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Physiologie de l'entraînement > Bio-énergétique Processus énergétiques - Charges - décharges - Surcompensation - Système circulatoire - Système respiratoire  Processus énergétiques Sources énergétiques de l'effortUn effort se fait grâce à une mobilisation de forces existantes s'il y a production d'énergie. Celle-ci, chez l'être humain, est fournie par une molécule nommée ATP (Adénosine Triphosphate) présente dans la fibre musculaire et seule responsable de la contraction musculaire. Cette molécule, en se dégradant va : ==> Libérer de l'énergie, ==> Permettre la contraction des fibres musculaires,L'ATP, présente en très petite quantité dans l'organisme, peut assurer un effort violent d'environ deux secondes, soit l'équivalent d'un saut vertical unique; elle va devoir être renouvelée (resynthétisée) en permanence pour avoir une continuité du travail musculaire. Suivant l'intensité et la durée de l'effort fourni, les sources d'énergie utilisées pour resynthétiser l'ATP sont différentes, et on se trouve alors dans une des filières anaérobie alactique, anaérobie lactique ou aérobie. Production de l'ATP Utilisation du stock initial d'ATP au tout début (et pendant 2 à
3 sec.) du travail musculaire. L'ATP en se dégradant (grâce à des enzymes* appelées ATPases) permet la production d'énergie mécanique (25%).
Les résidus sont l'ADP (Adénosine Diphosphate) et de l'énergie calorique (75%). * proteïnes accélérant la vitesse des réactions chimiques Resynthèse de l'ATPPar la voie ANAEROBIE (en absence d'oxygène) Système ATP-PC : c'est le premier système permettant de renouveler l'ATP. L'ATP est majoritairement resynthétisée grâce à l'ADP (molécule issue de l'ATP après dégradation) associée à la Créatine - Phosphate (CP) présente dans les cellules musculaires.Par la voie AEROBIE (en présence d'oxygène) Système oxydatif: l'apport d'oxygène dans les fibres musculaires (essentiellement fibres à contraction lente) va permettre un énorme rendement énergétique. Plus de 90% de l'ATP synthétisée au niveau des cellules musculaires est fournie par la filière aérobie.
Enchaînement des processus énergétiques - Source http://sportech.online.fr
Capacité et puissance Chacune des trois voies énergétiques est caractérisée par une CAPACITE représentant une quantité d'énergie, et une PUISSANCE représentant une intensité d'énergie délivrée. Plus un exercice sera réalisé avec puissance, moins sa durée (sa capacité à maintenir un niveau d'effort) sera longue. Ceci va nous permettre de déterminer les voies énergétiques en fonction des qualités (vitesse, résistance, endurance) à développer. Exemples d'exigences énergétiques Les efforts sont réalisés au maximum de leur intensité sur le temps choisi.
(P) Puissance aérobie / (C) Capacité aérobie
Alternances charges-décharges Le couple effort - récupérationSi la notion d'effort vient tout de suite à l'esprit dans l'entraînement sportif, l'autre élément du couple est parfois négligé. Pourtant le développement de chaque filière est dépendant des paramètres durée et intensité, tant pour l'effort que pour la récupération. Schéma de l'effort
Gestion de l'effort Le but de la gestion de l'effort est d'amener les qualités athlétiques d'un sportif à un niveau optimal, en fonction d'un objectif visé, dans le temps et dans sa spécificité. Suivant les durées et intensités choisies pour les temps de travail et de récupération, on vise une filière pour créer un phénomène de surcompensation des ressources énergétiques et permettre au sportif de progresser. Par exemple, un sportif courant le semi-marathon est appelé à travailler essentiellement dans la filière aérobie. S'il est évident que sa capacité aérobie nécessaire à tenir entre 1h et 1h30 d'effort doit être développée, il faudra aussi augmenter le seuil anaérobie pour courir le plus vite possible en retardant l'effet anaérobie lactique. Cette alternance est valable à l'intérieur d'une séance, mais aussi durant tout les cycles de l'entrainement (macro, méso et microcycles).
Surcompensation La base de l'entraînement physique repose sur le principe de cumul de stimulations dans le temps : c'est le processus de surcompensation. La surcompensation est due à la tendance de l'organisme à maintenir constants ses paramètres biologiques face aux modifications du milieu extérieur. On appelle cela l'homéostasie. Suivant ce procédé, lorsqu' une charge d'entraînement est appliquée à l'organisme, celui-ci va mettre en oeuvre des processus de restauration pour retrouver l'état initial du potentiel énergétique. Si la charge est proche des capacités maximales d'une qualité physique, l'état après restauration sera supérieur à l'état initial. Si une nouvelle charge est appliquée à ce moment là, le phénomène se renouvellera et le potentiel augmentera. En revanche si les charges appliquées ne sont plus suffisantes ou trop éloignées, les réserves retrouveront leur état de départ. D'où selon Matveiev « Seuls les exercices sollicitant fortement les réserves énergétiques et entraînant une fatigue aigue initiale, permettent une amélioration du potentiel suivant un phénomème de surcompensation ».
Schéma de la surcompensation
Principe d'élévation du niveau de performance de l'athlète par sollicitions successives Pendant l'effort, l'organisme puise dans ses réserves et le système de restauration se met en fonctionnement. La fatigue est un signal d'évaluation de l'équilibre « processus de dégradation - processus de resynthèse ».
Les réserves se reconstitueront pendant le repos, moment indispensable de la régénération. Pour progresser il va falloir créer un état de déséquilibre. C'est donc le moment choisi pour appliquer une nouvelle stimulation qui détermine le type d'entraînement. La charge peut être appliquée lorsque la surcompensation se fait, ou avant que les réserves ne soient totalement restaurées (supercompensation). Dans ce cas une période de régénération plus importante sera nécessaire. Tout l'art et la difficulté de la planification réside dans la gestion de ces paramètres : qualité physique visée, volume, intensité et fréquence d'effort, durée et nature de récupération. Si la gestion est mal faite, c'est la fatigue chronique voire le surentraînement qui s'installeront, où, finalement cas "le moins pire", aucune adaptation et donc progression n'auront lieu. Effets immédiats et retardés L'entraînement ayant comme objectif l'adaptation de l'organisme face aux efforts auxquels il est soumis, on peut considérer que ces adaptations ponctuelles ou cumulatives vont engendrer des effets immédiats et des effets retardés sur les paramètres physiologiques. Les effets immédiats correspondent à une adaptation ponctuelle à une charge d'entraînement : activation des composants du système d'adaptation, recherche d'équilibre et stade de dégradation, en modifiant par exemple la fréquence cardiaque, la ventilation, la consomation d'oxygène, etc. Les effets retardés correspondent à une adaptation cumulative et relativement stable de l'organisme aux sollicitations, par le biais de répétitions d'exercices, de séances, de travail à une certaine intensité, etc. destinés à apporter une progression des qualités de l'athlète. Délais de surcompensationEfforts réalisés dans la filière : - Aérobie : 24 à 48h,
Système circulatoire Le maintien de la vie d'un être vivant est possible si la chaîne
apports extérieurs - transformation pour création d'énergie - rejet des déchets est en fonctionnement.Les fonctions d'apport continu de nutriments et d'oxygène vers les cellules, ainsi que le rejet des déchets du métabolisme produits par celles-ci sont assurées par la fonction circulatoire. Schématiquement, le système circulatoire est une boucle comprenant une pompe (le coeur) et des tuyaux dans lesquels circule le sang. Le coeur envoie le sang dans les artères, les organes sont déservis par les capillaires et le sang revient au coeur par les veines. Il existe deux circuits de circulation : - Un premier dit petite circulation, où le sang part du coeur droit par l'artère pulmonaire pour aller dans les poumons se régénérer et revenir au coeur gauche par les veines pulmonaires.
Schéma général de la circulation Le coeur Le coeur, moteur central de la circulation du sang, est un organe thoracique de forme ovoïde, creux et musculaire. Il fonctionne en autonome. Le muscle le constituant, le myocarde, est tapissé en interne par une mince membrane, l'endocarde, et est recouvert en externe par une enveloppe séreuse, le péricarde. Il est constitué de deux éléments, le coeur droit et le coeur gauche ne communicant pas entre eux. Ils sont chacun divisés en deux cavités : - L'oreillette,Le coeur droit contient le sang non oxygéné, tandis que le coeur gauche contient le sang oxygéné. Oreillette et ventricule communiquent par un orifice muni d'une valvule (mitrale à gauche, tricuspide à droite). Les oreillettes reçoivent les veines (pulmonaires à gauche, veines caves à droite), et les ventricules les artères (aorte à gauche, pulmonaire à droite). Le myocarde étant un muscle, il est lui même vascularisé par les artères coronaires.
Planche extraite du site http://www.infovisual.info Mécanisme de fonctionnement
Cycle cardiaque Le cycle cardiaque est une succession ordonnée de contractions et relâchements des oreillettes et ventricules. Systole - diastole - Une systole est la contraction d'une cavité (oreillette ou ventricule) et la diminution de son volume par le vidage de son sang ; - Une diastole correspond au relâchement et à l'augmentation de volume d'une cavité qui se remplit de sang. Le phénomène mécanique de l'activité cardiaque se traduit par la succession de systoles et de diastoles : - Systole auriculaire (0.1s) : le sang contenu dans les oreillettes est chassé vers les ventricules ; - Systole ventriculaire (0.3s) - diastole auriculaire : les ventricules remplies de sang se contractent et chassent le sang vers les artères; pendant ce temps les oreillettes se relâchent et se remplissent ; - Diastole générale (0.4s) : les oreillettes sont déjà relachées et les ventricules se relâchent à leur tour. Lors des phases de relâchement, ce sont les valves qui empêchent le retour en arrière du flux sanguin. Tension artérielle La tension artérielle correspond à la pression exercée par le sang sur les parois artérielles. Elle varie à chaque battement du cœur pour passer successivement par : - Un maximum (pression systolique dans les artères au moment de la contraction cardiaque) ; Et - Un minimum (pression diastolique se maintenant dans les artères entre deux contractions cardiaques). La pression artérielle normale de l'adulte est d'environ 12/8. Pouls C'est l'onde de choc transmise le long des artères lorsque se produisent les contractions cardiaques. Moyenne au repos suivant l'âge : - 1 an = 115 à 130 puls/mn ; Adaptation cardio-vasculaire à l'effort Les efforts consentis pour un travail musculaire vont obliger le système cardio-vasculaire à s'adapter de façon immédiate. La répétition de ces efforts dans le cadre d'un entraînement le fera s'adapter à long terme. Adaptation immédiate Lors d'un effort sollicitant la voie aérobie, le muscle a besoin d'oxygène pour fonctionner et produit des déchets devant être évacués. C'est la fonction circulatoire qui assure le transport de ces besoins. Le volume nécessaire de sang "brassé" va augmenter. Ce brassage correspond au débit cardiaque (exprimé en l/mn ou ml/mn) et est égal à la fréquence cardiaque (FC) x (multiplié par) le volume de sang éjecté à chaque systole (VES = Volume d'éjection systolique) dans la grande circulation. L'irrigation sanguine est redistribuée par une vasodilatation dans les muscles de travail et une vasoconstriction dans les muscles non sollicités. Dès le début de l'effort, la fréquence cardiaque augmente rapidement ainsi que le Volume d'éjection systolique. Sachant qu'au repos, seule une partie du volume stocké dans le ventricule est éjectée, cette part va augmenter pour se stabiliser. Si ensuite la fréquence cardiaque continue de croitre (> 160 puls/mn), ce volume éjecté sera alors "perturbé" par la fréquence de vidange. La fréquence maximale (FCM) a elle même une limite située aux alentours de 220 puls/mn - âge du sportif (selon Astrand et Ryming). Le débit cardiaque va passer de 5l/mn au repos pour se situer aux environs de 30 l/mn. Lorsque l'effort est supérieur à une limite nommée Puissance Maximale Aérobie (PMA), la fréquence cardiaque se stabilise à son maximum. A la fin de l'effort elle décroît rapidement dans un premier temps (30 à 60puls/mn pendant environ 30s) puis plus lentement pour "payer" la dette d'oxygène contractée pendant l'exercice. (voir le chapitre ci-après sur la fonction respiratoire). Adaptation à long terme Les effets de l'entraînement sur le coeur modifie le volume d'éjection systolique (VES) ainsi que la fréquence cardiaque (FC). En effet l'entraînement aérobie à intensité et volume adapté crée une hypertrophie cardiaque caractérisée par une augmentation de la cavité et un épaississement des parois. La baisse de la fréquence cardiaque au repos, un seuil à l'effort plus bas, une meilleure stabilisation pour une même intensité d'exercice aérobie (entre un non entraîné et un entraîné), ainsi qu'un retour à la fréquence de repos plus rapide, est due à l'ajustement des systèmes de contrôle activant ou calmant l'activité cardiaque. Une modification de la structure fait que l'organisme n'a peut être pas besoin d'un cœur qui bat plus vite. L'ensemble de ces modifications entraîne une augmentation du débit cardiaque et donc de la Consommation Maximale d'Oxygène. L'entraînement en endurance va aussi augmenter le volume sanguin et permettre d'accroître la capacité "tampon" du sang, ainsi que la densité capillaire pour un meilleur approvisionnent sanguin au niveau des muscles. Les entraînements visant le développement de l'endurance de base permettent l'augmentation de la densité capillaire, alors que l'augmentation de la structure cardiaque dépend d'un entraînement au seuil anaérobie ou proche de la VO2max. Le sangLe corps humain contient environ 4 à 5 litres de sang lui-même composé de plasma, de globules rouges et de globules blancs. Le plasma, liquide jaune clair transparent, transporte les éléments nutritifs nécessaires au corps ainsi que les déchets vers les organes dont le rôle est de les éliminer. Le plasma contient de l'eau, des sels minéraux, des protides, des lipides, des glucides, a des taux constants maintenus grâce à des mécanismes régulateurs. Les globules rouges (ou érythrocytes ou hématies) contiennent de l'hémoglobine, pigment des globules rouges, qui assurent le transport de l'oxygène et du gaz carbonique entre l'appareil respiratoire et les cellules de l'organisme. L'entraînement ne fait pas subir de modifications à ceux-ci, contrairement à l'entraînement en altitude qui permet d'augmenter leur nombre. Les globules blancs (ou leucocytes) du sang et de la lymphe assurent la défense contre les micro-organismes en détruisant les bactéries et en sécrètant des anticorps.
Système repiratoire Etant donné la nécessité de présence d'oxygène pour le fonctionnement
de l'humain, il existe un système permettant de remplir les fonctions d'échanges gazeux entre les cellules et le milieu
extérieur. L'absorption d'oxygène et l'élimination des gaz carbonique sont assurées par la ventilation pulmonaire. Celle-ci est réalisée par des phénomènes mécaniques d'expansion et de rétraction de la cage thoracique. Ces phénomènes provoquent l'inspiration et l'expiration d'air. Ces mouvements respiratoires obtenus par les contractions du diaphragme et des muscles intercostaux, sont réglés par le centre respiratoire situé dans le bulbe rachidien (12 cycles/mn chez l'adulte normalement). Ils permettent les échanges gazeux qui se font alors entre l'air alvéolaire et le sang des capillaires pulmonaires (l'oxygène diffuse vers le sang et le gaz carbonique vers l'alvéole). L'appareil respiratoire est constitué : - Des voies aériennes (cavités nasales et buccale, pharynx, larynx, trachée et bronches), dont le rôle essentiel est d'assurer la filtration et l'épuration de l'air inspiré,
Planche extraite du site http://www.infovisual.info Mécanique ventilatoireCe sont les déformations de la cage thoracique imposées par les muscles respiratoires qui rendent possible l'inspiration et l'expiration des gaz respiratoires, et ceci grâce à l'élasticité de la cage thoracique. L'intérieur de celle-ci est tapissée par un feuillet, tout comme la surface extérieure des poumons contenus dans le thorax. Ces deux feuillets sont accolés et représente une cavité virtuelle. Par le biais de jeux de pression et dépression intracavité et atmosphérique se créent des augmentations et des diminutions du volume pulmonaire. Muscles de l'inspiration : le thorax est fermé à sa partie inférieure par le diaphragme, muscle fixé sur la colonne vertébrale et sur la face interne des côtes inférieures. Il a une forme convexe vers le haut et repose sur les viscères abdominaux. Sa contraction diminue sa longueur et réduit sa convexité. Il en résulte une augmentation de hauteur de la cavité thoracique. Conjointement, la contraction des muscles intercostaux externes, s'insérant près de la vertèbre sur la côte supérieure et à distance d'elle sur la côte inférieure, élève l'ensemble des côtes et de fait augmente la largeur du thorax. Comme les côtes sont obliques (en bas et en avant), leur élévation lors de l'inspiration augmente le diamètre antéro-postérieur du thorax. Les trois dimensions du thorax augmentées, c'est donc son volume qui est augmenté. La déformation sous-jacente des poumons crée une dépression dans l'espace alvéolaire et entraîne l'entrée d'air ambiant, donc l'inspiration. Muscles de l'expiration : ordinairement, l'expiration est passive puisque l'arrêt de l'action des muscles inspiratoires permet à l'ensemble élastique thoraco-pulmonaire de reprendre sa position d'équilibre, correspondant au volume pulmonaire de fin d'expiration. Cependant, pour une ventilation importante ou forcée, l'expiration devient active par la mise en jeu des muscles expirateurs. Il s'agit essentiellement des muscles abdominaux, dont la contraction refoule les viscères et le diaphragme vers le haut, et réduisant donc le volume thoraco-pulmonaire. Volumes respiratoires Au repos, lors de l'inspiration, un certain volume d'air entre dans les poumons. Lors de l'expiration, un certain volume de gaz appauvri en oxygène et enrichi en gaz carbonique est rejeté. Ce volume, inspiré ou expiré à chaque cycle ventilatoire, est appelé le Volume Courant (VC env. 0,5L). Ce dernier étant mobilisé F fois par minute (F = fréquence respiratoire) permet de calculer le débit ventilatoire (6L/mn au repos). Si une inspiration forcée est effectuée, un volume dépassant le volume courant est enregistré. C'est le Volume de Réserve Inspiratoire (VRI env. 2L). Si une expiration maximale est effectuée, est enregistré de manière analogue un Volume de Réserve Expiratoire (VRE env. 1,5L). Lors de l'augmentation des besoins ventilatoires, le volume courant s'accroît aux dépens des volumes de réserve expiratoire et surtout inspiratoire. Au terme d'une expiration maximale, un certain volume de gaz impossible à expirer reste dans les poumons. C'est le Volume Résiduel (VR env. 1,5L). Il existe donc une capacité vitale (4-5L), qui est la somme de VRI + VC + VRE et une capacité totale (6L), somme de VRI + VC + VRE + VR. Adaptation ventilatoire à l'effortLors d'un exercice physique, la demande en oxygène devient plus importante au niveau des cellules musculaires participant à l'effort. Une augmentation du volume respiratoire est nécessaire et le débit ventilatoire passe de 6 l/mn jusqu'à 200 l/mn possible. La ventilation augmente pour apporter de l'oxygène supplémentaire à l'organisme et éliminer le gaz carbonique produit. L'adaptation du débit est dûe à l'augmentation de la fréquence respiratoire (de 12 cycles/mn à 60) et à l'augmentation de l'amplitude ventilatoire (de 0,5l à 3,5l). Au début de l’exercice, a lieu une augmentation de l’amplitude et de la fréquence des mouvements respiratoires. Cette élévation croît au fur et à mesure de l’augmentation de l'intensité de l’exercice physique. Dans le cas où cette intensité, élevée au début devient modérée, les rythmes respiratoires et circulatoires se stabilisent. Un équilibre entre la consommation et les apports d’oxygène a lieu. C’est un état stable (stady state) correspondant au second souffle où l’effort paraît plus facile. En revanche plus l’athlète soutient un effort intense, plus le débit augmente jusquà atteindre une limite pour laquelle tout l’oxygène disponible au niveau musculaire est utilisé. Il s'agit du débit maximal d'oxygène ou VO2max ( voir Glossaire des termes utilisés en endurance). A l'arrêt de l'effort, une phase de récupération ramène les valeurs respiratoires progressivement à leur valeur initiale. L'organisme paye la dette d'oxygène constituée pendant la phase de mise en train. La récupération sera ainsi d'autant plus longue que la mise en train aura été plus lente où la dette accumulée importante.
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