Réponses énergétiques, cardiovasculaires et biomécaniques aux ajustements de vitesse et d'inclinaison sur tapis de course

Énergétique et coût en oxygène de la locomotion en pente

Modifier le gradient vertical sur un tapis roulant altère la demande métabolique de la marche et de la course en changeant le travail mécanique nécessaire pour élever ou abaisser le centre de masse. Le coût énergétique de la course ($C_r$) présente une augmentation linéaire avec les pentes positives en montée en raison de l'exigence accrue de travail musculaire concentrique et de travail mécanique externe positif ($W_{ext+}$) [2]. À l'inverse, la locomotion en descente introduit une relation en forme de U où le coût énergétique atteint ses valeurs les plus basses entre des pentes de -10 % et -20 %, sous l'effet de l'efficacité mécanique du travail externe négatif ($W_{ext-}$) et des actions musculaires excentriques [2], [4].

La respirométrie directe démontre que la course à plat à une pente de 0 % maintient un coût énergétique d'environ 3,40 ± 0,24 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ aux vitesses standard [4]. À mesure que l'inclinaison du tapis s'accentue, la dépense énergétique s'accroît rapidement : courir à une pente de +5 % (0,05) augmente le coût énergétique métabolique et la demande de puissance d'environ 30 % par rapport à la course à plat [5], atteignant 18,93 ± 1,74 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ à une pente extrême de +45 % (+0,45) [4]. En course en descente, $C_r$ chute à un minimum de 1,73 ± 0,36 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ à une pente de -20 % avant de remonter à 3,92 ± 0,81 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ à -45 % avec l'augmentation des forces de freinage [4]. La biomécanique de la marche présente un profil similaire : le coût de la marche à plat ($C_w$) est en moyenne de 1,64 ± 0,50 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ à 1,0 m/s, chutant à un minimum de 0,81 ± 0,37 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ sur une pente de -10 % et grimpant jusqu'à 17,33 ± 1,11 $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$ à +45 % [4]. Au-dessus de +15 % et en dessous de -15 % d'inclinaison, les rendements mécaniques apparents convergent respectivement vers les limites théoriques des contractions musculaires purement concentriques et purement excentriques [4].

Lors de l'évaluation de la locomotion à faible vitesse, la marche inclinée amplifie considérablement la dépense métabolique sans nécessiter d'augmentation de vitesse. La marche sur une pente de 5 % augmente la dépense énergétique de 52 %, tandis qu'une pente de 10 % accroît le coût métabolique de 113 ± 32 % par rapport à la marche à plat à vitesse équivalente [1], [3].

Modifications cardiovasculaires et métaboliques sous inclinaison

La fréquence cardiaque et la consommation d'oxygène ($\text{V}\text{O}2$) augmentent proportionnellement avec l'inclinaison du tapis pour soutenir les besoins énergétiques des muscles squelettiques en activité. Chez des coureurs entraînés s'exerçant à 70 % de la vitesse à $\text{V}\text{O}{2\text{max}}$ ($v\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$), faire passer la pente de 0 % à 7 % produit une hausse de $\text{V}\text{O}_2$ de 6,8 ± 0,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ et augmente la fréquence cardiaque de 12 ± 2 battements par minute, alors qu'une légère inclinaison de 2 % induit une variation physiologique aiguë minime à cette intensité relative [9]. Sur un éventail plus large de vitesses de course, courir sur une inclinaison comprise entre 2 % et 7 % élève la fréquence cardiaque d'environ 10 % par rapport à la locomotion sur surface plane [8].

Au niveau systémique, chaque augmentation de 1 % de l'inclinaison du tapis accroît la consommation d'oxygène d'environ 2,6 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ [13]. En termes d'équivalence d'allure, cette hausse énergétique correspond à une réduction estimée de la vitesse d'environ 0,65 km/h, ce qui concorde avec les ajustements empiriques des entraîneurs préconisant un ralentissement de 12 à 15 secondes par mile par palier de 1 % de pente supplémentaire pour les athlètes courant à des allures de 5:00 à 6:00 min/mile [13].

Les modifications de pente modifient également l'oxydation des substrats et les profils de capacité aérobie maximale. Les protocoles sous-maximaux reposant sur une marche en forte pente, comme le protocole 12-3-30 (pente de 12 % à 3,0 mph / 1,34 m/s pendant 30 minutes), montrent un taux de dépense énergétique (kcal/min) plus faible, un temps plus long pour accomplir une charge de travail isoénergétique, une proportion plus élevée d'oxydation des lipides (%FAT) et une plus faible oxydation des glucides (%CHO) par rapport à une course à plat isoénergétique à allure libre [1].

Lors d'efforts maximaux, l'orientation de la pente modifie la capacité aérobie de pointe et l'oxygénation musculaire localisée. Lors d'efforts de course maximaux, la consommation maximale d'oxygène atteinte ($\text{V}\text{O}_{2\text{peak}}$) sur une forte descente (-15 %) est inférieure de 10 % à 17 % à celle mesurée sur le plat (0 %), en côte modérée (+7,5 %), en forte côte (+15 %) ou en descente modérée (-7,5 %) [14]. De plus, le travail mécanique externe négatif ne représente que 6 % du travail mécanique total sur une pente ascendante de +15 %, mais atteint 92 % sur une pente descendante de -15 %, durant laquelle l'oxygénation du muscle vastus lateralis reste significativement plus élevée en raison d'une demande métabolique en oxygène réduite dans les tissus sollicités de manière excentrique [14].

Déterminants biomécaniques du coût énergétique en montée et en descente

Les variations métaboliques observées avec les ajustements de vitesse et d'inclinaison sont directement dictées par des altérations de la biomécanique de foulée, de l'activation musculaire et des contraintes articulaires [P2]. Le degré d'inclinaison combiné à l'activation musculaire électromyographique du soléaire et du vastus lateralis prédit la dépense énergétique totale avec une précision de 96 % [3].

Comparativement à la course sur sol plat, la locomotion en montée impose des adaptations spatio-temporelles distinctes [P2] :

• Fréquence et longueur de pas : Les coureurs réduisent le temps de suspension et la longueur de foulée tout en augmentant la fréquence de foulée pour maintenir la progression vers l'avant contre la gravité [2], [6].
• Durée des phases : La course en montée raccourcit la durée des phases de suspension et d'oscillation tout en augmentant le facteur d'utilisation et le temps de contact relatif pour délivrer la propulsion sur une phase de contact constante [2], [6].
• Travail mécanique : Le travail mécanique interne et externe augmente considérablement pour élever continuellement le centre de masse du coureur [2], [6].

À l'inverse, la locomotion en descente allonge la foulée et le temps de suspension tout en réduisant la fréquence des pas [2]. Bien que les pentes en descente diminuent la charge cardiopulmonaire, elles amplifient nettement le stress d'impact musculosquelettique : la marche en descente génère des forces d'impact trois fois plus élevées que la marche à plat et altère le sens de positionnement articulaire du genou après des efforts prolongés [7], [8]. En revanche, la marche en côte sur une pente de 5 à 10 % réduit le stress d'abduction de l'articulation du genou sur le cartilage articulaire par rapport aux pentes plates et descendantes, offrant un profil de contrainte articulaire plus faible associé à une demande métabolique élevée [8]. Sur des blocs d'entraînement prolongés, exploiter les exigences biomécaniques de côtes plus raides (~7,6 % de pente) produit des améliorations de la vitesse maximale de sprint sur 30 m, de la performance sur contre-la-montre de 800 m et de l'endurance de force musculaire [6].

Modélisation mathématique : formules de l'ACSM, de Pandolf et limites empiriques

Les physiologistes de l'exercice utilisent des équations prédictives pour estimer le taux métabolique et le $\text{V}\text{O}_2$ à différentes vitesses et pentes, bien que ces modèles présentent des limites documentées au sein de populations hétérogènes.

Équations métaboliques de l'ACSM

L'équation métabolique de l'American College of Sports Medicine (ACSM) pour la consommation d'oxygène en course à pied modélise la consommation brute lors d'un effort en état stable au-dessus de 5,0 mph (134 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) [13], [16] :

$$\text{V}\text{O}_2\text{ (mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}\text{)} = (0.2 \cdot S) + (0.9 \cdot S \cdot G) + 3.5$$

où $S$ est la vitesse en $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ (1 mph = 26,8224 $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$) et $G$ est la pente fractionnaire (ex. : 5 % = 0,05) [13], [16]. Pour la marche, l'ACSM modélise le $\text{V}\text{O}_2$ brut selon [18] :

$$\text{V}\text{O}_2\text{ (mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}\text{)} = (0.1 \cdot S) + (1.8 \cdot S \cdot G) + 3.5$$

attribuant 0,1 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ au déplacement horizontal par $\text{m}\cdot\text{min}^{-1}$ et 1,8 $\text{mL}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ à l'ascension verticale [18].

Les études de validation indiquent des erreurs de prédiction systématiques avec les formules de l'ACSM. Il a été démontré que l'équation de course surestime le $\text{V}\text{O}_{2\text{max}}$ mesuré de 14,6 % chez des athlètes masculins de compétition lors d'épreuves d'effort progressives sur tapis roulant [16]. Des modèles de régression linéaire intégrant l'âge, l'IMC, l'inclinaison et la durée du test offrent une plus grande précision prédictive dans les cohortes d'athlètes sans surestimation systématique [16]. De même, l'équation de marche de l'ACSM surestime la dépense énergétique au fil de l'augmentation des intensités d'exercice (de 0,44 % à 2 mph jusqu'à 20,3 % à l'effort maximal) [19]. Sur un ensemble de 1 078 essais de marche, les modèles de prédiction standard (incluant l'ACSM et Pandolf) ont affiché des erreurs quadratiques moyennes variant de 7,8 % à 23,5 % du taux métabolique mesuré [20]. Ces divergences proviennent en partie des cohortes initiales de validation de l'ACSM, qui reposaient sur de très petits échantillons ($n = 2$ à $n = 3$) de jeunes hommes entraînés [19].

Équation de Pandolf et équations de charge

Pour la marche avec port de charge et sur surfaces variées, la formule de Pandolf et al. modélise le coût métabolique ($M_W$, en watts) [21] :

$$M_W = 1.5W + 2.0(W + L)\left(\frac{L}{W}\right)^2 + \eta(W + L)(1.5V^2 + 0.35VG)$$

où $W$ est la masse corporelle (kg), $L$ est la charge externe (kg), $V$ est la vitesse (m/s), $G$ est le pourcentage de pente (%) et $\eta$ est le facteur de terrain ($\eta = 1,0$ pour un tapis de course motorisé ou de l'asphalte) [21]. Étant donné que le modèle original de Pandolf perd en validité sur les pentes descendantes, Santee et al. ont formulé un facteur de correction pour la descente ($CF$) [21] :

$$CF = \eta \left[ \frac{G(W + L)V}{3.5} - \frac{(W + L)(G + 6)^2}{W} + 25V^2 \right]$$

où le coût métabolique total est égal à l'estimation initiale de Pandolf moins le $CF$ [21].

Calibrage de l'inclinaison sur tapis pour équivalence en extérieur

Courir sur un tapis roulant motorisé à plat à une pente de 0 % entraîne une demande énergétique inférieure à celle d'une course en extérieur à vitesse identique [P1]. La course en extérieur requiert une dépense énergétique supérieure d'environ 5 % en raison de la traînée aérodynamique et de l'exigence mécanique d'une propulsion active vers l'avant sur sol statique par rapport au maintien de position sur un tapis roulant en mouvement [11].

Pour compenser l'absence de flux d'air relatif en intérieur, des ajustements d'inclinaison spécifiques sont appliqués en fonction des seuils de vitesse [13] :

• Allures plus lentes que 8:00/mile (moins d'environ 12 km/h) : Une pente de 0,5 % assure une compensation énergétique adéquate [13].
• Allures comprises entre 6:30 et 7:30/mile (13–15 km/h) : Une pente de 1,0 % est recommandée pour égaliser la consommation d'oxygène et le coût métabolique avec la course en extérieur [11], [13].
• Allures plus rapides que 6:00/mile (dépassant environ 16–18 km/h) : Une inclinaison de 1,5 % à 2,0 % est nécessaire pour compenser la résistance de l'air substantielle rencontrée aux vitesses extérieures plus élevées [13].