Évaluation du métabolisme aérobie

Évaluation du métabolisme aérobie
Raphaël LECA UE 57 Physiologie Centre Universitaire Condorcet Le Creusot

I. La consommation maximale d’oxygène (VO2 max)
1.1 Rappels théoriques : définition La consommation maximale d’oxygène (le VO2max) est la quantité maximale d’oxygène qu’un individu peut consommer par unité de temps dans des conditions d’exercice qui sollicitent totalement son système cardiovasculaire.

1.1 Rappels théoriques : définition Elle dépend des possibilités de prélèvement (au niveau pulmonaire), de transport (au niveau cardiovasculaire), et d’utilisation (au niveau musculaire) de l’oxygène nécessaire aux oxydations. En valeur absolue, elle s’exprime en l/min, et en valeur relative, elle s’exprime en ml/min/kg (rapportée au poids corporel).

Évolution de la consommation d’oxygène en fonction de la vitesse de course

Le VO2 augmente très rapidement dès le début de l'exercice (composante rapide) puis plus lentement (composante lente) jusqu'à atteindre un état d'équilibre. Cet état d’équilibre peut être maintenu 3-4 min. chez le sujet sédentaire, et jusqu’à 10 min. chez le sujet très entraîné.

1.1 Rappels théoriques : VO2max, PMA et VMA A VO2max correspond : une puissance exprimée en Watts  la Puissance Maximale Aérobie (PMA) = puissance de travail maximale que le sujet développe à VO2max ; La vitesse aérobie maximale (V.A.M.) ou puissance aérobie maximale fonctionnelle (P.A.M.F.) est la vitesse limite atteinte à VO2 max. Elle résulte de l’interaction de trois facteurs :1-de VO2 max, 2-du rendement de la locomotion (course, cyclisme, natation...) encore défini comme efficacité ou économie du mode de locomotion utilisé et 3-de la motivation pour pouvoir l’atteindre VO2 max au cours d’une épreuve intense et prolongée. L’économie de locomotion (de course, de nage, de pédalage...) représente l’énergie pour se déplacer à une vitesse donnée ou mieux, à un pourcentage donné de VO2 max ou de la V.A.M. Pour Léger (Les cadences infernales, Sport et Vie n°55, 1999), la VAM (vitesse aérobie maximale) est la vitesse de course que l’on atteint à son niveau de VO2 max. Pour Billat (Physiologie et méthodologie de l’entraînement, Paris, Bruxelles, De Boeck Université, 1998), la VMA ou VAM, encore appelée vitesse associée à la consommation maximale d’oxygène (vVO2max), est définie comme la plus petite vitesse qui sollicite la consommation maximale d’oxygène. Pour Gerbeaux et coll. (Le test piste sans piste : la mesure de la puissance maximale aérobie à l’école, Revue EPS n°231, 1991), la VMA est définie comme la vitesse maximale à laquelle peut courir un sujet en restant en régime oxydatif sans produire un surplus important d’acide lactique. Toujours pour ce même auteur, en collaboration avec d’autres, la VMA est la vitesse à laquelle la consommation maximale d’oxygène est atteinte. Pour Cazorla, la VAM dépend non seulement de multiples interactions biomécaniques et physiologiques (VO2max, coût energétique et motivation) mais aussi et surtout, du protocole du test censé l’obtenir. une vitesse de déplacement exprimée en km/h  la Vitesse Maximale Aérobie (VMA) = vitesse limite du sujet lorsqu’il a atteint VO2max.

1.1 Rappels théoriques : valeurs Les valeurs moyennes sont de : chez l’homme : 3 l/min soit environ ml/min/kg. Chez l’adulte jeune de sexe masculin, VO2max s’élève à environ à 3 l/min pour les hommes (soit 10 fois les dépenses de repos), et 2l/min pour les femmes. En valeur relative, Vo2max est d’environ 45 ml.min-1.kg-1 pour les hommes (ce qui représente environ une PMA de 250 watts mesurée sur bicyclette ergométrique), et 35 ml.min-1.kg-1 pour les femmes (soit une PMA d’environ 200 watts sur bicyclette ergométrique). Les valeurs limites relevées chez des athlètes spécialisés dans les sports d’endurance sont de 90 ml.min-1.kg-1 pour les hommes (soit plus 5,5 l/min pour un sujet de 60 kg), et 75 ml.min-1.kg-1 pour les femmes (soit près de 4 l/min pour un sujet de 50 kg). Richard Virenque : 70 ml.min-1.kg-1 ; Erwan Menthéour : 97 ml.min-1.kg-1. chez la femme : l/min soit environ ml/min/kg.

1.1 Rappels théoriques : valeurs Les valeurs maximales (chez l’athlète spécialisé dans les disciplines d’endurance) sont de : chez l’homme : 5,5 l/min soit environ 90 ml/min/kg (p = 60 kg). Chez l’adulte jeune de sexe masculin, VO2max s’élève à environ à 3 l/min pour les hommes (soit 10 fois les dépenses de repos), et 2l/min pour les femmes. En valeur relative, Vo2max est d’environ 45 ml.min-1.kg-1 pour les hommes (ce qui représente environ une PMA de 250 watts mesurée sur bicyclette ergométrique), et 35 ml.min-1.kg-1 pour les femmes (soit une PMA d’environ 200 watts sur bicyclette ergométrique). Les valeurs limites relevées chez des athlètes spécialisés dans les sports d’endurance sont de 90 ml.min-1.kg-1 pour les hommes (soit plus 5,5 l/min pour un sujet de 60 kg), et 75 ml.min-1.kg-1 pour les femmes (soit près de 4 l/min pour un sujet de 50 kg). Richard Virenque : 70 ml.min-1.kg-1 ; Erwan Menthéour : 97 ml.min-1.kg-1. chez la femme : 4 l/min soit environ 75 ml/min/kg (p = 50 kg).

Consommation maximale d’oxygène dans différents sports

1.1 Rappels théoriques : VO2max et performance VO2max est en partie corrélé à la perf. dans les efforts de moyenne et de longue durée (courses de demi-fond surtout). Mais ce n’est pas le seul paramètre de la perf. dans les efforts d’endurance  importance aussi de l’endurance aérobie et du coût énergétique du mode de déplacement (économie de la foulée, ou efficience du coup de pédale…). Dans la pratique du sport, Vo2max est en partie corrélée à la performance dans les efforts de moyenne et de longue durée, et on ne peut prétendre à une performance de bon niveau sans avoir une consommation maximale d’oxygène élevée (les valeurs les plus élevées sont observées chez les skieurs de fond, les cyclistes et les marathoniens, alors que les valeurs les plus basses sont observées chez les coureurs de vitesse et les gymnastes). Dans les courses de demi-fond (de 1500 à 5000m), la consommation maximale d’oxygène est probablement le facteur de la performance qui a le plus d’importance. Néanmoins, l’amélioration de la performance en endurance ne s’accompagne pas toujours d’une augmentation de même importance de Vo2max. De plus, certains spécialistes des sports d’endurance disposant de valeurs très élevées de Vo2max (> 80ml/mn/kg) ne réalisent pas des performances de haut niveau dans leur discipline (alors que d’autres disposant de Vo2max plus modestes appartiennent à l’élite nationale ou mondiale). La consommation maximale d’oxygène n’est donc pas le seul paramètre de la performance dans les efforts de moyenne et de longue durée. L’endurance aérobie, c’est à dire la capacité à utiliser un pourcentage le plus élevé possible de Vo2max le plus longtemps possible détermine aussi l’excellence dans ces disciplines (rappelons que VO2max ne peut être maintenu plus de 12 mn), et ce surtout lorsque l’effort dépasse 8 mn (l’endurance aérobie est alors un meilleur indice de la performance que Vo2max). Enfin, même pour les efforts sollicitant 100% de Vo2max (entre 4 et 12 minutes), il existe des variations de performance pour une même consommation maximale d’oxygène car le rendement mécanique n’est pas identique entre tous les sportifs ( en course à pied, certains ont une foulée plus économique que d’autres et produiront un meilleur chrono pour un même Vo2max ; en cyclisme, les variations de performance pour un même Vo2max sont encore plus grandes car deux éléments nouveaux interviennent en plus de l’économie du coup de pédale: la vitesse de pédalage et les résistances aérodynamiques).

1.2 Méthodes directes de détermination Les méthodes directes consistent à mesurer, en laboratoire (sur ergocycle ou tapis roulant), les échanges gazeux respiratoires. L’équation de base de ces méthodes directes est la suivante : Cette méthode réclame donc l’usage d’un analyseur d’échanges gazeux. Nécessité aussi de vérifier le calibrage des analyseurs de gaz. Lorsqu’ils sont utilisés par un opérateur expérimenté, ces appareils ont une excellente reproductibilité (+/- 1ml/min/kg). Des différences assez sensibles existent néanmoins entre les différentes marques d’analyseurs de gaz. Ces différences sont aggravées par le fait que les protocoles ne sont souvent pas les mêmes d’un laboratoire à l’autre. La durée des paliers, la progression de puissance, l’ergomètre choisi expliquent la dispersion des valeurs qu’un même sujet peut avoir au même moment dans des laboratoires différents. Les écarts sont moins importants que ceux visibles entre les méthodes directes et les méthodes indirectes. Pour toutes ces raisons, il importe qu’un même sujet réalise de préférence ses tests de VO2max dans le même labo avec le même matériel et le même protocole. Remarque sur l’utilisation des ergomètres : chez les sportifs, les meilleurs résultats sont toujours obtenus dans l’exercice qui se rapproche le plus de la discipline d’origine : tapis roulant pour les marathoniens, ergocycle pour les cyclistes. VO2 = VE X (FI O2 - FE O2) consommation ventilation fraction fraction d’oxygène par minute inspiratoire expiratoire en oxygène en oxygène

1.2 Méthodes directes de détermination En général, on utilise des protocoles triangulaires (incrémentés ou en escaliers) : la puissance d’ex. croît par paliers de 1 à 2 min. sans repos entre les différents paliers, jusqu’à l’épuisement du sujet. Cette méthode réclame donc l’usage d’un analyseur d’échanges gazeux. Nécessité aussi de vérifier le calibrage des analyseurs de gaz. Il existe aussi des protocoles rectangulaires, mais ceux-ci sont très coûteux en temps : le sujet réalise une série d’exercices à puissance constante de 5 à 6 min. Des intervalles de récupération de 3 à 10 min. séparent généralement les différents exercices. L’augmentation de la puissance à chaque palier est généralement de 15 à 20 watts ou 1 km/h pour les sédentaires à 30 watts ou 2 km/h pour les sportifs de façon à durer dans une fourchette de travail de 10 à 12 minutes. Inconvénient de cette épreuve : pénibilité pour le sujet + elle n’est pas sans risque pour le sujet (sauf sportifs entraînés). VO2 est alors mesuré en continu ou à la dernière min. des paliers.

1.2 Méthodes directes de détermination La consommation d’oxygène est considérée comme maximale si plusieurs critères sont réunis (Lacour et Flandrois; 1977) : Plafonnement de VO2 (la relation tend vers une asymptote) Lactatémie = concentration sanguine de lactate. FC proche de sa valeur théorique selon l’âge (FC max = 220 – âge ± 10 bpm) ; Lactatémie égale ou sup. à 9 mM/l de sang ; Quotient respiratoire (VCO2 / VO2) sup. à 1,1.

Exemple de test VO2max en méthode directe en laboratoire
On remarque la relation linéaire entre la puissance d’exercice et la fréquence cardiaque Paliers de puissance (incrémentation 30 W toutes les 2 min.) Taille = 170 cm Poids = 65 kg Age = 23 ans Puissance au dernier palier = 360 W  5.5 W/kg. FC au dernier palier = 197 bpm VO2 au dernier palier (VO2max) = 4.45 l/mn  68.5 ml/mn/kg.

On remarque la relation linéaire entre la puissance d’exercice et la fréquence cardiaque Paliers de puissance (incrémentation 30 W toutes les 2 min.) Taille = 176 cm Poids = 73 kg Age = 22 ans Puissance au dernier palier = 400 W  5.5 W/kg. FC au dernier palier = 187 bpm VO2 au dernier palier (VO2max) = 5.01 l/mn  68.6 ml/mn/kg.

On remarque deux droites de relations entre la FC et la puissance 2 1 Paliers de puissance (incrémentation 30 W toutes les 2 min.) Taille = 183 cm Poids = 69 kg Age = 20 ans Puissance au dernier palier = 400 W (30’’ seulement)  5.8 W/kg. FC au dernier palier = 202 bpm VO2 au dernier palier (VO2max) = 4.98 l/mn  72.2 ml/mn/kg.

1.3 Méthodes indirectes de laboratoire Les méthodes indirectes de détermination consistent à mesurer, non pas directement l’évolution de la consommation d’oxygène, mais un autre paramètre avec lequel elle évolue linéairement : soit la puissance exprimée en Watts dans le cas de tests utilisant un ergomètre en laboratoire (ergocycle, tapis roulant, rameur…) ; soit la vitesse exprimée en km/h dans le cas de tests de terrain.

1.3. Méthodes indirectes de laboratoire Deux types d’épreuve peuvent être distinguées : une épreuve maximale reproduisant le protocole triangulaire de mesure de VO2max, mais en relevant la PMA ou la VMA produite au dernier palier ; une épreuve sous-maximale estimant VO2max sur la base des relations qui unissent la fréquence cardiaque, la puissance développée, et la consommation d’oxygène.

Épreuves maximales aérobie Cette méthode consiste à reproduire le protocole de mesure directe de VO2max, pour enregistrer la puissance développée au dernier palier. Cette valeur donne la PMA, qui permet ensuite d’estimer VO2max sur la base de la formule suivante : VO2max = (13,5 X PMA ) / poids ml/min/kg Watts kg

Évolution de la fréquence cardiaque en fonction de la puissance de l’exercice ( PMA ici autour de 410 Watts)

Épreuves maximales aérobie Inconvénients de cette méthode : Marge d’erreur de l’ordre de 10% car le rendement mécanique n’est pas connu (il varie entre 20 et 25%) ; Fiabilité + ou – des données chiffrées fournies par l’ergomètre (Puissance en Watts) ; Pénibilité pour le sujet  motivation nécessaire pour obtenir des résultats fiables.

Épreuves sous-maximales aérobie (Astrand, 1954) Ces méthodes sont fondées sur des corrélations statistiques entre la puissance, la FC et la VO2. Cette méthode d’estimation indirecte de la VO2max est la plus connue de toutes. Elle est fondée sur les hypothèses suivantes : - Il existe une relation linéaire entre la fréquence cardiaque et la consommation d’oxygène pour les exercices sous-maximaux. Statistiquement, à un pourcentage donné de la consommation maximale d’oxygène correspond, à l’état stable, une fréquence cardiaque : % VO2max = 0.77 x FC – 48.6 - pour une même puissance d’exercice, le rendement mécanique est supposé peu différent d’un sujet à l’autre (25-30 %) et, par conséquent, il est possible d’exprimer la puissance d’exercice en équivalent oxygène. Connaissant la puissance d’exercice, la consommation d’oxygène peut être supposée. Par exemple, si le sujet effectue un exercice de 150 W, la valeur la plus probable de sa consommation d’oxygène à l’état stable de cet exercice est de 2.1 L/min. Les valeurs maximales de fréquence cardiaque et de consommation d'oxygène sont atteintes pour un niveau voisin de puissance appelée Puissance Maximale Aérobie ; de ce fait V02max peut être extrapolé à partir de la fréquence cardiaque maximale (FCmax). FCmax est selon les auteurs, pratiquement la même au sein d'une population homogène de même âge. Elle est de l'ordre de âge (ans), soit 200 bpm chez un sujet âgé de 20 ans. Ces corrélations permettent d’estimer VO2max sans que le sujet n’atteigne sa consommation maximale d’oxygène.

I. La consommation maximale d’oxygène (VO2max)
Épreuves sous-maximales aérobie (Astrand, 1954) Ces méthodes reposent sur les deux hypothèses suivantes : il existe une relation linéaire entre la FC et VO2. Statistiquement, à un % donné de VO2max correspond une FC : % VO2max = 0,77 X FC – 48,6 Cette méthode d’estimation indirecte de la VO2max est la plus connue de toutes. Elle est fondée sur les hypothèses suivantes : - Il existe une relation linéaire entre la fréquence cardiaque et la consommation d’oxygène pour les exercices sous-maximaux. Statistiquement, à un pourcentage donné de la consommation maximale d’oxygène correspond, à l’état stable, une fréquence cardiaque : % VO2max = 0.77 x FC – 48.6 Cette relation linéaire est fondée sur l’équation de Fick : VO2 = (ves X FC) X (CaO2 – CvO2)  à partir de 50% de VO2max, ves n’augmente plus : l’augmentation de VO2 est alors seulement due à l’augmentation de FC. LA FC est alors le fidèle reflet de la consommation d’oxygène. - pour une même puissance d’exercice, le rendement mécanique est supposé peu différent d’un sujet à l’autre (25-30 %) et, par conséquent, il est possible d’exprimer la puissance d’exercice en équivalent oxygène. Connaissant la puissance d’exercice, la consommation d’oxygène peut être supposée. Par exemple, si le sujet effectue un exercice de 150 W, la valeur la plus probable de sa consommation d’oxygène à l’état stable de cet exercice est de 2.1 L/min. Les valeurs maximales de fréquence cardiaque et de consommation d'oxygène sont atteintes pour un niveau voisin de puissance appelée Puissance Maximale Aérobie ; de ce fait V02max peut être extrapolé à partir de la fréquence cardiaque maximale (FCmax). FCmax est selon les auteurs, pratiquement la même au sein d'une population homogène de même âge. Elle est de l'ordre de âge (ans), soit 200 bpm chez un sujet âgé de 20 ans. comme VO2max  PMA  FC max, V02max peut être extrapolé à partir de la FC max qui est pratiquement la même au sein d'une population homogène de même âge (de l’ordre de 220 – âge).

Epreuves sous-maximales aérobie L'épreuve consiste à faire pédaler le sujet pt 6 min à une puissance constante (environ 2 W/kg). La FC est mesurée à la dernière min. quand l'état est considéré comme stable. Elle doit être aux environs de 150 bpm. Le test peut être aussi réalisé sous la forme d’un step-test, pour lequel la hauteur de marche a été fixé par Astrand à 40 cm pour les hommes et 33 cm pour les femmes, marches à gravir à la fréquence de 22,5 min. (avec utilisation d’un métronome). Ces relations, établies sur des groupes de sujets jeunes et bien entraînés, ont donné lieu à la construction de nomogrammes dont le plus connu est celui d’Astrand et Ryhming (1954).

Nomogramme d’Astrand et Ryhming (1954)

Épreuves sous-maximales aérobie Inconvénients de cette méthode = marge d’erreur de l’ordre de 10 à 20 %: car le rendement mécanique n’est pas connu (variations entre 20 et 25%) ; Les épreuves de mesure indirectes de laboratoire sont des estimations de Vo2max à partir d’un effort réalisé sur un ergomètre ou sous la forme d’un step-test. Elles reposent sur les relations qui unissent la consommation d’oxygène et la puissance mécanique développée d’une part, et les relations qui unissent la consommation d’oxygène et la fréquence cardiaque d’autre part. Ces épreuves permettent d’obtenir la valeur probable de la consommation maximale d’oxygène à partir d’une mesure de fréquence cardiaque réalisée au cours d’un travail musculaire sous-maximal (nomogramme d’Astrand et Ryhming, 1954). Limites de validité : l’erreur de cette méthode dans la prédiction de Vo2max est de 10 à 15%. Deux causes expliquent cette marge d’erreur : D’une part le rendement est considéré comme identique pour tous, alors qu’il peut varier de 20 à 25% ; D’autre part la FC max est considérée comme 220 – l’âge, alors qu’elle est en réalité de 220 – l’âge battements. fiabilité des puissances fournies par l’ergomètre ; différences interindividuelles concernant les valeurs de FC max estimée : 220 – âge +/- 10 bpm.

Épreuves sous-maximales aérobie Deux adaptations possibles de cette méthode pour la rendre plus fiable : l’erreur d’estimation de VO2max est réduite si on se réfère non pas à une relation établie pour un groupe, mais à une relation individuelle  établir la droite reliant la FC à la puissance développée, toujours pour une épreuve sous-max.; Calibrage de la FC sur le terrain : après un bon échauffement, réaliser un exercice très intense de 3-4 minutes (à allure maximale sur la distance) terminé par un sprint. FC max est alors relevé à la fin du sprint par une carduifréquencemètre  attention, pour des sujets en bonne santé effectuer un calibrage de la fréquence cardiaque maximale en organisant une épreuve maximale (possible sur le terrain).

Puissance en Watts 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 FC max = âge PMA estimée = 340 watts donc VO2max = 67 ml/mn/kg pour p = 70 kg x x Fréquence cardiaque en RPM Relevé des FC à différentes puissance d’un effort sous-maximal  2 points peuvent suffire pour établir une droite, dont l’intersection avec la FC admise pour l’âge du sujet donne une valeur individuelle estimée de VO2max

1.4 Épreuves de terrain Ces méthodes reposent sur l’organisation d’une épreuve permettant une évaluation de la vitesse maximale aérobie (VMA). VO2max est ensuite extrapolé à partir de la valeur de VMA obtenue. Les épreuves de mesure indirectes de laboratoire sont des estimations de Vo2max à partir d’un effort réalisé sur un ergomètre ou sous la forme d’un step-test. Elles reposent sur les relations qui unissent la consommation d’oxygène et la puissance mécanique développée d’une part, et les relations qui unissent la consommation d’oxygène et la fréquence cardiaque d’autre part. Ces épreuves permettent d’obtenir la valeur probable de la consommation maximale d’oxygène à partir d’une mesure de fréquence cardiaque réalisée au cours d’un travail musculaire sous-maximal (nomogramme d’Astrand et Ryhming, 1954). Limites de validité : l’erreur de cette méthode dans la prédiction de Vo2max est de 10 à 15%. Deux causes expliquent cette marge d’erreur : D’une part le rendement est considéré comme identique pour tous, alors qu’il peut varier de 20 à 25% ; D’autre part la FC max est considérée comme 220 – l’âge, alors qu’elle est en réalité de 220 – l’âge battements. Une autre méthode, plus fiable, consiste à reproduire le protocole de la méthode directe (épreuve triangulaire jusqu’à épuisement du sujet), pour relever la valeur de puissance développée au dernier palier. Cette valeur donne alors la Puissance Maximale Aérobie (PMA). A partir de cette valeur, il est devient possible de calculer la VO2max. en ml/mn/kg : VO2max = (13.5 X PMA ) / poids (avec Vo2max en ml/min/kg PMA en Watts et poids en kg)

Le test de Cooper Test continu (rectangulaire) qui consiste à courir la plus grande distance possible (d) en 12 minutes sur une piste d’athlétisme. La consommation maximale d’oxygène est estimée à partir de la distance, par l’équation suivante : Le test de Cooper (1968) : c’est un test continu qui consiste à courir la plus grande distance possible en 12 minutes sur une piste d’athlétisme. La consommation maximale d’oxygène est estimée à partir de la distance, par l’équation suivante : VO2 max = 22,351d ,288 (avec Vo2max en ml/min/kg et d en km/h) Il trouve son origine dans l’US Air Force en 1968. Critiques principales : l’allure étant laissée au libre choix du coureur, celle-ci n’est pas forcément régulière (plus fiable chez des sportifs qui ont l’habitude de courir). D’autre part, 12 minutes est une durée supérieure à celle que la moyenne des coureurs est capable de soutenir à Vo2max. Le test de Cooper test donc aussi la capacité du coureur à maintenir un fort pourcentage de Vo2max, donc son endurance. On détermine par ce test un paramètre qui dépend bp plus d’une habitude de cet exercice que de la puissance maximale aérobie du sujet. D’où l’utilisation d’un autre test, le demi-Cooper : VMA = distance en mètres / 100 (donc pour une distance de 1500m en 6mn, on aura une VMA de 15 km/h) VO2max = 22,351 X d ,288 ml/min/kg km

Le test de Cooper Inconvénients de ce test : allure laissée au choix du coureur donc pas forcément régulière (pb de gestion de l’effort) ; la plupart des sujets ne peuvent maintenir VO2max sur 12 min. (ce test mesure aussi l’endurance aérobie du sujet). Critiques principales : l’allure étant laissée au libre choix du coureur, celle-ci n’est pas forcément régulière. D’autre part, 12 minutes est une durée supérieure à celle que la moyenne des coureurs est capable de soutenir à Vo2max. Le test de Cooper test donc aussi la capacité du coureur à maintenir un fort pourcentage de Vo2max, donc son endurance. Il est plus fiable pour les coureurs entraînés et habitués à ce type d’effort (ils connaissent la vitesse optimale à adopter). D’où l’utilisation d’un autre test, le demi-Cooper : VMA = distance en mètres / 100 (donc pour une distance de 1500m en 6mn, on aura une VMA de 15 km/h) D’ou l’utilisation d’un autre test : le demi-Cooper VMA = distance / 100 km/h m

L’équation de prédiction de Margaria et al. (1975) Estimation de VO2max à partir d’une épreuve de course à allure max. sur une distance supérieure à 1000 m (afin que le métabolisme aérobie soit prédominant). Le test de Cooper (1968) : c’est un test continu qui consiste à courir la plus grande distance possible en 12 minutes sur une piste d’athlétisme. La consommation maximale d’oxygène est estimée à partir de la distance, par l’équation suivante : VO2 max = 22,351d ,288 (avec Vo2max en ml/min/kg et d en km/h) Critiques principales : l’allure étant laissée au libre choix du coureur, celle-ci n’est pas forcément régulière. D’autre part, 12 minutes est une durée supérieure à celle que la moyenne des coureurs est capable de soutenir à Vo2max. Le test de Cooper test donc aussi la capacité du coureur à maintenir un fort pourcentage de Vo2max, donc son endurance. D’où l’utilisation d’un autre test, le demi-Cooper : VMA = distance en mètres / 100 (donc pour une distance de 1500m en 6mn, on aura une VMA de 15 km/h)

L’équation de prédiction de Margaria et al. (1975) Margaria prévoit deux équations selon la distance choisie (variation de la participation du métabolisme anaérobie) : Si d > 5000m ou t > 10 min. : VO2max = (d + 30 X t) / 5 X t ml/min/kg m min min. Exemple pour une distance de 300m réalisée en 10 minutes : VO2 max = ( ) / 50 = 66 ml/mn/kg. Si d < 5000m ou t < 10 min. : d = 5 (VO2max – 6) X t + 5 VO2max m ml/min/kg min ml/min/kg

Test de Léger-Boucher (1980) Épreuve qui s’inspire du protocole triangulaire de mesure de VO2max en labo. Il s’agit pour les coureurs de suivre la vitesse indiquée par une bande sonore pré-enregistrée, celle-ci étant incrémentée de 1km/h toutes les 2 min (à partir de 8 km/h).  à chaque son, il faut être positionné au niveau de l’un des repères placés tous les 50m le long d’une piste de 400m. Le premier palier correspond généralement à une vitesse de 7-8 km/h. Chaque accélération correspond à un une augmentation du coût énergétique de 3,5 ml/min/kg.

Test de Léger-Boucher (1980) L’épreuve est interrompue lorsque le coureur ne parvient plus à suivre la vitesse imposée (= n’est plus au niveau du repère). VMA correspond alors à la vitesse atteinte au numéro du palier et VO2max peut être calculé à partir de l’équation suivante (selon Léger et Mercier, 1983) : Critique principale : surestimation possible de VO2max car le dernier palier peut être réalisé alors que le dernier palier de vitesse est souvent réalisé alors même que VO2max était déjà atteint à l’avant-dernier palier (selon Kachouri, le test de Léger surestime de 2,5% environ la VMA, 1997). Avantage principal par rapport au test de Cooper : le sujet n’a pas à connaître sa vitesse optimale + l’épreuve ne devient pénible que durant les toutes dernières minutes. VO2max = 3,5 X V ml/min/kg km/h

Test de Léger-Boucher (1980) Variantes au Léger-Boucher : l’épreuve de course navette de Léger et Lambert (1982) : épreuve qui procède par des navettes aller-retour, entre deux plots espacés de 20 m (facilité d’utilisation mais relances constantes nécessaires). Critiques principales de cette version : les blocages occasionnés par les changements de direction supposent des relances constantes qui entraînent une rupture de l’état stable de Vo2 et une participation du métabolisme anaérobie lors de chaque accélération brutale (les joueurs de sports collectifs sont plus à l’aise dans ce type d’épreuve, qui en revanche sous-estime le Vo2max des coureurs de fond). Les allers-retours obligent le sujet à freiner à chaque fois qu'il arrive à l'une des lignes pour faire demi-tour. Cette déperdition d'énergie élastique au cours du test entraîne inévitablement une sous-évaluation des compétences réelles du sujet (qui est d’autant plus grande que la vitesse est élevée). + difficulté à être parfaitement synchrone avec les bips sonores. Pas intéressant pour des coureurs d’endurance. L’avantage principale de cette version réside dans la simplicité d’organisation puisqu’une piste de 400 m n’est pas nécessaire : un gymnase, un terrain de basket ou une simple cour suffisent (très intéressant lorsque mauvais temps à l’extérieur)  très intéressant en EPS. 1· Le test Vam-éval (Cazorla-Léger) a été élaboré pour rendre le test Léger et Boucher plus accessible et plus précis. La pente d’augmentation de l’intensité étant rigoureusement la même : ½ km.h -1 par palier de 1 min à la place de 1 km.h-1 par palier de 2 min, le test VAMEVAL bénéficie indirectement du niveau de validité du test de Léger et Boucher. Par contre les VAM obtenues s’avèrent plus précises au ½ km.h-1 près avec le test Vam-éval. 2· Une étude très récente (Hourcade 1997) ne montre aucune différence significative entre les VAM obtenues au Vam-éval et celles obtenues au TUB2 . On peut donc indifféremment utiliser ces deux tests pour obtenir la VAM. le VAM-éval de Cazorla et Léger (1992) : même protocole que Léger-Boucher, mais la vitesse est incrémentée de 0,5 km/h toutes les mn depuis 8.5 km/h (VMA obtenues plus précises).

Épreuve de Brue (1985) Il s’agit de suivre un « lièvre » cycliste dont la vitesse est très rigoureusement imposée (braquet et fréquence de pédalage). L’allure est augmentée de 0,25 à 0,30 km/h toutes les 30’’ selon les paliers (vitesse de départ = 6,5 km/h). L’épreuve de Brue (1985) : il s’agit d’un aménagement de l’épreuve de Léger et Bouchet sur piste permettant de réguler très précisément la vitesse de course puisque celle-ci est imposée par un « lièvre » cycliste. Ce dernier porte sur lui un magnétophone lui indiquant sa fréquence de pédalage et le développement à utiliser (40 X 24 puis 40 X 20 puis 40 X 16). Élimination lorsque le contact avec le cycliste est perdu. Dés que le contact avec le cycliste est perdu, la vitesse maximale aérobie est atteinte. Le calcul de Vo2max s’effectue alors d’après la même équation que pour l’épreuve de Léger (VO2max = 3,5 V). Critique principale : comme les précédents, ce test de terrain peut conduire à une surestimation de la vitesse maximale aérobie (qui peut être atteinte déjà lors de l’avant-dernier palier). Néanmoins, Lacour et al. (1990) ont confronté les résultats obtenus en laboratoire lors d’une évaluation de VO2max (et VMA) directe et ceux des tests de Brue sur un échantillon homogène de 17 coureurs de haut-niveau. Il en ressort que la vitesse finale atteinte au dernier palier du test de Brue est corrélée à la consommation maximale d’oxygène mesurée en laboratoire mais = à la vitesse de leurs meilleurs 1500 et 3000 m. Épreuve particulièrement bien adaptée aux athlètes de bon niveau. VMA correspond au dernier palier complété, et VO2max peut être estimé selon l’équation de Léger et Mercier (1983) : VO2max = 3,5 X V ml/min/kg km/h

Épreuve 45/15 de Gacon C’est un test intermittent dont le principe est de réaliser 45’’ d’effort puis 15’’ de récup. Il s’agit de parcourir une successions de distances données correspondant à une vitesse imposée de + en + élevée. La vitesse croît de 0.5 km/h par cycle d’une minute. test de VMA créé par Georges Gacon est un des plus récent, des plus fiable et des plus simple à mettre en œuvre . Il est particulièrement adapté dans un objectif de travail intermitent du type 30/30, 45/15, 10/20, etc ....Bonne lecture et bon test... C’est un test intermittent qui permet d'évaluer la VMA. Le principe est de réaliser 45" secondes d'effort puis 15" secondes de récupération. Il est très utile pour déterminer la VMA utilisable directement sur des exercices intermittents (type 30/30, 10/20). Le test débute à 8 Km/h pour les enfants et les débutants adultes. Pour les plus entraînés démarrez à 10 Km/h. Il faudra parcourir une succession de distances données correspondant à une vitesse imposée de plus en plus élevée. La croissance est de 0,5 Km/h par cycle d’une minute en alternant donc 45’’ de course à vitesse imposée puis 15 secondes récupération de à la vitesse choisie (marche, trot) Si un coureur n’arrive pas à arriver au repère au sol imposé il s’arrêt et note le palier. La dernière vitesse maintenue correctement est la V.M.A Il suffit donc de placer des marques, conformément au schéma et au tableau suivant, à la distance de la ligne de départ. Lorsque le coureur n’arrive pas au repère au sol imposé, il s’arrête et note le palier. La dernière vitesse maintenue est la VMA.

45/15 de Gacon Exemple : au départ (1) vous avez donc 45’’ pour parcourir les 100 premiers mètres (2), tachez de caller votre vitesse sur les repères sonore, puis marcher 15’’ jusqu’au prochain repère placé à 106,25 (3) mètres du départ , retournez vous et au signal repartez en courant .. Vous avez cette fois 45’’ pour parcourir les 106,25 (4)… Soit jusqu'à la ligne de départ en conformité avec le signal sonore, vous avez cette fois 15’’ de nouveau pour récupérer en marchant et en vous remettant sur la ligne de départ (5)(4)… Puis vous l’aurez compris cette fois vous devez aller jusqu’au 3ème repère et parcourir donc les 112,50 mètre en 45’’ (6)… Vous marchez de nouveau 15’’ jusqu’au prochain repère (7) et parcourez en sens inverse jusqu'à la ligne de départ les 112,50 mètres (8)... Et ainsi de suite jusqu'à que vous ayez atteint votre vitesse maximum et que vous ne pouvez plus atteindre la distance nécessaire dans les 45’’ impartis.

Le TUB II de Cazorla (1990) C’est un test intermittent à intensité progressive dont le principe est de réaliser des paliers de 3 min séparés par un intervalle de repos de 1 min. sur une piste balisée par des plots tous les 20 mètres. Le progression est de 8, 10, 12 km/h, puis 13, 14, 15, 16, 17, 18… km/h. Un retard sur 3 ou 4 plots consécutifs marque l’arrêt du test.

Remarque sur les épreuves de terrain Ces tests peuvent conduire à une surestimation de la VMA en raison de l’impossibilité de savoir à partir de quelle vitesse la consommation d’oxygène plafonne. L’athlète peut en effet réaliser son dernier palier exclusivement grâce à l’apport énergétique de la glycolyse anaérobie en situation de plafonnement de VO2max.  V.Billat (1998) propose de vérifier VMA par un test rectangulaire de « temps limite » à VMA, celui-ci devant être soutenu au moins 3 minutes.

II. L’endurance aérobie
2.1 Rappel théorique : définitions Selon Jürgen Weineck (1992) , l’endurance est la capacité psychique et physique que possède l’athlète pour résister à la fatigue. L’endurance aérobie peut se définir comme la capacité d’utiliser un pourcentage le plus élevé possible de sa consommation maximale d’oxygène sur une durée la plus longue possible.

2.1 Rappel théorique : définitions La zone de transition aérobie-anaérobie correspond à l’intensité de l’exercice pour laquelle la contribution du métabolisme anaérobie à la fourniture d’énergie augmente rapidement, avec une augmentation brutale des concentrations sanguines en acide lactique (lactatémie). Cette zone est comprise entre le seuil aérobie (ou seuil d’apparition des lactates) et le seuil anaérobie ( ou seuil d’accumulation des lactates, encore appelé seuil lactique, ou seuil d’inadaptation respiratoire).

Mal aux jambes Évolution de la lactatémie selon la puissance de l’exercice : la zone de transition se situe entre le seuil aérobie (SL1) et le seuil anaérobie (SL2)

2.1 Rappel théorique : définitions A partir du seuil anaérobie, l’accumulation d’acide lactique produit une forte diminution des pH sanguin et musculaire, et le sportif ne peut maintenir longtemps sa puissance d’exercice (donc sa vitesse) au même niveau ( il est « dans le rouge »). Passé le seuil anaérobie, l’équilibre est rompu entre la vitesse de production et la vitesse d’élimination de l’acide lactique dans l’organisme. Dès lors, le sportif ne pourra pas maintenir sa puissance d’exercice au même niveau très longtemps (il est « dans le rouge »).

2.2 Temps limite à la PMA ou à la VMA (V.Billat, 1998) Le test permet de connaître la durée de maintien de la VMA, et donc de VO2max. Protocole : le sportif (qui 1 à 2 semaine(s) auparavant a effectué une épreuve de détermination de VMA sur le terrain) s’échauffe min. à 60% de la VMA. Puis en 20’’, il atteint sa VMA et la maintient le plus longtemps possible. La durée obtenue correspond au temps limite à VO2max. Dans son ouvrage Physiologie et méthodologie de l’entraînement (De Boeck Université, Bruxelles et Paris, 1998), Véronique Billat propose un test permettant d’évaluer le temps limite (ou temps de maintien) à VMA. Deux types de sujets peuvent être alors distingués : ceux qui peuvent maintenir Vo2max plus de 6 minutes, et ceux qui ne le peuvent pas (les variations interindividuelles vont de 4 à 12 minutes). Selon Véronique Billat, le temps limite à Vo2max doit constituer un nouveau critère de l’endurance aérobie complémentaire de Vo2max, mais également un cadre de référence pour le choix de la durée d’entraînement à Vo2max (permettant notamment d’individualiser plus précisément les charges d’entraînement ind.).

2.2 Temps limite à la PMA ou à la VMA (V.Billat, 1998) Les variations interindividuelles sont fortes et vont de 4 à 11 minutes. A VO2max égal, deux types de sujets sont distingués : Deux types de sujets peuvent être alors distingués : ceux qui peuvent maintenir Vo2max plus de 6 minutes, et ceux qui ne le peuvent pas (les variations interindividuelles vont de 4 à 12 minutes). Selon Véronique Billat, le temps limite à Vo2max doit constituer un nouveau critère de l’endurance aérobie complémentaire de Vo2max, mais également un cadre de référence pour le choix de la durée d’entraînement à Vo2max (permettant notamment d’individualiser plus précisément les charges d’entraînement ind.). ceux qui sont capables de maintenir VO2max longtemps (> à 6 min.) ; ceux qui ne peuvent maintenir VO2max plus de 6 min.

2.2 Temps limite à la PMA ou à la VMA (V.Billat, 1998) Trois grands avantages à ce test : il permet de vérifier la VMA obtenue lors d’épreuves de terrain par un test rectangulaire ; il constitue un cadre de référence pour le choix de la durée d’entraînement à VO2max (permet d’individualiser plus finement les charges de travail) ; Deux types de sujets peuvent être alors distingués : ceux qui peuvent maintenir Vo2max plus de 6 minutes, et ceux qui ne le peuvent pas (les variations interindividuelles vont de 4 à 12 minutes). Selon Véronique Billat, le temps limite à Vo2max doit constituer un nouveau critère de l’endurance aérobie complémentaire de Vo2max, mais également un cadre de référence pour le choix de la durée d’entraînement à Vo2max (permettant notamment d’individualiser plus précisément les charges d’entraînement ind.). il constitue un critère d’évaluation de l’aptitude aérobie complémentaire de VO2max.

2.3 L’évaluation du seuil anaérobie Le seuil anaérobie (seuil lactique) peut être évalué à partir de la mesure de trois grands paramètres au cours d’une épreuve triangulaire : la lactatémie ou concentration sanguine en acide lactique (L); Passé le seuil anaérobie, l’équilibre est rompu entre la vitesse de production et la vitesse d’élimination de l’acide lactique dans l’organisme. Dès lors, le sportif ne pourra pas maintenir sa puissance d’exercice au même niveau très longtemps (il est « dans le rouge »). le quotient respiratoire (R); la fréquence cardiaque (FC).

La mesure de l’évolution d’acide lactique dans le sang Il s’agit de doser les lactates sanguins à chaque palier d’une épreuve triangulaire L’objectif est de saisir la valeur de la puissance (et la FC correspondante) à partir de laquelle la lactatémie dépasse 4 mmol.L-1 (Kinderman et al, 1979). La mesure de l’évolution de l’accumulation d’acide lactique dans le sang afin de repérer le point d’augmentation exponentielle des lactates. Cette procédure nécessite un équipement approprié et ne peut se dérouler en dehors du laboratoire. Néanmoins, le seuil anaérobie fixé à de 4 mmol.l-1 par Kinderman ne semble pas être satisfaisant pour tous les sujets. Lors d’une expérience menée en 1997 sur 9 athlètes bien entraînés, le seuil anaérobie survenait en moyenne à un taux de lactates de 5,7 mmol. Il existerait donc de fortes variations interindividuelles : chez certaines personnes, une augmentation brutale de la production d’acide lactique survient à 3 mmol, tandis que d’autres conservent des paliers stables à des concentrations proches de 6 mmol. Au-delà d’une valeur de lactatémie déterminée au départ, ce qui importe de mesurer en laboratoire, c’est le tracé de sa propre évolution des lactates afin de repérer la moment de la dérive lactique (rupture dans la pente). Notons que la fatigue ou la manque de réserves énergétiques sont susceptibles de tronquer les résultats ; il est donc nécessaire de réaliser ce test en pleine possession de ses moyens. En raison des différences interindividuelles concernant la valeur de lactatémie au seuil anaérobie, l’objectif est surtout de repérer le point d’augmentation exponentielle des lactates.

Mesure de l’évolution des lactates sanguins : la partie hachurée correspond à la zone de transition, et se situe entre le seuil aérobie et le seuil anaérobie

La mesure du quotient repiratoire Le quotient repiratoire est le rapport CO2 expiré sur O2 inspiré (VCO2 / VO2). En deçà du seuil anaérobie, R est proche de l’unité. Lorsque la contribution des processus anaérobies à la fourniture d’énergie augmente rapidement, QR augmente et dépasse l’unité. L’évolution des gaz respiratoires. On mesure la quantité d’oxygène inspiré et recraché sous forme de gaz carbonique pour établir le “quotient respiratoire” (CO2/O2). Celui-ci constitue un indice excellent des processus métaboliques. Lors d’un effort modéré, on sait que la consommation d’oxygène suit fidèlement la dépense énergétique. La quantité d’oxygène qui entre dans le métabolisme correspond exactement à celle qui en ressort sous forme de CO2. Le quotient respiratoire est proche de l’unité (QR=1). Mais au-delà d’un certain seuil, les processus anaérobies entrent en jeu et l’organisme rejette plus de gaz carbonique qu’il n’aspire d’oxygène. Cette dérive est due au passage dans le sang de l’acide lactique formé dans les muscles, qui provoque la mise en jeu de substances tampons, en particulier les bicarbonates, qui désamorcent l’acide lactique au prix d’une réaction chimique libératrice de gaz carbonique. Ce CO2 est ensuite évacué par la respiration, ce qui augmente logiquement la valeur du quotient respiratoire (QR>1). Le point d’inflexion donné par l’évolution de QR au cours d’un effort progressif donne la valeur d’un seuil qualifié de “ventilatoire” que l’on situe très proche du fameux seuil anaérobie. Là encore, cette procédure nécessite un appareillage coûteux et ne peut être mise en œuvre en dehors d’un laboratoire. Actuellement, la technique ventilatoire de détermination semble donner des résultats plus fiables que la méthode mesurant l’acide lactique. Elle est donc plus souvent utilisée dans les tests d’effort en laboratoire réalisés auprès des sportifs. L’évolution de R au cours d’un test triangulaire permet de donner la valeur d’un seuil qualifié de ventilatoire, qui se situe très proche du seuil lactique ( méthode assez fiable).

Mesure de l’évolution du quotient respiratoire : la partie hachurée correspond à la zone de transition, et se situe entre le seuil aérobie et le seuil anaérobie

La mesure de l’évolution de la fréquence cardiaque (FC) : le Conconi Selon F.Conconi, la relation entre la puissance de l’exercice et la FC n’est pas strictement linéaire, mais elle s’infléchit passé un certain niveau d’effort. Ce point de déflexion correspondrait au seuil anaérobie  mise au point d’un test triangulaire pouvant être réalisé sur le terrain permettant d’estimer, à partir de l’évolution de la FC, le seuil anaérobie (Conconi et al., 1982). Un autre paramètre plus facile à mettre en œuvre peut être utilisé pour mesurer le seuil anaérobie : la fréquence cardiaque. Pendant des années, on considérait qu’elle augmentait linéairement avec l’intensité de l’exercice. Mais en 1982, le professeur italien Francesco Conconi (qui prépara le cycliste Francesco Moser pour son record de l’heure en 1984) remarqua que passé un certain niveau d’effort, environ aux 3/4 du tracé, la droite s’infléchissait légèrement. Conconi a appelé ce moment vitesse de déflexion ou vitesse critique. En d’autres termes, la FC augmente moins vite que l’intensité de l’exercice. Comme Conconi remarqua qu’à cette vitesse, on ne peut courir très longtemps, il écrivit : “La vitesse qui correspond au passage de la partie linéaire à la partie curviligne coïncide avec une accumulation marquée d’acide lactique, et ce test constitue un moyen indirect de déterminer le seuil anaérobie des athlètes.” Pour expliquer l’apparition de ce point de déflexion, Conconi émit l’hypothèse qu’au moment où VO2max est approché, le surplus d’énergie qui doit être produit pour courir vite proviendrait des processus anaérobies et dès lors, le cœur n’a plus besoin d’augmenter directement sa fréquence cardiaque. Dès lors Conconi mis au point un test portant son nom, permettant de déterminer, à l’aide de la fréquence cardiaque, le seuil anaérobie. Ce test ne peut être valide que si l’on dispose de suffisamment de points pour tracer la droite de relation entre les fréquences cardiaques mesurées et la vitesse. Néanmoins, son test fit l’objet de nombreuses critiques dans le milieu scientifique, notamment parce que chez de nombreux athlètes, on ne remarque pas un tel décrochage de la fréquence cardiaque. Le protocole du test consiste en une augmentation de la vitesse de course de 0,5 km/h tous les 200m à partir de 9 à 12 km/h. Des logiciels permettent de calculer ce point de déflexion. Point de déflexion = point d’infléchissement par rapport à la relation linéaire. Nombreuses critiques  ce point de déflexion existe-t-il vraiment ?

Mesure de l’évolution la fréquence cardiaque selon la puissance de l’exercice : le point de déflexion (ici environ 165 bpm pour 340 W) correspond au seuil anaérobie

On remarque deux droites de relations
entre la FC et la puissance 2 1 Seuil anaérobie Mesure de l’évolution la fréquence cardiaque selon la puissance de l’exercice : le point de déflexion (ici environ 188 bpm pour 320W) correspond au seuil anaérobie

Évolution de la fréquence cardiaque et de la lactatémie au cours d’un test Vam-Eval ( seuil anaérobie aux environs de 180 bpm)

Vérification de la valeur estimée du seuil anaérobie Il est possible de vérifier la valeur de la FC (ou la vitesse de course) correspondant au seuil anaérobie par une épreuve rectangulaire de 30 min. Si le sujet ne peut maintenir cette intensité d’exercice pendant 30’, c’est que le seuil a été surévalué. S’il peut aller plus vite, c’est que le seuil a été sous-évalué. Mais fiabilité de cette « vérification » que pour des sportifs entraînés car nécessité de savoir gérer une allure + grande motivation.

Conclusion PERFORMANCE OBTENUE DANS UNE ACTIVITE DE LONGUE DUREE
CAPACITE DE MANITENIR LA VITESSE MOYENNE DE COURSE LA PLUS ELEVEE FACTEURS PHYSIOLOGIQUES FACTEURS BIOMECANIQUES FACTEURS PSYCHOLOGIQUES ENDURANCE AEROBIE VO2 MAX ECONOMIE DE COURSE MORPHOLOGIE HEREDITE SPECIALITE ENDURANCE AU STRESS MOTIVATION ENTRAÎNEMENT VITESSE MAXIMALE AEROBIE

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