Puissance critique (CP) et seuil fonctionnel de puissance (FTP)

Présentation de deux concepts

Lisez cet article en étant conscient de ces limites

Avec l’augmentation de la présence des appareils de mesures de la puissance mécanique chez les cyclistes, la puissance est devenue un élément central de l’optimisation de la performance. En matière d’entrainement, des grands principes de son utilisation existent :

  • L’échelle d’estimation subjective de l’intensité de l’exercice (ESIE). Grappe et al., 1999
  • Le profil puissance record (PPR)
  • Niveau d’entrainement basés sur la puissance (FTP). Dr A. Coggan, 2001
  • Le concept de puissance critique (Pcrit). Monod & Scherrer, 1954 et 19601

Les deux derniers utilisent comme valeur de référence une puissance à un état « stable » d’intensité sous-maximale. Très utilisés en triathlon mais également en cyclisme, quels sont leurs différences et laquelle privilégier.

Niveau d’entraînement basé sur la puissance

Ces niveaux sont essentiellement basés sur la notion de seuil.

Définition de la notion de seuil

Le terme de seuil porte souvent à confusion dans le monde de l’entrainement. Il existe en effet différents termes pour le même concept : seuil anaérobie, seuil lactique, état maximal de Lactatémie stable, début d’accumulation du lactate sanguin, et l’ancienne nomenclature « seuil ».

Il semble qu’il y ait autant de définition quantitative possible, avec différents concepts basés sur la fréquence cardiaque (FC), le lactate sanguin, la puissance mécanique, etc.

Depuis plus de 30 ans, les physiologistes de l’exercice admettent que le seuil lactique (SL) correspond à l’intensité d’exercice à laquelle le lactate sanguin apparait chez les individus. C’est ainsi un excellent prédicteur de la capacité de performance en endurance.

C’est pourquoi, les capacités cardio-vasculaire (quantifié par la VO2max) sont réajusté dans leur évaluation avec le SL permettant d’obtenir le pourcentage de VO2max pouvant être maintenu sur un temps donné.

Les facteurs physiologiques déterminant le SL sont complexes, le niveau de lactate sanguin est essentiellement utilisé comme marqueur externe d’évènement biochimique du travail d’un muscle.

Le seuil lactique d’une personne représente plus spécifiquement l’habilité des groupes musculaires à faire correspondre l’apport et la demande énergétique qui détermine à son tour le « mix » d’apports (carbohydrates (CHO) vs. Lipides).

En conséquence, le SL est le déterminant physiologique de la performance le plus important pour des exercices allant de la poursuite de 3km à une course par étape d’une durée de 3 semaines. C’est d’autant plus vrai lorsqu’il est exprimé en termes de puissance mécanique externe prenant également en compte le rendement de locomotion.

Comme peu d’athlètes ont accès à des mesures de Lactatémie sanguine, divers protocoles ont été mis en place pour déterminer le seuil fonctionnel de puissance ou « functional threshold power » (FTP). A. Coggan – 2006, avec comme objectifs la meilleure fiabilité pour l’estimation du seuil lactique.

5 méthodes pour déterminer le FTP

Grahique de distribution de la puissance

Figure 1 : Histogramme de puissance permettant l’estimation du FTP

Puissance stable “habituelle”

C’est une autre méthode d’estimation du FTP sans réaliser aucun test formaté. Cette estimation est faite à partir de la puissance que vous êtes capable de produire sur une longue durée d’effort (ex : intervalles, répétition visant à élever le FTP, ou lors de longues ascensions. Il suffit par la suite de faire un découpage horizontal sur le graphique empilé d’une séance sur une zone où la puissance est quasi-constante sur quelques minutes de temps (Figure 2).

Puissance normalisée

Une manière plus précise pour l’estimation de ce FTP est l’utilisation de la puissance normalisée réalisé par de nombreux logiciels. Le concept est de prendre la puissance normalisée sur une course oscillant autour d’une heure et de prendre la puissance normalisée de celle-ci qui sera une estimation très précise alors du FTP.

Contre-la-montre d’une heure

Cette méthode est la plus connus. La meilleure mesure de la performance reste la performance elle-même. L’estimation la plus directe du FTP permettant d’obtenir cette donnée par un simple contre-la-montre d’une heure. En examinant le graphique horizontale d’un simple essai, on peut rapidement dire si l’effort a été bien géré ou non et dans le deuxième cas, si le départ a été trop rapide, la puissance moyenne sous-estimera le vrai FTP. Cependant, la reproductibilité est compliquée de par la difficulté physiologique et psychologique d’investissement sur ce genre de test.

Contre-la-montre de 20 min

Pour répondre à la demande des entraineurs de mettre en place des méthodes d’évaluation applicables, les scientifiques ont mis en place un protocole d’évaluation du FTP (Tableau 1).

Tableau 1 : Protocole d’un test contre-la-montre de 20′ pour l’estimation du FTP

Ce test consiste en un contre-la-montre maximal de 20’. Le FTP est calculé par 0.95 x 20’avg power (puissance moyenne sur 20’).

De toutes les méthodes, cette dernière est la plus reproductible dans le temps tout en donnant une valeur précise du FTP donc favoriser dans le monitoring des cyclistes. On peut émettre une limite sur la supposition que tous les athlètes ont le même indice d’endurance dans le calcul du FTP, cependant, on reste dans une estimation.

Applications pratiques

Une fois le FTP déterminé, le cycliste pourra s’en servir pour optimiser l’efficacité de ses séances de développement. Pour cela, A. Coggan a défini des « zones » d’intensités cibles selon des pourcentages de ce FTP (Tableau 2).

Tableau 2 : Zones d’intensité en % du FTP. Coggan, 2006

Dans l’ouvrage, Power meter handbook, A user’s guide for cyclists and Triathletes, Joe Friel, 2012, l’auteur donne un protocole de test d’évaluation du seuil lactique de fréquence cardiaque ou « lactate threshold heart rate » (LTHR). Il consiste en la réalisation d’un contre-la-montre maximal de 30’ ou la moyenne de FC des 20 dernières minutes sera relevé et utilisé comme approximation du LTHR permettant le détermination de zones d’intensités (Tableau 3).

Tableau 3 : Zone d’intensité en % du LTHR

Concept de la puissance critique

Définition

De nombreuses confusions sont faites sur ce thème, souvent confondus avec le SL détaillé précédemment.

Il est né des travaux de Scherrer en 1954 et 1960 montrant qu’il existe une relation linéaire entre le temps d’épuisement et la quantité de travail réalisée au cours d’un exercice local. La pente de cette relation est la puissance dite « critique » soutenable un temps prolongé. En 1958, Scherrer applique la Pcrit pour évaluer les nageurs et les athlètes en course à pied. Cela permit de voir que la relation temps limite (tlim) – travail limite n’est pas linéaire comme l’avait constaté Scherrer lors de ces premières études. On a donc une surestimation de la Pcrit et des tlim pour des puissances approchant cette valeur. Monod publia les résultats d’études réalisées dans son laboratoire montrant que la Pcrit est proche de puissances correspondant à un état stable de différents paramètres physiologiques, à condition de calculer cette puissance sur des tlim de 4 à 30 minutes. Par ailleurs, Monod et Scherrer ont menés des travaux en 1965 montrant qu’à partir de la relation hyperbolique de la puissance mécanique (Pméca) de l’exercice et le tlim de maintien, il existe :

  • Une limite pour laquelle la Pméca peut être maintenue sans épuisement. Elle dépend essentiellement de la voie énergétique aérobie. Son tlim peut s’exprimer selon les auteurs de la sorte (figure 3) :
    • tlim = a / (P – b)

Si le sujet réalise un exercice ou la puissance P est égale au paramètre b, le dénominateur serait zéro et donc le temps limite théoriquement infini. Le paramètre « b » est donc l’équivalent d’une puissance appelée Pcrit qu’il est possible de maintenir un temps prolongé.

Figure 3 : Le point A correspond à la quantité totale de travail produite (Wlim) pendant un exercice réalisé à la puissance P1 et mené jusqu’à l’épuisement en un temps tlim. Les points B et C correspondent aux quantités de travail produites pendant des exercices épuisant réalisés aux puissances P2 et P3.
  • Une composante dans la production d’énergie par la voie anaérobie appelée capacité de travail anaérobie (W’) représentant une quantité d’énergie disponible pour développer une Pméca supérieure à la Pcrit menant à l’épuisement lorsqu’elle est totalement consommée (figure 4). Le modèle de Monod et Scherrer permet d’exprimer W’ sous la forme :
    • W’ = (Pméca – Pcrit) / t
Figure 4 : Illustration des notions de Pcrit et de W’

Plus récemment, Morton (2006)[2] résume le concept de la Pcrit en quatre principes :

  • L’énergie produite pendant l’exercice provient uniquement des voies anaérobie et aérobie, leur part d’intervention étant déterminé selon le niveau de l’intensité d’exercice ;
  • La capacité de production d’énergie par la voie aérobie est infinie mais la puissance du système est limitée par la Pcrit ;
  • À l’inverse, le système anaérobie n’est pas limité en puissance mais par la W’ ;
  • L’épuisement atteint lors de l’impossibilité de continuer une intensité d’exercice survient lorsque la capacité de travail anaérobie a été épuisée.

Au niveau physiologique, la production d’une Pméca supérieure à la Pcrit entraine une dégradation de l’homéostasie métabolique et en particulier une augmentation de lactate sanguin (Jones A. M. et al., 2007)[3]. Au contraire d’une Pméca inférieure ou égale à Pcrit où l’on remarque un état stable de la VO2 et de [LACsanguin].

Concernant la W’, les physiologistes ont mis longtemps pour se mettre d’accord sur ce paramètre n’étant pas associé à un seul processus énergétique. Vanhatalo et al. (2007)[4] ont développé un test permettant d’évaluer sur le terrain ou en laboratoire ce paramètre ainsi que la Pcrit en se dispensant de tests sur plusieurs jours. Dans ce test, le sujet réalise un effort « all-out » sur 3 minutes. Pcrit s’obtient en moyennant la Pméca des 30 dernières secondes (figure 5) et W’ est calculée en intégrant l’aire sous la courbe de Pméca et la ligne horizontale équivalente à la Pméca en fin de test (figure 6).

Figure 5 : Test 3 minutes “all-out” où la zone grisée correspond à la moyenne des 30 dernières secondes à partir de laquelle Pcrit est déterminée.

Figure 6 : Calcul de W’ en intégrant l’aire sous la courbe (WEP) de la puissance en fin de test (EP)

Ce test fut une première fois réfuté par Karsten (2013)[5]. Lors de ses travaux, il démontra qu’en utilisant un ergomètre isocinétique, la mesure de puissance en fin de test était valide mais la mesure de Pcrit ne l’était pas. De plus, les valeurs de Pcrit et W’ obtenus par ce test surestime la performance pour une épreuve contre-la-montre chez des cyclistes de compétitions, qui plus est pour les sujets dont la valeur de Pcrit obtenus est élevée. L’utilisation de ce test pour diriger les entrainements et prescrire des exercices chez des cyclistes pratiquant la compétition doit être fait avec précaution (Nicolò et Sacchetti, 2014)[6]. Pour conclure sur les travaux étudiants la validité et la fiabilité de ce test, la dernière étude connue en date est celle de Wright et al. (2015)[7]. Ils ont repris les travaux de Karsten en rajoutant le test sur ergomètre en mode linéaire. Les conclusions de ces recherches montrent que ce protocole de test donne uniquement une valeur correcte de Pcrit lorsque le test est réalisé en mode isocinétique.

Applications pratiques

Avec le concept de Pcrit, l’entraineur possède un nouvel outil pour la création et l’analyse des séances notamment d’intensités. La simulation du niveau de W’ est la meilleure solution pour proposer une séance avec des intensités supérieures à cette Pcrit alternant temps de travail et de récupération réalisable par l’athlète prenant en compte ses capacités physiologiques.

Plusieurs approches existent pour ajuster la récupération inter-séries lors d’un exercice, à savoir, ajuster la récupération pour que le niveau de W’ revienne à son état initial ou au contraire que l’athlète puise au maximum dans ses réserves anaérobies.

Une nouvelle tendance est apparue avec l’expansion récente de cette approche de la performance. Elle consiste en la réalisation de séances d’intensité « basique » avec un niveau initial de W’ réduit pour stimuler de nouvelles adaptations métaboliques au sein de l’organisme.

Le suivie de la valeur de W’ en direct est possible avec les nouveaux appareils embarqués (compteurs garmin entre autre) ou des logiciels (ex : Golden Cheetah) : c’est la balance de la capacité de travail anaérobie (W’bal).

La seule limite de l’utilisation de la Pcrit reste le peu d’étude réalisée à notre connaissance sur la programmation des sessions d’ « endurance fondamentale » en fonction de cette valeur physiologique (en valeur relative, etc.)

Conclusion

Il faut réaliser que les notions de FTP et de Pcrit sont couramment opposées or en réalités, ce sont 2 mêmes choses. Le FTP est décrit fréquemment par la puissance moyenne sur 1h d’efforts maximal. Erreur !! Le FTP est uniquement la traduction du seuil lactique de puissance (valeur de puissance mécanique externe relevée lors de l’accumulation du lactate sanguin) qui peut être évalué par ce test de 1h. La Pcrit est souvent opposé au FTP, or en réalité, c’est une méthode d’estimation du SL ici encore.

Donc de ces 2 approches, la Pcrit serait préférable pour l’entrainement sur le fait qu’elle permet en plus de prédire la durée d’effort réalisable au-dessus de cette Pcrit, donc plus adapté pour le travail des intensités.

Régi par 2 paramètres que sont la Pcrit et le W’, cette approche permet une meilleure individualisation et un travail plus proche de la courbe hyperbolique du profil puissance record défini par Pinot et al., 2011 comme incontournable dans le monitoring moderne des cyclistes.

Références

  1. Monod et Scherrer, « THE WORK CAPACITY OF A SYNERGIC MUSCULAR GROUP ».
  2. Morton, « The Critical Power and Related Whole-Body Bioenergetic Models ».
  3. Jones et al., « Muscle Metabolic Responses to Exercise above and below The “critical Power” assessed Using 31P-MRS ».
  4. Vanhatalo, Doust, et Burnley, « Determination of Critical Power Using a 3-Min All-out Cycling Test ».
  5. Karsten et al., « The 3-Min Test Does Not Provide a Valid Measure of Critical Power Using the SRM Isokinetic Mode »; Karsten et al., « Modelling of critical power from road data ».
  6. Nicolò et Sacchetti, « Do 3-min all-out test parameters accurately predict competitive cyclist performance in the severe intensity domain? »
  7. Wright et al., « The reliability and validity of the 3-minute critical power test in linear and isokinetic mode ».

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