Profil force vitesse en sprint
Primo rédacteur: Arnaud CHARENTUS 2023
La relation entre force et vitesse de contraction musculaire a été étudiée dès le début des années 19201. D’abord étudiée sur des fibres musculaires isolées1-3, ces travaux se sont ensuite exportés sur des muscles entiers et des mouvements monoarticulaires4-5. Cependant, ces mouvements étaient encore assez éloignés des mouvements sportifs. Certains chercheurs se sont alors intéressés à la relation entre la force produite et la vitesse dégagée lors de mouvements globaux, notamment lors de tâches de presse6, de pédalage7 ou de sprint8.
Le profil force-vitesse en sprint
Le profil force-vitesse en sprint correspond à la relation entre les forces que l’individu peut produire dans l’axe du déplacement (horizontal) en fonction de sa vitesse de déplacement9. Cette relation force-vitesse est linéaire. On représente également la relation puissance-vitesse dans ce profil, la puissance étant égale au produit de la force et de la vitesse (P = F x V). Cette relation puissance-vitesse est parabolique.
Ainsi, la relation force-vitesse linéaire, ainsi que la relation puissance-vitesse parabolique trouvées lors d’un sprint décrivent les capacités mécaniques d’un individu à produire des forces horizontales pendant une course de sprint9. Elles sont donc représentatives des capacités d’accélération d’un individu depuis que l’accélération est égale à la somme des forces appliquées sur le système divisée par la masse (2ème loi de Newton).
Figure 1 – Le profil force-vitesse en sprint
Ces relations caractérisent les limites mécaniques du système neuromusculaire d’un individu et peuvent être définies par leurs variables d’intérêts10 :
Le lien avec la performance
Le profil force-vitesse représente donc les capacités d’accélération d’un individu9. Celles-ci sont primordiales pour un sprint depuis qu’elles permettent d’atteindre des vitesses maximales supérieures12. Ces capacités sont recherchées dans de nombreux sports, dont l’athlétisme, mais également les sports collectifs, comme le football ou encore le rugby. En réalité, l’atteinte de vitesses supérieures peut être un déterminant direct de la performance (100m sprint) ou peut avoir un rôle plus indirect (déborder un adversaire en sport collectif).
De nombreuses études ont démontré des corrélations significatives entre la puissance maximale produite lors d’un sprint et la performance en sprint9-13. Un profil plus orienté vitesse, avec une V0 élevée et un RF moyen élevés est en corrélation avec la performance sur les sprints longs9-13, soulignant l’importance de la capacité d’un individu à orienter ses forces à l’horizontale tout au long du sprint, afin de continuer d’accélérer malgré l’augmentation de la vitesse. En revanche, un profil avec une F0 élevée semble idéal pour les sprints courts, par exemple en sports collectifs, celui-ci étant synonyme d'une accélération élevée et rapide10.
Comment le mesurer ?
L’élaboration des profils force-vitesse durant les années 2000 nécessitait l’utilisation de tapis de course instrumentés permettant de mesurer la force produite à chaque pas8. Cependant, depuis 2016, deux méthodes ont vu le jour afin de réaliser ces mesures sur le terrain.
La méthode « single-trial »14
Cette méthode, validé par l’étude de Samozino et al. (2016)14, calcule la relation force-vitesse en utilisant une approche dynamique inversée à partir des temps de passage ou de la vitesse instantanée du centre de masse d’un individu au cours d’un sprint. Cela repose sur les procédés mathématiques de dérivation et d’intégration.
Le sportif doit réaliser un sprint de 40m durant lequel sa vitesse sera enregistrée (via radar, laser, GPS…). On obtient ainsi une courbe de vitesse brute qu’on va pouvoir modéliser par une courbe grâce aux équations de Samozino et al. (2016)14.
Figure 2 – Vitesse en fonction du temps sur un sprint libre de 40 m
On va ensuite pouvoir dériver cette courbe de vitesse en fonction du temps afin d’obtenir l’accélération en fonction du temps. Cela nous permettra d’obtenir la force en fonction du temps grâce à la 2ème loi de Newton. En prenant en compte les frottements de l’air via la corpulence du coureur ainsi que les conditions atmosphériques, on peut ensuite calculer la force propulsive à chaque instant de la course. Nous pouvons ainsi obtenir la relation entre la force produite à chaque instant du sprint et la vitesse.
S’il n’est pas possible d’obtenir la vitesse instantanée, on peut également utiliser les temps de passage tous les 5 ou 10 m. On peut ainsi modéliser l’évolution de la position en fonction du temps grâce aux équations de Samozino et al. (2016)14, qu’on dérivera pour obtenir la vitesse, puis l’accélération et enfin la force.
Des feuilles de calculs ont été élaborées par les chercheurs afin de faciliter ces tests sur le terrain. Elles sont disponibles sur : https://jbmorin.net/ rubrique « Downloads ».
La méthode multiple-trial15
En 2017, Cross et al.15 ont validé une autre façon de construire le profil force-vitesse des individus en sprint. Cette méthode repose sur la réalisation de plusieurs sprints avec résistance et avec charge croissante.
Le sportif va réaliser plusieurs sprints durant lesquels la vitesse est enregistrée (via radar, laser, GPS, 1080 Motion Sprint…). Lors de chaque sprint on appliquera une résistance horizontale supplémentaire sur le coureur (via chariot, 1080 Motion Sprint…), avec a minima une charge à 25% BM et à 75% BM. Pour chaque sprint on obtiendra donc une vitesse maximale et une charge correspondante, ce qui nous permet de reconstruire le profil charge-vitesse de l’individu. On en déduit ainsi le profil force-vitesse.
Figure 3 – A : Vitesse en fonction du temps et de la charge appliquée sur différentes distances ; B : Profil Charge-Vitesse (BM : Body Mass : Masse Corporelle)
Cette méthode, bien que plus sollicitante pour l’individu, peut fournir des paramètres importants quant aux charges nécessaires pour chaque zone de travail15 permettant une individualisation plus précise qu’avec des % de masse corporelle.
Conclusion
Ainsi le profil force-vitesse en sprint est un outil d’évaluation des capacités d’accélérations d’un individu et permet de réaliser un suivi de l’évolution de ces capacités avec l’entrainement.
Alors que des méthodes spécifiques (sprints avec résistances) et non-spécifiques (musculation en force) montrent qu’il est possible de développer le versant force de cette relation avec une augmentation de la F016-17, le développement de V0 semble plus difficile. La solution pour aller travailler cette zone pourrait se cacher dans la survitesse…
Une étude récente de Samozino et al. (2022)18 s’est penchée sur la notion de profil optimal en sprint, c’est-à-dire un rapport force-vitesse optimale afin de maximiser la performance en sprint pour une même puissance maximale. Cet optimal dépend fortement de la distance parcourue, ce qui confirme l’impact prioritaire de V0 ou F0 sur la performance selon la distance.
Cependant, le lien entre le profil optimal et la performance est moindre par rapport à celui de Pmax. Ainsi cela pose la question de s’il est plus important de travailler les déficits du profil, ou s’il convient de travailler l’entièreté du spectre pour maximiser Pmax10.
Notes et références
1 Hill, A. V. (1922). The maximum work and mechanical efficiency of human muscles, and their most economical speed. The Journal of Physiology, 56(1‑2), 19‑41.
2 Hill, A. V. (1938). The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proceedings of the Royal Society of London. Series B - Biological Sciences, 126(843), 136‑195.
3 McMahon, T. A. (1984). Muscles, Reflexes, and Locomotion. Princeton University Press.
4 Dern, R. J., Levene, J. M. & Blair, H. A. (1947). Forces exerted at different velocities in human arm movements. American Journal of Physiology-Legacy Content, 151(2), 415‑437.
5 Uchiyama, T. & Akazawa, K. (1999). Muscle activity-torque-velocity relations in human elbow extensor muscles. Frontiers of medical and biological engineering : the international journal of the Japan Society of Medical Electronics and Biological Engineering, 9(4), 305‑313.
6 Yamauchi, J. & Ishii, N. (2007). Relations Between Force-Velocity Characteristics of the Knee-Hip Extension Movement and Vertical Jump Performance. The Journal of Strength and Conditioning Research, 21(3), 703.
7 Vandewalle, H., Peres, G., Heller, J., Panel, J. & Monod, H. (1987). Force-velocity relationship and maximal power on a cycle ergometer. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, 56(6), 650‑656.
8 Jaskolska A, Goossens P, Veenstra B, Jaskolski A, Skinner JS. Comparison of treadmill and cycle ergometer measurements of force-velocity relationships and power output. Int J Sports Med 1999a: 20: 192–197.
9 Morin, J. B., Bourdin, M., Edouard, P., Peyrot, N., Samozino, P. & Lacour, J. R. (2012). Mechanical determinants of 100-m sprint running performance. European Journal of Applied Physiology, 112(11), 3921‑3930.
10 Morin, J. B. & Samozino, P. (2016). Interpreting Power-Force-Velocity Profiles for Individualized and Specific Training. International Journal of Sports Physiology and Performance, 11(2), 267‑272.
11 Morin, J. B., Edouard, P. & Samozino, P. (2011). Technical Ability of Force Application as a Determinant Factor of Sprint Performance. Medicine & Science in Sports & Exercise, 43(9), 1680‑1688.
12 Slawinski, J., Termoz, N., Rabita, G., Guilhem, G., Dorel, S., Morin, J. B., & Samozino, P. (2017). How 100-m event analyses improve our understanding of world-class men's and women's sprint performance. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 27(1), 45–54.
13 Rabita, G., Dorel, S., Slawinski, J., Sàez-de-Villarreal, E., Couturier, A., Samozino, P. & Morin, J. B. (2015). Sprint mechanics in world-class athletes : a new insight into the limits of human locomotion. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports, 25(5), 583‑594.
14 Samozino, P., Rabita, G., Dorel, S., Slawinski, J., Peyrot, N., Saez de Villarreal, E. & Morin, J. B. (2016). A simple method for measuring power, force, velocity properties, and mechanical effectiveness in sprint running. Scandinavian Journal of Medicine & ; Science in Sports, 26(6), 648‑658.
15 Cross, M. R., Brughelli, M., Samozino, P., Brown, S. R. & Morin, J. B. (2017). Optimal Loading for Maximizing Power During Sled-Resisted Sprinting. International Journal of Sports Physiology and Performance, 12(8), 1069‑1077.
16 Rumpf, M. C., Lockie, R. G., Cronin, J. B. & Jalilvand, F. (2016). Effect of Different Sprint Training Methods on Sprint Performance Over Various Distances. Journal of Strength and Conditioning Research, 30(6), 1767‑1785.
17 Hrysomallis C. (2012). The effectiveness of resisted movement training on sprinting and jumping performance. Journal of strength and conditioning research, 26(1), 299–306.
18 Samozino, P, Peyrot, N, Edouard, P, et al. Optimal mechanical force-velocity profile for sprint acceleration performance. Scand J Med Sci Sports. 2022; 32: 559– 575.