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Les déterminants mécaniques de la performance au 100m

par P. Debraux | 7 Août 2012

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En athlétisme, le sprint sur 100m est une épreuve mythique qui couronne les femmes et les hommes les plus rapides en course à pied. Cette discipline illustre la capacité mécanique de vitesse maximale lors de la locomotion terrestre. Mais le sprint est également un élément de la performance dans de nombreuses autres disciplines sportives (e.g., football, football américain, bobsleigh, etc.). Il peut être décomposé en 3 phases : l'accélération, la vitesse maximale et la décélération. Et généralement, dans les disciplines sportives où il intervient, seule la phase d'accélération est observée, les actions trop courtes ne permettant pas d'atteindre la vitesse maximale.

Décomposition des forces de réaction au sol lors du sprint

Figure 1.Décomposition des forces de réaction au sol lors de... (Cliquez sur l'image pour l'agrandir)

À chaque pose du pied, une force est appliquée par le coureur sur le sol (FT, en N). Cette force dite totale peut être décomposée en 3 forces : verticale (FV, en N), horizontale (FH, en N) et latérale (cette dernière étant souvent négligée lors d'une course en ligne droite). En retour, et selon la 3ème loi de Newton, il est possible d'observer les forces de réactions au sol qui sont des forces égales mais opposées (Fig. 1).

Peu d'études se sont intéressées aux déterminants de la perfomance en sprint mais certaines études ont montré que la performance à vitesse maximale était fortement corrélée à la composante verticale de la force totale. Toutefois, pour la phase d'accélération, la composante de force horizontale semble être déterminante. Une force totale orientée vers l'avant serait décisive pour une meilleure accélération et donc une meilleure performance sur 100m. Qu'en est-il réellement...

L'étude réalisée

Depuis environ 2 ans, une équipe de chercheurs français menée par le Docteur Morin apporte des réponses en étudiant avec minutie la phase d'accélération en sprint et son lien avec la performance sur 100m. Cela est possible grâce à un tapis roulant hors norme (Fig. 2), dépendant des forces appliquées par le coureur.

À l'inverse d'un tapis de course classique où la vitesse est définie par la machine, ce tapis atypique ne réagit qu'aux forces appliquées par le coureur. Si celui-ci est à l'arrêt, le tapis ne bouge pas, mais si le coureur commence à accélérer, le tapis déroule en fonction de l'accélération et si le coureur décélère, le tapis ralentit. Enfin, ce tapis est équipée d'une plateforme de force qui permet d'enregistrer les forces appliquées par les athlètes à chaque contact du pied dans les 3 dimensions de l'espace en fonction du temps.

Figure 2. Tapis roulant motorisé ADAL3D-WR (HEF Tecmachine, France) (© Morin J.-B.).

Lors de cette étude parue en 2012, les chercheurs français ont étudié le lien entre des paramètres biomécaniques (cinétiques et cinématiques) lors de sprints de 6s sur tapis roulant instrumenté et la performance chronométrique sur 100m chez 13 athlètes de niveaux différents : 9 d'entre eux étaient des étudiants en éducation physique et sportive (non spécialistes de sprints), 3 étaient des sprinteurs de niveau national et le dernier était un sprinteur de niveau mondial : Christophe Lemaitre.

Le protocole expérimental consistait pour chaque athlète à exécuter un sprint de 6s sur le tapis roulant motorisé et un sprint de 100m sur piste synthétique. Les 9 non-spécialistes réalisaient ces deux tests lors de la même session, tandis que les 2 efforts étaient réalisés séparément pour les 4 sprinteurs.

Lors des tests sur tapis roulant, voici les variables analysées :

  • Forces (Fig. 1): Force totale (FT, en N), force horizontale (FH, en N) et force verticale (FV, en N)
  • Vitesse maximale et moyenne
  • Puissance horizontale maximale et moyenne : Égale au produit de la force horizontale et de la vitesse de course.

Ces variables ont permis d'étudier les profils Force-Vitesse de course et Puissance-Vitesse de course des athlètes.

  • Ratio de force (RF, en %) : Il permet de quantifier la production de force horizontale comparée à la force totale appliquée au sol. Il est égal à FH / FT × 100.
  • Indice d'application de la force (DRF) : Cet indice représente la diminution de RF avec l'augmentation de la vitesse de course. Il est la pente de la droite représentative de la relation RF-Vitesse de course. Une valeur élevée représente une diminution limitée de RF et inversement.
  • Temps de contact (tc, en s)
  • Temps de vol (tv, en s)
  • Fréquence des pas (F, en Hz)
  • Longueur des pas (L, en m)
  • Temps entre deux appuis du même pied (ts, en s)

Lors du test de sprint sur piste synthétique, les vitesses maximale et moyenne sur 100m ont été mesurées à l'aide d'un radar. Et pour indiquer la performance lors de l'accélération, la distance parcourue lors des 4 premières secondes (d4, en m) a été mesurée.

Une fois toutes ces données recueillies, les chercheurs ont procédé à des tests statistiques pour établir les liens entre ces variables biomécaniques lors de l'accélération et la performance sur 100m.

Résultats & Analyses

Les principaux résultats de cette étude montrent qu'il existe une corrélation significative entre la force horizontale, l'indice d'application de la force, la production de puissance horizontale sur tapis roulant et la performance sur 100m. Seule la vitesse maximale sur 100m est corrélée significativement avec la force totale et la force verticale. Concernant les variables cinématiques, le temps de contact au sol, le temps entre deux appuis du même pied et la fréquence des pas sont corrélés avec la performance sur 100m. Toutes les corrélations sont présentées en Table 2.

Table 1. Corrélations entre les variables cinétiques et cinématiques mesurées sur tapis roulant et la performance sur 100m.
Vitesse maximale au 100m (m·s-1) Vitesse moyenne au 100m (m·s-1) Distance à 4s (m)
Les corrélations significatives sont présentées en rouge.
Variables cinétiques
DRF 0.875 0.729 0.683
FH 0.773 0.834 0.773
FV 0.593 0.385 0.404
FT 0.611 0.402 0.408
PMAX 0.863 0.850 0.892
Pmoy 0.810 0.839 0.903
FH0 0.560 0.447 0.432
V0 0.819 0.735 0.841
Variables cinématiques
tc -0.852 -0.751 -0.775
tv -0.018 -0.773 -0.002
ts -0.654 -0.630 -0.670
F 0.897 0.893 0.935
L 0.363 0.337 0.212

L'ensemble de ces résultats démontre une plus grande importance des variables associées à la vitesse plutôt qu'à la force (Fig. 3). La différence entre des athlètes non-spécialistes et spécialistes résident principalement dans la capacité à orienter la force totale vers l'avant et pas dans l'application de la plus grande force totale possible. Plus le niveau de l'athlète est élevé plus sa capacité à orienter la force appliquée au sol vers l'avant, tout en maintenant cette orientation vers l'avant le plus longtemps possible pendant l'accélération, est grande (Fig. 4).

Les figures 3 et 4 illustrent parfaitement ces résultats. Vous pouvez voir des données concernant le coureur le plus lent et le plus rapide (Christophe Lemaitre). Il est possible de constater que la différence de force est faible entre les deux athlètes, pourtant Christophe Lemaitre possède la capacité à mieux orienter les forces qu'il applique au sol, plus longtemps, ce qui lui permet d'obtenir une meilleure accélération et une vitesse de course supérieure.

Profils Force-Vitesse et Puissance-Vitesse lors d'un sprint de 6s sur tapis roulant instrumenté des coureurs le plus lent et le plus rapide de l'étude.

Figure 3. Profils Force-Vitesse et Puissance-Vitesse des... (Cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Relations linéraires du ratio de force en fonction de la vitesse de course lors d'un  lors d'un sprint de 6s sur tapis roulant instrumenté des coureurs le plus lent et le plus rapide de l'étude.

Figure 4. Relations linéraires du ratio de force en fonction de... (Cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Les corrélations observées entre les variables cinématiques et la performance sur 100m montrent que lors de l'accélération, la fréquence des pas, un temps de contact réduit et la vitesse de repositionnement d'un pied sont des facteurs déterminants pour une vitesse de course élevée. Comme le précise les auteurs de l'étude, le débat sur l'importance relative de la fréquence ou de l'amplitude est toujours d'actualités. Cependant, l'étude présentée ici montre une tendance claire pour la fréquence chez tous les athlètes testés.

Applications pratiques

D'après les résultats de cette étude, la performance sur 100m serait principalement liée à un profil Force-Vitesse orienté vers la vitesse. Cela s'expliquerait par une meilleure orientation des forces appliquées vers l'avant pendant l'accélération, un maintien plus long de cette capacité à orienter avec efficience ces forces et une fréquence de foulée plus élevée.

L'utilisation d'un outil d'évaluation tel que ce tapis ADAL3D-WR ouvre une nouvelle ère dans l'étude des paramètres déterminants lors de l'accélération. Cette étude et celles qui suivront vont permettre aux chercheurs et aux entraîneurs d'orienter leurs recherches pour mettre en application les résultats observés sur le terrain. De plus, d'autres études seront nécessaire pour mieux comprendre les aptitudes des sprinteurs de haut-niveau à mieux orienter les forces appliquées.

Retrouvez l'interview du Docteur Jean-Benoit Morin, enseignant-chercheur à l'Université de Saint-Etienne et auteur de plusieurs études consacrées à la performance en sprint.

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Références

  1. Morin J-B, Bourdin M, Edouard P, Peyrot N, Samozino P and Lacour J-R. Mechanical determinants of 100-m sprint running performance. Eur J Appl Physiol DOI 10.1007/s00421-012-2379-8

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