coefficient de traînée aérodynamique SCx = 0.71 m² SCx ~ 0.25 m² Fin ici Facteurs de RA suite • Densité du fluide –locomotion terrestre vs. Aquatique Locomotion terrestre vs. Aquatique A 3.6 km/h (1 m/s) quelles sont respectivement les résistances aérohydrodynamiques dans l ’air et dans l ’eau? –altitude 18 Locomotion terrestre RA = 0,5 SCx ρ v2 = 0,5*0.3*1,22*(1)² = 0.18 N très faible!! Locomotion aquatique RA = 0.5 SCx ρ v2 = 0.5*0.2*1000*(1)² = 100 N Résistance 600 fois supérieure ! Optimisation des résistances aérodynamiques Evolution du record de l ’heure • évolution des performances • optimisation de la position RA = 0,5 SCx ρ v2 • optimisation du matériel – profile des tubes – carénage – position des accessoires 19/07/2005 Ondřej Sosenka 49,700 km (Moscou) 55 50 45 40 18/05/1927 24/01/1941 03/10/1954 11/06/1968 18/02/1982 28/10/1995 Année République tchèque Date Cycliste Piste 31/10/1935 Giuseppe Olmo Milano 14/10/1936 Maurice Richard Milano 29/09/1937 Frans Slaatz Besançon 01/11/1937 Maurice Archambaud Milano 07/11/1942 Fausto Coppi Milano (Vigorelli) 29/06/1956 Jacques Anquetil Milano (Vigorelli) 19/09/1956 Ercole Baldini (b) Milano (Vigorelli) 18/09/1957 Roger Riviere Milano (Vigorelli) Milano (Vigorelli) 30/10/1967 Ferdinand Bracke Roma (Olimpico) 09/09/1985 Hans-Henrik Oersted Bassano da Grappa 01/11/1979 Hans-Henrik Oersted Mexico City 26/10/1985 Vlatcheslav Ekimov (b) Moscow 26/09/1986 Francesco Moser Milano (Vigorelli) 10/10/1987 Francesco Moser Milano Mexico(Vigorelli) City (Olimpico) Mexico City 10/11/1974 Ole Ritter (Olimpico) Mexico City (Olimpico) Mexico City 25/10/1972 Eddy Merckx (Olimpico) 27/10/2000 Chris Boardman Manchester 27/10/1986 Vlatcheslav Ekimov (b) Moscow 08/10/1986 Francesco Moser Milano (Vigorelli) Mexico City (Sports Centre) Mexico City (Sports 05/11/1974 Ole Ritter 19/01/1984 Francesco Moser Francis Faure couvre 45.055 km dans l’heure à Paris vélodrome en 1933 Milano (Vigorelli) 27/09/1967 Jacques Anquetil 06/10/1968 Ole Ritter Grande augmentation de performance Milano 24/09/1967 Jacques Anquetil 23/09/1958 Roger Riviere http://imgs.idnes.cz/sporty 60 V itesse (km /h ) – du buste – des membres supérieurs – des membres inférieurs A partir des années 1980, grand intérêt pour l’aérodynamisme Record du monde UCI 23/01/1984 Francesco Moser Centre) 17/07/1993 Graeme Obree (b) Hamar 23/07/1993 Chris Boardman (b) Bordeaux www.bikefix.co.uk/forbidden.html http://www.velorizontal.com 19 • Record de l'heure : 84 215 km (par Sam Whittingham en 2004). Femme/homme • 26/10/1996 Jeannie Longo 48,159 km (Mexico) • Record féminin de l'heure : 73 411 km (par Rosmarie Bühler en 2004) . • 7/9/1996 Manchester France Chris Boardman 56,375 km (Moscou) Soit une différence de 14% Evolution du cyclisme Evolution du cyclisme Quel est le bénéfice sur le coût énergétique et d’où provient-il ? Rendement musculaire Différence de coût énergétique Cyclisme Locomotion pédestre 1.0 Coût énergétique (J/kg/m) ηmax 0.5 Vopt 0.5 1.0 V contraction (V/V0) L’évolution des performances est due principalement à un travail musculaire qui s’effectue à une vitesse proche de celle optimale Vitesse (m/s) 20 Optimisation des résistances aérodynamiques optimisation de la position • évolution du record de l ’heure • optimisation de la position – du buste – des membres supérieurs – des membres inférieurs • optimisation du matériel RA = 0,5 SCx ρ v2 – profile des tubes – carénage – position des accessoires New Zealand, Sarah Ulmer, record du monde du 3000 m, mai 2004 –du buste –des membres supérieurs Optimisation de la position des membres inférieurs USA, Irin Mirabella, JO Sydney 2004 Optimisation des résistances aérodynamiques 250,7 km/h! Écarter les membres inférieurs : – Augmenter la stabilité sur les carres internes – Améliorer l’écoulement de l’air entre les membres inférieurs http://www.kl-france.com/images/photos/goitsch68.jpg • évolution des performances • optimisation de la position – du buste – des membres supérieurs – des membres inférieurs RA = 0,5 SCx ρ v2 • optimisation du matériel – profile des tubes et incidence – carénage – position des accessoires Laminaire Plaque dans l’axe des Filets d’air ou inclinée (<30°) Incidence – De la tenue vestimentaire Plus l’incidence est importante plus RA est grand RA Suite optimisation Ra • Artifices aérodynamiques – Ajout de pression à l ’arrière des véhicules Cx : Influence de la vitesse – Modification du profil avec rembourrages – Surfaces rugueuses • Montée en altitude Portance Résultante incidence Eviter les tubes et segments verticaux dans le matériel sportif – Deux effets antagonistes – Effets en cyclisme – Effets en athlétisme • Drafting • Optimisation des résistances hydrodynamiques 21 État de surface et coefficient de forme Cx pour différents types de balle L’utilisation de surface rugueuse permet d’atteindre la zone critique pour des vitesses inférieures CX Zone sous critique La balle rugueuse va plus vite que la balle parfaitement lisse car la traînée de pression est diminuée (meilleur écoulement de l’air dans le sillage). Zone critique ↓ Cx ↓ Ra et ↓ C ↑ performance Recul du point de décollement Application en natation Recul du point de décollement Surface rugueuse – De la tenue vestimentaire Diminution des turbulences Plus grande vitesse Suite optimisation Ra (Ross Sanders et al. 2000) La pression barométrique diminue avec l’altitude Effet négatifs de l’altitude • Artifices aérodynamiques – Ajout de pression à l ’arrière des véhicules – Modification du profil avec rembourrages – Surfaces rugueuses Or la fraction de l’O2 est tjrs de 21% V’O2max diminue • Montée en altitude – Deux effets antagonistes – Effets en cyclisme – Effets en athlétisme La pression partielle en O2 diminue • Drafting • Optimisation des résistances hydrodynamiques 22 L’Everest en 8h10! Effets antagonistes • Des aptitudes énergétiques similaires à ceux de l’élite mondiale en athlétisme! Pression barométrique RA = 0,5 SCx ρ v2 Chute de VO2max avec l'altitude Pression partielle en O2 ?_ VO2max VO2max (%valeur niveau de la mer) + Pemba Dorji 120 100 80 Acclimatation extrême 60 40 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 Altitude (m) Altitude suite • Effets en cyclisme à 3300 m chute de VO2max de 20% largement compensée par la diminution de Ra • Effets en athlétisme – effet positif dans le sprint (métabolisme anaérobie peu affecté et Ra diminuées) – effet négatif à partir du 400 m – De la tenue vestimentaire Suite optimisation Ra • Artifices aérodynamiques – Ajout de pression à l ’arrière des véhicules – Modification du profil avec rembourrages – Surfaces rugueuses • Montée en altitude – Deux effets antagonistes – Effets en cyclisme – Effets en athlétisme • Drafting • Optimisation des résistances hydrodynamiques Drafting Drafting La traînée de pression 23 Bénéfice dans le cyclisme Bénéfice sur le coût énergétique Bénéfice à drafter (%) 20 Bénéfice de 30 à 50% Cyclisme 15 Patinage en ligne Ski de fond 10 5 Patinage sur glace Course à pied 0 16,6 19,9 20,16 32 32,4 Vitesse (km.h-1) Suite optimisation des résistances aérodynamiques Facteurs techniques • Drafting • Cas de la natation – importance des bénéfices : • • • • • – bénéfice plus important derrière un nageur de « bras » – aptitude spécifique à drafter doit être développée 30-50% en cyclisme 20-25% en natation 15-20% en patin 5-10% en ski de fond <3% en course à pied • Cas du ski de fond et patinage de vitesse – encombrement du matériel – niveau d ’habileté technique conditionne la distance – vitesse de déplacement – distance par rapport au lièvre – place dans le peloton – facteurs techniques Réduction des Ra (%) Effet distance Effet distance Au plus près (80 ± 13cm) Distance les bras tendus (127 ± 24 cm) 60 50 40 30 20 10 0 1 2 Patinage sur glace 0 2 Cyclisme Distance de drafting (m) 24 – De la tenue vestimentaire Suite optimisation Ra • Artifices aérodynamiques – Ajout de pression à l ’arrière des véhicules – Modification du profil avec rembourrages – Surfaces rugueuses • Montée en altitude – Deux effets antagonistes – Effets en cyclisme – Effets en athlétisme • Drafting Synthèse Résistances aérodynamiques • Les locomotions qui permettent d’atteindre des vitesses élevées sont associées à de fortes résistances aérodynamiques. Le SCx représente alors un facteur majeur de la performance. (ski alpin SCx/m, cyclisme patinage (VO2max . f/SCx,) • En course à pied pour des vitesses de sprint, RA ne peut être négligé 25