Mesure de l'aptitude aérobie

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Dans de nombreuses disciplines sportives et plus spécialement dans les disciplines de fond, d’endurance, on discute beaucoup de VO2max, VMA, PMA … pour définir et prédire les performances physiques des athlètes.

La VMA (Vitesse Maximale Aérobie) ou PMA (Puissance Maximale Aérobie) représente une vitesse ou une puissance soutenue lorsque que la capacité aérobie de l’athlète est poussée à son maximum. Ainsi lorsque qu’un athlète soutient sa VMA ou sa PMA il se retrouve obligatoirement à VO2max (Volume Maximal d’Oxygène consommé).

L’endurance aérobie est tout simplement la capacité d’un individu à maintenir un pourcentage élevé de sa consommation maximale d’oxygène. En d’autres termes c’est la capacité à soutenir un haut niveau de VO2 durablement. Dès maintenant nous pouvons donc casser un certains nombres de préjugés :

Pour des disciplines de longues durées la performance ne dépend pas uniquement de la VO2max mais aussi de l’endurance et de l’efficacité technique (mais considérons ce dernier facteur comme négligeable pour l’instant). Jack a une VO2max à 70 ml.min.kg-1, Daniel lui a une VO2max à 68 ml.min.kg-1. Daniel compense sa moins bonne VO2max à partir de 10 000 mètres de course car il est capable de soutenir 87,9% de sa VO2max alors que Jack ne soutient que 85,5%. Ainsi VO2max et endurance aérobie sont donc indépendantes l’une de l’autre et doivent donc chacune faire l’objet d’évaluation.

Il n’est pas rare d’entendre en musculation le terme d’endurance de force qui peut paraitre être un oxymore mais de la même manière que l’on parle d’endurance aérobie (dans notre cas) il existe aussi une endurance anaérobie (que l’on appelle souvent résistance), une endurance psychologique, mais aussi une endurance de force en musculation. En fait, il existe une endurance pour toutes les filières énergétiques du corps. Voici un deuxième préjugé que l’on peut donc enterrer :

Maintenant que cela est un peu plus clair, nous allons aborder les méthodes de mesures existantes afin d’évaluer l’aptitude aérobie (VMA, PMA, VO2max, endurance aérobie). Voici différents tests de terrain pour le cyclisme et la course à pied :

La FTP (Functional Threshold Power) est une valeur de puissance censée représenter théoriquement votre maintien record sur une heure. C’est une des valeurs qui représente le mieux la puissance aérobie et donc l’endurance aérobie. En 2000 Coggan développe un protocole afin de déterminer le profil puissance d’un athlète. Celui-ci est en partie basé sur deux performances, l’une de 5 minutes l’autre de 20 minutes. On estime la FTP à 95% de l’effort maximal sur 20 minutes réalisé durant le protocole.
Plusieurs méthodes de quantification de la charge ainsi que de monitoring d’intensité d’entraînement se basent sur la FTP. Elle représente une valeur fondamentale dans l’évaluation des capacités physiques d’un athlète et plus précisément des capacités aérobies.

Le travail balance est une nouvelle notion de l’entraînement en puissance chez le cycliste. Celui-ci permet de visualiser les phases d’efforts couteuses en course, les cinétiques de séances spécifiques d’entraînement etc … Là encore son évaluation est basée sur deux performances, l’une courte comprise entre 3 et 5 minutes et une longue comprise entre 20 et 60 minutes. Les maintiens doivent être maximaux. Avec l’utilisation d’un solveur on peut ainsi déduire CP (Critical Power) (Figure 1). La CP détermine la puissance qui peut être tenue dans un état physiologique stable et donc théoriquement de manière illimitée. Il est cependant évident que la fatigue (musculaire, nerveuse, mentale, posturale …) interviendra à un moment ou à un autre et rendra l’effort difficile. De la même manière que l’on obtient CP on peut aussi estimer W’ (Work). Pour simplifier, cette data représente la « réserve de carburant, d’énergie du corps ». C’est la quantité d’effort possible de faire au-dessus de CP. Un dernier paramètre est nécessaire, il s’agit du Ƭ (tau) représentant la qualité de récupération.

Figure 1 : Estimation de CP, W’ et utilisation du solveur.

Ici par exemple (Figure 2) l’évolution du Wbal lors d’une course Elite. On peut ainsi voir où l’athlète a dépensé le plus d’énergie, si il a produit ses efforts au bon moment, si il ne récupère pas suffisamment etc …

Figure 2 : Évolution du Wbal lors d’une course élite nationale (rouge), le dénivelé apparait en gris.

Ici (Figure 3), l’évolution du Wbal lors d’une séance de PMA. On contrôle ainsi la cinétique de séance et la nécessité de rééquilibrer ou non les zones de travail ou la difficulté de la séance.

Un test à l’effort est un test incrémental par paliers. Il existe une multitude de protocoles adaptée à différentes populations. Dans tous les cas le test doit durer moins de 20 minutes afin d’éviter un trop gros impact fatigue. Par exemple en 2014 on utilisait parfois des tests avec des paliers de 2 minutes et une incrémentation de 40 watts par palier. L’incrémentation jugée trop brutale et entraînant parfois une sur ou sous-estimation de la PMA a été revue à la baisse. Aujourd’hui on utilise majoritairement des paliers de 1 minute et une incrémentation de 25 watts. Les protocoles doivent cependant être modifiés en présence d’athlètes soutenant de très grosses puissances afin d’éviter un test trop long. Ce test est mené jusqu’à épuisement complet où l’athlète est censé atteindre sa fréquence cardiaque maximale, il peut être réalisé en laboratoire avec une mesure des échanges gazeux et prise de lactate, ou chez soi sur home trainer. Il permet ainsi d’obtenir sa PMA, de déterminer ses zones d’entraînement en fonction de la fréquence cardiaque maximale atteinte, d’ajuster ses zones en fonction du ressenti déterminé durant le test, de déterminer ses zones de travail en fonction de sa PMA, de déterminer ses seuils (SV1 et SV2) et d’obtenir sa VO2max lors de test avec mesure d’échanges gazeux et / ou prise de [lactate].

Le test de Cooper est un test de terrain très répandu et élaboré en 1968. C’est un test continu à palier unique consistant à parcourir la plus grande distance possible en 12 minutes sur un terrain plat, hors période de digestion et à une température neutre (~20°C). L’effort doit donc être maximal et l’alternance course / marche est autorisée. Il ne nécessite aucun appareil de mesure mais reste d’une précision sommaire.
La VO2max est estimée à l’aide de la formule suivante :

Ce test est un test classique VMA que l’on retrouve aussi en cyclisme. Pourquoi ? Parce que de nombreuses recherches ont montré qu’en moyenne un sujet était capable de soutenir sa VMA pendant une durée de 5 minutes. Cependant attention, car la plupart des publications s’intéressent à une population globale et cela devient beaucoup moins vrai chez un athlète très entrainé.

C’est là aussi un test continu à palier unique consistant à parcourir la plus grande distance possible en 5 minutes sur un terrain plat.

La VMA est estimée à l’aide de la formule suivante :

La prédiction de Margaria est une méthode permettant d’estimer sa VO2max en fonction de sa performance ou inversement de prédire une performance à l’aide de sa VO2max. Cela ne fonctionne qu’avec des distances qui requierent majoritairement de l’énergie d’origine oxydative Ainsi on peut estimer à l’avance en combien de temps on est capable de courir un 10 km, un semi-marathon etc…

Les tests Léger et Boucher et VAMEVAL sont des tests incrémentales par palier. Cette méthode de mesure indirecte de la VO2max se rapproche beaucoup des tests classiques en laboratoire. L’objectif est de courir en respectant les allures demandées. Pour ce faire, on place des plots sur une piste tous les 50 mètres (Léger et Boucher) ou 20 mètres (VAMEVAL) et on utilise une bande sonore qui produit un signal lorsque l’athlète doit être au niveau du plot suivant. Au fur et à mesure les signaux s’accélèrent. Le test commence à 8 km/h, les paliers durent 2 minutes pour le Léger et Boucher et 1 minute pour le VAMEVAL et l’incrémentation représente 1km/h et 0,5km/h respectivement. Lorsque l’athlète ne parvient plus à suivre le rythme le dernier palier validé représente la VMA. La VO2max est calculé comme suit :

Même principe que plus haut. Cf « Le test à l’effort cyclisme ».

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Du côté revue scientifique, une étude de Edward F Coyle et al. s’est intéressée aux facteurs de performances sur un effort d’endurance en cyclisme :

Dans une étude antérieure (Determinants of endurance in well-trained cyclists, 1988) EF Coyle et ses collaborateurs avaient déjà démontré qu’il pouvait y avoir de grandes différences dans les performances d’endurance pour des athlètes entrainés ayant une VO2max égale. Cette fois-ci ils se sont intéressés aux facteurs pouvant entrainer de telles différences.

Quinze athlètes de très bon niveau ont été séparés en deux groupes distincts en fonction de leurs performances sur un effort récent de 40 kilomètres. Le premier groupe (Catégorie Elite national) englobe les athlètes étant capable de parcourir les 40 kilomètres en moins de 56 minutes (42,86 km/h) le second (Catégorie de très bon niveau) englobent les athlètes moins rapides.

Le groupe Elite national a été capable de soutenir 11% de puissance supplémentaire par rapport au groupe très bon niveau. Les performances sur 40 kilomètres ont été étroitement corrélées à la puissance absolue maintenue sur 1 heure en laboratoire. Celle-ci a été à son tour largement corrélée à la VO2 maintenue au seuil lactique. Cependant il n’y a aucune différence de VO2max entre les deux groupes ni aucune différence de poids. Il semblerait donc que la VO2 atteinte au seuil lactique soit un indicateur très représentatif de la capacité d’endurance aérobie, dans notre cas + 9% entre le groupe élite et de très bon niveau.

La puissance supplémentaire du groupe élite semble provenir d’une plus grosse génération de force verticale durant la phase descendante de la pédale et d’un couple plus important (Figure 5) et non pas d’une meilleure efficacité de pédalage.

Figure 5 : Mesure de la force verticale et du torque chez les deux groupes d’athlètes.

Certains facteurs semblent contribuer à cette meilleure production de force, parmi eux un pourcentage de fibres type I plus important (+ 13,6%) et une densité du réseau de capillaires musculaires plus élevée (+ 23%) mais on peut penser que d’autres adaptations physiologiques non mesurées ici influes la performance aérobie telle que la densité mitochondriale etc ... Pour conclure, le pourcentage de fibres type I semble corrélé au nombre d’années d’entraînement d’endurance (r=0,75) (Figure 6). La capacité des athlètes élites à produire plus de force lors d’un exercice d’endurance serait donc en partie liée aux adaptations physiologiques mises en place grâce à un plus grand nombre d’années d’entraînement en endurance.

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