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, plusieurs phénomènes se produisent.

• La charge (load), c’est la force externe appliquée : un effort F exercé sur la structure.
• La contrainte (stress), c’est la force rapportée à la surface qui la supporte — autrement dit, la “pression” interne que subit le matériau.
  • Deux poutres soumises à la même charge auront des contraintes internes différentes si leurs sections ne sont pas identiques.  
  • Une poutre fine subira des contraintes plus fortes qu’une poutre large, car la même force est répartie sur une plus petite surface.
• La déformation (strain), c’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

Imaginons deux poutres, l’une fine et l’autre large. On applique la même charge F sur chacune : la fine fléchira davantage, car la contrainte interne est plus élevée. La large résistera mieux, car 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 on applique la même contrainte à des matériaux différents, on n’obtient pas la même déformation :

• L’acier revient à sa forme initiale (élasticité).
• Le plastique garde la trace (déformation permanente).
• Le béton casse brutalement (rupture fragile).

C’est la nature du matériau qui détermine sa capacité à encaisser la contrainte et à s’adapter sans se rompre.

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

Ces trois concepts (charge, contrainte, déformation) ne sont pas des abstractions réservées aux ingénieurs. Ils décrivent avec une précision surprenante ce qui se passe dans le corps d’un athlète à chaque séance.

Physiologie de l’entraînement : même logique

L’entraînement, c’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, pour se situer dans cette 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

C’est la réponse interne à cette charge : fréquence cardiaque, lactate, tension mécanique, stress hormonal, charge cardiovasculaire…  

Deux athlètes réalisant la même séance (même charge externe) n’auront pas la même contrainte interne, car leur “section physiologique” diffère :

• Niveau d’entraînement,
• État de fatigue,
• Qualité du sommeil,
• Capacité de récupération,

L’un peut assimiler la contrainte avant la séance suivante, là où l’autre aurait besoin du double de temps et accumulerait de la fatigue.

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. En d’autres termes, cela représente comment notre organisme réagit pour faire face à la contrainte : fatigue, baisse de performance temporaire, puis adaptation

Une même séance, trois réponses différentes

Prenons trois athlètes qui réalisent la même séance : 6 × 5 minutes au seuil.

• Pour le premier, la fréquence cardiaque reste stable à 165 bpm, peu de dérive : il récupère en 24 h.
• Pour le second, la FC dérive fortement, fatigue musculaire importante : récupération en 48 h.
• Pour le troisième, déjà fatigué, il n’arrive pas à terminer la séance : trois jours pour s’en remettre.

Même charge, contrainte et déformation différentes.

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.