Puissance / Vitesse critique
Primo rédacteur : SIBLOT Adrian, Novembre 2023
Il est courant de pratiquer un sport d’endurance tel que le cyclisme ou la course à pied durant un temps relativement long sans ressentir d’inconfort ou de fatigue excessive. Cependant, une légère augmentation de l'intensité d'exercice peut augmenter la perception de l’effort, et diminue de façon importante la durée tolérable de l’exercice1.
Les fondements de ces expériences se basent sur des interactions physiologiques et des formules mathématiques appartenant au concept de « Puissance / Vitesse critique ».
1. Définition
Avant toute chose, il est important de préciser que les concepts de « Puissance critique » et « Vitesse critique » correspondent aux mêmes paramètres physiologiques et mathématiques. Seul le facteur mécanique mesuré varie (Puissance de sortie en Watts et Vitesse en m.s⁻¹).
Physiologiquement, la puissance critique (PC) marque la limite entre les domaines d'intensité « lourds » et « sévères ». Autrement dit, elle représente le seuil d'intensité qui sépare un état physiologique stable, où il n'y a, en théorie, pas d'accumulation de fatigue, d'un état instable où la fatigue s'accumule progressivement.
D’un point de vue mathématique, elle est définie comme l’asymptote horizontale de la relation hyperbolique entre la puissance de sortie et le temps jusqu’à l’épuisement2. C’est à dire une droite (P critique) dont une courbe (relation puissance P -t) s’approche de plus en plus sans jamais la franchir. La constance de courbure est appelée W’ et l’aire sous celle-ci représente la quantité de travail externe qui peut être réalisée au-dessus de la limite de puissance critique en fonction du temps avant épuisement.
Il faut donc imaginer la PC comme une limite d’intensité jusqu’à laquelle il est possible en théorie de maintenir un effort de manière illimitée. Une fois cette limite dépassée, la quantité d’énergie disponible jusqu’à l’épuisement est restreinte et est caractérisée par W’. Lorsque cette réserve est épuisée, le sujet ne peut en théorie maintenir au maximum que l’intensité définie par la limite de « puissance critique ».
Dans la réalité de terrain, la PC est souvent considérée comme une intensité qu’il est possible de maintenir une trentaine de minutes3.
2. Aperçu historique
L’histoire de la puissance critique dans l’effort physique humain remonte à l’antiquité, où ce concept était appliqué sans connaissances de cause. A l’image des légionnaires Romains, marchant plusieurs heures chargés, probablement à une allure inférieure à PC, contribuant certainement à leur efficacité militaire4.
Le terme « puissance critique », a été défini pour la première fois en 1965 par Monod et Scherrer. Comme le « taux (de travail) maximum qui peut être maintenu durant un temps très long sans fatigue »5. Ils ont introduit les notions de PC et de la quantité de travail réalisable au-dessus de PC (deviendra W’) à la suite de plusieurs exercices jusqu’à l’épuisement.
En 1982, Whipp a proposé une relation hyperbolique P-t, avec des exercices à puissance constante jusqu’à l’épuisement d’une durée de 2 à 15’ (temps supérieurs à 15’ considéré comme trop exigeant sur le plan motivationnel)6 :
Enfin, Poole affinera le concept en 1988, positionnant la PC à environ 80% de VO2max et établissant sa relation avec la stabilité métabolique du lactate sanguin notamment définissant ainsi la compréhension actuelle de la PC7.
L’histoire de la puissance critique dans l’effort physique humain remonte à l’antiquité, où ce concept était appliqué sans connaissances de cause. A l’image des légionnaires Romains, marchant plusieurs heures chargés, probablement à une allure inférieure à PC, contribuant certainement à leur efficacité militaire4.
3. Synthèse du sujet
3.1 Fondements physiologiques
La relation P-t inhérente à la PC se démarque des autres indices physiologiques de la condition physique car elle se base sur la performance en tant que « t à l’épuisement » et sur le travail mécanique plutôt que sur une seule variable physiologique (La⁻ ou VO2). Du fait de la nature multifactorielle de la fatigue au cours d’un exercice, un indice physiologique unique ne semble pas pouvoir expliquer à lui seul W’ ou PC1.
La PC représente le taux durable le plus élevé du métabolisme aérobie5,8 au-dessus de laquelle la PCr, le PI et le PH intramusculaire ne peuvent être stabilisés7.
L’ensemble des puissances supérieures à cette limite sont attribuées à W’ (D’ pour distance de réserve) conduisant à l’échec de la tâche et à VO₂max. Pour des puissances légèrement supérieures à PC, la composante lente VO2 joue un rôle important dans l’atteinte de cette valeur maximale. W’ comprend l’utilisation de l’énergie de la PCr et du glycogène avec une légère contribution aérobie provenant des réserves d’O2 liées à la myoglobine et à l’hémoglobine et représente donc une capacité de travail mécanique qui peut être utilisée tandis que la PCr et le PH diminuent et qu’une accumulation de métabolites liés à la fatigue se produit1 (H+, PI et K+)9.
En résumé, « la relation P-t est une caractéristique inhérente à la bioénergétique »1.
3.2 Méthodes de mesure
Les paramètres de PC et W’ sont une représentation de phénomènes physiologiques mais leur détermination se base sur une performance réelle constituée du travail mécanique et du temps2. Il n’est alors nécessaire de n’avoir en sa possession qu’un chronomètre et un outil de mesure de la puissance ou de la vitesse.
Le protocole le plus commun, consiste en la réalisation d’au minimum 3 (4 ou plus préférable) exercices à une puissance constante jusqu’à l’épuisement, répartis sur différents jours. Les puissances privilégiées sont comprises entre 75 et 105% de la PMA et le temps jusqu’à l’épuisement compris entre 2’ et 15’ associés à une différence minimale de 5’ entre le temps le plus court et le plus long8. Les performances lors d’événements compétitifs peuvent être aussi utilisés en substitution. Ces résultats sont ensuite analysés en utilisant une régression linéaire ou non1.
En raison des contraintes logistiques de ce protocole, une méthode alternative avec un seul essai a été proposé10–12. Ce test en un exercice de 3’ « all out », durant lequel le sujet doit fournir un investissement physique maximal. Trois aspects sont ici cruciaux, les sujets doivent être motivés et familiarisés avec le protocole de test, aucune information ne doit être donnée sur le temps restant avant la fin du test et la validité du test repose sur une cinétique de VO2 sans phases décroissantes atteignant au moins 95% de la valeur maximale déterminée par un test en rampe1.
La validité du test est caractérisée par un plateau VO2 et la puissance finale est déterminée par la moyenne des 30 dernières secondes de l’exercice. Jones, a exposé que la VO2 max était atteinte durant les 60 premières secondes de l’exercice et est par la suite maintenue pendant le reste du temps.
Bien que les résultats de ce test soient relativement similaires avec le test de base (différence inférieure à 5W dans 80% des cas), certains facteurs comme le choix arbitraire de la résistance et la limitation de la puissance de sortie sous-tendent le fait que ces résultats peuvent être liés à une coïncidence10,11. De plus, ce test ne semble pas être adapté à tout type de sportif par l’importance du facteur motivationnel.
3.3 Facteurs influant W’ et PC
La Puissance Critique (PC) et la capacité de travail W’ peuvent être affectées par diverses interventions. L'endurance continue13 et l'entraînement par intervalles de haute intensité peuvent augmenter la PC14, tandis que l'exercice en condition d’hypoxie tend à la réduire15,16. Par ailleurs, W’ peut-être amélioré grâce à des sprints courts17 et la supplémentation en créatine18,19, mais il peut diminuer en cas d'épuisement du glycogène20.
W‘ peut également diminuer suite à des entraînements qui augmentent la PC, et vice versa12. Cette interaction suggère que considérer CP et W’ uniquement comme des paramètres distincts aérobies et anaérobies est une simplification excessive. En effet, « certains métabolites liés à l'énergie anaérobie (associés à W’) peuvent stimuler la respiration mitochondriale, qui définit la PC1. Une réduction de W’ et une augmentation de PC reflètent une performance altérée pour des efforts de très courtes durées mais est intéressant pour la performance en endurance2.
4. Domaines d’application
4.1 Sports d’application
La PC s’applique dans « tout sport dans lequel une période significative de temps est passée dans le domaine sévère, et dont une contribution énergétique significative doit provenir des constituants représentés par W’ (principalement anaérobie) »2.
« Le concept a principalement était étudié sur ergocycle mais a été généralisé pour différents autres sports tels que la course à pieds21,22, l’aviron23 la nage24 et les exercices isométriques continus et intermittents5,25(où les analogues de la PC (vitesse, vélocité, force, couple) sont remplacés selon le cas »2.
Le modèle de la puissance critique a été revu de manière à s’adapter aux disciplines engageant des efforts intermittents tels que les sports collectifs26.
Ce concept peut ne pas s’appliquer dans différentes conditions. Tels que les disciplines n’impliquant qu’une seule ou peu de contractions musculaires (tir, à l’arc), avec un ratio travail - repos trop important pour remettre en cause les limites fixées par W’ (baseball, cricket) ou encore une activité où la puissance de sortie ne dépasse pas PC (golf, ultra endurance)2.
« Dans l’ensemble, le concept de PC s’applique très largement à la performance sportive mais, de par sa nature, il ne s’applique pas à certains sports et n’influence qu’indirectement la performance dans d’autres »2.
4.2 Intérêts sur le terrain
Selon Jones, l’utilisation de la PC peut être pertinente dans un objectif d’évaluation de la condition physique, pour la prescription d’un entraînement physique et pour la prédiction de performance pour un exercice de haute intensité. Il est par exemple possible de calculer le temps limite pour une vitesse donnée ou le temps le plus court pour parcourir une distance donnée en théorie. Ces formules sont ajustables dans un contexte d’exercice « d’interval training »
La connaissance de ces paramètres permettrait aux athlètes et aux entraîneurs de prendre des décisions tactiques sur l’ajustement des allures de course dans un objectif de performance maximale en course1.
Dans la même idée, ces paramètres peuvent être utilisés pour tirer parti des avantages métaboliques propres de l‘athlète lui-même ou contrer ceux des adversaires. Fukuba et Whipp ont exposé d’une part qu’il n’était pas possible d’atteindre le meilleur temps théorique sur une course comprise entre 800m et 5 - 10km si une partie de la course était réalisée en dessous de PC27.
Ils proposent aussi deux stratégies distinctes en fonction des capacités de l’athlète et celles de l’adversaire :
Pour une VC élevée et un D’ faible par rapport aux rivaux, la stratégie théoriquement optimale serait de courir à la vitesse moyenne la plus élevée sur la distance.
A l’inverse, pour une VC faible et un D’ supérieur aux rivaux, l’idéal serait de ralentir la course pour que l’adversaire direct court à une vitesse inférieure à sa VC et utiliser le D’ de l’athlète pour gagner au sprint final.
D’autres stratégies d’allure semblent être envisageables tels que les départs rapides28 ou les stratégies d’allure « all out »29 pour des exercices de haute intensité compris entre 2 et 3’. Grâce à une augmentation plus rapide de VO2, vers sa valeur maximale, qui résulterait par une plus grande consommation globale d’O228.
5. État des lieux des croyances « fortes »
Malgré sa pertinence prouvée le concept de Puissance critique n’est pas suffisamment utilisé notamment à causes de simples idées reçues.2 La première est l’idée que celui-ci est relié à des concepts mathématiques complexes. Cependant, pour une utilisation à l’entraînement une simple fonction de régression linéaire est nécessaire.
Le second frein est un protocole de base long et difficile à mettre en place d’un point de vue organisationnel. L’apparition d’un test « all out 3’ » permet désormais d’éviter ces complications.
6. État des lieux des potentielles évolutions
L’objectif pourrait être de continuer de viser à améliorer les protocoles actuels que ce soit celui de base qui d’un point de vue praticité n’est pas optimisé ou le second, « all out » qui n’est actuellement pas applicable universellement par la nécessité d’un investissement psychologique maximal.
Un deuxième axe de réflexion pourrait porter sur les protocoles d’entraînement à visée de développement des paramètres PC et W’.
Références
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