Le kilomètre vertical: approche générale et biomécanique.

Le . Publié dans Entrainement

cdewallePASCAL BALDUCCI et FABIEN GAUTHERON ont réalisé une approche très complète sur le plan général et biomécanique du KILOMÈTRE VERTICAL pour Sport et Vie qui n'a diffusé qu'une version très réduite de l'article.

 

La voici complète en deux temps avec l'accord de Pascal.  Aujourd'hui la partie générale qui concerne plus la physiologie et dans quelques jours la partie biomécanique, très intéressante qu'a réalisé Fabien Gautheron.

 

 

 


- PREMIÈRE PARTIE: L'APPROCHE GÉNÉRALE -

 

 

DERNIÈRE-NÉE DES ÉPREUVES OUTDOOR, le kilomètre vertical est en plein essor comme en témoigne l'engouement populaire pour cette discipline dans les massifs montagneux européens. Mais en quoi consiste exactement cette épreuve et quelles qualités requiert-elle ? Prenons de l'altitude, au moins 1000m, et penchons-nous avec gravité sur le sujet.

 

Faire un KV (abréviation de Kilomètre Vertical), c'est réaliser 1000m de dénivelé positif dans le temps le plus court possible. Comme pour toutes les courses hors stade, il ne peut y avoir de record mais simplement des meilleures performances mondiales. Elles sont détenues à ce jour par l'ItalienURBAN ZEMMER en 30'26 et par la française CHRISTEL DEWALLE en 36'48.

 

LE PARADOXE DU KV

En kilomètre vertical, seul le dénivelé est fixe, pas la distance. Plus la pente est douce, plus la vitesse de déplacement du coureur est élevée, mais plus la distance est longue. Inversement, plus la pente est forte, plus la progression du coureur est lente mais plus la distance est réduite.

 

Prenons les cas extrêmes : sur une pente à 1%, il faudrait courir pas moins de 100 km pour s'élever de 1000m ! Cela semble compliqué de faire une performance chronométrique dans ces conditions. Dans le cas extrême contraire, pour une pente imaginaire de 100% (fig 1), la distance de course devient très courte (1414m) mais la progression sera très difficile. Tout concurrent d'une épreuve de kilomètre vertical se pose donc la question suivante : quelle est la pente idéale pour réaliser la meilleure performance ?

 

2 manières d'appréhender la recherche de la réponse : les lois de la physique ou l'examen des performances sur les épreuves existantes.

 

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Fig 1 : Gravir une pente à 100%, c'est réaliser 100m D+ pour 100m horizontaux

 

GRAVITÉ, QUAND TU NOUS (RE)TIENS !

Penchons-nous sur l'examen des forces en présence pour comprendre les enjeux du KV (fig 2 et 3). Un coureur évoluant sur une pente d'angle α est soumis à son propre poids* (Poids en Newton = masse en kg x gravité en ms-2 ) et à la réaction du sol (on néglige les forces de frottement).

 

A l'arrêt, la résultante des forces (vecteur f en rouge) étant négative, le coureur va être attiré vers le bas s'il n'exerce pas une force de même direction mais de sens opposé à f ⃗. De même, si la pente s'accentue, la projection du vecteur poids sur l'axe de la pente est un vecteur dont la norme grandit, la force f devient alors plus intense. Autre enseignement du bilan des forces en présence, plus la masse de l'athlète est importante, plus son poids (une force donc !) grandit, et plus il devra produire une force élevée pour avancer.

 

La pente du parcours et la masse du coureur s'opposent de concert à la vitesse. Nous en verrons les implications un peu plus loin mais prenons garde dès à présent à ne pas mélanger vitesse à plat et vitesse ascensionnelle. Dans une pente raide, la vitesse de progression du coureur est très faible mais sa vitesse ascensionnelle très élevée.

 

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(*Rappel pour les non-matheux : le poids est une force qui dépend de la masse de l'objet ou de l'individu et de la gravité de l'endroit où il se trouve. Un individu a la même masse (en kg) sur la Lune et sur la Terre, mais son poids sera approximativement 6 fois moindre sur la Lune car la gravité y est de 1.6 ms-2 pour 9.81 ms-2 sur la Terre).

 

Maintenant, si on manipule les formules magiques proposées par Véronique Billat *, c'est à dire VO2max = (VMA asc x CEmv/60) +5 (avec CEmv le coût énergétique par mètre vertical gravi, et 5 la consommation d'oxygène relative au repos) et VMA = VO2max/3.5 (formule statistique bien pratique), on fait 3 constats pour un individu lambda de VO2max = 50ml O2/kg/min : le coût énergétique de la course est plus faible sur une pente à 10% qu'à 20% ; à partir de 20% de pente, l'individu lambda se met spontanément à marcher car la sollicitation musculaire est trop importante (problème d'élévation et de déplacement du centre de masse) ; la vitesse ascensionnelle la plus élevée est obtenue pour des pentes à 30-35%.

 

La théorie résiste-t-elle à la réalité du terrain ? Retrouve-t-on les meilleures performances sur des pentes à 30-35 % ? la réponse est non, mais à la décharge des statistiques, peu de parcours de KV se déroulent en ligne droite. Ajoutons à cela des terrains de nature et de technicité variables, ainsi que des conditions atmosphériques non contrôlables.

 

Regardons tout d'abord ce graphique exprimant les vitesses ascensionnelles en mètres par minute de Christel Dewalle, championne de France de montagne 2013, et meilleure performeuse mondiale du KV. Si les résultats sont proches pour des pentes allant de 25 à 50% , la différence est significative pour une pente à 60% puisque l'écart en temps dépasse les 5mn à l'arrivée. On retrouve cette graduation des vitesses chez une grande majorité d'athlètes.

 

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Examinons ensuite les meilleures performances, elles se déroulent à Fully, en Suisse, sur un parcours de 1920m. Le départ se fait à 500 m d'altitude et suit une ancienne voie ferrée. Le tracé rectiligne traverse des vignes, des prés et des forêts. Seuls un court passage sur un pont métallique, la traversée d'un tunnel d'environ 50m et la variété des paysages, viennent rompre la monotonie de cette montée aux enfers. Comme sur tous les parcours de KV, un panonceau indique chaque 100m de dénivellation, constituant un précieux repère dans l'avancée des coureurs.

 

Fully, un géomètre a officialisé le dénivelé et chaque hectomètre positif. L'arrivée se situe à 1500 mètres d'altitude et la pente moyenne est de (1000/1619) x 100 = 61.7 % (1619m étant la distance horizontale correspondant à 1000m D+ et 1920 m de montée). Peu de parcours présentent une telle homogénéité dans le tracé. A Chamonix par exemple, le tracé serpente un certain temps dans la montagne, réduisant à néant les possibilités de record. En d'autres lieux, c'est la technicité du parcours, comme le passage de blocs rocheux, qui nuit à la performance. Autre avantage du parcours suisse, l'arrivée à 1500m n'impose pas aux coureurs une course en hypoxie.

 

Bref, si le parcours suisse est réputé comme le plus rapide, rien n'empêche d'imaginer un parcours encore plus rapide. On a remarqué par exemple des vitesses ascensionnelles très élevées sur des courses d'escaliers. En 2011, l'helvète Emmanuel Vaudan a grimpé le plus long escalier du monde, l'escalier de service du funiculaire qui grimpe au Niesen en Suisse, avec ses 11674 marches, 1669m de dénivelé et 3499m de long, en 55mn55, soit une vitesse ascensionnelle de 29.85 mètres/mn. Ce même coureur a réalisé 32'21 à Fully, soit une vitesse ascensionnelle de 30.91 m/mn. Compte tenu du dénivelé bien supérieur, on peut penser que son temps de passage à 1000m D+ était meilleur que son chrono sur KV, et que la progression sur ce type de parcours (pente régulière, marches en dur, plates et d'une hauteur moyenne de 14.5 cm) est supérieure à celle d'un parcours en pleine nature. Mais il s'agit là d'un autre type d'épreuve. Notre propos visait à montrer que les marches qui jalonnent le parcours de Fully sont certainement l'un des critères de la rapidité du parcours suisse, et nous verrons pourquoi dans la partie biomécanique.

 

A la lumière des infos de la théorie et du terrain, le parcours idéal serait rectiligne et présenterait une pente régulière d'environ 60%, sur un revêtement homogène et non glissant, et dans l'idéal jalonné de marches.

 

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A Fully, en Suisse, le tracé rectiligne présente une pente moyenne de 62%. A Chamonix, le tracé en virages n'est pas propice à la performance chronométrique. Photo Ski & run

 

HOMO VERTICALUS

Comme dans tout nouveau milieu, l'être humain doit s'adapter pour s'imposer. Dans une pente raide, plus le Centre de Masse (appelé aussi centre de gravité ou encore centre d'inertie) de l'athlète est haut, plus le poids est important, et plus la force à exercer pour élever et déplacer ce centre de masse doit être intense. Naturellement, instinctivement, l'athlète va tenter d'abaisser son centre de masse proportionnellement au pourcentage de la pente. A l'extrême, il peut adopter la locomotion à 4 pattes ou utiliser les bâtons comme prolongement des membres supérieurs (cf Partie analyse biomécanique, par Fabien Gautheron), avec l'impératif de conserver un geste efficient et de ne pas contraindre les mouvements respiratoires.

 

Analysons à présent les enjeux physiologiques d'une telle épreuve et utilisons une démarche pragmatique d'analyse de la tâche. Pour les meilleurs, la durée de course est de 30mn chez les hommes et 41mn chez les femmes, ce que l'on peut rapprocher d'un 10 km route, idem pour le reste du peloton. Aucune expérience n'a été menée pour mesurer la consommation d'oxygène sur un KV mais l'analyse des fréquences cardiaques, et notamment le pourcentage de fréquence cardiaque de réserve utilisée, donne des résultats moyens de 80 à 90%, là encore très proches de ceux d'un 10 km. D'un point de vue bioénergétique, il s'agit donc d'un effort aérobie, à la limite du seuil d'accumulation des lactates. Les 2 premières qualités requises pour performer en KV sont donc une forte puissance aérobie et une fraction de VO2max élevée sur la durée de la course, correspondant à un seuil anaérobie au-delà des 85%, voire supérieur à 90% chez certains athlètes.

 

UNE ÉPREUVE ÉNERGIVORE

La comparaison avec le 10 km s'arrête ici car l'analyse de la tâche passe également par l'analyse de la gestuelle, répertoire et fréquence. Si un spécialiste de 10km ne performera pas sur son premier KV, et certains jamais, c'est que le coût énergétique de l'activité est différent. Sur un 10 km, VO2max, VMA, fraction de VO2 max et coût énergétique de la foulée (Cr) déterminent la performance, car la vitesse est tout simplement le rapport de la fraction de VO2max sur le coût énergétique de la foulée. Sur un KV, VO2max, fraction de VO2max, VMA ascensionnelle, technique et puissance sont essentiels, les 2 derniers facteurs étant déterminants dans la réussite de l'entreprise.

 

On observe par exemple que les meilleurs coureurs de montagne sont de très bons coureurs de 10 km mais pas forcément d'excellents coureurs de KV. Si l'on considère 3 athlètes comme Julien Rancon, Emmanuel Meyssat ou encore Raymond Fontaine qui ont trusté les sélections nationales françaises de course de montagne depuis 10 ans, tous ont un indice de masse corporelle (IMC = Poids/taille au carré) compris entre 19 et 19.5, ce qui représente dans leurs cas une taille moyenne de 170cm pour un poids moyen de 55 kg. On retombe exactement sur les données des 30 coureurs (dont 29 africains) ayant descendu les 27mn sur 10 km ! Etonnant non ! Pas tant que ça si on observe que les dénivelés moyens des championnats de course de montagne sont de 15%, c'est à dire très loin des pourcentages de KV. Dans ces conditions, le cycle étirement-raccourcissement de la foulée (fig 4) reste efficace, les élastiques des membres inférieurs – triceps sural et tendon d'Achille – sont mis en tension durant la phase de vol pour restituer un maximum d'énergie gratuite à l'impulsion suivante.

 

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Il est par ailleurs frappant de voir avec quelle facilité ces coureurs de montagne se déplacent dans des pentes où la plupart marchent. En effet, le choix de la marche ou de la course dépend principalement de l'expertise car on sait que l'individu se met spontanément à courir à partir de 7 km/h afin de bénéficier de la restitution de l'énergie élastique. Prilutsky et Gregor, 2001, ont mis en évidence un degré d'activation des muscles extenseurs des articulations du genou et de la hanche qui induit la course. Mais courir à 8km/h dans une pente à 20% revient à progresser à 21 km/h sur le plat, réservé à l'élite !

 

Cependant, comme nous l'avons dit, la hierarchie sur KV n'est pas la même qu'en course de montagne. A Fully, Manu Meyssat et Raymond Fontaine n'ont pris que les 14 et 17ème places, tandis que Julien Rancon, champion de France de montagne 2013 et 1h05'53 au semi de Paris, n'apprécie guère ce genre d'épreuve. Pourquoi ? Certainement parce qu'en pente très raide, à 3-4 km/h de vitesse horizontale, l'élasticité est réduite à néant et seule la puissance compte. Les coureurs légers, aériens, élastiques, même avec une VMA ascensionnelle élevée, peuvent capituler par manque de force, c'est à dire l'incapacité à produire un maximum d'énergie dans un minimum de temps. Marcher, qui plus est avec bâtons, ce n'est pas courir ; le geste change, les contraintes biomécaniques changent, les qualités physiologiques requises changent ; tout est à réinventer. Les photos précédentes (Fully et Chamonix) nous feraient même penser à 2 sports différents.

 

A PLEINE PUISSANCE

Prenons à pésent le cas d'Urban Zemmer, meilleur performer mondial. Le gaillard mesure 175cm et pèse 70 kg, soit un IMC de 22.9 ! L'indice pertinent semble être alors le rapport Puissance/Poids en Watt par kilogramme. En KV, même si le poids reste un ennemi, il vaut mieux être puissant que léger. Sur la même course que Zemmer, les montagnards Meyssat et Fontaine présentent des rapports Puissance/Poids respectifs de 4.9 et 4.8 watt/kg, contre 5.37 pour l'italien (fig 5).

 

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LA TECHNIQUE LA PLUS PARFAITE EST CELLE QUE L'ON NE REMARQUE PAS – PABLO CASALS

 A potentiel égal, c'est sur la technique que se fait la différence en KV : la pose du pied, la poussée qui suit, l'amplitude du pas ou de la foulée, sa fréquence, les ondulations du centre de masse, et bien entendu l'utilisation des bâtons qui prolongent les bras de l'athlète. La fluidité des spécialistes dans les parties les plus pentues ou les plus techniques est admirable. On ne parle plus de coût énergétique de la foulée mais d'économie gestuelle ou corporelle. Mais l'entraîneur et physiologiste doit laisser la place au biomécanicien pour comprendre les enjeux d'un geste technique et fluide.

 

Pascal BALDUCCI

06 75 83 75 67

Collaborateur Trails Endurance-Mag

Consultant Terre de Running

Préparateur Physique et Mental

Doctorant Physiologie CRIS Lyon1

 

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