Définition de puissance en cours d’exécution  et Utilitaire

Dre Kristine Snyder avec les  conseillers  scientifiques  Shalaya Kipp,M.S.

et prof. Wouter Hoogkamer

« Tous les modèles  ont  tort. Certains  modèles  sont  utiles. »- George E. P. Box

1   Motivation et  organisation

Il y a eu une confusion significative ces  derniers temps  quant à ce que les  différentes valeurs  de puissance de fonctionnement  signifient, comment  ils  se rapportent aux valeurs de puissance dans le cyclisme, et aux mesures qui sont toujours utile. Une des questions fondamentales  dans l’utilisation du  pouvoir comme un substitut pour  l’effort dans la course est que les mesures physiquement définies peuvent ne pas être ceux  qu’un coureur peut trouver  utile, tandis   que  les mesures utiles peuvent être  plus  difficiles à calculer. Le but  de  cet   article est de définir  les différents types de puissance impliqués  dans  l’exécution, de décrire  les   différents modèles  utilisés  pour  estimer  la  puissance et leurs  différentes  échelles, puis de discuter de l’utilité  potentielle  de chacune de  ces  mesures  de  puissance.

Créer cette explication était un défi. Le but de ce document était que tout soit écrit de manière à ce que quelqu’un qui voulait juste les bases puisse obtenir ce dont il avait besoin sans être submergé, tout en incluant le type de détails qu’un universitaire aurait besoin et le coureur informé et intelligent pourrait vraiment vouloir. et apprécier. Donc, cette première pièce est un aperçu des types de puissance et d’autres mesures impliquées dans la course, avec des pièces plus détaillées à suivre sur des sujets spécifiques si nécessaire.

 

 

Figure 1 : Conversion de la puissance  métabolique  en puissance  mécanique,  avec perte  d’énergie.   

2    Qu’est-ce  que le pouvoir?

En course à pied, il existe deux définitions principales du pouvoir :

1. Puissance mécanique– La production de travail / d’énergie par seconde. La puissance mécanique que le corps exerce sur le monde extérieur et pour déplacer les membres par rapport au corps, ou la puissance de sortie produite par les muscles pour déplacer le corps en course. Ceci est généralement mesuré en Watts (Joules / seconde) et normalisé en masse, donnant Watts / kg.
2. Puissance métabolique – L’apport de travail/ d’énergie du muscle locomoteur par seconde. La quantité d’énergie métabolique par seconde que le corps doit utiliser pour fonctionner. Ceci  est  également  mesuré en Watts/kg, bien qu’il soit  souvent  converti en calories.

La puissance mécanique tend à être utile pour  analyser la biomécanique, en particulier la puissance mécanique conjointe,  tandis que la puissance métabolique est souvent plus utile pour évaluer  l’effort global.

3   Puissance  mécanique

 

Figure 2 : Forces impliquées  dans tout  un système  mécanique du corps pendant la course.

 

3.1    Au niveau de l’organisme  (corps) 

La façon la plus simple de modéliser le corps en course est comme une masse ponctuelle qui agit sur le monde extérieur et sur laquelle elle agit. Pour déterminer la puissance mécanique globale du corps, le corps est généralement supposé être juste une masse ponctuelle, le potentiel et l’énergie cinétique du centre de masse sont additionnés pour obtenir le travail total, et cette valeur est ensuite divisée par le temps. Alternativement, la puissance peut être déterminée en multipliant les forces agissant sur le centre de masse par la vitesse. Cependant, ce modèle ne prend en compte que l’interaction de cette masse ponctuelle supposée avec l’environnement, et ne capte pas la puissance nécessaire pour déplacer les membres par rapport au corps.

En fonctionnement en régime permanent de niveau, en ignorant les pertes, cette valeur est nulle, donc, lorsque vous utilisez la puissance mécanique du corps comme corrélat de l’effort, souvent seules les contributions de puissance positives et non négatives sont incluses.

                                                                                                                      (1)

 

Notez en outre que cette équation ne comprend que la puissance mécanique impliquée dans l’interaction avec l’environnement, et non avec les membres en mouvement par rapport au corps.

 

3.2    Au niveau joint par joint

Figure 3: Définition des angles de l’articulation des membres inférieurs pendant la course. L’extension est considérée comme positive et la flexion est considérée comme négative.

Le corps n’est pas une masse ponctuelle, mais une série de segments connectés, de sorte que la puissance mécanique en marche est examinée au niveau joint par joint. Plutôt que de supposer que le corps est une masse ponctuelle, cette façon de déterminer la puissance mécanique inclut toutes les articulations et calcule la puissance à chaque articulation en utilisant les forces sous les pieds, les masses des segments du corps et les vitesses angulaires des articulations et ajoute ces quantités tout à fait. Cela permet une plus grande spécificité sur l’endroit où la puissance est produite, ainsi que des changements qui se produisent dans le swing par opposition à la seule position. Notez cependant que les muscles biarticulaires (muscles qui traversent deux articulations) permettent le transfert de puissance entre les articulations.

Pour calculer la puissance joint par joint, le processus commence au pied. Le moment (couple) autour de la cheville dû à la force du sol sur le pied, le mouvement au pied et le poids du pied, ainsi que la vitesse angulaire de la cheville, sont utilisés pour calculer la puissance de la cheville. Des calculs similaires sont effectués au genou et à la hanche. Ces valeurs sont additionnées pour obtenir un travail mécanique, la puissance étant calculée en travail / temps. Pour calculer la puissance articulaire dans un laboratoire, la capture de mouvement optique est utilisée pour suivre le mouvement des membres et des plaques de force sont utilisées pour déterminer les forces sous les pieds.

4    Puissance  métabolique

Dans un laboratoire, la puissance métabolique (PMET) est généralement calculée par calorimétrie indirecte, qui utilise des mesures de gaz expirés, des hypothèses ou des connaissances sur l’utilisation du substrat, et la formule (e) pour déterminer la consommation d’énergie en régime permanent. Pendant qu’une personne court, la quantité d’oxygène qu’elle consomme et la quantité de dioxyde de carbone qu’elle produit est mesurée à l’aide d’un masque placé sur son nez et sa bouche. La puissance métabolique est ensuite calculée à partir de ces valeurs d’oxygène et de dioxyde de carbone en régime permanent. L’équation couramment utilisée suivante provient de (P´eronnet et Massicotte, 1991).

                                                                                                                                                                                                                  P_MET = 16. 89V O₂ + 4. 84EN CO₂                                                                                                          (2)

La calorimétrie indirecte ne tient compte que des processus aérobies. Par conséquent, il n’est pas exact à lui seul lorsque les gens travaillent suffisamment dur pour utiliser également des processus métaboliques anaérobies. Le véritable étalon-or serait l’eau doublement étiquetée, dans laquelle les sujets reçoivent de l’eau étiquetée avec du deutérium (2H) et 18O, qui sont ensuite utilisées pour déterminer le taux d’élimination du CO2, ou la calorimétrie directe, dans laquelle la dépense énergétique est déterminée en mesurant la quantité de chaleur produite par un individu dans une chambre de mesure hermétiquement fermée, mais ces mesures seraient plus difficiles à éviter.

L’estimation de la puissance métabolique sans calorimétrie indirecte implique l’utilisation de connaissances connues sur les conditions de fonctionnement, les conditions environnementales et les données anatomiques, biomécaniques et physiologiques de l’utilisateur pour estimer les valeurs en laboratoire aussi précisément et précisément que possible.

5    Relier le pouvoir mécanique au pouvoir métabolique

5.1    Efficacité

L’efficacité est le rapport entre la production d’énergie mécanique et la consommation d’énergie métabolique. En apparence, cela semble simple, mais ce n’est pas aussi simple en course que dans d’autres activités. Dans la production d’énergie positive, lorsque les muscles produisent de l’énergie en se contractant concentriquement (raccourcissement), l’efficacité est d’environ 25%. Remarque: le mot contraction implique simplement que les muscles sont actifs. Ils peuvent se contracter concentriquement (en raccourcissant), isométriquement (tout en restant de la même longueur) ou excentrique (en s’allongeant), les valeurs d’efficacité peuvent être considérablement plus élevées dans les mouvements impliquant une puissance négative (via des contractions excentriques) ou un recyclage d’énergie, mais peuvent varier d’autant plus que l’inclinaison augmente.

 

5.2    L’efficacité est simple en cyclisme

 
Lors du cyclage, le système mécanique est contraint, car 1) la force est produite et non absorbée (via le raccourcissement des muscles par une contraction concentrique), et 2) aucune énergie mécanique n’est recyclée. Le système mécanique contraint pendant le cyclisme permet une forte.

 

Figure 4 : Comment la puissance mécanique (externe) et le taux métabolique (puissance) se comparent en cyclisme. Chiffres tirés du document de synthèse de (Etterna et Loras, 2009).

corrélation entre la puissance mécanique et métabolique. Parce que la puissance musculaire positive a une efficacité de ∼25%, la puissance métabolique est essentiellement quatre fois la puissance mécanique. La corrélation entre les deux valeurs de puissance est de 0,97, très élevée (Ettema et Loras, 2009). En outre, comme le cyclisme est un système hautement contraint avec une trajectoire de pied connue et cohérente, la puissance mécanique est facile à mesurer. Par conséquent, il est courant de mesurer la puissance mécanique et de l’utiliser avec précision comme corrélat de la puissance métabolique.

5.3    Pourquoi la relation entre la puissance mécanique et métabolique est-elle plus complexe en course à pied?

Il existe un certain nombre de différences dans la course à pied qui rendent la relation entre la puissance mécanique et métabolique plus complexe que le cyclisme.

1. Le  système  mécanique est moins   La quantité de force produite et l’énergie métabolique nécessaire pour produire cette force dépendent chacune principalement de deux choses: la longueur et la vitesse de la fibre musculaire produisant cette force. Lorsque le système est moins contraint, ceux-ci peuvent varier davantage et avoir un effet plus important sur le changement d’énergie métabolique nécessaire.
2. Les forces sont produites et absorbées par le corps. Parce que l’efficacité pour l’absorption de force est supérieure à ∼25% pour la production de force positive, l’efficacité globale n’est plus ∼25%. Cependant, l’efficacité réelle varie en fonction de la quantité de chaque force produite.
3. L’énergie peut être recyclée, En course à pied, l’énergie élastique peut être stockée dans les tendons et autres tissus élastiques, puis renvoyée. De plus, il y a un avantage métabolique pour raccourcir un muscle après qu’il a été étiré. Ces changements augmentent également l’efficacité au-dessus de 25%, mais il peut être difficile de déterminer le rôle important que jouent ces facteurs.

En raison de ces différences, la puissance mécanique et / ou l’efficacité ne sont pas systématiquement les meilleurs indicateurs de l’effort dans toutes les conditions, c’est pourquoi une mesure alternative qui correspond mieux à l’effort est souvent utilisée à la place.

5.4    Une alternative à l’efficacité  pour un système  plus  complexe :  économie/coût des transports

 

L’économie de fonctionnement n’est pas la même chose que l’efficacité de fonctionnement, même si elles sont liées. L’économie de fonctionnement est traditionnellement déterminée en mesurant le taux d’oxygène ou d’énergie consommé à une vitesse donnée. Lorsqu’elle est exprimée par rapport à la masse corporelle, l’économie de course peut avoir les unités d’oxygène (mlO2 / kg / min) ou d’énergie (J / kg / min ou W / kg). Votre économie de course pourrait être meilleure parce que vous faites moins de travail mécanique pour courir à une vitesse donnée mais que vous avez une efficacité mécanique à métabolique typique. Cela pourrait également être meilleur parce que vous êtes plus efficace, en ce que vous effectuez le travail mécanique typique, mais cela entraîne moins métaboliquement en raison d’autres facteurs, tels qu’un stockage et un retour d’énergie élastique plus efficaces. L’un des moyens les plus courants de représenter l’économie est le coût du transport ou le coût de l’énergie par unité de distance. Le coût du transport est calculé en prenant le coût énergétique spécifique à la masse par seconde (comme décrit dans le paragraphe précédent), et en divisant par la vitesse, et est mesuré en J / kg / m. Vous pouvez considérer le coût du transport comme l’énergie qu’il en coûte pour fonctionner par mètre ou mile à une vitesse donnée; c’est essentiellement l’inverse des miles par gallon dans une voiture.

6    Quelle métrique est la plus significative pour un coureur?

6.1    Importance  métabolique

En général, les gens, en grande partie inconsciemment, choisissent de se déplacer d’une manière qui minimise la consommation d’énergie métabolique. Les gens utilisent la longueur de foulée (Hogberg, 1952; Snyder et Farley, 2011), la largeur de foulée (Donelan, 2001; Arellano et Kram, 2011), la fréquence de foulée (Hogberg, 1952; Snyder et Farley, 2011), la vitesse (Inman et al. ., 1981) et la démarche (Cavagna et al., 1987) qui minimisent les variables métaboliques, même si parfois c’est le taux métabolique (énergie / temps) qui compte et parfois c’est le coût (énergie / distance) qui compte.

La dépense énergétique métabolique est également le déterminant prédominant de la performance dans les courses d’endurance et un élément critique de l’optimisation de l’entraînement (Noakes, 2003; Daniels, 2013). En course, l’objectif est d’avoir un minimum d’énergie à la ligne d’arrivée, de ne pas s’épuiser avant et de ne pas en avoir beaucoup après. Pour ce faire efficacement, vous voulez avoir comme

 

 

 

Figure 5 : Un graphique de la fréquence des foulées par rapport au coût métabolique adapté de (Snyder et Farley, 2011) montre comment les humains utilisent le taux / coût métabolique pour optimiser leur forme de course. Notez que comme ces données ont toutes été collectées à 2,8 m / s, la forme approximativement parabolique est la même pour la fréquence de foulée par rapport au taux / puissance métabolique.

une bonne estimation possible de la quantité d’énergie métabolique que votre corps consomme à chaque moment de la course. Essentiellement, ce que la plupart des coureurs attendent d’un nombre de puissance, c’est une meilleure estimation de l’effort qu’ils ne peuvent déterminer eux-mêmes et un moyen d’enregistrer cette valeur au fil du temps. En ayant la meilleure estimation possible de la puissance métabolique, les coureurs peuvent prendre des décisions consciemment en utilisant des données que leur corps utilise déjà inconsciemment.

6.2    Utilité d’autres mesures

Bien que le pouvoir métabolique dans des conditions données soit proche, il n’y a pas de solution miracle pour mesurer votre efficacité en course. Les cyclistes utilisent une cadence plus rapide que métaboliquement optimale et paient un petit prix métabolique pour éviter les forces musculaires et tendineuses importantes (Etterna et Lornas, 2009). Dans certaines descentes et autres actions d’absorption d’énergie, les moments musculaires ou d’autres mesures semblent également être davantage un facteur déterminant de la méthode optimale à utiliser que le pouvoir métabolique (Dean, 2013). Éviter les blessures peut l’emporter sur la minimisation de l’effort.

6.3    Quelle  est  la solution?

Parce qu’aucune métrique ne capture entièrement l’efficacité de la course dans toutes les conditions, il est important de collecter autant de données biomécaniques et physiologiques précises, exactes et utiles pendant l’entraînement que possible. Il est alors nécessaire de partager la ou les métriques les plus utiles avec le coureur en temps quasi réel, ainsi que de déterminer des valeurs pour d’autres métriques utiles pour une utilisation ultérieure, ainsi que des guides pour l’interprétation de leur signification. Il serait idéal de pouvoir mesurer directement la consommation d’oxygène pendant l’entraînement, mais, actuellement, même si cela était abordable, il est peu pratique, voire impossible, de fonctionner avec un système métabolique portable tous les jours. En outre, même si c’était pratique, le taux métabolique ne serait mis à jour qu’à chaque respiration plus le temps de traitement, et ne capturerait pas le métabolisme anaérobie. Les appareils de fréquence cardiaque sont portables et offrent une mesure couramment utilisée, mais la fréquence cardiaque est lente à refléter un changement dans les besoins métaboliques et peut également être affectée par le stress, la réponse immunitaire et d’autres facteurs non liés à la demande métabolique instantanée. Notez que nous définissons la demande métabolique instantanée comme étant la puissance métabolique due aux sources aérobies et anaérobies, similaire à la demande en oxygène dans (Gløersen, 2019). Actuellement, la meilleure option est d’avoir un appareil portable qui offre un corrélat précis et précis en temps quasi réel pour la demande métabolique instantanée, mais qui détermine également d’autres paramètres, biomécaniques et physiologiques, pour l’analyse post-analyse..

7   Conclusion

L’objectif fondamental de ce document est de définir les différents types de puissance de fonctionnement, les modèles utilisés pour les estimer, et de discuter de l’utilité de chaque mesure de puissance. Il existe deux types fondamentaux de puissance en course à pied: la puissance mécanique (énergie exercée par le corps sur l’environnement et pour déplacer les membres par seconde) et la puissance métabolique (énergie utilisée par le corps par seconde). Chacun peut être modélisé avec divers degrés d’exactitude / précision en fonction des données et des hypothèses utilisées pour construire le modèle. La question de savoir quelle valeur utiliser se résume fondamentalement à l’utilité. Quelle mesure est la plus utile pour la puissance de fonctionnement de différentes personnes, conditions de fonctionnement et conditions environnementales? Si vous souhaitez utiliser un nombre de puissance pour estimer votre effort et déterminer votre rythme, il existe une prépondérance de preuves montrant que votre corps utilise déjà fondamentalement la puissance / le coût métabolique, ou plus précisément la demande métabolique instantanée, qui n’a pas le délai de Puissance. Être conscient de la métrique que votre corps utilise inconsciemment peut vous aider à faire des choix pour optimiser votre entraînement et vos performances..

Références

Références

[1] P´eronnet, F., et Massicotte, D. (1991). Tableau du quotient respiratoire non protéique: une mise à jour. Journal canadien des sciences du sport = Journal canadien des sciences du sport, 16 1, 23-9

[2] Ettema, G. et Lor˚as, H. W. (2009). Efficacité dans le cyclisme: un examen. Journal européen de physiologie appliquée, 106 (1), 1-14.

[3] Hogberg, P. (1952). Comment la longueur et la fréquence des foulées influencent-elles la sortie d’énergie pendant la course?. Arbeitsphysiologie 14, 437-441.

[4] Snyder, K. L. et Farley, C. T. (2011). Fréquence de foulée énergétiquement optimale en course à pied: les effets de l’inclinaison et du déclin. Journal of Experimental Biology, 214 (12) 2089-2095.

[5] Donelan, J. M., Kram, R. et Kuo, A. D. (2001) Déterminants mécaniques et métaboliques de la largeur de pas préférée dans la marche humaine. Actes de la Royal Society of London. Série B: Sciences biologiques, 268 (1480), 1985-1992.

[6] Arellano, C. J. et Kram, R. (2011). Les effets de la largeur de marche et du balancement des bras sur le coût énergétique et l’équilibre latéral pendant la course. Journal of Biomechanics, 44 (7), 1291-1295.

[7] Inman, V.E., Ralston et Todd. (1981). La marche humaine. Williams et Wilkins, Baltimore.

[8] Cavagna, G. A. et Kaneko, M. (1977) Travail mécanique et efficacité dans la marche et la course de niveau. Le Journal of Physiology, 268 (2), 467-481.

[9] Dean, J. C. (2013). Rétroaction proprioceptive et modèles préférés de mouvement humain. Examens des sciences de l’exercice et du sport, 41 (1), 36.

[10] Tim Noakes. (2003) La tradition de la course à pied. Human Kinetics, Champaign, IL.

[11] Jack Daniels (2013) Running Formula Human Kinetics de Daniels, Champaign, IL.

[12] Gløersen, 0. N. Gilgien, M. Dysthe, D.K. Malthe-Sørenssen, A. Losnegard, T.J.

Médecine et science dans le sport et l’exercice