L’énergie élastique

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    ABSTRACT

    L’énergie élastique, que les pratiquants ressentent lors des cycles d’étirement-raccourcissement ou plus communément excentrique-concentrique est une énergie qui s’emmagasine durant une période du contre mouvement pour se libérer lors de la phase concentrique d’un travail musculaire. Elle dépend de nombreux paramètres tels que la raideur musculaire, la vitesse du cycle étirement-raccourcissement, la vitesse de transition entre les deux phases de travail, etc. Nous voyons, au travers cet article que l’usage de l’énergie élastique est d’une importance vitale pour quasiment tous les sportifs, tant au niveau de la performance (l’énergie élastique induit la raideur musculaire, donc l’optimisation de la force pour l’explosivité et la résistance, de l’utilisation des ressources énergétiques pour l’endurance) que pour également une protection pour les articulations notamment en favorisant l’accélération des forces de leviers entourant les articulations.

    L’étude qui nous sert de support (The Role of Elastic Energy in Activities with High Force and Power Requirements: A Brief Review, Jacob M. Wilson and Eamonn P. Flanagan, 2008) nous permet de faire un tour d’horizon de l’évolution du savoir encore faible sur cette énergie.

    Nous voyons notamment l’importance évidente des exercices visant à augmenter la raideur musculaire et les vitesses de changements d’états, tels que les exercices de pliométrie qu’il convient de placer en début de séance pour des raisons de sécurité ; ainsi que de la nécessité de faire très attention aux exercices d’étirements à l’échauffement.

    Nous observons également le besoin d’annuler l’idée reçue selon laquelle le surplus de force (l’énergie élastique) serait dû à l’activation des réflexes musculaires. En effet, nous montrons que l’énergie élastique et l’activité des réflexes musculaires peuvent-être complémentaires, mais ne sont pas une seule et même chose.

    Enfin, la connaissance de cette force est primordiale dans l’établissement des exercices de préparation physique afin de la réduire au maximum lorsque les praticiens souhaitent une prédominance autre dans l’amélioration des qualités musculaires des athlètes.

    En pratique, nous montrons l’énorme intérêt du travail isométrique, stato-dynamique et du Static pour l’amélioration de cette importante qualité musculaire.

    Public(s) visé(s)
    Pratiquants de tous les sports et de tous niveaux.


    ÉTUDES UTILISÉES

    The Role of Elastic Energy in Activities with High Force and Power Requirements: A Brief Review
    Jacob M. Wilson1 and Eamonn P. Flanagan
    Department of Nutrition, Food, and Exercise Science, Florida State University, Tallahassee, Florida; Biomechanics Research Unit, College of Science, University of Limerick, Limerick, Ireland
    (C) 2011 National Strength and Conditioning Association


    INTRODUCTION

    Lorsque nous travaillons en sport, nous ressentons tous le fait que nous produisons plus de force en effectuant un cycle étirement-raccourcissement par rapport à un travail exclusivement concentrique. Ce fait n’est pas uniquement visible lors des exercices de musculation, mais également sur les exercices de courses, de nage, de sauts, etc. Nous savons, grâce à différentes études que cela est dû à l’énergie élastique qui est emmagasinée durant la phase excentrique et restituée, telle une catapulte, lors du démarrage de la phase concentrique.

    Certains exercices, comme les exercices de pliométrie, améliorent ce retour de force en rendant les groupes musculaires plus raides, tendus ; favorisant ainsi les transmissions de force au même titre que l’effort est plus facilement et rapidement transmis grâce à un levier rigide plutôt que souple.

    Mais comment cette énergie s’emmagasine-t-elle, comme se libère-t-elle et enfin comment l’améliorons-nous ? Telles sont les questions auxquelles tente de répondre cet article.

    Résumé(s) de(s) étude(s) utilisée(s)

    Wilson, JM and Flanagan, EP. The role of elastic energy in activities with high force and power requirements: A brief review. J Strength Cond Res 22(5): 1705-1715, 2008-The purpose of this article is to provide strength and conditioning practitioners with an understanding of the role of elastic energy in activities with high force and power requirements. Specifically, the article covers 1) the nature of elasticity and its application to human participants, 2) the role of elastic energy in activities requiring a stretch-shorten cycle such as the vertical jump, 3) the role of muscular stiffness in athletic performance, 4) the control of muscular stiffness through feedforward and feedback mechanisms, and 5) factors affecting muscular stiffness. Finally, practical applications are provided. In this section, it is suggested that the storage and reuse of elastic energy is optimized at relatively higher levels of stiffness. Because stiffness decreases as fatigue ensues as well as with stretching before an event, the article emphasizes the need for proper preparation phases in a periodized cycle and the avoidance of long static stretches before high-force activities. The importance of teaching athletes to transition from eccentric to concentric movements with minimal time delays is also proposed due to the finding that time delays appear to decrease the reuse of elastic energy. In addition to teaching within the criterion tasks, evidence is provided that minimizing transitions in plyometric training, a technique demonstrated to increase musculotendinous stiffness, can optimize power output in explosive movements. Finally, evidence is provided that training and teaching programs designed to optimize muscular stiffness may protect athletes against sports-related injuries.

    (C) 2011 National Strength and Conditioning Association


    DÉVELOPPEMENT

    Base de connaissance existante

    Dans notre modèle usuel (Hill, The heat of shortening and the dynamic constants of muscle, 1938) de représentation de la  force musculaire, nous avons deux forces en série (la force contractile-CE et la composante élastique SE ; ainsi qu’une composante élastique-PE en parallèle. La somme des 3 composantes donnant la production de force d’un levier musculaire.


    Schématisation du modèle de Hill
    (Issue de “The Role of Elastic Energy in Activities with High Force and Power Requirements” A Brief Review, Jacob M. Wilson and Eamonn P. Flanagan, 2008)

    Nous voyons que la force est la somme des composantes contractiles plus la composante élastique (CE+SE) favorisée par la composante élastique en parallèle (PE). En conséquence, nous voyons également que quelque soit l’intérêt pour un sport, il est absolument nécessaire de travailler et d’améliorer les 3 composantes, puisque chacune d’elle induira un potentiel maillon faible (la force sera la plus faible valeur entre CE+SE et PE). Traditionnellement, nous donnons à la SE une valeur tendineuse et interne au muscle (par exemple la titine (=connectine)) et à la PE une valeur conjonctif (tissu conjonctif musculaire).

    Ce modèle est valable en dehors des situations particulières telles que le tétanos, la survie, etc.

    Cycles étirements-raccourcissement

    Nous savons que la force déployée durant une phase concentrique est plus importante si elle a été préalablement initiée par une phase excentrique (étirement). La base actuellement utilisée sur les terrains d’entraînement est que ce surplus de force est dû à plusieurs facteurs :

    • Les réflexes musculaires provoquant des réactions importantes se cumulant aux forces contractiles dans le cas de réflexes sur le muscle au travail ; se déduisant aux forces contractiles dans le cas de réflexes sur les muscles antagonismes.
    • L’étirement des parties non contractiles, durant la phase excentrique (tendons, aponévrose, etc.) engendre un retour à la position de repos (cumulatif à la force contractile).

    Le rôle des réflexes est confirmé au niveau de la pratique par une augmentation de la force en fonction de la vitesse du cycle étirement-raccourcissement (plus l’athlète va vite, plus il peut engendrer de force – de manière non proportionnelle – induisant la force de réaction des réflexes musculaires.

    Le rôle des tensions des éléments non contractiles semblent se confirmer par les études montrant la nécessité d’une raideur musculaire importante pour une performance liée à la force, à l’explosivité ; études montrant également la baisse de force immédiate après certains étirements/assouplissements.

    La raideur musculaire

    La raideur musculaire est définie par la capacité d’un corps (muscle) à s’opposer à une déformation (étirement, torsion, compression). Nous savons que la raideur est un élément important dans la contraction musculaire (vitesse de transmission des efforts de contraction aux articulations, protection desdites articulations lors des réflexes musculaires pour protéger les ligaments). Néanmoins, nous ne mélangeons pas raideur musculaire et raideur articulaire ; laquelle est impropre à la performance puisqu’elle engendrera un besoin supplémentaire de production de force (donc une baisse de performance ou d’économie d’énergie) pour se mouvoir.

    Les études démontrant l’aspect négatif des étirements sur la performance immédiate sont maintenant légions; mais montrant également une nécessité de souplesse articulaire pour permettre des mouvements fluides et en amplitude complète.

    Le modèle habituel de ressort-masse symbolisant la raideur musculaire semble progressivement disparaître pour arriver à un modèle plus proche de la réalité : Ressort-Masse-Articulation. Néanmoins, le principe de fonctionnement n’est pas remis en cause, il induit simplement des modifications très importantes en fonction des angles de l’articulation (même pour de faibles variations d’angles).

    L’importance de la raideur musculaire se voit surtout dans la vitesse de transmission des forces générées par les muscles. En effet, une raideur faible induira des délais de réponses (mouvement des articulations) plus longs entre la contraction et l’apparition de la conséquence. Cela implique directement les temps de réactions (départs de courses, réactions à une action de l’adversaire), la force élastique, l’économie d’énergie durant les exercices moteurs (un muscle possédant une raideur importante permettra le même geste avec moins de déperdition, donc moins de dépense énergétique).

    Apport de l’étude

    L’étude nous permet une centralisation des informations liées à l’énergie élastique, tout en apportant des éclaircissements extérieurs notamment sur l’intérêt de la raideur musculaire. Ainsi, en supplément des connaissances de bases existantes, nous pouvons entrevoir que :

    • L’énergie élastique est liée aux cycles d’étirement-raccourcissement.
    • L’énergie élastique variera en fonction de la vitesse (temps d’étirement) et du délai de réaction (temps du changement de direction) ; en augmentant la vitesse de l’étirement, nous augmentons la force de réponse ; en diminuant le délai de réaction, nous augmentons la libération de l’énergie élastique emmagasinée durant l’étirement.
    • L’énergie élastique n’a pas de lien avec les réflexes myotatiques : un électromyogramme ne montre aucune différence durant la phase concentrique d’un saut avec et sans contre élan. Ceci est corroboré par les études montrant que l’énergie élastique existe (et est plus générative de démonstration de force) lors des phases de transitions rapides (<25ms) alors que le réflexe musculaire le plus rapide nécessite un temps de réaction supérieur à 30 ms.
    • Il n’y aurait pas de différence significative entre des sujets ayant des muscles à prédominance rapide ou lente durant les cycles rapides. Par contre, pour les cycles lents, les athlètes à prédominance lente sont favorisés. Cela induit que pour les cycles d’étirement-raccourcissement rapide, le stockage et la libération des forces élastiques ne se fait pas au niveau des éléments contractiles (ponts d’actine-myosine) ; alors que sur des cycles lents (temps de contact au sol >25ms), si les ponts n’ont pas été décrochés, il semblerait que cette énergie soit stocké et libéré à cet endroit (d’où l’intérêt des fibres lentes sur les cycles lents). Attention, nous attirons l’attention qu’un cycle lent n’est pas une décomposition de mouvement au ralenti (un saut vertical avec contre élan est considéré comme lent par les auteurs des différentes études).
    • La fatigue engendrant une baisse de la raideur musculaire montre une baisse de la force élastique et un besoin d’allongement des foulées pour les athlètes pratiquants la course à pied, donc augmentant le temps de réaction au sol. L’objectif sera donc d’augmenter la capacité de raideur musculaire dans le temps (maintien de celle-ci sur une durée plus longue). Les exercices visant à promouvoir cette énergie élastique sera optimisée dans l’entraînement avec une utilisation en début de séance afin d’avoir la plus grande raideur possible.
    • En observant les allongements, raccourcissement ou maintien isométrique du corps charnu et du tendon des muscles jumeaux de la jambe lors de la marche, les auteurs concluent que durant la phase concentrique les tendons commencent à se raccourcir avant le corps charnu qui lui produit une force isométrique très intense (plus importante que lors du raccourcissement). Avec un cycle de pré-étirement, le tendon s’étire plus que le corps charnu et travaille sur une amplitude de raccourcissement plus importante dans le démarrage de la phase concentrique. Plus la vitesse d’étirement augmente, plus le tendon s’étire par rapport au corps charnu (qui lui-même s’étirera). Ces hautes vitesses induisent une mise en place de la longueur du corps charnu qui s’ajuste pour optimiser le nombre de ponts actines-myosine, permettant de supporter le raccourcissement violent du tendon.

    Base de connaissance résultante

    L’apport de cette étude est d’une grande importance pour les préparateurs physiques et les entraîneurs. En effet, l’énergie élastique, qui n’est pas une force résultante des forces mises en jeu lors des réflexes musculaires mais cumulative avec elles, permet des accroissements de force phénoménaux lors des gestes sportifs, des gains d’énergies permettant également d’aller plus loin dans l’effort pour une même balance dépense/performance (sports endurants notamment). Il est également primordial de connaître cette dernière afin de l’annihiler lors d’exercices ciblant des qualités autres.

    En reprenant le modèle de Hill décrit précédemment, nous observons grâce aux apports de l’étude et des connaissances de base initiales, que la force élastique est :

    • Différente de la force générée par les réflexes myotatiques
    • Cumulative avec ces derniers, notamment lors des cycles d’étirement/raccourcissement lents (durée de transition ou de contact au sol supérieur à 25 ms tel que le saut en hauteur avec contre élan).
    • La force élastique n’est pas localisée dans la CE, donc dans les ponts actine-myosine.
    • La force élastique nécessite une raideur musculaire importante (les temps de changement de sens réduits impliquent un résultat très rapide dans les mouvements articulaires faisant suite à la contraction. Inversement, en augmentant la raideur nous augmentons la force élastique.
    • En observation des muscles jumeaux de la jambe, nous pouvons voir que la force élastique est d’abord transmise par la SEC (tendons notamment) puis la PEC (aponévrose notamment) dans l’ordre de décroissante du temps d’étirement et de la transition étirement/contraction. Le support de retour de force élastique se faisant par une contraction isométrique très forte (beaucoup plus que pour la contraction à suivre).
    • La raideur est un état nécessaire à l’utilisation de l’énergie élastique.

    MISE EN PRATIQUE

    Publics visés

    Tout pratiquant sportif, quel que soit le sport et le niveau.

    Procédure(s) d’utilisation

    L’augmentation et la gestion de la force élastique semblent pouvoir se faire autour des techniques suivantes (elles possèdent d’autres intérêts qui ne sont pas exposés afin de rester centré sur la force élastique) :

    • Isométrie de maintien (augmentation de la tenue du muscle lors du pré-raccourcissement de la SEC ; ainsi qu’une légère augmentation de la force contractile de maintien durant ce pré-raccourcissement – L’intérêt sera surtout de limiter le possible effet maillon faible que la phase isométrique pourrait être durant le changement excentrique/concentrique).
    • Static (mêmes intérêts que l’isométrie, mais de manière beaucoup plus grande, augmentant significativement cette transition isométrique durant le mouvement – L’intérêt sera d’augmenter significativement la force de maintien durant cette zone de changement de direction permettant par la suite d’augmenter la raideur sans risques et la force élastique sans problème).
    • Stato-dynamique simple (même raison que pour l’isométrie, avec une augmentation de la force contractile durant le raccourcissement du corps charnu).
    • Stato-dynamique à élan (à l’inverse de ce qui précède, le stato-dynamique à élan permettra de travailler la brève phase de transition puis de finir sur le concentrique explosif – L’intérêt sera la spécification de la phase de transition en limitant au maximum l’amplitude de la modification articulaire permettant ainsi d’apprendre à réduire au maximum la durée de cette phase).
    • Pliométrie (augmentation de la raideur et de la rapidité de la phase de transition de sens – La pliométrie de travaillant avec ou sans excentrique, l’intérêt de cette technique d’entraînement sera de travailler la raideur musculaire (sans excentrique) et la vitesse de transition (avec excentrique court).

    Voyons un peu plus en détail ces 4 techniques du point de vue de la force élastique.

    L’isométrie de maintien

    Pour la spécificité de la force élastique, nous avons vu que durant le démarrage de la phase concentrique, le tendon se raccourcit (mise en place de la restitution de l’énergie élastique emmagasinée) alors que le corps charnu reste sur sa longueur, servant surtout de soutien, de base de fixation du tendon. Pour maintenir cet isométrique, la force contractile (ponts actine-myosine) est très importante (quantité de force), beaucoup plus que par la suite durant la phase de raccourcissement du corps charnu.

    Le travail de l’isométrie de maintien permettra de limiter la fatigue sur cette isométrie, afin de se mettre à niveau avec la force de tension du tendon (étirement puis raccourcissement).

    L’usage habituel de l’isométrie de maintien montre un réel intérêt pour des gains de force rapides, mais de faible amplitude, et de faible durée (les gains stagnent très vite). Ajoutés à la difficulté de transfert de cette force isométrique à une force dynamique, nous retrouvons ici ce que nous venons de voir.

    Il conviendra de travailler l’isométrie de maintien dans la zone précise de transition afin de spécifier les gains acquis.

    Le Static

    Pour les mêmes raisons que pour l’isométrie de maintien, mais à des niveaux beaucoup plus hauts de développement de la force contractile isométrique, le Static permettra de développer fortement la puissance du corps charnu sur la zone de transition, permettant non plus d’être le maillon faible de celle-ci, mais de prendre de l’avance afin d’amener le tendon à la raideur nécessaire par la suite.

    Le Stato-dynamique simple

    Le stato-dynamique simple est un maintien isométrique de quelques secondes suivies d’une forte contraction (explosive) concentrique. Cette technique d’entraînement permet de travailler le muscle sur l’isométrie (comme l’isométrie de maintien, mais sur des temps plus courts) suivie d’une phase explosive concentrique redynamisant le muscle. Ce travail permet de spécifier le travail du corps charnu au moment après la transition excentrique-concentrique, sans faire intervenir la force élastique, permettant de développer les autres maillons faibles de la force élastique ainsi que la qualité contractile du muscle hors force élastique.

    Le Stato-dynamique à élan

    Le Stato-dynamique à élan s’exécute comme le simple, en ajoutant une très brève phase excentrique entre l’isométrique et le concentrique explosif. Ce contre élan change totalement la finalité de l’exercice. En effet, il permettra l’apprentissage de la réduction de la phase de transition et l’enchaînement transition-concentrique final. Cet exercice servira surtout à utiliser la raideur acquise ainsi que la force isométrique du corps charnu. Il permet également, dans un état de pré-fatigue léger (isométrie de quelques secondes) d’enchaîner avec le cycle étirement-raccourcissement.

    La Pliométrie

    La pliométrie travaillera fortement la raideur musculaire, avec en plus des variantes possibles. Elle peut s’exécuter de 3 manières différentes : avec ou sans phase excentrique et lorsqu’il y a phase excentrique, avec ou sans phase concentrique. Par exemple sur un saut en contre bas, l’athlète peut rebondir sans déformation des angles hanche-genoux-chevilles (A), avec déformation c’est-à-dire en faisant un léger contre saut (B). Il peut aussi simplement se laisser tomber sans rechercher un saut derrière (C).

    La solution A permettra de travailler la partie concentrique (depuis la fin de la transition excentrique-concentrique jusqu’à l’explosion concentrique)  avec une très forte consonance raideur musculaire.

    La solution B permettra de travailler la rapidité de la phase de transition, l’apprentissage de l’emmagasinage de la force élastique et la rapidité de sa restitution. La raideur sera travaillée de manière légèrement moins forte qu’avec la solution A.

    La solution C, à l’inverse de la solution A, travaillera toute la phase excentrique jusqu’au début de la zone de transition excentrique-concentrique. Cet exercice travaillera moins la raideur que les solutions A et B.

    Apport(s) attendu(s)

    Le travail de la force élastique sans son ensemble (raideur, vitesses d’exécutions des cycles étirements-contraction, etc.) permettra une augmentation de la fréquence gestuelle, une diminution du temps de réaction entre la contraction musculaire et la mobilité de l’articulation, une augmentation de la capacité générer des gestes rapides à moindre coût énergétiques (explosivité, capacité de changements de directions rapides, etc.).

    Nous avons beaucoup parlé de force. Il est important de se rappeler que la course d’endurance, par exemple, est une force de fable intensité et longue. L’amélioration de la force élastique  permettra un rendement musculaire accrue, générant plus de performances (à condition que les charges soient adaptées à la pratique sportive et soient non maximales) donc une capacité à durer à un haut niveau.

    Le principal étant que les athlètes comprennent parfaitement ce que les préparateurs et entraîneurs attendent des exercices : la réduction maximale du temps de contact au sol, donc de la vitesse de la zone de transition (recherche de la rapidité du mouvement avant la performance mesurable). Ainsi, l’athlète apprendra à limiter l’amplitude du changement d’angle de l’articulation concernée (la cheville pour la course, par exemple) sans réduire l’amplitude du mouvement global (hanche-genou pour ce même exemple).


    DISCUSSION

    La raideur musculaire est définie par la capacité d’un corps (muscle) à s’opposer à une déformation (étirement, torsion, compression). La force élastique est une force permettant à un corps de retrouver son état d’origine (pour nous la longueur après étirement, la forme homogène après une torsion). La force élastique étant plus forte avec une forte raideur, ainsi que sur de très courts cycles d’étirement-raccourcissement, nous comprenons que la raideur influence favorablement le niveau de la force élastique. Néanmoins, il serait néfaste de penser que seule la raideur influence sur cette dernière. La vitesse de la phase excentrique ainsi que de la transition y contribuent pour beaucoup, notamment dans l’emmagasinage et la vitesse de restitution. La raideur semble surtout intervenir sur la quantité de force élastique potentielle.

    Ainsi, lors des différentes phases de préparation physique, il sera négatif de rechercher exclusivement la raideur, risquant, à l’extrême limite, de faire croire aux athlètes que l’absence de souplesse ou la raideur engendrée durant les exercices (congestion par exemple) sont les facteurs clés de la force élastique.

    Élargissement, perspectives

    Dans la préparation physique, il est souvent recherché le travail spécifique (tel que la force élastique) dans les conditions de compétitions à savoir la fatigue (par exemple en football, en milieu/fin de match pour les démarrages ou changements de sens de course). Les auteurs de l’étude ayant servi de support insiste particulièrement sur le vide existant autour des études pouvant éventuellement montrer la présence ou non de risques liés à l’entraînement de cette qualité en état de fatigue.

    En attendant ces possibles études, et devant la nécessité de certains sports à prendre ce risque, il conviendra de choisir des exercices simples (faible coordination par exemple) ou travaillant la raideur sans cycle de pré-étirement comme par exemple avec le Static ou le stato-dynamique (préférant ainsi les pré-étirements pour le début de l’entraînement, lorsque l’athlète est frais et apte à gérer de multiples contraintes).


    Cet article fait partie du recueil 2011-2012


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      A propos de Sébastien BÊME

      Préparateur physique depuis +20 ans. De formation Staps, diplômé BPJEPS AGFF, Certifié CrossFit Level 1, Gymnastics et Weightlifting. Formation CrossFit Judge et Scaling Auteur de nombreuses publications et propriétaire des sites internet www.gymsante.eu (et ses déclinaisons), www.fuck-genetics.fr et www.etre-conscient.com

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