LE MUSCLE, STRUCTURE, PROPRIÉTÉ, FORCE, VITESSE ET PUISSANCE

Le muscle : sa structure, ses propriétés, la contraction…

Introduction :

Si l’on analyse une performance sportive, on se trouve dans un premier temps face aux muscles, siège du mouvement de la force et de la maîtrise, viennent ensuite des mécanismes physiologiques qui déterminent  le mode de fonctionnement. La performance passe d’abord par le muscle avant de passer par les fonctions cardiaques, le VO2 max… D’ailleurs, les adaptations cardio vasculaires, respiratoires et bioénergétiques présentent toujours un délai d’adaptation alors que le muscle est déjà à plein régime.

En amont du tissu musculaire se trouve encore une commande motrice sous forme d’influx nerveux provenant du cerveau, mais aussi un individu doté d’un psychisme qui conditionne encore bien des paramètres de la performance. 

Comprendre le fonctionnement du muscle, connaître ses possibilités d’adaptations, de récupérations et ses limites sont indispensables si l’on souhaite maîtriser et apprivoiser les capacités physiques d’un sportif.

 1 . Des fibres musculaires différentes :

Si en apparence un muscle ressemble à un autre, sa structure et sa composition diffère. En effet, nous savons depuis longtemps qu’un muscle peut être composé de fibres à secousse rapide, et d’autres à secousse plus lente. C’est donc la vitesse de contraction qui différencie certaines fibres d’un point de vue purement biomécanique. Ainsi, selon le pourcentage de fibres rapides contenues dans le muscle, l’athlète aura des dispositions plus ou moins prononcées pour des efforts courts et intenses. Les sprinters disposent souvent d’un pourcentage élevé de fibres rapides qui leur permet de développer plus de puissance et donc de courir plus vite. A l’inverse, les sportifs dont les muscles contiennent beaucoup de fibres lentes seront moins puissant, mais souvent plus endurant.

Notons au passage que l’entraînement peut modifier la composition lente ou rapide du muscle. Toutefois, la transformation des fibres rapides en fibres lentes est beaucoup plus facile que l’inverse. Un coureur de 800m descend rarement sur 400 m ou 200 m, ce qui demande plus de puissance, à l’inverse il montera peut être sur 1500m voir 3000m, ce qui demande plus d’endurance.

Si les fibres lentes sont plus endurantes, c’est aussi parce que leurs capacités oxydatives et énergétiques sont beaucoup plus importantes que celles des fibres rapides. En effet, les fibres lentes ont une meilleure cappillarisation, ce qui facilite l’irrigation et l’arrivée de l’oxygène et des substrats énergétiques (glucose, acides gras). Tandis que les fibres rapides sont peu alimentées en O2 et en substrats énergétiques. Ces dernières fonctionnent donc plus facilement en anaérobie (sans O2) et avec des substrats énergétiques intra musculaire (ATP, CP et glycogène).

Type de fibres	Puissance	Fatigabilité	Capacité oxydative	Substrat énergétique principal	Sensibilité à l’entraînement
LentesType I	+	+	+++	Acide gras Glucose	Peu adaptable vers les fibres rapides. Très adaptable en endurance, force, récupération.
RapidesType II A	++	++	++	Glucose CP et ATP	Adaptation en endurance de IIA vers I.
RapidesType II B	+++	+++	+	ATP et CP	Adaptation en résistance de II B vers IIA.
Indifférencié	++	++	++	–	Forte capacité d’adaptation vers I, IIA, IIB.

2 . Des impulsions électriques pour contracter le muscle  :

Si le muscle est un organe qui peut réagir de manière physiologique à des stimulus hormonaux, sa contraction est dictée par une commande motrice électrique qui provient du cerveau. Le cerveau envoie des impulsions électriques qui vont stimuler le muscle.

Lorsque l’impulsion quitte le cerveau, elle se dirige vers certaines fibres musculaires via les nerfs. Tous les muscles ne se contractent pas en même temps, et le muscle lui-même ne se contracte pas forcément dans sa totalité. Ce qui signifie que certains faisceaux de fibres ne seront pas mis en jeu dans le mouvement. La commande motrice envoyée aux muscles va déterminer la mise en jeu de telle ou telle partie du muscle, et avec une intensité et une vitesse plus ou moins grande.

Un muscle peut se subdiviser en plusieurs unités motrices (UM). L’unité motrice c’est donc, un moto neurone, son prolongement nerveux et les fibres musculaires qui y sont rattachées.

Le nombre de fibres contenues dans une unité motrice varie avec la taille du muscle, mais aussi la précision qu’il est capable de donner. Plus un muscle est précis comme ceux de la main et moins il y a de fibres par UM. A l’inverse les UM des quadriceps sont constitués d’un grand nombre de fibres.

Toutes les fibres contenues dans une UM ont les mêmes propriétés physiologiques, enzymatiques et mécanique. Ainsi, les fibres lentes et rapides ne cohabitent pas à l’intérieur d’une même Unité Motrice. On comprend pourquoi l’entraînement doit s’efforcer de faire varier son intensité pour stimuler différentes UM, et les fibres qui y correspondent.

Comment le muscle s’adapte ?

• Lorsque le niveau de force mis en jeu est faible ce sont surtout les UM peu profondes qui sont mise en jeu. A mesure que la force augmente, les UM profondes sont activés. Il s’agit d’un recrutement spatial qui permet d’attendre environ 50% de la force maximale du muscle.

• Si l’on souhaite produire des contractions plus forte, le muscle va recevoir des impulsions électriques de plus en plus fréquentes. Les fibres rapides seront dès lors sollicitées de façon privilégiée en raison de la capacité de leurs motos neurones qui peuvent attendre une fréquence de 100 hertz contre 40 pour les fibres lentes. Il s’agit d’un recrutement temporel des fibres musculaires qui sont stimulées avec une fréquence de plus en plus élevée.

• Enfin, le muscle peut améliorer la synchronisation entre les différentes UM afin que les faisceaux de fibres se contractent ensemble avec plus d’efficacité. Il s’agit d’une adaptation de la coordination intramusculaire qui peut être à l’origine de l’adresse, de l’économie d’énergie…

En résumé, nous pouvons faire remarquer que selon le type d’entraînement on sollicite différemment le muscle et les fibres qui le composent. L’entraînement bien ciblé permet de stimuler le muscle dans le but de le faire progresser dans le domaine qui nous intéresse. Par exemple, pour augmenter sa force, il convient de solliciter le muscle avec des contractions fortes qui permettent de mettrent en jeu la totalité des fibres musculaires.

3. Force, Vitesse, Puissance, Fatigue : relation et réaction des muscles en cyclisme.

Relation entre la force, la vitesse et la durée de travail d’un muscle

Cette modélisation nous donne plusieurs informations quant aux réactions du muscle à l’effort :

• Plus le niveau de force mis en jeu est élevé et plus le muscle se fatigue vite.
• Il en est de même à grande vitesse, le muscle se fatigue plus vite.

Ce qui veut dire qu’en cyclisme, lorsqu’on sollicite les muscles avec force ou vitesse en faisant varier le braquet la fatigue accumulée est plus grande bien que la distance ou la vitesse ne varient pas.

Relation entre la force, la vitesse et la puissance d’un muscle.

Avec la courbe en trait rouge nous constatons que la vitesse du muscle diminue avec l’augmentation de la contrainte force. Ce qui nous paraît tout à fait normal. En effet plus on augmente la longueur du développement en cyclisme ou le nombre de kilos à soulever et plus la vitesse de contraction du muscle sera ralentie.

En ce qui concerne la puissance développée (trait bleu), il semble que celle ci soit intimement liée à la relation entre la force développée et la vitesse de mobilisation du muscle. Lorsque la vitesse est grande, la puissance développée est très faible. A l’inverse lorsque la contrainte force est importante, la puissance mécanique développée est quasiment nulle. 

La Puissance mécanique qui permet le mouvement, et donc de rouler vite sur un vélo, est le produit de deux valeurs que sont la force et la vitesse. 

Vous comprendrez aisément qu’en voulant sprinter avec un petit développement vous ne pourrez pas atteindre votre vitesse maximale. De même qu’avec un braquet trop gros la phase d’accélération sera longue sans forcément atteindre la vitesse maximale.

Pouvoir rouler vite en cyclisme c’est trouver un compromis optimal entre la force développé et la fréquence de pédalage adoptée. 

Si de manière théorique nous savons que la puissance maximale qu’un muscle puisse développer correspond à des valeurs de 50% de la vitesse et de la force maximum, en pratique cette relation est différente selon la durée de l’effort.

Relation entre la durée de l’effort et la fréquence de pédalage

La fréquence de pédalage en cyclisme peut être comparée à celle d’un moteur de voiture. Pour une puissance donnée correspond une fréquence de pédalage optimale, dans le sens ou les muscles pourront travailler suffisamment longtemps pour finir l’épreuve. 

Ainsi, pour réaliser un 200 m lancé la puissance élevée que doit fournir le sujet nécessite une fréquence de pédalage qui se situe autour de 120 à 140 tours minute selon les individus. 

En revanche pour réaliser un record de l’heure la fréquence de pédalage optimale est moins élevée et se situe autour de 100 tours minute, et ce, pour des raisons énergétiques. En effet, la dépense énergétique dépend en partie de la fréquence de pédalage.

Il semble exister une relation étroite entre la fréquence de pédalage et la dépense d’énergie. L’utilisation d’une fréquence de pédalage trop petite ou trop grande ne permet pas : 

• De produire une puissance mécanique utile suffisante pour rouler vite.
• De maintenir la durée de l’effort le temps nécessaire puisque nous savons que le muscle  se fatigue plus vite. 

Relation entre la fréquence de pédalage, la puissance et la dépense d’énergie :

Sur le graphique ci dessus, nous pouvons voir que plus l’intensité est faible et plus la cadence de pédalage économique est lente. Ainsi en roulant à 25 kmh (environ 100 watts), la cadence optimale bien moindre que celle nécessaire à 33 kmh (200 watts). A pleine puissance, plus de 40 kmh à environ 300 watts, la cadence de pédalage la plus économique sera encore plus rapide.

Ce que le graphique montre aussi, c’est que si l’on s’impose une cadence trop lente ou trop rapide, la dépense énergétique augmente. Ainsi, adopter des cadences inconfortables qui sont trop rapides ou trop en force vont réduire le rendement du cycliste d’un point de vue énergétique.

La cadence optimale adoptée par le cycliste est généralement plus rapide que la cadence la plus économique. Ceci s’explique par un autre facteur de fatigue d’ordre plutôt neuro-musculaire et circulatoire au sein du muscle, et qui nous incite à adopter une cadence plus rapide que la cadence la plus économique.

Ainsi lorsqu’on roule à faible intensité (50 % de VO2 max), la fréquence de pédalage la plus économique se situe autour de 70 tours minute. En revanche, lorsque l’effort augmente et se rapproche du seuil anaérobie (75 à 90 % de VO2 max), la fréquence de pédalage optimale va plutôt se situer autour de 80 à 90 tours minute. Pourtant, les cyclistes entraînés adoptent des cadences un peu plus rapides.

Plus la puissance développée est importante, plus la fréquence de pédalage optimale et économique est élevée. Plus on roule vite, plus la fréquence de pédalage augmente.

Cette remarque laisse sous entendre que c’est la vitesse de contraction du muscle qui permet de développer plus de puissance et que la force intervient peu. Ce qui est faux. En effet, si le cycliste est obligé d’accroître sa fréquence de pédalage, il doit aussi accroître le niveau de force développée dans une mesure un peu moindre. De plus, l’augmentation de la fréquence de pédalage qui dépend de la force de contraction est plutôt la conséquence d’une impossibilité de produire plus de force.

La capacité à produire plus de force semble limitée lorsque l’effort devient trop intense. En effet, les besoins en substrats énergétiques, en oxygène nécessite de ne pas contracter les muscles trop longtemps et trop fort. Lorsque le muscle se contracte sans relâchement il se produit une diminution du débit sanguin intramusculaire. Les substrats énergétiques mis en jeu sont donc puisés dans le muscle, et se transforme en énergie avec un manque d’oxygène qui induit une participation de la glycolyse anaérobie.

Lorsque la puissance de l’effort augmente le niveau de force mis en jeu augmente aussi, mais il augmente d’autant plus que le coureur disposera d’un bon entraînement en force et en endurance de force. A défaut de pouvoir produire plus de force le coureur doit accroître sa fréquence de pédalage. 

Finalement, pouvoir développer plus de puissance c’est : pouvoir augmenter à la fois la fréquence de pédalage et la force des contractions dans les limites maximales des possibilités physiologiques et énergétiques.

L’impact des fibres rapides et lentes dans le choix des cadences de pédalage

Des travaux réalisés par des chercheurs comme (Sargeant 1994) (Hautier 1999) (Dorel 2001) et d’autres encore, ont tenté de comprendre comment le muscle se comportait lorsqu’il était soumis à des fréquences de pédalage variable en relation avec l’intensité de l’effort.

La plupart de ces travaux aboutissent aux conclusions suivantes :

• Lorsque le cycliste adopte une fréquence de pédalage non optimale, trop rapide ou trop lente, la contribution des fibres rapides est plus grande qu’avec une fréquence de pédalage optimale.

• Toutefois cette relation est surtout vraie pour des efforts dont l’intensité est en dessous de VO2 max voir du seuil anaérobie. A partir d’une intensité qui se rapproche du seuil anaérobie les fibres rapides sont mises à contribution indépendamment de la fréquence de pédalage.

• Ces informations sont riches d’informations pour orienter l’entraînement en fonction des capacités des  athlètes, mais aussi des possibilités de faire varier la contrainte au niveau musculaire. Toutefois, certaines méthodes utilisées pour sollicités les fibres rapides ont des limites à ne pas négliger car nous savons que ces fibres se transforment facilement en fibres lentes au risque de perdre certaines qualités musculaires indispensables. Nous verrons plus loin comment bien cibler l’entraînement pour ne pas perdre ces qualités.