force maximale volontaire - sorbonne-universite...force maximale volontaire et “1 rm” la force...
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Capteurs de force
Force maximale volontaire
Force maximale volontaire (FMV)
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
La force maximale volontaire (FMV ou en ang la is MVC, max ima l vo lun ta ry contraction) d’un groupe musculaire correspond à la valeur maximale de la force que peut produire ce groupe lors d’un effort maximal.
Cette force peut être enregistrée au cours d’un exercice isométrique contre la résistance d’un capteur de force.
Capteurs de force
Force maximale volontaire < force maximale
Force maximale volontaire (FMV)
La force maximale volontaire d’un groupe musculaire est inférieure à la valeur maximale de la force que peut produire ce même groupe s’il était tétanisé par une stimulation électrique maximale à fréquence élevée.
Cette différence de force est généralement étudié par l’enregistrement de la force au cours d’un contraction maximale volontaire avec stimulation électrique surajoutée.
Stimulateur
Stim.
Force maximale
Force maximale volontaire et “1 RM”
La force maximale volontaire peut être enregistrée au cours d’un exercice isométrique contre la résistance d’un capteur de force.
En pratique, elle peut être estimée par la mesure de la charge maximale qu’un sujet est capable de soulever une seule fois (1 RM, c’est-à-dire une répétition au maximum).
Une charge correspondant à 3 RM n’est pas la charge qui est égale à 300% de 1 RM mais celle qu’il est possible de soulever au maximum 3 fois (entre 90 et 95 % de la charge correspondant à 1 RM).
Capteurs de force
Force dite “explosive”Dans de nombreuse activités sportives, la vitesse de production de force est aussi importante que la valeur maximale de la force.
Le caractère explosif de cette force est souvent évaluée en mesurant la
(Maximal Rate of Force Development ; ).
pente maximale
MRFD
Pente maximale Force maximale volontaire (FMV)
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombres de répétitions ;
facteurs physiologiques● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Les myofibrilles sont constituées de la répétitions de structures protéiques appelées sarcomères, “enchaînées” les unes aux autres.
Les sarcomères sont disposés parallèlement, les uns à coté des autres, en ligne transversaledonnant l’aspect strié des fibres.
Les sarcomères sont disposés aussi, en série, les uns derrière l e s a u t r e s , e n l i g n e s longitudinales, constituant des myof ib r i l l es a l lan t d ’une extrémité à l’autre de la fibre.
Axe transversalA
xe longitudinal
membranebasale
NoyauxMyofibrilles
Membranesarcoplasmique
Les dimensions des différents composants du sarcomère sont conservées au cours de l’évolution des vertébrés, de la grenouille à l’éléphant en passant par l’homme.
Ces mêmes dimensions de la de la du
.
ne dépendent pascroissance, maturation,
niveau d’entraînement
Filament finStrie Z
Filament épais
Sarcomère( 1,6 à 2,5 µm selon l’état de contraction)
1 µm
0,2 µm
1,6 µm
Les variations des dimensions musculaires (volumes, longueurs, diamètres des muscles) avec la la
et l’
croissance, maturation pubertaire, entraînement physique ne sont pas le résultat d’une augmentation des dimensions du sarcomère.
Ces modifications de la morphologie musculaire sont
- des
sarcomères pour l’accroisssement du muscle.
l’expression d’une multiplication des sarcomères :
en série
en parallèle en diamètre
sarcomères pour l’accroissement en longueur,
- des
Sarcomères en série
Sarcomères en parallèle
Un faisceau de myofibrilles est constitué de sarcomères en série et en parallèle
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
2,0 m
1,5 m
1,0 m
0,5 m
Effets de la taillesimilitude géométrique
2,0 m
1,5 m
1,0 m
0,5 m
1 m
1 m1 m
1,5 m
1,5 m
1,5 m
2S = 2,25 m
3V = 3,37 m
3V = 1m
2S = 1m
Effets de la taille sur les et les surfaces volumes
x 2,25
Surface Section transversale
Force musculaireF = 2,25 F2 1
L a f o r c e m u s c u l a i r e F e s t proportionnelle au carré de la taille :
2F = k x L 3
La musculaire est donc
2 3= k x L / L =
force rapportée à la masse corporelle inversement proportionnelle à la taille :
F k / L - 1F = k x L
h
H
La valeur des bras de levier des forces musculaires et des forces extérieures dépend de la taille.
h1
H1
h2H2
P1P2
F1 F2
H x P2 2 = h . F2 2 H . P1 1 = h . F1 1
= F . h1 1(P1 H1/ P2 = F . h2 2( / H2 ) )
= k.F1P1 P2 = k.F 2
La charge soulevée, proportionnelle à la force musculaire, est donc fonction de la taille au carré.
L a f o r c e m u s c u l a i r e F e s t proportionnelle au carré de la taille :
2F = k x L 3
La force musculaire est proportionnelle à la masse corporelle à la puissance 2/3
1 / 3 2F = k x (k x M ) 3 22 / 3F = k x M 4
Masse corporelle (kg)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Force musculaire(% sujet moyen 72 kg)
0
20
40
60
80
100
120
140
F = k1.M
F = k2.M 2/3
L’ d e s résultat de musculaire doit tenir compte que la force est proportionnelle au carré de la taille et non
i n t e r p r é ta t i o n mesure de force
pas à la masse corporelle.
h1 H1h2 H2
P1P2
F1 F2
H .P2 2 = h .F2 2 H .P1 1 = h x F1 1
H.P = h. F = = 2 (k .taille).(k .taille )1 23 k .taille3= k .masse4=
Les moments de force sont proportionnels à la masse corporelle. Par conséquent, les moments de force rapportés à la masse corporelle sont indépendants de la taille.
A qualités musculaires identiques, les résultats des de force sont
lorsqu’ils sont
mesures de moment indépendants de
la taille r a p p o r t é s a u p o i d s corporel.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Muscles pénnésMuscles pénnés
Plume(pen en anglais)
Empennaged’une flèche
Disposition des fibresd’un muscle penné
Chez l’homme, de nombreux muscles squelettiques ne sont pas constitués de fibres disposées parallèlement à leur grand axe.
L’ de nombreux muscles est par rapport à leur grand axe.
La disposition des fibres de nombreux muscles ressemble à la
. Ces muscles sont dénommés “ ”.
orientation des fibresinclinée
structure d’une plumemuscles pennés
N fibres
n fibres
généralement 2N cos a > n par conséquent 2 N x F x cos a > n x F
R
n fibres
a
a = angle de pennation
insertions tendineuses proximales
insertions tendineusesdistales
Le muscle penné (à gauche) a le même volume et la même largeur d’insertion proximale que le muscle à fibres parallèles (à droite).
N fi
bres
N fibres
R
F1 F2F1 F x cos a1 F2 F x cos a2
F1 F2
R
R
R = 2 Fx cos a
R = (F + ) x cos a1 F2
R
Résultante des forces de l’ensemble des fibres
Résultante des forces de 2 fibres pennée
Chaque paire de fibrescontribue à la force totale
RR
Intérêts et limites de la pennation des muscles
La pennation des muscles squelettiques s'accompagne d'un augmentation de leur force maximale.
Tous les muscles ne sont pas penné car la pennation s'accompagne aussi d'une diminution de leur capacité de raccourcissement et par conséquent de leur vitesse maximale.
Par contre, la pennation d'un muscle n'a pas d'effet sur sa puissance maximale (Puissance = Force.Vitesse).
Les muscles bi-articulaires (biceps femoris, semi-tendinosus, semi-membranosus, gastrocnemii...) sont généralement pénnés.
N fibres
n fibres
Raccourcissement
Raccourcissement
Pour un même pourcentage de raccourcissement de ses fibres, le raccourcissement du muscle pénné est moindre car ses fibres sont généralement plus courtes.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
FT
FN
md
O
Le moment (M ) de la force F par O
rapport au centre de rotation O est égal au produit vectoriel de la composante normale F et de la N
distance d
M = F *dNO
F
m
h
O
Le moment (M ) de la force F par O
rapport au centre de rotation O est égal au produit vectoriel de F et du bras de levier h :
M = F*hO
FT
FN
m
hFN
m
O
d
O
= F *dNM = F*hO
FT
F
mO h
FT
FN
mO
d
Lorsque le muscle s’insère à angle droit, les vecteurs F et F sont égaux, les vecteurs h et d sont égaux et N
la valeur de F est nulle. T
Un cas particulier :
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● tâgeempérature musculaire.
Effet de l’angle articulaire
les composantes F et FT N
le bras de levier (h)
la longueur du muscle
FT
F
mO h
Effet de l’angle articulaire sur les composantes F et FT N
le bras de levier (h)
le moment de force MO
FN
m
h
O
FT
FN
mO
d
FT
FN
md
O
Effet de l’angle articulaire sur les composantes F et FT N
le bras de levier (h)
le moment de force MO
de la relation
à la relation
Force-Longueur
Moment-Angle articulaire
De la théorie des filaments glissants à la
Relation Force-Longueur des sarcomères
La formation des ponts actine-myosine peut être mise en évidence à fort agrandissement sur des coupes très fines après traitement par du glycérol. (le glycérol dissout les membranes lipidiques)
Filament fin
Filament épais
Ponts actine-myosine
D’après la théorie des filaments glissants, la produite par une fibre musculaire
du
La production de force dépend donc de l’importance du
forcedépend nombre de ponts actine-myosine.
recouvrement des filaments fins et épais.
Théorie des filaments glissantsLe nombre de ponts “actine-myosine” (en rouge)(c’est à dire la force produite par un sarcomère)
est proportionnel au recouvrement des filaments fins et épais
Ceci a été démontré par Gordon et coll en 1966 qui les valeurs de
mesurée sur une et le des filaments
fins et épais en microscopie optique.
ont confrontéforce fibre musculaire unique recouvrement
observé simultanément
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
d’après Gordon et coll 1966
La force diminue avec l’élongation du sarcomère car le recouvrement des filaments fins et épais diminue.
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
d’après Gordon et coll 1966
Un plateau de force est observé car le nombre de ponts actine-myosine est constant (la région centrale des filaments épais est dénudé).
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
d’après Gordon et coll 1966
Une diminution de force est observée car une partie des fi laments fins se chevauchent et le nombre de ponts actine-myosine baisse.
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
d’après Gordon et coll 1966
Une diminution de force est observée car les filament épais butent sur les stries Z.
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
d’après Gordon et coll 1966
Zonefonctionnelle
Relation Force-Longueurdu muscle isolé
La relation force-longueur de la fibre isolée trouve son expression dans la
.
A la force produite par les sarcomères, il convient d’ la force due à la
du muscle (tissu collagène, membranes cellulaires...).
relation force-longueur du muscle entier
ajouter mise en tension des structures visco-élastiques
La force-longueur du muscle est égale à la de :
- la relation force-longueur (é léments v iscoélast iques en parallèle avec les sarcomères) ;
- la relation force-longueur exprimant la force produite par les
relation totale somme
passive
active
ponts actine-myosine.
Force (% max)
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
force totale
force active
force passive Zonefonctionnelle
longueur d'équilibre
longueur de repos
100500
100
80
60
40
20
0
150% longueur de repos
0 3 µ2 µ1 µ longueur
force totale
force active
force passive
longueur de repos
Moment (% max)
100
80
60
40
20
00 180°120°60°
Angle articulaire
La relation angle-moment est l’expression des effets de l’angle articulaire sur la et la grandeur des .
longueur du muscle bras de levier
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● température musculaire.
RelationForce-Vitesse
du muscle isolé
Capteur de force
Muscle
Butée
Levier
Poids
Ergomètre utilisé pour l'étude d'un muscle isolé
Stimulateur
La forceest mesurée
Le muscle seraccourcit
Poids
Stimulation du muscle
La vitesse du déplacementest mesurée
PoidsStimulateur
Il est possible de faire varier la valeur des poids que le muscle soulève.
PoidsStimulateur
En faisant varier les poids, il est possible de déterminer une relation entre la force et la vitesse de raccourcissement.
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
0 20 40 60 80 1000
20
40
60
80
100
Force
Vitesse
= force à vitesse nulleF 0= force maximale isométrique
Effets de la température
La température musculaire a des effets très marqués sur la vitesse de raccourcissement musculaire : une augmentation de la température musculaire s’accompagne d’une augmentation importante de la vitesse maximale de contraction.
Par contre, les effets de la température musculaire sur la force maximale isométrique sont nettement moins marqués. Les effets de la température sur la force produite au cours d’un exercice devraient donc être d’autant plus net que la vitesse de contraction est élevée.
Par son effet sur la vitesse de contraction, une élévation de température augmente la puissance.
RelationForce-Vitesse
avec allongementmusculaire
Stimulateur
Si le poids est supérieur à la force maximale isométrique le muscle s’allonge au lieu de se raccourcir.
Stimulateur
En faisant varier les poids, il est possible de déterminer une relation entre la force et la vitesse d’allongement.
0 20 40 60 80 100
Vitesse
- 20- 40- 60
Force
ConcentriqueExcentriqueAllongement Raccourcissement
travail defreinage
travailmoteur
La force maximale que peut produire un sujet au cours d’un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
- facteurs anatomiques- surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;- taille des sujets ;- architecture musculaire ;- bras de levier ;- conditions de réalisation de l’exercice - angles articulaires (relation force-longueur) ;- vitesse des mouvements ;- durée des exercices et nombre de répétitions ;- facteurs physiologiques - propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et fibres rapides) ;- recrutement spatial et temporel ;- recrutement des muscles agonistes et antagonistes ;- âge et genre.
0 20 40 60 80 100% Force maximale
8
12
16
20
24
4
Nombre de répétitions possibles
LutteursZatsiorsky et coll. 1968
Sujetsmoyens
0
0 20 40 60 80 100% Force maximale
20
60
80
100Nombre de répétitions possibles
Haltérophiles
Lutteurs
Adapté d’après Zatsiorsky et coll. 1968
40
0
0 20 40 60 80 100
10
1
0
2
3
4
5
6
7
8
9
Forcecritique
% Force maximale
Relation entre % force maximale isométrique et temps de maintien de cette force
Adapté d’après des données de Monod et Scherrer 1957
Approximativement, le temps de maintien de 50 % de la force maximale correspond à environ une minute.
L’asymptote de cette courbe correspond à une force, appelée , qu’il est possible de maintenir indéfiniment.
force critique
Temps de maintien(min)
0 20 40 60 80 100
% Force maximale
10
15
20
25
30
5
Temps de maintien(min)
0
1,0 0,50,8 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 travail / repos
temps de maintien pour différents rapports
travail/repos
Adapté d’après Pottier et coll; 1969
Exercices isométriques continus et intermittents
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Propriétés contractiles des fibres musculaires
Il existe de très nettes différences de vitesse de contraction entre les fibres lentes et les fibres rapides (ordre de grandeur de 1 à 3).
Par contre, les différences de contrainte maximale (force par unité de surface de section transversale) sont probablement nettement moins marquées.
La contrainte maximale des muscles rapides n’est probablement que légèrement supérieure (+ 10 à 20 % ?) à celle des muscles lents.
0,80,6
1,0
0
Force (F/F )0
3,0
2,0
4,0
- 0,00,4
Vitesse de raccourcissementdes sarcomères (µm/s)
0,2 1,0
Muscle rapide
Muscle lent
F0
V0
Vitesse
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
Force
fibre rapide
f. lente
0
40
60
80
100
20
Comparaison des relations vitesse-forced’une fibre musculaire et d’une fibrelente rapide
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Facteurs physiologiques
Recrutement spatial et temporel
Il est probable que des sujets non entraînés ne sont pas capables de recruter l’ensemble de leurs unités motrices et de les tétaniser.
Les améliorations très rapides observées les premières semaines d’un programme d’entraînement sont probablement l’expression d’une amélioration :
● du recrutement spatial (recrutement de l’ensemble des unités motrices) ;
● du recrutement temporel (tétanisation optimale de l’ensemble des unités motrices).
La que peut produire un dépend principalement de deux facteurs :
- la activant les f ibres musculaires (
) ;
- participant à la production de force, c’est à dire le nombre d’ ( ).
force muscle
fréquence des influxrecrutement
temporel
le nombre de fibres musculaires
unités motricesrecrutement spatial
0,2 0,30,1
temps de latence
temps de contraction
temps de demi-relaxation
temps (s)
Stimulation
00
10
20
30
40
Force (% max)
La secousse musculaire est la réponse mécanique à une excitation.
Secousse musculaire
0,2 0,30,1temps (s)
Muscle lent
Muscle rapide
0
10
20
30
40
0
Secousse musculaireForce (% max)
La secousse musculaire des muscles rapides est plus brève que celle des muscle lents.
0,6 0,90,30temps (s)
100
80
60
40
20
0
Force (% max)
0temps (s)
Quand le muscle est à nouveau stimulé avant que la force ne soit retournée au zéro, la valeur du deuxième pic de force est supérieure à celle de la secousse.
Stimulations
0,6 0,90,30temps (s)
100
80
60
40
20
0
Force (% max)
Le même phénomène est observé si une troisème stimulation est réalisée.
0,6 0,90,30temps (s)
100
80
60
40
20
0
Force (% max)
Le même phénomène est observé si une quatrième stimulation puis une cinquième sont effectuées.
0,6 0,90,30temps (s)
100
80
60
40
20
0
Force (% max)Cependant, à partir d’un certain nombre de stimulations, la force n’augmente plus et se stabilise à un pseudo plateau autours du quel elle oscille..
0,4 0,60,20temps (s)
25 Hz
15 Hz
25 Hz
40 Hz100
80
60
40
20
0
Tétanos fusionnéForce (% max)
A partir d’une fréquence appelée fréquence de tétanisation, on observe un plateau de force. Au delà de cette fréquence, la valeur du plateau n’augmente plus.
0,4 0,60,20temps (s)
50 Hz
30 Hz
80 Hz100
80
60
40
20
0
Force (% max) Tétanos fusionné
La fréquence de tétanisation d’un muscle est d’autant plus élevée que sa secousse musculaire est brève et que sa vitesse de contraction est élevée.
L’ permet de faire varier la force
produite par u
augmentation de la fréquence des influx
fibreunité motrice muscle entier
4 à 5 fois
ne musculaire (une ou un ) d’une
valeur faible (secousse musculaire) à une valeur plus élevée (tétanos parfait)..
020 40 60 80 1000
80
60
40
20
0
100
% force maximale
relation entre la fréquence de stimulation et la valeur du “plateau” de force moyennes et écarts types des résultats de 13 unités motrices différentes s t imu lées séparément (d ’après Macefield 1996).
L’effet de la fréquence des stimulations sur la production de force est probablement l’expression de la relation entre la
et l’ des concentration cytoplasmique en calcium activation protéines contractiles.
Lors de l’arrivée d’un potentiel d’action, la dépolarisation du réticulum sarcoplasmique s’accompagne d’une ouverture de leurs canaux calciques.
Le calcium sort du réticulum en suivant son gradient de concentration et la concentration cytoplasmique en calcium augmente.
très brève
0,2 0,30,1temps (s)
Stimulation
00
10
20
Secousse musculaireForce (% max)
dépolarisation membranaire
Calcium cytosolique
Ouverture et des canaux calciquesfermeture
repompage du calcium dans le réticulum
Les molécules de troponine n’ont cependant pas le temps d’être saturées en calcium car les
La production d’une force maximale est le résultat de la création d’un maximum de ponts actine- myosine.
pompes à calcium font rentrer cet ion dans le réticulum.
0,2 0,30,1temps (s)
Stimulation
00
10
20
Force (% max)
dépolarisation membranaire
Calcium cytosolique
Ouverture et des canaux calciquesfermeture
La production d’une force maximale nécessite une saturation de la troponine en calcium et par conséquent des concentrations calciques élevées dans le cytoplasme.
Cec i nécess i te une f réquence d’ouverture des canaux calciques suffisamment élevée pour que les pompes calciques n’aient pas le temps de faire rentrer cet ion dans le réticulum.
Capteur de ForceVastus lateralis
Biceps femoris Soleus
Force dite “explosive”
Force maximale volontaire (FMV)
Adapté d’après Sahaly et coll. 2003
La est d’que :
! le muscle est composé de fibres rapides ;
! la compliance du tendon est moindre (raideur plus élevée) ;
!
montée de force autant plus rapide
l ’ac t iva t ion muscula i re est importante dès le début de l’exercice.
Pente maximale
Recrutement temporel « supra-maximal »
Lors d’exercices à vitesses angulaires très élevées, la brièveté de la contraction ne permet pas toujours de produire une contraction maximale sans un entraînement spécifique.
Une augmentation très importante de la fréquence de décharge des unités motrices (fréquences très supérieures à leurs fréquences de tétanisation) en début de contraction permettrait d’atteindre plus tôt un niveau de contraction maximale grâce à une augmentation très rapide de la concentration de calcium dans le cytosol.
0,4 0,60,20temps (s)
40 Hz
100
80
60
40
20
0
Force (% max)
La stimulation d’une unité motrice à une à la
n ’ a u g m e n t e p a s significativement la valeur de la force maximale.
Mais la (fixation plus rapide du calcium sur la troponine par accèlération de sa sortie du réticulum ?).
fréquence supérieure fréquence de t é t a n i s a t i o n
montée de force est plus rapide
80 Hz
Enregistrement intra-musculaire de potentiels d’action
d’une unité motrice de l’adducteur du pouce innervée par un rameau aberrant du nerf médian .
au cours d’une contraction volontaire maximale.
Enregistrement
Adapté d’après Merton
Fréquence très élevée (100 Hz) au début de la contraction
1 s
Que le muscle produise une musculaire un plus ou moins parfait, l’
.
Il est possible de mettre en évidence, en excitant un muscle par une stimulation électrique d’intensité croissante (stimulation du nerf moteur ou stimulation directe du muscle).
secousseou tétanos
amplitude de la force dépend du nombre de fibres recrutées
ce fait
A faible intensité, seules les fibres les plus excitables et traversées par les quantités de courant les plus fortes.
En augmentant l’intensité du courant, on recrute des fibres moins excitables ou des fibres recevant moins de courant car plus éloignées de l’électrode de stimulation. Plus la stimulation électrique est intense, plus le nombre de fibres recrutées est élevé et plus la production de force est importante.
sont recrutées,
0,2 0,30,1temps (s)
0
20
40
60
80
0
Force (% secousse maximale)
100
Réponse à une stimulation é lectr ique d ' in tensi té croissante.
Force (% tétanos max)
0,4 0,60,20temps (s)
100
80
60
40
20
0
Réponse à une stimulation électriqued'intensité croissante, à une fréquence suffisamment élevée pour tétaniser les différents types d’unités motrices.
Les différentes
Ceci peut être mis en évidence au cours d’une contraction isométrique avec montée de force progressive (rampe).
Pour chaque unité motrice il existe un niveau de force, appelé , au delà du quel l’unité motrice est recrutée.
unités motrices sont recrutées en fonction du niveau d’activation musculaire.
seuil
2 31temps (s)
00
10
Force
Unité motrice 1
Unité motrice 2
Unité motrice 3
S1
S2
S3
Recrutement de différentes unités motrices au cours d'une montée de force isométrique
En général, l’ des différentes unités motrices est f o n c t i o n d e
qui les
ordre de recrutement
l a t a i l l e d e s motoneurones (loi de la taille de Henneman).
innervent
- l motoneurones de petites taillesfibres musculaires lentes
seuils les plus bas ;
-
- -
es innervant les detype I ont les
à l’opposé, innervant les
ont des
innervant les fibres rapides de type IIa ont des seuils intermédiaires.
les motoeneurones de très grandes tailles fibres les plus rapides de type IIb seuils élevés ;
les motoneurones de tailles moyennes
Le selon la est du recrutement par
du nerf ou du point moteur :
- dans les situations physiologiques obeÏssant à la loi de la taille, ce sont les unités motrices lentes de type I qui sont recrutées les premières et les fibres rapides de type IIb les dernières ;
- , une stimulation électrique recrute en premier les fibres de grosses tailles, c’est-à-dire les fibres rapides (types IIb puis IIa).
recrutement loi de la tailleinverse stimulation électrique
statistiquement
Si un muscle possède N unités motrices, le spatial permet en théorie une
que celle du recrutement temporel (1 à 5), allant :
- d’une faible force où seules quelques unités motrices sont recrutées ;
- à une force élevée, maximale, où la totalité des N unités sont recrutées.
recrutementgradation de la force beaucoup plus large (1 à N)
La gradation de la force combine recrutement spatial et temporel :
- une correspond au recrutement de
à ;
- une où la sont recrutées et
faible forcequelques unités
motrices faibles fréquences
force maximale totalité des unités motrices tétanisées.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Facteurs physiologiques
Recrutement des muscles agonistes et antagonistes
Le moment maximal exercé au niveau d’une articulation est la somme algébrique des moments exercés non seulement par les muscles agonistes mais aussi des muscles antagonistes.
Il existe en effet une co-activation des muscles antagonistes dont il faut retrancher les moments de ceux exercés par les muscles agonistes.
Les améliorations très rapides observées les premières semaines d’un programme d’entraînement sont probablement aussi le résultat d’une amélioration du recrutement des muscles agonistes et d’une optimisation du recrutement des muscles antagonistes qui peut diminuer après un programme d’entraînement.
La force maximale que peut produire un sujet au cours d'un exercice musculaire donné dépend de nombreux facteurs :
facteurs anatomiques● surface de section musculaire (nombre de myofibrilles) ;● taille des sujets ;● architecture musculaire ;● bras de levier
conditions de réalisation de l'exercice● angles articulaires (relation force-longueur)● vitesse des mouvements ;● durée des exercices et nombre de répétitions ;
facteurs physiologiques
● propriétés contractiles des muscles (fibres lentes et rapides) ;● recrutement spatial et temporel ;● recrutement des muscles agonistes et antagonistes● âge et genre.
Performances des enfants dans des
exercices réalisés contre le poids corporel En théorie, les performances des enfants devraient être meilleures que celles des adultes lorsqu’ils doivent déplacer leur corps verticalement, contre la force de pesanteur. Dans la réalité, les performances des enfants dans ces exercices sont inférieures à celles des adultes.
Age (années)
Force maximale(% du maximum chez l'homme adulte)
0 10 20 30 40 50 60 70
100
80
60
40
20
0
Hommes
Evolution de la force maximale
avec l'âged'après Hollmann et Hettinger
0
50
100
20 40 60 80
Age (années)
60708090
010203040
Surface de section transversale du quadriceps% de la valeur à 30 ans
d’après Lexell et coll. 1988
12 13 14 15 16 17 180
5
10
Nombre de tractions à la barre (chin-up)
Age (années)
Résultats attendus car les enfants sont de petite taille.
Le poids est proportionnel au cube de la taille mais la taille est proportionnelle au carré de la taille.Les sujets de petite taille sont donc avantagés pour déplacer leur masse corporelle contre la force de pesanteur.
Facile ! Quand on est petit...
En théorie oui ! Mais pas pourles enfants...
12 13 14 15 16 17 180
5
10
Résultats observéspar Schiötz en 1929
Nombre de tractions à la barre
Age (années)
Résultats attendus car les enfants sont de petite taille.
Conclusion : Les enfants ne sont pas des adultes en miniatures.
12 13 14 15 16 17 180
5
10
1967
1929Nombre de tractions à la barre
Age (années)
Effet de la sédentarité sur la force musculaire ?
Effet d’une surcharge pondérale ?
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Age(années)
Force de serrage manuel (gauche et droit)rapportée à la masse corporelle
Résultats attendus car les enfants sont de petite taille.
,
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Age(années)
Garçons
Force de serrage manuel (gauche et droit)rapportée à la masse corporelle
Adapté d’après Blimkie 1989
Résultats observéspar Blimkie
Résultats attendus car les enfants sont de petite taille.
Conclusion : Les enfants ne sont pas des adultes miniatures.
0
10
5
, N/kg
15
6 8 10 12 14 16 180
20
40
Masse musculaire (kg)
Age (années)
30
10
Garçons
Age (années)0 10 12 14 16 20
Fibres musculaires(diamètre en m)
0
10
20
30
40
50
60
2 4 6 8 18 24
70
Type de fibres
Naissance
1 an
6 ans
30 ans
I
40
60
59
60
IIa
30
30
21
20
IIb
10
10
20
20
IIc
20
0
0
0
Distribution des différents types de fibres musculaires en % du nombre total (d’après les données de Gollnick 1973, Bell 1980, Colling-Saltin 1980 ).
10
8
6
4
2
00 +1 +2 +3 +4 +5-1- 2- 3-4-5
Croissance staturale (cm / an)
Pic de Croissance
Age (ans)
11 12 13 14 15 1610 9 17 18 G
Age lors du pic de croissance de la variable étudiée
Stadespubertaires(Tanner)
P1-G2P1-G1 P2 P3 P4 P5
Garçons
Force Memb. Sup.
Détente verticale
Poids
Force Memb. Inf.
Plis cutanés (bras)
Tapping test
Suspension bras fléchis
Navette sprint
Muscle Memb. Sup.
Croissance = processus quantitatif
Maturation = processus qualitatif
Les effets de la croissance et de la maturation (en particulier pubertaire) sur les performances peuvent s’additionner ou se contrebalancer.
0
50
100
20 40 60 80
Age (années)
60708090
010203040
Surface de section transversale du quadriceps% de la valeur à 30 ans
d’après Lexell et coll. 1988
1,01,21,4
0,20,40,60,8
0
Rapport des surfaces occupées par les fibres II et I (II / I)
section transversale du quadricepsd’après Aoyagi et Shephard 1992
fibres II / fibres I
Age (années)
Force maximale(% du maximum chez l'homme adulte)
0 10 20 30 40 50 60 70
100
80
60
40
20
0
Hommes
Femmes
Evolution de la force maximaleavec l'âge
d'après Hollmann et Hettinger
6 8 10 12 14 16 180
20
40
Masse musculaire (kg)
Age (années)
30
10
Garçons
Filles
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Age
(années)17 18
100
80
60
40
20
0
Force de serrage manuel (gauche et droit)100 x rapport Filles / Garçons %
Adapté d’après Blimkie 1989
10
8
6
4
2
00 +1 +2 +3 +4 +5-1- 2- 3-4-5
Croissance staturale (cm / an)
Pic de Croissance
Age (ans)
11 12 13 14 15 1610 17 18
Age lors du pic de croissance de la variable étudiéeP1 P4
Filles
Stadespubertaires(Tanner)
19
Force Memb. Sup.
Tapping test
Suspension bras fléchis
Muscle Memb. Sup.
Détente verticale
Poids
Force Memb. Inf.
Plis cutanés (bras)
Navette sprint
P2 P3 P5
1ères Règles
Hommes
Femmes
Fibres I Fibres IIA Fibres IIB
Valeurs moyennes et écarts-types des surfacesde section transversale des différents types defibres musculaires chez les hommes et lesfemmes adultes (d’après Glenmark et coll. 1992)