COURL3 ES Puissance Geste DOREL 2015

14/04/2015

Evaluation des qualités de force et mesure de la
puissance maximale au cours du geste sportif
Exemples du saut, pédalage, course et mouvements de musculation

Cours L3 ES - Nantes – Avril 2015
Sylvain DOREL

Laboratoire MIP - UFRSTAPS Nantes
Sylvain.dorel@univ-antes.fr

Puissance maximale

Pourquoi ?
Mesurer la fonction musculaire
Caractéristiques puissance-vitesse

Mesurer indirectement le
métabolisme anaérobie

• Caractériser les populations
• Effets de l’entraînement
• Étudier la fatigue
• Comprendre et prédire la performance sportive
+ en sous maximal : notion d’intensité de l’exercice

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1. Quelques préambules

Préambule 1 :
-Relation force-angle
Angle optimal pour lequel la force est maximal

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Préambule 1 :
-Relation force-angle
-Relation force-vitesse et
puissance-vitesse

Relation force – vitesse

Force
Fmax ISO

excentrique

concentrique
Vmax

lent

rapide

Vitesse

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Relation puissance - vitesse

Force
Puissance
Pmax

force
optimale

Vitesse
optimale

Vitesse

Préambule 2 :
Règles et définitions
fondamentales de la
(bio)mécanique

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LA PUISSANCE
La puissance moyenne se définit comme le rapport entre la quantité
de travail effectué et le temps mis pour effectuer ce travail
En watt (W)
P =

W
travail
=
temps
t

P =

Fd
t

= Force  Vitesse

2e loi de Newton
ΣFext = ma

2. Une méthodologie

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Ce qu’il y a « à faire » pour mesurer ce paramètre
au cours d’un geste:
► décrire le mouvement de façon globale
► identifier les principaux muscles mis en jeu et type de contraction:
► identifier le système étudié
Corps en entier …
EXEMPLES

Segment(s)…
Corps externe…

Influence sur l’interprétation des valeurs vis-à-vis des qualités
musculaires, tendineuse… mises en jeu
► choisir une des 2 approches possibles : F  V ou travail/temps

F  V : Calculs des différentes variables
1. force du sujet : mesure directe (capteur) ou calculs à partir de la
2e loi de Newton :

ΣFext = ma
Identifier et mesurer les forces externes et extraire la force du sujet
Rappels des différentes forces :
Poids, frottements - frictions, résistance de l’air ou autre,
Mesurer l’accélération : directe ou à partir de la dérivée de la vitesse
2. la vitesse : mesure directe ou à partir du déplacement et du temps

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Travail/temps : Calculs des différentes variables
Raisonnement « énergétique »
1. Travail du sujet : mesure directe de la force (capteur) ou calcul à
partir de la loi de non conservation de l’énergie mécanique :

ΣW(Fext) = Eméca
Identifier et mesurer le travail des forces externes et
extraire le travail du sujet
Mesurer l’énergie potentielle (Ep) et l’énergie cinétique (Ec)
au début et à la fin de la période considérée et ainsi calculer
leur variation
Rappels:

Ep = m·g·h

Ec = ½·m·v2

2. Le temps correspondant à la période de moyennage : t

Travail/temps : Calculs des différentes variables
ΣW(Fext) = Eméca

!


L’énergie potentielle est liée à l’existence de la gravité. Lorsque
vous utilisez un théorème concernant l’énergie vous ne pouvez
pas faire intervenir à la fois l’énergie potentielle et le travail du
poids dans la même équation. Ainsi, attention à ne pas faire
intervenir le travail du poids dans la somme des travaux des
forces dans le théorème de conservation d’un système ouvert.

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3. Les différents tests mesurant la
force et/ou la puissance musculaire

La qualité évaluée diffère selon les contraintes
de force et vitesse et le type de contraction

La question à se poser
Le mieux : où est-on situé sur la
relation force - vitesse ?

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1. Force maximale isométrique
Capteur de force ou plate-forme de force

ΣFext = 0

1. Force maximale isométrique

– Fmax ISO : moy du

plateau

– RFD : pente de la

montée en force

RFD 

F90%  F10%
T90%  T10%

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14/04/2015

2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Rappel : impose une vitesse constante

ΣFext = 0

2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Rappel : impose une vitesse constante

Mouvement mono ou
poly-articulaire : Cybex,
ARIEL mais aussi
Kincom, Biodex, Lido…

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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Avantages
Contraction musculaire maximale à chaque instant (à tous les
angles): si on ne pousse pas à la vitesse préréglée pas de
mesure.
Résistance jamais plus grande que la force appliquée : si la vitesse
est trop basse on ne peut pas soulever le levier.
Adaptable à la fatigue et à la douleur : bien pour la rééducation
Choix du type de contraction : Excentrique - Concentrique Isométrique

2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
A. Mesure isocinétique
Inconvénients
Mouvement non naturel
Nombreux essais pour tracer la relation force-vitesse
il faut tenir compte des inerties du bras de levier, et des membres
impliqués.
Évaluation d’un seul membre à la fois, excepté pour les
dynamomètres pluri-articulaires.
Prix très élevé

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DISPOSITIF ERGOMETRIQUE : ARIEL CES 5000
LES MOUVEMENTS TESTES
Développer-couché

1/2 Squat

Tirage

Vitesses testées
Vitesse maximale
200 cm.s-1
150cm.s-1
100 cm.s-1
70 cm.s-1
50 cm.s-1
32 cm.s-1
16 cm.s-1
8 cm.s-1

Paramètres mécaniques
enregistrés :
Force
Vitesse
Puissance

RESULTATS : mesure de la force
400
Force + poids de corps (Kg)

1/2 SQUAT
309
300
300
288
276
258

235
195

200

150
100

87

8 32
70
16
50

150
100

269
200

Vitesse cm.s-1

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FORCE MAXIMALE
300

309
300
288

PUISSANCE MAXIMALE
3000 W

276
258

Puissance (W)

Force + poids de corps (Kg)

DEFINITIONS
RESULTATS :DES
les relations
CAPACITES
force-vitesse
MUSCULAIRES
et
puissance-vitesse

2921
235
195

2350

200
1805

234.7

150

Force à P. Max.

1383

100

87
912

VITESSE MAXIMALE

481
247

8 32
70
16
50

Poids de corps

150
100

269

Vitesse cm.s-1

200

DETERMINATION DES ZONES DE TRAVAIL selon les
capacités musculaires (« max » et « dynamique »)
F. Max.

309 Kg

(85% de 1RM)

Puissance Max.

1RM

(120% de 1RM)

Force Max.

Puissance (W)

ZONES DE
TRAVAIL

P = F.v

P = f.V

276 Kg
80%
de Pmax.

Zone deTransition
205 Kg

(70% de 1RM)

Puis. Force
150 Kg

(48% de 1RM)

Puis. Vitesse

Force à grande
vitesse
=
explosivité

103 Kg

(30% de 1RM)

Force - Vitesse
Poids de
élevée

87 Kg

corps

8 32
70
16 50
100

150
200

269

Vitesse cm.s-1

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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
Le cas du test de la répétition maximale
Méthode directe : 1 RM
Définition
Masse qu’une personne parvient à soulever une seule fois lors
d’un mouvement complet avec des charges libres ou un appareil
avec charges guidées.

Force max concentrique
Méthode indirecte :
table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM
Pas pour l’athlète sauf la toute 1ère fois

Méthode indirecte :
table de prédiction en fonction de 3 à 6 RM

Avantages
Peut être réalisé sur n’importe quel mouvement de musculation

Limites?
Pas de mesure de la vitesse et donc de l’accélération de la
barre : pas tout à fait la « vrai valeur de force »
Uniquement la qualité de force max

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2. La relation force maximale –
vitesse : squat et membres inférieurs
B. Mesure isotonique
Rappel : le mouvement peut être accéléré
Important : la force du sujet dépend des forces externes
mais aussi de l’accélération

ΣFext = ma
Force du sujet = (masse x accélération ) + forces externes (poids, frott…)

Puissance au cours du mouvement de squat
(Rahmani, 2001)

Système?

Le corps entier
+ la charge externe
Travaux des forces externes?

Travail du poids +
Frottements de la barre

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Puissance au cours du mouvement de squat
(Rahmani, 2001)

CALCULS de la puissance :
P = force  vitesse

Ps= mtot·g·V + mtot·a V
Avantages?

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Plate-forme de force
Mouvement type Squat
Tracé de la relation force - vitesse

Mesure directe de la force du sujet
Calculs de la vitesse par intégration de l’accélération

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2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique de BOSCO : Bio-robot

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Mouvement type Squat, développer couché

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14/04/2015

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Tous les mouvements avec charge guidé
Tracé de la relation force - vitesse :
1 ou 2 essais par charge

Mesure indirecte de la force du sujet : poids de la barre, du sujet et
accélération
Calculs de la vitesse par dérivation du déplacement

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique de BOSCO : Bio-robot
Avantages
Peut s’adapter sur de nombreux appareils de musculation
classique
D’autres systèmes similaires apparaissent

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14/04/2015

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique MYOTEST

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14/04/2015

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

Système cinématique MYOTEST
Avantages
Encore plus adaptable sur tous les appareils de
musculation classique
Conseil : même si adapté aux mouvements libres, plutôt
utiliser des systèmes guidés (squat, developpé couché…)

2. La relation force maximale vitesse
Mesure isotonique

D’autres systèmes récents pour barres guidées
(et libres)

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GYMAWARE

Tendo sport

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14/04/2015

3. La puissance maximale au cours
du saut vertical

Test de Sargent

Test d’Abalakov

Test de Bosco

Puissance au cours du saut

Ergojump

optojump

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14/04/2015

3. La puissance maximale au cours
du saut vertical
Rappel : le mouvement peut être accéléré
Tapis de Bosco - Optojump

ΣFext = ma

Système?

Le corps entier
Modèle du centre de masse

Travaux des forces externes?

Travail du poids

Calcul de la hauteur?

h  1  g  tvol
8
2

CALCULS de la puissance :
P = travail/temps

Ws= m·g·h

Quel temps?

Ps= m·g·h / t

½ tcontact

23

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D’où:
Ps= m·g·h / ½ tcontact
Ps= 2·m·g·h / tcontact (en W)
Ps= 2·g·h / tcontact (en W.kg-1)
Exercice

Limites?

Puissance au cours du saut

Limites?
Pas de mesure directe de la force et surtout de la vitesse

Une seule condition force - vitesse : est-ce la même pour tout le
monde?
300

Force (Kg)
200

100

Vitesse

24

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Puissance au cours du saut
Le Squat Jump

Puissance au cours du saut
Le Contre Mouvement Jump

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14/04/2015

Puissance au cours du saut
Le Drop Jump

Puissance au cours du saut
CMJ répétés: endurance musculaire

Nombre de saut fixe généralement:
Quels critères de perf?
Indice de fatigue, travail total (puissance moyenne)…

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14/04/2015

Puissance au cours du saut
Test de raideur : stiffness (réactivité)

Sauts répétés jambe tendues:
7-10 sauts
Évaluer la raideur musculotendineuse des
membres inférieurs
Détente moyenne
Puissance moyenne

Puissance au cours du saut
Méthode innovante de terrain

(Samozino et al 2010)

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14/04/2015

Puissance au cours du saut
Méthode innovante de terrain
CALCULS de la puissance :
P = force  vitesse

(Margaria, 1966)

(Samozino et al 2010)

Méthode
validée/méthode de
référence

4. Le test de la montée d’escalier

Système?

Le corps entier
Modèle du centre de masse

Travaux des forces?

Travail du poids

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Puissance : montée d’escalier
(Margaria, 1966)

Calcul de la vitesse?

Vmax  h
t
CALCULS de la puissance :
P = travail/temps

Ws= m·g·h

Quel temps?

Ps= m·g·h / t

Temps de course

Exercice

Limites?

5. Puissance en course de sprint
Tapis de sprint
(Jaskolska, 1998; Funato, 2001)
Système?

Mesure des forces ?

CALCULS de la
puissance :
P = force  vitesse

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14/04/2015

5. Puissance en course de sprint
Tapis de sprint
Système?

(Morin et al., 2010)

Mesure des forces ?

CALCULS de la
puissance
propulsive:
P = force horizontale

vitesse

Système?

Mesure des forces ?

CALCULS de la
puissance
propulsive:
P = force horizontale

vitesse

30

14/04/2015

5. Puissance en course de sprint
Modèle de terrain
(Van Ingen Schenau et al., 1991)

Pt

Pt =

Pt

H = 0.97 J.kg-1.m-1
H.v
Pt = H . v

31

14/04/2015

Ka . v3
Pt

H.v

Ka = 0.00366

Pt = H . v + Ka . v3

Ka . v3
Pt

v . dv/dt
H.v
Exercice

Limites?

Pt = H . v + Ka . v3 + v . dv/dt

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Cinétique de puissance
Mechanical power (W/kg)
H.v

40

ka.v3
v.dv/dt

30

total power

20
10
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Distance (m)

Variations de puissance


Puissance maximale (100%) = 40 W.kg-1



Baisse de puissance après 3-4 s :
- 50%



Baisse de puissance à la fin du 100 m :
- 65%

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14/04/2015

6. Puissance au cours du pédalage
sur bicyclette ergométrique
a
c

a

b

b

mono-articulaires

Gmax

VL

bi-articulaires

Sol

BF

RF

Gas

Mécanique musculaire

Mécanique musculaire

Mécanique musculaire

Mécanique musculaire

Mécanique musculaire

Mécanique musculaire

puissance-vitesse

puissance-vitesse

puissance-vitesse

puissance-vitesse

puissance-vitesse

puissance-vitesse

Puissance mécanique maximale
au cours du mouvement de pédalage

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14/04/2015

a
c
b

CALCULS de la puissance sur bicyclette ergométrique:
P = force  vitesse

Système?

Roue en rotation
Forces?

Friction de la roue : Fr

a

Puissance au cours du pédalage
sur bicyclette ergométrique

c
b

Données angulaires au niveau du centre de rotation de la roue

Ps = I·o·ωo + Mo(Fr)·ωo
Données linéaires à la périphérie de la roue

Ps = I/R2·a·v + Fr·v

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14/04/2015

PROTOCOLE

► épreuve force-vitesse : 3 sprints
de 0,3 N.kg-1 ……..……………à……..……….. 0,9 N.kg-1

PROTOCOLE

force (N)

► épreuve force-vitesse
3 sprints de avec differentes
resistances

Puissance (W)

150

Pmax

1000

120

800

90

600

60

400

Vopt

(Lakomy et al, 1986; Arsac et al, 1996)

30

200
0

0
0

50

100

150

200

250

36

14/04/2015

Objectifs

Méthodes
Méthodes et Protocole
Protocole

Résultats

Discussion

PROTOCOLE

► épreuve force-vitesse
2100

300

Fmax et Vmax

1500

200

Force (N)

Pmax, Vopt

1800

Fmax

250

1200
150

900

100

600

Puissance (W)

Relations moment-vitesse et
puissance-vitesse

Vmax300

50

0

0
0

50

100

150

200

250

300

Fréquence de pédalage (rpm)

7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
(Olds et al, 1995; JC Martin et al , 98)

Road and endurance track cycling

Rolling resistance

Air resistance

Changes in
mechanical energy
Potential energy (∆Ep)
Kinetic energy (∆Ec)

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14/04/2015

7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
(JC Martin, 98)

Système?

Cycliste + vélo
Modèle du centre de masse

Forces externes?

frottements au sol + résistance de l’air
+ poids

7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Frottements au sol:

P(Rr) =
Cr·m·g·V

Cr= 0,002 à 0,010
Facteurs de variations de Cr?
Pression et type des pneus, surface au sol

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14/04/2015

7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Résistance de l’air:

P(Ra) = ½ ρ·Cd·Ap·V3
ρ = densité de l’air
1,225 kg.m-3

Cd= coefficient de
traînée
0,50 - 0,70

Ap= surface frontale
projetée
0,30 - 0,60

Facteurs de variations?
température, pression
altitude

Forme, position
Artifice aérodynamique

masse, taille
position
Artifice aérodynamique

Mesure en soufflerie

Mesure photographique

7. Puissance au cours du pédalage: modèle de terrain
Poids:

P(poids) = m·g·sinαinc·V
ou
P(poids) = m·g·h/t

h

Here, the rider has stored up
energy equal to the combined
weight of rider and bike times
the vertical distance climbed.

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14/04/2015

Exercices

40

14/04/2015

bien d’autres tests de terrain… notamment pour les
membres supérieurs
Détente horizontale - multi bonds..etc

Et les membres supérieurs ?
Lancer de balles lestées, medecine ball, pompe avec tapis de
bosco…

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