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Mécanique & biomécanique :
caractéristiques contractiles et caractéristiques contractiles et plasticité musculaire
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
Mécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entierMécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entier
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
Mécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entierMécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entier
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
tension
I.1. Tension, charge et types de contractions musculaires
Muscle
Tension : force exercée par le muscle sur un objet
Charge : force exercée par le poids de l’objet sur le muscle
Le fait que la production de force entraîne ou non leraccourcissement des fibres dépend des valeurs relatives deraccourcissement des fibres dépend des valeurs relatives dela tension et de la charge
action concentrique (muscle activé, se raccourcit)
action isométrique (muscle activé sans variation de longueur)
action excentrique (muscle activé, s’allonge)
Charge
I.1. Tension, charge et types de contractions musculaires
Pour chaque type de contraction, les ponts transversaux répètent les 4étapes de leur cycle.
Action concentrique (muscle activé, se raccourcit) :
- contraction isotonique : tension constante
- contraction isocinétique : vitesse de contraction constante
I.1. Tension, charge et types de contractions musculaires
Contraction concentrique isotonique:
Les ponts transversaux liés à l’actine se déplacent (2ème étape), ce quientraîne le raccourcissement des sarcomères.
Contraction isométrique :Contraction isométrique :
Pas de déplacement de l’articulation
quid au niveau de la fibre musculaire?
D’abord contraction classique = raccourcissement du muscle mais étirementdes tendons
Puis les ponts transversaux liés à l’actine sont incapables de déplacer lesfilaments fins en raison d’une charge élevée exercée sur la fibre musculaire
Étape 2 défaillante ?
pas de travail mécanique ? (W = F x d)
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
Mécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entierMécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entier
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
I.2. Les secousses musculaires
Secousse :
réponse mécanique d’une fibre musculaire à un seul potentiel d’action
Temps de contraction
Tension (mN)
30
20
période de latence Temps (ms)
20
10
60 80 100 120 140
Potentiel d’action
I.2. Les secousses musculaires
La secousse dépend de plusieurs facteurs:
- Le type de fibre :
fibres rapides : temps de contraction court (jusqu’à 10 ms) etamplitude élevée (tension développée élevée)
fibres lentes : temps de contraction (jusqu’à 100 ms) et derelaxation plus long et faible amplitude (tension développéefaible)
- L’entraînement- L’entraînement
- Le régime de contraction : La secousse isotonique :
- période de latence longue / isométrique
- temps de contraction moins long et vitesse de contraction plusfaible / isométrique
- plus la charge est lourde plus la période de latence est longue
- La température :
- lors d’une secousse isométrique, il y a une diminution del’amplitude de la secousse avec l’accroissement de la température
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
Mécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entierMécanique de la contraction de la fibre musculaire et du muscle entier
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
I.3. Relation entre la fréquence et la tension
Potentiel d’action : 1 à 2 ms
Secousse : jusqu’à 100 ms
un deuxième PA est déclenché aucours de la période d’activitémécanique.
L’amplitude de la 2ème secousses’additionne en partie à lapremière.
3 PA sont déclenchés à 150 msd’intervalle.
Contraction – RelaxationLoi du « tout ou rien »
Les amplitudes des secoussesne s’additionnent pas.
I.3. Relation entre la fréquence et la tension
Sommation :
C’est l’augmentation de la réponse mécanique d’une fibre musculaire à lasuite des potentiels d’action qui apparaissent au cours de la phase d’activitémécanique.
I.3. Relation entre la fréquence et la tension
La fréquence de stimulation qui provoque une tension tétanique maximalediffère d’une fibre à l’autre car les temps de contraction sont différents…
La tension tétaniquemaximale est environ 3 à 5fois plus grande que latension d’une secousseisométriqueisométrique
Temps de contraction ?
Muscle = éléments élastiques en série (tissu conjonctif, titine…)
Ces éléments élastiques transmettent la tension aux extrémités de la fibre.
Donc:
Temps de contraction = temps nécessaire à l’étirement des élémentsélastiques en série.
I.3. Relation entre la fréquence et la tensionAugmentation de la tension avec l’élévation de la fréquence?
Si 1 PA :
- La tension dépend du nombre de ponts actine-myosine
- Un PA libère du Ca2+ qui rend tous les ponts actine-myosine disponibles.
- Cependant, la formation des ponts prend un certain temps ainsi quel’étirement des éléments élastiques en série.
- Le pompage du Ca2+ commence alors que la tension qui pourrait êtredéveloppée par tous ces ponts formés n’est pas au maximum.développée par tous ces ponts formés n’est pas au maximum.
- ↓ Ca2+ dans la sarcoplasme qui provoque une diminution des sites deliaison disponible et donc ↓ de la tension.
Si plusieurs PA (fréquence de stimulation) :
- Vitesse de libération du calcium > vitesse de pompage
- ↑ Ca2+
- Le nombre maximal de sites de liaison reste disponible et la tensions’élève jusqu’à sa valeur maximale.
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
I.4. Relation entre la longueur et la tension
TENSION
Fréquence de stimulation
Longueur de la fibre avant la stimulation fibre avant la contraction
Lors d’une contraction isométrique, on peut étirer une fibre musculaire à différenteslongueurs et mesurer la tension tétanique maximale en réponse à la stimulation.
L0 correspondra à la longueur optimale pour laquelle une fibre produit la plusgrande tension.
I.4. Relation entre la longueur et la tension
Si longueur fibre < 60% L0
- Les filaments d’actine sechevauchent (5 et 6), et lesfilaments de myosine sont enbutées contre les lignes Z…
- pas de tension possible
Entre 60% et 100% L0 (4 et 3)
fibre muscu
- Le nombre de ponts augmente
- La tension augmente → MAX
Entre 100% et 175% L0 (2 et 1)
- Le nombre de ponts diminuejusqu’à ce qu’il n’y en a plus.
- La tension diminue → O
I.4. Relation entre la longueur et la tension
Quand tous les muscles squelettiques sont relâchés, leur longueur est proche de L0,
In vivoIn vivo, l’étirement qu’une fibre relâchée peut subir est limité par les articulations.
L’étirement in vivo dépasse rarement 30% de la L0.
La capacité à produire une tension tombe rarement en dessous de la moitié de la tension max
In vivo :In vivo :
fibre muscu
In vivo :In vivo :
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
II. La contraction des muscles entiers
Muscle = grand nombre de fibres musculaires organisées en unités motrices.
Toutes les fibres musculaires d’une unitémotrice appartiennent au même type defibres musculaires (lentes, rapides).
On peut donc parler d’unité motrice :
- Oxydative lente
- Oxydative rapide
- Glycolytique rapide- Glycolytique rapide
Chaque unité motrice possède sespropres caractéristiques : vitesse decontraction, force, résistance à lafatigue…
Les muscles sont constitués de ces 3 UMmais dans des proportions différentes.
II. La contraction des muscles entiers
Les muscles du dos et des jambes :
- Activité longue sans fatigue (stationdebout)
- Grand nombre d’UM oxydatives lentes
Les muscles des bras :
- Forces élevées pendant courtes durées
- Grand nombre d’UM glycolytiques rapides
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
1. Régulation de la tension musculaire
La tension totale d’un muscle dépend :
A- De la tension développée par chaque fibre
B- Du nombre de fibres se contractant
- dépend du nombre de fibres dans chaque UM
- dépend du nombre d’UM activées
Le système nerveux central régule ces deux facteurs afin de régler latension et la vitesse du muscle entier.
A- La tension développée par une fibre dépend :
- de la fréquence de stimulation
- de la longueur d’étirement de la fibre
- du diamètre de la fibre : plus le diamètre de la fibre est grand et plus latension est grande.
1. Régulation de la tension musculaire
Fibres oxydatives lentes
Fibres oxydatives rapides
Fibres glycolytiques rapides
Diamètre des fibres
Dimension des UM
Dimension des
petit
petite
petite
moyen
moyenne
moyenne
grand
grande
grande
Nomenclature des types principaux de fibres musculaires
Dimension des motoneurones
Nb de fibres par UM
petite moyenne grande
petit moyen grand
Exemple :
- Muscle oculaire, UM oxydative lente avec jusqu’à seulement 13 fibres parUM : régulation très précise de la tension, l’incrémentation de la tension estplus petite (1 UM = faible tension).
- Muscles jambes et dos : 1 UM peut contrôler des centaines voir des milliersde fibres musculaires (motoneurone de gros diamètre)
1. Régulation de la tension musculaire
B- Le nombre de fibres recrutées :
- Le recrutement est le nom du processus qui permet d’augmenter lenombre d’UM actives dans un muscle, et donc la tension développée parle muscle.
- La dimension des motoneurones joue un rôle dans le recrutement desUM.
- Dimension d’un motoneurone =diamètre de son corps cellulaire et dediamètre de son corps cellulaire et deson axone.
- Lorsqu’un influx nerveux (du cortex cérébral) est transmis auxmotoneurones, les petits motoneurones subissent une dépolarisation plusimportante qui provoque la contraction de leur UM.- Les gros motoneurones sont ensuite recrutés pour augmenter la tension.- Les UM oxydatives lentes sont donc recrutées en premier lieu, suiviespar les UM oxydatives rapides, et enfin pour les contractions très fortes,par les UM glycolytiques rapides (= loi de Henneman)
1. Régulation de la tension musculaire
B- Le nombre de fibres recrutées :
- Lors d’exercices d’endurance :
- Recrutement des UM oxydatives qui sont plus petites
- Recrutement de UM glycolytiques rapides si l’intensité dépasse 40%de la tension maximale que le muscle peut produire.
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
2. Adaptation musculaire à l’exercice
Les propriétés du muscle dépendent :
- de la fréquence d’entraînement
- de la durée
- de l’intensité
- Hypertrophie : ↑ du diamètre des fibres
- Atrophie par défaut d’utilisation :↓ du diamètre des fibres
- Atrophie de dénervation :motoneurone lésé ou détruit
Effets de l’entraînement :
- Le nombre de fibres musculaires est essentiellement le même tout au cours de lavie adulte.
- Variation de la capacité métabolique et de la dimension des fibres.
2. Adaptation musculaire à l’exercice
Exercice d’intensité modérée et de longue durée :
- ↑ du nombre de mitochondries dans les fibres oxydatives lentes et rapidesqui sont recrutées dans ce type d’activité.
- ↑ du nombre de capillaires qui irriguent ces fibres.
- Donc ↑ de l’endurance avec un minimum de fatigue.
- Cependant, légère diminution du diamètre des fibres et donc de la forcemusculaire maximum.
Exercice d’intensité élevée et de courte durée :
- Recrutement des fibres glycolytiques rapides de façon transitoire au coursde fortes contractions.
- Hypertrophie de ces fibres attribuable à l’augmentation de leur diamètre :
→ Synthèse accrue des filaments d’actine et de myosine (dans lesmyofibrilles)
→ ↑ de la force musculaire
2. Adaptation musculaire à l’exercice
L’entraînement en vue d’améliorer ses performances musculaires doitcorrespondre à l’activité dans laquelle on souhaite réaliser desperformances…
1. Tension, charge et types de contractions musculaires
2. Les secousses musculaires
3. Relation entre la fréquence et la tension
4. Relation entre la longueur et la tension
I. La fibre musculaire
II. La contraction des muscles entiers
1. Régulation de la tension musculaire
2. Adaptations musculaires à l’exercice3. Adaptations nerveuses à l’exercice
3. Adaptations nerveuses à l’exercice
L’entraînement apporte également des adaptations nerveuses :
- Capacité à augmenter la fréquence de stimulation (recrutement temporel)
L’entraînement apporte également des adaptations nerveuses :
- Capacité à augmenter le nombre d’UM recrutées (recrutement spatial)
3. Adaptations nerveuses à l’exercice
Les adaptations nerveuses sont plus rapides que les adaptationsmusculaires, mais elles se perdent très rapidement si on arrêtel’entraînement…
3. Adaptations nerveuses à l’exercice
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes
Les relations caractéristiques de la mécanique musculaireLes relations caractéristiques de la mécanique musculaire
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon
2. Relation force-longueur
1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes
Les relations caractéristiques de la mécanique musculaireLes relations caractéristiques de la mécanique musculaire
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon
2. Relation force-longueur
1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
I.1. Les différents leviers
DECOMPOSITION DE FORCESDECOMPOSITION DE FORCES
Décomposer une force musculaire permet de mieux comprendre ses effets moteurs et articulaires :
ExempleExemple : composantes d’une force musculaire
FF a deux composantes
FF : composante en rotation
FFC
FFRR : composante en rotation
EFFET : rotation de l’avant-bras
FFCC : composante en coaptation
EFFET : maintient l’articulation du coude
FR
LES DIFFERENTS LEVIERSLES DIFFERENTS LEVIERS
Selon l’emplacement des forces, des résistances par rapport au point de pivot, on distingue 3
grands types de leviers, qui ont des propriétés mécaniques différentes
Les leviers « INTER-APPUI »
La force appliquée et la résistance se trouvent de part et
d’autre du point d’appui :
I.1. Les différents leviers
FR
Les leviers « INTER-RESISTANT »
La résistance se trouve entre la force appliquée et le point d’appui :
F
I.1. Les différents leviers
R
Les leviers « INTER-PUISSANT » ou INTER-MOTEUR
La force appliquée se trouve entre la résistance et le point d’appui :
F
R
I.1. Les différents leviers
R
typetype dede levierlevier lele plusplus courantcourant dedenotrenotre systèmesystème locomoteurlocomoteur
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
AVANTAGES des LEVIERSAVANTAGES des LEVIERS
L’efficacité dans la production de force ou « avantageavantage mécaniquemécanique » d’un levier se mesure
comme le rapport entre les bras de levier des forces et des résistances :
AM < 1, levier désavantageux
mécaniquement, F > R
Av. Méc. = lF / lR
I.2. Les avantages des leviers
F R
F R
mécaniquement, F > R
AM > 1, levier avantageux
mécaniquement, F < R
AVANTAGES des LEVIERSAVANTAGES des LEVIERS
On peut en revanche considérer non pas l’avantage mécanique d’un levier, mais l’avantage
cinématique : production de mouvements amples et rapides :
AC > 1, levier avantageux
Av. Cin. = lR / lF
I.2. Les avantages des leviers
F R
F R
AC > 1, levier avantageux
cinématiquement
AC < 1, levier désavantageux
cinématiquement
AVANTAGES des LEVIERSAVANTAGES des LEVIERS
I.2. Les avantages des leviers
F
lR1 / lF1> lR2 / lF2
1
2R
Cas 1 : – avantageux d’un point de vue mécanique
Cas 1 : + avantageux d’un point de vue cinématiqueF
R
lR1 / lF1> lR2 / lF2
2
1
2
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
Exemple typique : articulation du coude et flexionExemple typique : articulation du coude et flexion
Dans le mouvement de flexion de l’avant-bras sur le bras :
- Le mouvement est complexe : ON SIMPLIFIE
- Muscle équivalent (Bouisset, 1973) :L’ensemble des groupes musculaires agonistes = un des muscles dontl’action mécanique est représentative
I.3. Exemple de l’articulation du coude
Dans le mouvement de flexion de l’avant-bras sur le bras :
• Segment fixe : Bras
• Axe de rotation : axe épicondyles
• Segment en rotation : avant-bras + main
• Muscle équivalent : biceps brachial
EFFETS DU LEVIEREFFETS DU LEVIER
Exemple lors de la flexion de l’avant-bras :
I.3. Exemple de l’articulation du coude
Relation entre le bras de levier de la force du biceps brachial et l’angle articulaire
EFFETS DU LEVIER ET …EFFETS DU LEVIER ET …
Moment de force et angle articulaireMoment de force et angle articulaire
I.3. Exemple de l’articulation du coude
Le moment de force dépend de l’angle articulaire car :
- Variation de bras de levier
- Variation de longueur du muscle (nombre de ponts actine-myosine)
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié
• On utilise des modèles pour simplifier l’analyse de la mécaniquemusculaire
• Principe de ces modèles : nb restreint d’éléments et composantes simplespour traduire une réalité complexe
HISTORIQUE :HISTORIQUE : On modélise le complexe musclemuscle--tendontendon
Premier modèle :
Muscle activé = simple ressort étiré
(Weber, 1846)
(Hill, 1922)
Le muscle n’est pas un élastique strict (comportement « Hookien »), ilprésente une certaine viscosité, responsable de phénomènes d’ hystérésis
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié
Comportement « Hookien »
Phénomène d’ hystérésis(dépend de la vitesse d’étirement / relâchement)
F F
Deuxième modèle :
Le muscle a un comportement non-linéaire etproduit de la chaleur lors de la contraction.
Ressort avec en parallèle un élémentvisqueux « amortisseur »
L Llent rapide
Raideur = ∆F/∆LCompliance = ∆L/∆F(ou extensibilité)
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié
Test « controlled release »
le muscle est placé en contraction isométriquemax, puis relâchement brutal (ΔL) :
chute brutale de tension qui est impossibleavec un élément visqueux pur (car vitesse deraccourcissement limité)
Hill, 1938 : Modèle à deux composantes : (A. V. Hill, 1938)
- Une composante élastique en série(CES), ressort non amorti (explique lachute brutale de tension lorsque le muscleest raccourci).
- Une composante contractile (CC) produitle raccourcissement, élément visqueux.
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
II. 1. Modèle à trois composantes
Pb:la CC est supposée n’offrir aucune résistance à l’étirement lorsque lemuscle non activé est placé à une longueur élevée.
Muscle non activé :
La tension augmente avec la longueur de fibre, de façon non-linéaire:
Tension
ll0
- Une Composante Élastique Série (CES) :
- Une Composante purement Contractile (CC) :
- Muscle non activé : aucune résistance à l’étirement
- Muscle activé : générateur de force. La force développée dépend de la
longueur et de la vitesse de raccourcissement du muscle.
II. 1. Modèle à trois composantes
« Modèle à 3 composantes de Hill »
- Muscle activé : explique la chute brutale de tension
lorsque le muscle subit un raccourcissement rapide.
A. V. Hill, 1951
- Une Composante Élastique Parallèle (CEP) :- Muscle non activé : responsable de la tension derepos existant sur un muscle non activé lorsqu’il estétiré.
II. 1. Modèle à trois composantes
La Composante Contractile (CC):La Composante Contractile (CC):• Représente le processus de génération de force
- D.K. Hill, 1968
- A.F. Huxley etSimmons, 1971
- Shorten, 1987
• Représente le processus de génération de force
• Anatomiquement : ponts actine-myosine
La Composante Élastique Série (CES):La Composante Élastique Série (CES):• Partie « passive »: structures tendineuses
• Partie « active » : ponts actine-myosine
La Composante Élastique Parallèle (CEP) :La Composante Élastique Parallèle (CEP) :• Tissu conjonctif et sarcolemme, protéines structurales (titine)
II. 1. Modèle à trois composantes
La Composante Élastique Parallèle (CEP) :La Composante Élastique Parallèle (CEP) :• Tissu conjonctif et sarcolemme, protéines structurales (titine)
Relation tension passive-longueur demyocyte avant et après dégradation de latitine (d’après Granzier et Irving, 1995)
Développement de la force passive lors d’un testd’étirement en rampe sur des soléaire de sourisdépourvus ou non de desmine (d’aprèsAnderson et Goubel 2002)
II. 1. Modèle à trois composantes
La Composante Contractile (CC):La Composante Contractile (CC):• tétaniser le muscle en conditions isométriques puis lui permettre de se raccourcir contre une charge constante (isotonique)
•pas de variation de force CES ne participe pas aux variations de longueur
• pas d’implication de CEP si L < Lo
La Composante Élastique Série (CES):La Composante Élastique Série (CES):
Caractérisation des différentes composantes
• test de détente rapide ou « quick release »
• muscle initialement contracté CES étirée par CC qui s’estraccourcie
• les variations de tension après le relâchement contrôlé ne sontattribuables qu’à la CES
La Composante Élastique Parallèle (CEP) :La Composante Élastique Parallèle (CEP) :• relation force – longueur sur muscle passif
• CES n’offre aucune résistance puisque la force de CC est nulle, donc la tension est attribuable à CEP
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
II. 2. Relation force-longueur
MuscleMuscle activéactivé ::
Relation Tension – Longueur du complexecomplexe musclemuscle--tendontendon (isolé), mesuréeen stimulant isométriquement le muscle à différentes longueurs.
Tension
CC
CEPCC + CEP
CC = CC+CEP (muscle actif) – CEP (muscle passif)
Longueurl0
II. 2. Relation force-longueur
Gordon et al., 1966
II. 2. Relation force-longueur
Variabilité des courbes force-longueur en fonction du type de muscle :
CC + CEP
CCCEP
- Quantité et distribution du tissu conjonctif influencent la relation force-longueur passive (début de la tension passive). Gareis et al., 1992
- Muscle riche en fibres lentes contient plus de collagène qu’un muscleriche en fibre rapide : Raideur + élevée Laurent et al., 1978
- Isoformes de la titine, + ou – extensible (largeur du plateau de force)Mutungi et Ranatunga, 1996
II. 2. Relation force-longueur
Variabilité des courbes force-longueur en fonction de l’activité du muscle :
adaptation des caractéristiques de la CES :
relation tension-extension de soléaires derat contrôles (rond) et après 3 semaines demicrogravité simulé (carré)
d’après Canon et Goubel, 1995
Inactivité = diminution de la tension développée par la CES
II. 2. Relation force-longueur
Variabilité des courbes force-longueur en fonction du type de muscle :
- Longueur des fibres et nombres de fibres en parallèle :
→ Muscle A : force max isométrique plus faible, mais peut travailler surune plage de longueurs plus importante
II. 2. Relation force-longueur
Muscles pennés, angle de pennation :
On rencontre des muscles fusiformes (sartorius), unipennés (ex. extenseur
des doigts), bipennés (ex. droit antérieur), multipennés (ex. tibial antérieur).
Fusiforme PennéCONTRACTION
pennation : orientation desfibres par rapport à l’axe detension du muscle
Unipenné / Bipenné
Angle de pennation
II. 2. Relation force-longueur
Section transverseSection transverse(CSA)(CSA)
==Section trans. effectiveSection trans. effective
Section trans. EffectiveSection trans. Effective(PCSA)(PCSA)
>>
Muscle non penné
Muscle unipenné
Section trans. effectiveSection trans. effective(PCSA)(PCSA) >>
Section transverseSection transverse(CSA)(CSA)
Pour une même « Cross Sectional Area » (CSA), la « Physiological Cross Sectional Area » (PCSA) augmente avec l’angle de pennation…
II. 2. Relation force-longueur
La Fmax isométrique que peut produire un muscle est directement fonctiondu nombre de fibres en parallèle (PCSA)
Or pour les muscles pennés, l’angle de pennation augmente le nombre defibres en parallèle (PCSA), mais diminue leur longueur.
30°
F efficace = F . cos 30
F exercée par la fibreF exercée par la fibre
F latérale
Muscle penniformeMuscle fusiforme
-Donc diminution de la force efficace pour une fibre de muscle penniformemais plus de fibres, donc un peu plus de force au total à volume égal.
-Amplitude de raccourcissement plus petite car fibres plus courtes etraccourcissement en latéral.
+ l’angle de pennation est élevé, + la force efficace sera réduite
II. 2. Relation force-longueur
- Indice de pennation influence la forme de la relation Woittiez et al., 1983
→ fibres courtes / longueur du muscle, large plateau de force optimale
Tension
Muscle non penné
Muscles pennés, angle de pennation :
Longueurl0
Muscle penné
Muscle fusiforme : du muscle de 1 cm = des fibres de 1 cm…
Muscle penné : ???
II. 2. Relation force-longueur
Muscles pennés, angle de pennation :
Muscle fusiforme : du muscle de 1 cm = des fibres de 1 cm…
B
A
Ax
C
C’
ΩΩ'
Muscle penné : ???C = A/sin ΩC’ = Ax/sin Ω’
C’/C < x ??
Ax . sin Ωsin Ω’ . A
sin Ωsin Ω’
< x
< 1
Or 90°> Ω’ > Ω > 0
Donc sin Ω’ > sin Ω
Allongement des fibres < allongement muscle (CQFD)
II. 2. Relation force-longueur
In vivo (articulation de la cheville):
Muscles non activés
Relation couple / angle articulaire
Muscles activés
Différences notables vs. in vitro :
Fmax absolue / Fmax volontaire
De + cette relation ne peut êtreassimilée à la relation force – lg dumuscle car il y a variation du bras delevier différence entre forcedéveloppée par le muscle et la forceefficace
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
La force que peut développer un muscle dépend de sa vitesse decontraction et inversement, sa vitesse de contraction dépend de la chargeappliquée (Gasser et Hill, 1924)
Cette relation entre force et vitesse de contraction est de type hyperboliquepour le muscle isolé (Fenn et Marsh, 1935)
Tension
F
La vitesse de raccourcissement des fibres dépendde l’activité ATPasique de la myosine.
Vitesse de raccourcissement
F0
V00
V0 dépend du type de fibres, de la température,muscle penné…
de l’activité ATPasique de la myosine.
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
On observe des différences fonctionnelles entres muscles « rapides » et« lents », ou selon les propriétés « géométriques » et anatomiquesmusculaires
• Vitesses maximales différentes
• Tensions isométriques maximales
- Type de fibre :
• Tensions isométriques maximalesidentiques / unité de surface
• Vitesses différentes pour unemême tension
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
On observe des différences fonctionnelles entres muscles « rapides » et« lents », ou selon les propriétés « géométriques » et anatomiquesmusculaires
- Niveau d’activité :
Adaptation de la relation Force –Vitesse : relation couple-vitesseobtenue sur les extenseurs (A) et les fléchisseurs (B) du genou avant(carré évidé), aussitôt après (triangle) et 30 jours après (carré plein)un bed-rest de 30 jours (d’après Dudley et coll., 1989)
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
On observe des différences fonctionnelles entres muscles « rapides » et« lents », ou selon les propriétés « géométriques » et anatomiquesmusculaires
- âge :
Avec l’âge atrophie des muscles diminution de la force perte des fibres rapides (II) réduction de la vitesse de contraction
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
On observe des différences fonctionnelles entres muscles « rapides » et« lents », ou selon les propriétés « géométriques » et anatomiquesmusculaires
Différence liée à- la surface de section du muscle
- Type d’entraînement :
- la surface de section du muscle- la typologie- au recrutement (coordination)
Relations couple-vitesse des extenseurs dugenou chez un athlète entraîné en puissance(DS) et un athlète entraîné en endurance (SW)(d’après Taylor et coll., 1991)
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
On observe des différences fonctionnelles entres muscles « rapides » et« lents », ou selon les propriétés « géométriques » et anatomiquesmusculaires
Entr. en vitesse max, charges faibles ou nullesEntr. en force max / isométrieEntr. complet
- Type d’entraînement :
Force
Travailler tous les régimes de contraction, àdifférentes charges
« détacher la courbe » JP Egger
Vitesse
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
- Propriétés géométriques : « long » vs « court »
Le muscle hypothétique A peut se contracter à une vitesse environ deux foissupérieure à celle du muscle B, mais B peut produire plus de force aux faiblesvitesses, on a donc un profil « vitesse de contraction » ou « production de force »
À typologie et recrutement =,Vmax déterminée par longueur du muscleFmax déterminée par PCSA
controversé (Edman et al.,1979 J Physiol)
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
- Détermination de Vmax
((F+aF+a)()(V+bV+b) = const.) = const.
Hill 1938Hill 1938
((P+aP+a)()(v+bv+b) = b (F) = b (F00+a)+a)a (Va (V00+b)+b)
Théoriquement, V0 correspond à la vitesse max de raccourcissementcontre une charge nulle.
Pb : comment la mesurer contre une charge vraiment nulle ?
V0 est extrapolée à partir de la relation F/V
Alternative = « slack test »
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
- Détermination de Vmax
« slack test »
Fibre tétanisée raccourcie brusquement de manière suffisante pour annuler laproduction de force mesure du temps nécessaire pour la fibre développe ànouveau une tensionPlusieurs essais avec différentes longueur de raccourcissement
Variations de longueur imposées
Variations consécutives de force pente de la relation = Vo
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
- Détermination de Vmax
Comparaison des valeurs avec l’équation de Hill et le slack test
Fibre isolée : pas de différences
Muscle isolé : pas d’égalité…
Vmax déterminée par l’équation de Hill fait appel à des tests à des vitesses< Vmax dépend des relations force – vitesse de toutes les fibrescomposant le musclecomposant le muscle
Vmax déterminée par slack test = tests uniquement à vitesse max seulesles fibres les + rapides impliquées (???)
… si muscle hétérogène
ExempleSoléaire de souris Vmax « slack » > Vmax « Hill » de 60%Soléaire de cobaye (100% fibres I) Vmax « slack » = Vmax « Hill »
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
In vivo – exercices mono-articulaires :
Ext. coudeFléch. coude
Ext. genouFléch. Pl. cheville NB :
- Vitesse angulaire constante mais pasvitesse de raccourcissement des fibresnon constante.
-Action des muscles antagonistes.
Il n’est pas possible de mesurer in vivo, la relation force-vitesse du muscle moment (couple) / vitesse angulaire
relation couple-vitesse n’est qu’unetraduction périphérique des relationsforce-vitesses des fibres musculaires
On observe néanmoins une décroissance du couple avec l’augmentation de lavitesse de contraction (mouvements isocinétiques) de type hyperbolique commepour le muscle isolé…
… lors de mouvement mono-articulaires
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
In vivo – exercices pluri-articulaires :
test très utilisé = force – vitesse sur bicyclette ergométrique :force = force de friction sur le volant d’inertievitesse = fréquence de pédalage
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
test de sprint en càp
m.s
-1)
barre rigide et jauge de contrainte
codeur optique (angle)
a b
In vivo – exercices pluri-articulaires :
Vite
sse
(m.s
-
Force de résistance (N)
ordinateur
moteur
capteur vitesse
Figure 13 ____________________________________a – Tapis ergométrique de sprint utilisé par Jaskoslka et al. (1999).b – Relation force – vitesse linéaire obtenue en moyennant les vitesses maximales de sprint de 32 sujets pour chaque force de résistance.(d’après Jaskolska et al., 1999a)
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
III. 1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo
test de demi-squat
Fo
rce
(N
.kg
-1)
Pu
issa
nce
(W
.kg
-1)
a
Relations force-vitesse (carrés) et puissance-vitesse (ronds) obtenues chez une femme(symbole blancs) et un homme (symbolesnoirs) lors d’exercices de demi-squats (Bosco
In vivo – exercices pluri-articulaires :
Vitesse (m.s-1)
Pu
issa
nce
(W
.kg
noirs) lors d’exercices de demi-squats (Boscoet al., 1995)
Dans les cas de mouvements pluri-articulaires, la relation force – vitesse du membre testé s’apparente à une relation linéaire décroissante
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Pmax = Fopt x Vopt
La puissance produite dépend de la vitesse du mouvement.
800
1000
Pmax =
1400
200
250
300
350
1200
Force propulsive (N)
Puissance (W)
P = F x VCharge élevée
Exemple:Lors d’un mouvement de squat ou de développé couché…, plus lacharge à soulever est élevée, plus la vitesse d’exécution dumouvement est faible.
Lors d’un effort maximal 200
400
600
800
0 1 2 3 4 5 6 7 8
50
100
150
200
V opt
F opt
Vitesse m/s
Charge faible
Dans quelle situation développe-t-il le plus de puissance ?
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
- Propriétés géométriques : « long » vs « court »
Par leurs tendances force ou vitesse « opposées », les muscles A et B peuventproduire des puissances égales, mais à des vitesses de contraction différentes,plus élevées pour A que pour B.
Même puissance maximalemais vitesse optimale decontraction différente
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Influence de la typologie musculaire
Plus la relation F – vitesse d’un muscleest incurvée, moins la puissancedéveloppée par ce muscle est importante
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
In vivo : En Sprint
40Mouvements du CM
Résistance de l’air
Puissance mécanique (W/kg)
La relation vitesse-puissance est de type parabolique, montrant une valeur maximalede puissance pour une vitesse optimale
10
20
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Accélération
Puissance totale
Distance (m)
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Implique des conditions spécifiques de charge oude vitesse pour la détermination de Pmax
Tests les + utilisés pour déterminer Pmax :Force – vitesse sur bicyclette
Pmax
Puissance
VitesseVopt VitesseForce
VoptFopt
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Implique des conditions spécifiques de charge oude vitesse pour la détermination de Pmax
Tests les + utilisés pour déterminer Pmax :Force – vitesse sur bicycletteMargaria
Pmax
Puissance
VitesseVopt VitesseForce
VoptFopt
P = (m.g.h) / t
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Implique des conditions spécifiques de charge oude vitesse pour la détermination de Pmax
Tests les + utilisés pour déterminer Pmax :Force – vitesse sur bicycletteMargariaSaut vertical
Pmax
Puissance
VitesseVopt VitesseForce
VoptFopt
P = 21,7 x m x √h
III. 2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
Implique des conditions spécifiques de charge oude vitesse pour la détermination de Pmax
Tests les + utilisés pour déterminer Pmax :Force – vitesse sur bicycletteMargariaSaut vertical
Pmax
Puissance
VitesseVopt
impossible de varier la vitesseaugmenter la charge ?
VitesseForce
VoptFopt
La mesure de la puissancemécanique maximale sur leterrain n’est pas en effectuée enconditions optimales pour tousles individus
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
IV. 1. Élasticité, raideur
DEFINITIONS DEFINITIONS
L’application d’une force sur un matériau créé sa déformation. Le rapport entre cetteforce et la variation de longueur engendrée est donné par la relation :
FF = = k . k . ∆∆LLF : Intensité de la force appliquée (N)∆L : variation de longueur (m)k : raideur du matériau (N.m-1)
RaideurRaideur du matériaudu matériau (pente de la relation) :
L
F
Structure élastique
k = F. ∆L-1
L0
Plus la raideur est grande et plus on peut stocker de l’énergie élastique
IV. 1. Élasticité, raideur
La raideur
• Résistance à l’étirement de la trame conjonctive (CEP)
• Augmentation de raideur avec l’augmentation de tension & longueur
• Phénomène d’hystérésis
RAIDEUR MUSCULAIRE : fibres, muscle passifRAIDEUR MUSCULAIRE : fibres, muscle passif
La raideur augmente avec la longueur et la tension
k1
k2
k3
IV. 1. Élasticité, raideur
Interprétation de ce phénomène
d’élasticité lors de la détente rapide
(Huxley & Simmons, 1971) :
1: Position durant contraction tétanique
2: En détente rapide, S-2 détendu
RAIDEUR MUSCULAIRE : fibres, Muscle actifRAIDEUR MUSCULAIRE : fibres, Muscle actif
Composante élastique série située dans les ponts actine myosine.Une part d’élasticité (10 à 15%) réside également dans le filamentfin
2: En détente rapide, S-2 détendu
3: Contraction retour vers tension max
IV. 1. Élasticité, raideur
RAIDEUR : le TENDONRAIDEUR : le TENDON
Anatomie et structure tendineuse :• 75% de masse sèche du tendon humain : fibres de collagène• Autres fibres : élastine
• Disposition des fibres en « grillage oblique » au repos, aspect microscopique torsadé des fibres de collagène
IV. 1. Élasticité, raideur
RAIDEUR : le TENDONRAIDEUR : le TENDON
Propriétés élastiques :
• Extensibilité du collagène très faible (1-2 %) comparée par exempleà celle de l’élastine (100%) ou de la CES musculaire (20-40%)
• Pour des allongements faibles, les fibres changent de disposition, enopposant une faible tension, puis la courbe tension-longueur dutendon correspond à celle du collagène, présentant une très forteraideur (rupture pour allongement >10%)
Le tendon lors de l’allongement montre unephase compliante, suivie d’une phase raide :
k1
k2Phase compliante (k1) = réarrangementgéométrique du « grillage » de fibres
Phase raide (k2) = raideur correspond à celledu collagène seul
IV. 1. Élasticité, raideur
RAIDEUR : le TENDONRAIDEUR : le TENDON
Propriétés élastiques :
Concrètement
• la résistance maximum d’un tendon est d’environ 48 à 98 N/mm² soit 4,9 à presque 10 kg / mm²
• pour le tendon d’Achille cela correspond à une force maximale avantrupture de 6275 Nrupture de 6275 N
soit une force de 640 kg
Mémo :La 2ème loi de Newton nous dit : F = m.aDans la composante verticale, a = g = 9,81 m/s²1 kg exerce une force de 9,81 N
IV. 1. Élasticité, raideur
ELASTICITE : le COMPLEXE MUSCLEELASTICITE : le COMPLEXE MUSCLE--TENDONTENDON
On étudie la raideur du complexe muscle-tendon à l’aide des relations tension – extension, obtenues
par détente rapide
Exemple : Controlled release sur sartorius grenouille (Goubel, 1978)
Cette relation tension-extension n’estpas linéaire :
La raideur du complexe muscle-La raideur du complexe muscle-tendon augmente avecl’augmentation de la tensiondéveloppée.
Cette augmentation de raideur peutêtre due au « recrutement »progressif d’éléments.
Variation de raideur
Aire : travail élastique du muscle
1. Les différents leviers2. Les avantages des leviers3. Exemple de l’articulation du coude
I. Leviers et moments de force
II. Les modèles mécaniques du muscle squelettique strié1. Modèle à trois composantes2. Relation force-longueur
III. Les relations typiques du muscle squelettique1. Relation force-vitesse, muscle isolé et in vivo2. Relation puissance-vitesse, muscle isolé et in vivo
IV. Complexe muscle-tendon1. Élasticité, raideur2. Stockage-restitution d’énergie élastique
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
STOCKAGESTOCKAGE--RESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUERESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUE
Lors de son étirement, le muscle activé, assimilé à un élastique, effectue un
travail élastique : son énergie élastique augmente :
Eel = ½ . k. ∆L²
Ce « stockage » dans les structures musculo-tendineuses (principalement CES)
peut donner lieu à une « restitution » d’énergie lors de la détente du complexe
muscle-tendon, participant au travail musculaire en raccourcissement (Cavagna &
al. 1968)
« L’effetL’effet CavagnaCavagna », montre l’effet positif d’un étirement préalable du complexe
muscle-tendon sur la production de travail lors de la contraction en
raccourcissement…
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
STOCKAGESTOCKAGE--RESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUERESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUE
Situation 1Situation 1 :
Le muscle est étiré, passif (a) puis contracté
isométriquement à l0 (b).
Au cours du plateau tétanique, il est relâché brusquement
(c).
La tension retombe à zéro puis augmente de nouveau
(comme lors du controlled release) (d).
Cavagna & Citterio, 1974
Situation 2Situation 2 :
Le muscle développe sa tension tétanique (a) puis il est
étiré (b).
Il est ensuite relâché brusquement (c’).
La tension retombe à zéro puis augmente de nouveau
(d).
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
STOCKAGESTOCKAGE--RESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUERESTITUTION D’ENERGIE ELASTIQUE
L’aire sous la courbe Force-Longueur correspond au
travail élastique stocké dans le muscle
Si on compare les aires sous c et c’, on constate un
travail élastique plus important dans la situation 2, lors
de l’étirement du muscle contracté
Cavagna & Citterio, 1974
CetCet effeteffet montremontre lele plusplus grandgrand stockagestockage d’énergied’énergie élastiqueélastique
dansdans lele musclemuscle activéactivé puispuis étiréétiré..c'
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
LE «LE « CYCLE ETIREMENTCYCLE ETIREMENT--DETENTEDETENTE »»
Le cycle étirement-détente est donc une propriété fonctionnelle de stockage-
restitution d’énergie élastique dans le couple muscle-tendon
L’énergie stockée en phase d’étirement est peu coûteuse métaboliquement, et
dépend de la raideur musculo-tendineuse
La restitution optimale d’énergie élastique dépend du temps de couplage
excentrique-concentrique, qui doit être court, avant dissipation en chaleur
De plus, un temps de couplage très court favorise la production de force en phase
concentrique par activité réflexe (Potentiation Myoélectrique : Bosco & al, 1982)
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
C.E.D. et EXERCICE PHYSIQUEC.E.D. et EXERCICE PHYSIQUE
Augmentation de la performanceAugmentation de la performance
Dans de nombreuses situations sportives, la performance est améliorée par
l’intervention du CED, le meilleur exemple étant les exercices faisant intervenir une
extension des membres inférieurs :
C. Bosco a observé en détails l’augmentation de performance en saut :
CEDCED
« Squat Jump »Départ immobile, angle
genou 90°
« Counter Movement Jump »
Elan vers le bas (genou 90°) puis saut
« Drop Jump »Saut en contre-bas puis rebond
et saut vers le haut
CEDCEDCEDCED
++
PMPM
Augmentation de performance (hauteur du saut):
Cycle Etirement-Détente et Potentiation Myoélectrique (réflexe)
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
C.E.D. et EXERCICE PHYSIQUEC.E.D. et EXERCICE PHYSIQUE
Augmentation du rendement musculaireAugmentation du rendement musculaire
Le rendement musculaire brut est le rapport entre énergie mécanique produite sur
l’énergie métabolique dépensée.
Il a été montré que dans de nombreuses activités, ce CED améliore le rendement
pour une même production de travail / puissance :
Thys & al. 1972 : « L’expérience des chaises »
Les auteurs ont constaté unedépense énergétique plus faibledans la situation 1…
1« Debout puisAssis-deboutrapide puispausedebout »
2
« Assis puis Debout assis rapide puis pause assis »
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
C.E.D. et EXERCICE PHYSIQUEC.E.D. et EXERCICE PHYSIQUE
Augmentation du rendement musculaireAugmentation du rendement musculaire
Un exemple classique est, à puissance développée égale, la différence de
rendement observée entre le pédalage (sans CED) et la course à pied (utilisation
du CED) :
ηη ≈≈ 2020--22%22%ηη ≈≈ 4545--50 %50 %
NB : NB : ηη muscle isolé 25muscle isolé 25--30%30%
IV. 1. Élasticité, raideur
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Phénomène de Phénomène de thyxotropiethyxotropie ::
=diminution de la viscosité sous contrainte mécanique
Exemples :sables mouvants, mousse à raser etc…
Le muscle a un comportement thyxotropique : un échauffementdiminue la visco-élasticité musculo-tendineusediminue la visco-élasticité musculo-tendineuse
Dans les activités d’explosivité, raideur = paramètre important dansle maintien de la perf (répétition de sprint)
dilemme : échauffer sans trop assouplir…
Échauffement dans les disciplines de sprint (haies) ?Entraînement à la raideur ?
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
Fmaxkvert ∆∆∆∆y=
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Apports technologiques ?Apports technologiques ?
Modélisation de la course à pied :Compression – détente d’un ressortEmmagasinement – restitution d’énergie
Oscar Pistorius
Fmax kvert .∆∆∆∆y=
0
400
800
1200
1600
2000
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Temps (s)
Forc
e (N
)
FFmaxmax ∆∆yy
LLminmin
LL
FmaxFmax
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Apports technologiques ?Apports technologiques ?
Oscar Pisto
rius
VO2max < mais coût énergétique < VMA identique coureurs 400m
Mais test à des vitesses < vitesse de course
Autre double amputé = coût énergétique (216 ml O2/kg/km) !!!
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Apports technologiques ?Apports technologiques ?
Oscar Pisto
rius
Même résistance à la fatigue pour des vitesses de sprint
réserve de vitesse anaérobie
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Apports technologiques ?Apports technologiques ?
Oscar Pisto
rius
Pic de force < (la raideur du membre inf serait <…)
Compensé par un « ramené » de jambe + rapide
Désaccord entre les co-auteurs d’un même article !!
IV. 2. Stockage-restitution d’énergie élastique
RAIDEUR & PERFORMANCERAIDEUR & PERFORMANCE
Apports technologiques ?Apports technologiques ?
Oscar Pisto
rius
Kram & al., JAP 2009
Éléments de bibliographie
Ouvrage
« Eléments de mécanique musculaire » F. GOUBEL, G. LENSEL-CORBEILlMasson, Paris(1998)
Articles
Voir les articles déposés sur l’ENT ou le site
Pour les tests de caractérisation des relations force-vitesse et de puissance voir notamment les travaux de H. Vandewalle
Pour les mesures sur muscles isolés voir notamment Goubel, Canon, Edman
Pour le cycle-étirement détente voir Thys & al. 1972
Pour le “cas” Oscar Pistorius voir Weyand & al JAP 2009
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