Influence de la vitesse de nage et des dimensions corporelles sur la consommation d'oxygène à la brasse

Science & Sports, 2 (1987) 293-301 © Elsevier, Paris

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Article original

Influence de la vitesse de nage et des dimensions corporelles sur la consommation d'oxyg ne la brasse G. B O I E et R. M O N T P E T I T

D d p a r t e m e n t d'~ducation physique, Universit~ de Montrdal, C.P. 6128, succursale A , M o n t r e a l (Qudbec) H 3 C 3J7, Canada (Re~:u le 8-6-1987; accept~ le 26-10-1987)

R6sum~ - Cette 6tude consiste b. analyser, chez une population de nageurs entraTn6s, la relation entre la vitesse de nage, les dimensions corporelles et la consommation d'oxyg6ne (~rO2)/t la brasse. Les r6sultats indiquent que l'6volution de "v'O2 (l/rain) en fonction de la vitesse de nage peut tr~s bien ~tre d6crite par une fonction lin6aire (r=0,88) pour des vitesses comprises entre 0,7 et 1,1 m/sec. De toutes les variables 6tudi6es, le poids corporel mesur6 dans l'air (Pa) pr6sente la plus forte association avec le "v'O2 mesur6/t une vitesse de 0,9 m/sec. Ainsi, les nageurs les plus lourds obtiennent des valeurs de 4 0 2 (1/min) ~ 0,9 m/sec, 34°70 plus 61ev6es que les nageurs les plus 16gers. L'analyse allom6trique ( 4 0 2 = a.Pa b) a confirm6 que l'influence de Pa sur le ~QO2 mesur6 ~t une vitesse de 0,9 m/sec est tr6s significative. En effet, il y a ~t peu prbs proportionnalit6 directe entre ces deux variables. Cela souligne l'importance de tenir compte de Pa dans toute comparaison interindividuelle de ~'O 2. natation / morphologie / consommation d'oxyg~ne / allom6trie

S u m m a r y - Influence o f s w i m m i n g velocity and b o d y dimensions on o x y g e n c o n s u m p t i o n in s w i m m e r s using breaststroke. The relationships between swimming velocity, body dimension and oxygen consumption were studied on 38 well-trained swimmers using breaststroke. The subjects were assigned to three different weight groups (46, 56, 66 kg). The characteristics o f each group are presented in Table L Each subject was submitted to three submaximal swimming tests. Swimming velocities were paced by an electronic light system. (/0: measurements were taken using the method described by Montpetit et al. (1981). To study the effect o f body dimension, (I02 was calculated f o r each subject at a common velocity o f 0.9 m/sec. Statistical analysis o f the data (regression and correlation) revealed that the relationship between (/02 and velocity couM be described by a linear function for a specific range o f speeds (0. 7-1.1 m/sec). A m o n g the variables studied, body weight showed the highest correlation (r=0.87) with the (/02 measured at 0.9 m/sec. In fact, the results have shown that the heavier swimmers (66 kg) had higher (/02 (1~rain) than the lighter ones (56 and 46 kg). The covariation o f (/02 (1~rain) at 0.9 m/sec and body weight expressed as a power function revealed that body weight has a significant influence on the energy consumption at that speed. According to the value o f the exponent ~b~ obtained with the logarithmic equation (0.87), we must emphasize that the relationship which exist between body weight and (/02 at 0.9 m/sec is almost directly proportional. Then it is appropriate to express (/02 at 0.9 m/sec in ml/kg.min -1 in comparing interindividual value o f (/02. A t higher speeds however, it is hypothesized that the exponent would increase. Further studies are needed to determine the appropriate exponent. swimming I oxygen consumption I body dimension I allometry

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G. Boie et R. Montpetit

Introduction Si les travaux concernant l'6nerg6tique du crawl sont nombreux (Holmer, 1974; di Prampero et al., 1974; Pendergast et al., 1977; Montpetit et al., 1983), ceux 6tudiant la brasse telle qu'elle est nag6e aujourd'hui sont relativement limit6s. En effet, mis part les travaux anciens de Karpovich et Millman (1944), Hemmingsen (1958) et Andersen (1960) bas6s sur quelques sujets de niveau d'habilet6 moyen, seul Holmer (1974) a mesur6 la consommation d'oxyg6ne (@O2) ~ des vitesses 61ev6es correspondant aux vitesses d'entra~nement d'aujourd'hui mais chez un petit effectif de brasseurs de haut niveau. Bien que tr6s int6ressantes, les donn6es de Holmer (1974) n'ont pas fait l'objet d'une v6rification exp6rimentale. De plus, ~t notre connaissance, il n'existe pas d'article 6tudiant sp6cifiquement l'effet de la grosseur du corps sur le cofit 6nerg6tique a6robie de la brasse. En revanche, plusieurs travaux de Montpetit (1984a, b, c, 1987) pr6sentent un 6tat de la question pour le crawl, dont certains 616ments nous serviront de points de comparaison. Pour l'ensemble de ces raisons, il nous est apparu opportun d'6tudier la relation entre le VO 2 mesur6 /t la brasse et la vitesse de nage (v), et de voir si certaines caract6ristiques morphologiques n'dtaient pas responsables des variations de VO 2 enregistr6es chez un nageur de brasse ~t une vitesse donn6e.

M~thodes

Sujets Trente-huit nageurs entrMn6s, pratiquant la natation raison d'au moins dix s~ances hebdomadaires, ont par-

ticip6 ~t cette 6tude. Ces derniers ont 6t6 r6partis en trois groupes de poids corporel moyen (Pa) diff6rent, i.e. 46, 56 et 66 kg. Les principales caract6ristiques des sujets sont prdsentdes dans le Tableau I.

Mesures Chaque nageur a 6t6 soumis/t une s6rie de mesures anthropom6triques comprenant principalement le poids corporel mesur6 dans l'air (Pa), la stature (S) et l'envergure (E). La surface corporelle (Sc) a 6t6 calcul6e ~t partir de l'6quation de Dubois et Dubois: S c = ( P a °'425) X (80'725) X 0,007184 O/1 Pa est exprim6 en kg, S e n cm, et o/1 0,007184 est une constante permettant de calculer Sc en m 2. Nous avons aussi mesur6 le poids corporel dans l'eau en submersion totale suivant la tec.hnique d6crite par Katch et al. (1967). La mesure du VO 2 au cours de la nage s'est d6roul6e dans un bassin de 25 m, dans lequel la temp6rature de l'eau 6tait maintenue entre 26 et 27°C. Apr6s un 6chauffement de 5 min, chaque nageur 6tait soumis ~ttrois 6preuves sous-maximales ~tla brasse d'une dur6e d'environ 4 min chacune. La vitesse du premier palier a 6t6 6tablie entre 0,6 et 0,8 m/sec en fonction du niveau de performance du sujet. Pour les paliers subs6quents, la vitesse 6tait augment6e d'environ 0,1 m/sec. Chaque 6preuve de nage 6tait suivie d'une p6riode de repos (10 rain). Les vitesses de nage 6taient impos6es par un programmateur 61ectronique commandant la mise sous tension de lampes disposdes au fond du bassin. L'air expir6 6tait recueilli dans deux sacs de n6opr6ne pendant 45 sec, durant la 3e et la 4e min de l'effort. Les valeurs de "~O2 rapport6es repr6sentent la moyenne des deux collectes de gaz. L'appareillage n6cessaire au recueil des gaz incluait un dispositif 6tanche sp6cialement congu pour cette exp6rience et similaire/t celui d6j~t d6crit par Montpetit et al. (1981). Le volume des gaz recueilli 6tait mesur6 ~t l'aide d ' u n spirom6tre de Tissot 6talonn6, et les fractions d'oxyg6ne et de gaz carbonique 6taient d6ter-

Tableau I. Caractdristiques des sujets.

CaractOristiques Age (ans) Poids dans l'air (kg) Stature (cm) Surface corporelle (m2) * Poids dans l'eau (kg) Performance au 200 m brasse (s)

1 (n =1o) 13,1 + 1,0 46,7+3,2 160,1 + 6,0 1,46 +_0,08 1,7+0,3 182_+ 19

* La surface corporelle est estim6e ~t partir de l'6quation de Dubois et Dubois.

Groupes 2 (n = 15) 15,1 + 1,7 56,0_+3,3 164,4 +_5,3 1,61 _+0,07 2,2_+0,4 172_+ 14

3 (n = 13) 16,1 +2,2 66,1 +3,4 176,3 _+5,3 1,81 + 0,07 3,0_+0,4 162_+ 11

Natation ~ la brasse: consommation d'oxygdne min6es respectivement par des analyseurs automatiques Beckman E-2 et Beckman LB-1. Afin de permettre l'6tude de la relation ~'O2 et masse corporelle ~t une vitesse commune de 0,9 m/sec, le VO2 a 6t~ obtenu ~t partir de la droite de r6gression calcul6e pour chacun des 38 sujets. Aucun des coefficients de corr61ation de ces droites n'6tait inf6rieur ~t 0,99.

295

Tableau II. Comparaison des valeurs moyennesde consommation d'oxyg6ne ~ une vitesse de 0,9 m/sec pour des nageurs de poids corporel (Pa) diff6rent.

Nageurs 402 (1/min)

46 kg (n = 1#

Groupes 56 kg (n = 1#

66 kg (n = 13)

2,26_+0,30

2,64_+ 0,21

3,02_+0,22

Analyse statistique Les moyennes et 6carts types de toutes les variables ont 6t6 calcul6s par la m6thode conventionnelle. Les valeurs moyennes pour chacun des groupes ont 6t6 compar6es ~ l'aide d'une analyse de variance ~ un facteur contr616. Le test a posteriori de Scheff6 a 6t6 employ6 pour d6terminer off se situait les diff6rences. Une analyse de variance muttivari6e pour mesures r6p6t6es fut utilis6e pour d6terminer les diff6rences entre les pentes des droites de r6gression. Les coefficients de corr61ation ont 6t6 calcul6s par la m6thode de Pearson. Le niveau de signification utilis6 pour les diff6rents tests fut 0,05.

R~sultats Les analyses de r6gression et de corr61ation montrent que la relation entre le "¢O2 et la vitesse de nage ~t la brasse est bien repr6sent6e par une fonction lin6aire. L'6quation de r6gression permettant de d6crire cette relation est la suivante: ~'O 2 = 6,34 v - 3,04

- - . - - diff6rence significative (P < 0,05).

Tableau III. Corr61ations simples entre le "¢O2 ~ 0,9 m/sec et les variables biom6triques.

402 (1/min) Poids dans l'eau Stature Poids dans l'air

Poids a~

Stature

Poids H20

0,87 0,85 0,88 --

0,76 0,74 ---

0,73 ----

(1)

off le 4 0 2 est exprim6 en I/rain et v, la vitesse de nage, est en m/sec. Lorsque les nageurs sont r6partis en trois groupes de P a diff6rent, les droites de r6gression pour chacun des groupes ont une obliquit6 (pente) significativement diff6rente (Fig. 1). La pente la plus faible est celle des nageurs appartenant au groupe de 46 kg. La comparaison inter-groupe du ~ro 2 (1/min)/t une vitesse de 0,9 m / s e c montre que les nageurs les plus lourds (66 kg) ont un VO 2 significativement plus 61ev6 que les deux autres groupes (Tableau II). De plus, le VO 2 (~ 0,9 m/sec) est significativement plus 61ev6 dans la population de 56 kg compar6 au g.roupe le plus 16ger (46 kg). Toutes les valeurs de VO 2 en fonction de Pa sont r6unies dans la Figure 2. Dans le Tableau III, sont regroup6s les coefficients de corr61ation liant le VO 2 mesur6 ~t 0,9 m / s e c et les caract6ristiques biom6triques. De toutes les variables 6tudi6es, P a pr6sente la plus forte corr61ation ( r = 0,87).

Une 6quation de r6gression multiple a 6t6 calcu16e (Fig. 3) avec les deux meilleurs pr6dicteurs et elle prend la forme suivante: ~rO2=5,51 v + 0 , 0 4 P a - 4 , 4 1

(2)

ofa "qOz=la consommation d ' O 2 (l/rain) ~ la brasse ~t une vitesse de 0,9 m / s e c ; v = la vitesse en m/sec; P a = poids corporel mesur6 dans l'air en kg. I1 se trouve que ces deux pr6dicteurs expliquent 92% de la variance totale (R 2= 0,922).

Discussion R e l a t i o n ~:02-vitesse Th6oriquement, "~O2 (1/min) qui repr6sente une puissance devrait s'accroTtre comme le cube de la vitesse (de Groot et van Ingen Schenau, 1987). Ceci est dfi au fait que la r6sistance varie comme le carr6

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5

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E

¢

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Y3

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¢¢ W Z UJ 0 >. X 0

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Y2

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+ ZI 0

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Z 0 0

f

0

"0 + 0 i

0.6

I

I

0.8

I

|

1.2

VITESSE DE NAGE(m/s) Fig. 1. Consommation d'oxyg6ne submaximale exprim6e en l/rain, en fonction de la vitesse de nage (brasse) pour l'ensemble des sujets (n=38). ~'1 (groupe 46 kg)=4,51 v - 1 , 7 7 ; Y2 (groupe 56 kg)=5,63 v - 2 , 4 5 ; Y3 (groupe 66 kg)=6,89 v-- 3,26.

de la vitesse; c o m m e la puissance est proportionnelle au produit de la force de r6sistance par la vitesse, la puissance n6cessaire au d6placement d'un objet dans l'eau augmente c o m m e vZx v, soit v 3. Cependant, clans notre 6tude et pour l'6tendue des vitesses observ6es (0,7 ~t 1,1 m/sec), l'6volution de VO 2 peut tr~s bien ~tre d6crite par une fonction lin6aire (r = 0,88); ce qui simplifie l'estimation de

~ro 2. Si le calcul de la droite est fait en fonction de la vitesse au cube (v3), on obtient: g o 2 (1/min) = 2,55 v 3 + 0,728 (r = 0,88)

(3).

Compar6 aux valeurs p.ubli6es par d'autres auteurs (Tableau IV), le V O 2 m o y e n ~ basse vitesse est plus 61ev6 dans notre 6rude. Cette diff6-

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297

4

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|

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=

0.87

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O, 1 9

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I

30

I

38

I

50

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I

70

90

POIDS DANS L'AIR (kg) Fig. 2. Consommation d'oxyg6ne, mesur6e~tune vitessede 0,9 m/sec au cours de la brasse, en fonction du poids dans l'air des sujets. VOz= 0,41 + 0,04 Pa.

rence refl6te peut-~tre le fait que les nageurs observ6s par Liljestrand et Strenstrom (1919) et Andersen (1960) nageaient nus, et que le style de brasse de cette 6poque permettait une plus longue glisse /t basse vitesse. A plus haute vitesse, seules les observations de Holmer (1974), dans lesquelles des nageurs de haut niveau 6talent sujets d'exp6rience, peuvent servir d'616ments de comparaison. Nos r6sultats moyens, calcul6s pour une masse corpo-

relle (75 kg) semblable h celle des sujets de Holmer, sont pratiquement identiques (Tableau IV).

Influence des dimensions corporelles Depuis le d6but des comp6titions organis6es, entraTneurs et nageurs comprirent l'importance de l'hydrodynamisme: il a toujours 6t6 6vident que les forces de freinage dues ~t l'eau 6taient plus grandes

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5--

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0

•

0.7

I

I

0,9

I

I

1.1

1

T

1.3

VITESSE DE I~GE (m/s) Fig. 3. R6gressions montrant la relation entre X/O2 submaximal et la vitesse de nage (brasse).pour des poids corporels (Pa) diff6rents. La r6gression multiple s'6crit : ~/O2 = 5,51 v + 0,04 P a - 4 , 4 1 , r = 0,96, SEE = 0,24, n = 38. VOz est en l/rain ; v, la vitesse en m/sec; Pa en kg.

chez les gros nageurs. La r6sistance de l'eau est, de loin, la force la plus importante qui s'oppose ~ la progression du nageur. L'6nergie que le nageur doit fournir pour vaincre cette r6sistance est fonction de la surface mouill6e, celle-ci &ant 6videmment en proportion avec la surface totale (de Groot et van Ingen Schenau, 1987). P o u r le groupe <, la surface corporelle estim6e est de 24% sup6rieure ~ celle des <~petits nageurs>>. Or, les

valeurs moyennes de VO 2 ~t une vitesse de 0,9 m/sec pour le groupe <>sont de 34% sup6rieures /t celles du groupe <>(Tableau II). Etant donn6 que Sc fut estim6e ~ partir de Pa et de S, il est difficile d'6tablir la corr61ation entre celle-ci et le VO 2 mesur6 sans introduire un biais math6matique. D'autre part Pa, qui constitue l'un des facteurs importants dans le calcul de Sc, est lui-m~me fortement corr616 au

Natation ~ la brasse: consommation d'oxygdne

299

Tableau I¥. Comparaison du VO2 (l/rain) mesur6 au cours de la brasse par diff6rems auteurs chez des nageurs de Pa 6quivalent (< 75 g).

Vitesse m/sec 0,83 1,0 1,1

Liljestrand & Stenstrom (1919) (n =2)

Hemmingsen

Andersen

Holmer

(1958) (n = 10)

(1960) (n =2)

(1974) (n =4)

(n =38)

2,8 -

3,25a -

2,8 -

3,05 4,12 4,63

3,16 4,1 4,65

-

4 0 2 . Cela confirme sans aucun doute l'importance de !~ surface mouill6e en natation. A cela s'ajoute le fait que la mesure de Pa est un indice facile ~ obtenir et peut se substituer ~ Sc afin d'estim e r l e ~'O 2 requis ~t la brasse (6quation 2). La covariation de 4 0 2 et masse corporeUe a aussi 6t6 6tudi6e sous forme logarithmique. L'6quation est de la forme log 4 0 2 = log a + b log Pa, d'ofi 4 0 2 = a.Pa b. L'analyse de la r6gression a confirm6 que l'influence de Pa est tr6s significative. La valeur estim6e de l'exposant b est de 0,87 (SEE b = 0,08). I1 y a h peu pr6s proportionnalit6 directe entre Pa et la consommation d'oxyg6ne h une vitesse de 0,9 m/sec. Cet 6tat de fait nous justifie d'exprimer "v'O2 ~t 0,9 m/sec en ml.min-1.kg-1 pour fins de comparaisons interindividueUes. I1 ne faut pas croire, cependant, que ce coefficient reste le m~me lorsque VO 2 est mesur6 ~ des vitesses plus 61ev6es. Th6oriquement, il devrait s'accro~tre. La valeur de l'exposant de Pa, obtenue par Montpetit (1984a) chez des nageurs de crawl de m~me niveau que nos brasseurs, est plus petit (b = 0,56) que l'exposant que nous avons d&ermin6.

Variabilit~ interindividuelle du 1102 Si, effectivement, les conditions du milieu aquatique (pouss6e d'Archim6de, temp6rature de l'eau) imposent les m~mes contraintes ~t tousles nageurs, il existe entre ceux-ci de grandes diff6rences en ce qui a trait ~ la morphologie, la flottabilit6 et le niveau technique et d'entra~nement. Ces facteurs

PrOsente dtude

sont.responsables en grande partie des diff6rences de VO 2 not6es entre individus, marne de haut niveau et pour une marne vitesse de nage. Sur l'ensemble des mesures, nous avons constat6, comme d'antres auteurs (di Prampero, 1986; Montpetit et al., 1983; Montpetit et al., 1987), une grande variabilit6 du VO 2 pour une vitesse donn6e. En g6n6ral, pour toutes les vitesses observ6es, le coefficient de variation de 4 0 2 (SEE/Y x 100) 6tait 6gal ~ 14%. A titre indicatif, le coefficient de variation de la consommation d'oxyg~ne ~ la course est un peu sup6rieur ~t 7% (Costill et aL, 1973 ; Mayhew, 1977). Nos r6sultats objectivent aussi une amplitude assez consid6rable entre les valeurs maximaies et minimales. L'amplitude du ~rO2 ~ 0,9 m / see est de 1,61 l/rain. Une bonne partie des diff6rences observ6es est attribuable aux diff6rences de dimensions corporelles entre les nageurs. En effet, si 4 0 2 est exprim6 par unit6 de masse (ml.O2.min-1.kg-1), le coefficient de variation est r6duit h 9%. I1 se trouve que le tiers de la variation totale est imputable aux dimensions du corps.

Comparaison avec le crawl De tous les styles de nage, la brasse est la nage la plus cofiteuse (Holmer, 1974). A la m~me vitesse de nage (e.g. 1,0 m/sec), un brasseur de 70 kg consomme 56% plus d'6nergie qu'un sp6cialiste du crawl de m~me dimension (Montpetit et al., 1987). De plus, l'accroissement de VO 2 ~ la brasse, pour une augmentation de Pa de 10 kg, est d'environ 19%. La m~me augmentation de Pa au crawl r6sulte en un accroissement de seulement 8,5%. Deux facteurs expliquent les diff6rences de cofit entre la brasse et le crawl. Le premier a trait aux

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G. Boie et R. Montpetit

importantes phases d'acc616ration et de d6c616ration rencontr6es g l'int6rieur du cycle moteur/~ la brasse, ces derni6res entra~nant des variations consid6rables de vitesse au cours de chaque cycle propulseur. Les plus faibles fluctuations de vitesse entre cycles propulsifs se rencontrent au dos et au crawl et les plus importantes fi la brasse et au papillon (Craig et Pendergast, 1979). La perte de vitesse de translation/t l'int6rieur du marne cycle peut s'61evet ~ environ 55 et 20% de la vitesse moyenne pour la brasse et le crawl respectivement (Craig et Pendergast, 1979). Une grande vitesse de nage, coupl6e ~t une faible variation ~ l'int6rieur de chaque cycle, garantissent sur tout le parcours de comp6tition un temps meilleur que celui obtenu dans des conditions de grandes variations de vitesse, qui exigent une plus forte d6pense d'6nergie (Craig et Pendergast, 1979). Le second facteur qui contribue h une forte ddpense 6nerg6tique g la brasse a trait/t la technique particuli6re exig6e par ce style de nage. Du fair du retour sous l'eau des membres supdrieurs apr6s chaque phase propulsive et de !a difficult6 d ' u n alignement segmentaire le plus horizontal possible, la r6sistance/~ l'avancement pour une marne vitesse de nage est beaucoup plus importante h la brasse que dans tout autre style de nage. Quatre-vingt pour cent de la puissance fournie par le brasseur se d6pla9ant/t 1,0 m/sec sert/t vaincre la rdsistance de l'eau (Asmussen et Hohwii-Christensen, 1977), le reste sert/~ maintenir la position horizontale (combattre l'effet de la gravit6). Nos r6sultats ont une importance pratique /~ deux points de vue. Sur le plan comp6titif, le nageur de forme longiligne (grand et mince), mais de marne puissance musculaire que le nageur trapu, se trouvera avantag6. D ' u n autre point de vue, darts le cadre d ' u n p r o g r a m m e de prescription d'exercice bas6 sur la d6pense 6nerg6tique, on tiendra compte du Pa des sujets. L'6quation de r6gression multiple de la Figure 3 peut ~tre utilis6e /t cette fin. En r6sum6, cette 6tude vient appuyer l'hypothbse que les facteurs vitesse et dimensions corporelles ont un effet d6terminant sur la c o n s o m m a t i o n d'oxyg6ne au cours de la nage de brasse. Elle souligne l'importance de la prise en compte d.e Pa darts route comparaison interindividuelle de VO 2.

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