Individualiser l’entraînement, une question de physique des matériaux

Stephen Seiler a récemment proposé de lire l’entraînement à travers le prisme de la physique des matériaux [1]. L’idée est que chaque athlète, tout comme chaque matériau, réagit différemment à une charge appliquée, et que ce n’est pas la charge en elle-même qui compte, mais la contrainte qu’elle crée et la déformation qu’elle provoque.

Pour poser les bases de cette analogie, un détour par la mécanique s’impose.

Notion de charge, contrainte et déformation

Lorsqu’on applique une force sur une poutre, trois grandeurs entrent en jeu.

• La charge (load) est la force externe appliquée à la structure.
• La contrainte (stress) est la force rapportée à la section du matériau qui la supporte : c’est la pression interne que subit la structure. Comme il le sera expliqué après, une même charge génère des contraintes très différentes selon la géométrie de la poutre.
• La déformation (strain) est la réponse du matériau à cette contrainte : il plie, s’étire, se raccourcit ou se tord.  

Si la contrainte est modérée, la déformation reste réversible (zone élastique). Si elle est trop forte, la matière garde une trace (zone plastique), voire casse (rupture).

Figure 1 : Comportement d’une poutre sollicitée en traction par une force externe F

Même charge, contrainte différente

Prenons deux poutres, l’une fine et l’autre large, de même matériau. En appliquant la même charge F sur chacune, la poutre fine fléchira davantage car la contrainte interne est plus élevée. La poutre large quant à elle résistera mieux puisque la force est répartie sur une plus grande surface.

Figure 2 : Comparaison du comportement de deux poutres de même matériau mais de section différente sous un même effort F

Même matériau, contrainte différente

Maintenant, prenons une seule poutre rectangulaire. Si la charge est appliquée sur la petite largeur, elle se déformera peu : le moment quadratique de section est plus élevé dans cette orientation, ce qui lui confère une plus grande rigidité. Appliquée dans l’autre sens, la même charge produit une déformation bien plus importante.

Figure 3 : Effet de la direction d’application de la charge

Même contrainte, déformation différente

Enfin, si une même contrainte est générée dans deux poutres de géométrie identique (même section) mais constituées de matériaux différents, leur réponse mécanique peut être différente. Selon les propriétés du matériau, plusieurs comportements peuvent être observés :

• Domaine élastique important : le matériau retrouve sa forme initiale après déchargement. Exemple : l’acier (tant que la limite d’élasticité n’est pas dépassée).
• Domaine élastique limité mais domaine plastique important : le matériau peut subir de grandes déformations permanentes avant de rompre. Exemple : de nombreux polymères (plastiques).
• Domaine plastique très faible, voire inexistant : le matériau rompt avec peu de déformation permanente. Exemple : le béton (en traction)

Ainsi, à contrainte identique, la réponse d’un matériau dépend de ses propriétés mécaniques intrinsèques. Celles-ci déterminent sa capacité à se déformer, à dissiper l’énergie et, finalement, à résister ou non à la rupture.

Figure 4 : Effet du matériau sur le comportement d’une poutre pour un même état de contrainte

Ces trois concepts (charge, contrainte et déformation) dépassent largement le cadre de l’ingénierie. Ils offrent une grille de lecture particulièrement pertinente pour comprendre ce qui se passe dans le corps d’un athlète à chaque séance d’entraînement.

Physiologie de l’entraînement : même logique

L’entraînement est une succession de charges appliquées à un organisme vivant, et, comme pour les matériaux, tout repose sur le trio charge, contrainte, déformation [2][3]. Cependant, la différence fondamentale avec les matériaux inertes, c’est que le corps humain s’adapte à la contrainte pour mieux y répondre la fois suivante : il progresse. 

Néanmoins, cette adaptation n’est pas linéaire : il ne suffit pas d’augmenter la contrainte pour augmenter proportionnellement la progression. La relation entre charge et adaptation suit plutôt une logique de dose optimale :

• Si la charge est trop faible, la contrainte est insuffisante → peu voire pas de progrès.
  
• Si la charge est trop forte, la contrainte dépasse la capacité d’adaptation → fatigue chronique ou blessure.
  
• C’est seulement dans une zone intermédiaire que la déformation temporaire mène à un gain durable : la charge est suffisamment élevée pour stimuler l’adaptation, mais pas trop forte pour permettre la récupération avant d’appliquer un nouveau stimulus.

Cela illustre l’importance du suivi précis de la charge et de la réponse de l’athlète à cette dernière, pour se situer dans la zone optimale d’adaptation.

La charge : ce qu’on impose

C’est le stimulus externe, défini par la relation entre l’intensité et la durée. Par exemple, une séance de 6 × 5 minutes au seuil. Cette charge est objective, mesurable : elle correspond à la “force” qu’on applique à la structure biologique.

La contrainte : ce que l’on encaisse

La contrainte correspond à la réponse interne générée par une charge externe. Elle représente les sollicitations physiologiques et mécaniques imposées à l’organisme : fréquence cardiaque, consommation d’oxygène, concentration en lactate, oxydation des lipides, température centrale, etc.

À charge externe identique, deux athlètes peuvent générer des contraintes internes très différentes. Une même séance, par exemple 6 × 5 minutes au seuil, ne provoquera pas nécessairement la même réponse physiologique chez deux individus : leur fréquence cardiaque, leur VO₂, leur lactatémie ou leur contribution énergétique ne seront pas identiques. Cette différence s’explique par les caractéristiques propres de chaque athlète, leur « section physiologique ».

A noter que cette « section » peut évoluer avec le temps : l’entraînement modifie progressivement la manière dont l’organisme répond à une même sollicitation.

La déformation : la réponse biologique

D’après [1], Stephen Seiler définit le « strain » comme la perturbation temporaire de nos systèmes physiologiques et psychologiques induite par la réponse au stress nécessaire pour s’adapter à une charge d’entraînement donnée.

Cette réponse peut se manifester par :

• une diminution temporaire de la performance ;
• une augmentation de la fatigue perçue ;
• des perturbations du système nerveux autonome ;
• des dommages musculaires ou une altération de la fonction musculaire ;
• une modification des marqueurs physiologiques.

La capacité d’un athlète à absorber cette déformation dépend de son état du moment et de sa capacité de récupération. À contrainte identique, deux athlètes peuvent donc présenter des réponses très différentes : l’un retrouvera rapidement son état initial et sera capable d’enchaîner une nouvelle sollicitation, tandis que l’autre conservera une perturbation plus importante et nécessitera davantage de temps avant de revenir à son niveau de base.

L’objectif de l’entraînement est précisément de provoquer une déformation suffisante pour stimuler l’adaptation, sans dépasser la capacité du système à revenir à son état initial. Lorsque la sollicitation est correctement dosée, la répétition des cycles contrainte → déformation → récupération → adaptation permet progressivement d’augmenter la capacité de l’athlète.

Et chez un même athlète ?

L’analogie de la poutre rectangulaire illustre un autre phénomène tout aussi important : la même charge, appliquée dans deux directions différentes, ne génère pas la même déformation, même sur une structure identique.

Chez un athlète, le principe est identique. Deux séances peuvent présenter la même charge d’entraînement tout en induisant un « strain » différent selon qu’elles sollicitent un point fort ou un point faible. Elles ne nécessitent donc pas forcément la même récupération ni le même suivi. Une séance ciblant un point faible mérite d’être précédée et suivie de davantage de marge, non pas parce qu’elle est intrinsèquement plus difficile, mais parce qu’elle provoque une perturbation physiologique plus importante pour un même niveau de charge externe.

Conclusion

Comme en mécanique, tout l’art de l’entraînement consiste à rester dans la zone élastique : celle où la contrainte provoque une déformation temporaire réversible, source d’adaptation. C’est cette répétition dans la zone élastique, et non une déformation unique profonde, qui est le moteur de la progression via des adaptations biologiques cumulatives. L’objectif d’un suivi de la charge adapté et individualisé, c’est d’obtenir le maximum d’adaptation possible tout en gardant la contrainte à un niveau que le corps peut tolérer et assimiler rapidement, de sorte à pouvoir répéter le stimulus.