cout energetique des locomotions humaines et terrestres - Activités ...

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