I. L'adaptation du système cardio-respiratoire en fonction de l'exercice d'une pratique sportive
Suite à effort physique, notre corps connait des évolutions à court et à long terme. Nous allons ici etudier les évolutions liées au système cardiaque et au système respiratoire.
Le système cardiaque
Le système cardiaque est l’ensemble des organes assurant la circulation du sang dans l’organisme. Il est composé d’un muscle, le cœur, qui joue le rôle de pompe et permet au sang de circuler dans les vaisseaux sanguins (artères, artérioles, veines, veinules et capillaires), qui eux relient le cœur et les organes.
1. La fréquence cardiaque s'adapte aux besoins des organes
Par des mécanismes complexes, le cœur est tenu au courant des besoins de l’organisme en dioxygène. Il est soumis à 2 types de contrôle. Un qui ‘’lui dis de se calmer’’, avec le nerf parasympathique, et un qui « lui demande de s’activer », avec le nerf sympathique. La fréquence cardiaque à laquelle il bat, dépend de l’ajustement de ces deux contrôles et de son propre rythme initial qui varie selon les personnes.
En cas d’une demande supérieure en dioxygène, il augmente le débit cardiaque (en augmentant sa fréquence cardiaque et son volume d'éjection systolique). Lorsque la quantité de dioxygène atteint le niveau requis, alors il se stabilise et reste à ce régime ’’moteur’’. Si la demande en dioxygène évolue à nouveau (à la hausse ou à la baisse), il réajuste sa fréquence cardiaque grâce aux systèmes de contrôle.
Elle peut se calculer selon la formule suivante et donne un résultat en pulsations par minutes :
FC max = 220 - âge en année cependant cette formule n’est pas fiable. En effet, elle repose sur une moyenne. Les sportifs ne peuvent donc se baser sur cette approximation. Il existe donc différents tests permettant de mesurer la fréquence cardiaque maximale.
Jusqu’à 75% de la fréquence cardiaque maximale : aisance respiratoire totale. Possibilité de parler sans problème en courant.
80% de la fréquence cardiaque maximale : la respiration est toujours aisée. Le souffle et la ventilation commence à apparaître.
85% de la fréquence cardiaque maximale : la respiration est encore facile, mais la ventilation se fait plus présente. Le coureur ne peut plus discuter en continu.
Quand la puissance de l’effort augmente, la fréquence cardiaque et le volume d'éjection systolique augmente jusqu’à atteindre une valeur maximale de 160mL à 350W pour le volume cardiaque et de 190 battements par minute à 415W pour la fréquence cardiaque.
Quand la puissance de l’effort augmente, la fréquence cardiaque et le volume cardiaque augmente jusqu’à atteindre une valeur maximale de 160mL à 350W pour le volume cardiaque et de 190 battements par minute à 415W pour la fréquence cardiaque.
On observe que les fréquences cardiaques au repos de Sylvain et Camille ont augmenté après l’effort et baissent peu à peu à la fin de celui-ci. En effet, le cœur assure l’approvisionnement en dioxygène des différents organes et plus principalement des muscles dont les besoins en dioxygène augmentent. Ainsi, la fréquence cardiaque augmente pour approvisionner convenablement les organes. A la fin de l’effort, les besoins en dioxygène diminuent et donc la fréquence cardiaque diminue.
Ainsi, la fréquence cardiaque varie en fonction des besoins des organes, et principalement les besoins musculaires, et permet donc aux organes de fonctionner convenablement.
2. La fréquence cardiaque évolue suite à l’entraînement
Souvent avec l’entraînement, la fréquence cardiaque diminue à l’effort comme au repos. Le cœur ne semble plus avoir besoin de battre aussi vite. Des études montrent, qu’avec un travail d’endurance le volume du cœur augmente et qu’avec un travail en résistance ses parois s’épaississent. Le volume de sang présent dans le ventricule devient plus important et la force d’éjection plus grande. Cette contraction musculaire plus puissante permet aussi au ventricule de se vider plus complètement. Donc à chaque contraction, le cœur entraîné peut envoyer plus de sang (jusqu’à deux fois plus) à une vitesse plus importante qu’un cœur non entraîné.
Avec la pratique régulière, le muscle cardiaque se développe, ses contractions sont plus puissantes et il utilise l’énergie plus efficacement. Ces adaptations ont deux conséquences.
La fréquence cardiaque diminue au repos : elle est de 50 à 60 battements par minute, voire même en dessous de 40 battements par minute pour quelques cyclistes ou marathoniens de très haut niveau. À l'effort, le débit sanguin maximal augmente beaucoup plus que chez une personne de moins bon niveau, permettant des performances très supérieures. Le cœur d'un sportif de haut niveau va pomper beaucoup plus de sang : jusqu'à 36 litres par minute contre 22 litres par minute pour une personne peu entraînée. Ce débit élevé permet un travail musculaire plus intense.
S=5 correspond à la cinquième semaine de l'entrainement et S=10 correspond à la dixième semaine de l'entrainement pour les deux tableaux.
Comparer les deux tableaux nous permet d’observer les différentes évolutions de la fréquence cardiaque suite à l’entrainement.
Les deux sujets ont progressé et leur fréquence cardiaque a diminué. En effet, la fréquence cardiaque au repos de Camille est passée de 72 à 68 pulsations par minute et celle de Sylvain est passée de 67 à 64 pulsations par minutes. On observe également que la fréquence cardiaque après l’effort de Camille a augmenté. On en déduit qu’elle se donne « plus à fond ». Enfin, on remarque que Camille a plus progressé que Sylvain. Cela est dû au fait qu’elle est sédentaire. Elle a donc une marge de progression plus importante.
Ainsi, un entraînement régulier permet d’avoir une fréquence cardiaque au repos plus basse. La diminution de cette fréquence cardiaque s’accompagne d’une augmentation de l’épaisseur des parois et du volume interne du coeur ce qui augmente le débit cardiaque. En effet, le débit cardiaque est le produit de la fréquence cardiaque et du volume d’éjection systolique. Ainsi, la fréquence cardiaque diminue suite à l’augmentation du volume cardiaque qui augmente grâce à l’augmentation de la puissance du cœur.
Cela permet également à Sylvain de récupérer plus vite. En effet, ce dernier présente une fréquence cardiaque inférieure à celle de Camille dès une minute après l’effort alors que juste après l’effort sa fréquence cardiaque était plus élevée que celle de Camille.
Enfin, avec une activité physique régulière, les muscles s’enrichissent en capillaires, à la fois parce que les muscles se développent mais aussi parce que de nombreux capillaires jusque-là inutilisés, capillaires intermittents, sont mobilisés pour améliorer les capacités d’irrigation sanguine. Les artérioles peuvent également se développer et se ramifier. Le développement du réseau sanguin s’observe également dans les poumons, le cœur et la peau. Ces nouveaux vaisseaux augmentent le volume total de l’appareil circulatoire et donc le volume sanguin. Chez le sportifs de haut niveau, le volume sanguin peut augmenter d’un à deux litres !
Le système ventilatoire
Le système ventilatoire est l’ensemble des organes assurant le bon renouvellement de l’air dans l’organisme. Il est composé de muscles : le diaphragme et les muscles intercostaux et élévateurs des côtes ; et de voies respiratoires : la bouche, le nez, la trachée, les bronches, les bronchioles et les alvéoles pulmonaires.
Le renouvellement de l’air est assuré par un mécanisme d’inspiration et d’expiration.
Lors de l’inspiration, la contraction des muscles ventilatoires entraîne une augmentation du volume de la cage thoracique augmentant ainsi une augmentation le volume intra-alvéolaire car les poumons sont accrochés à la cage thoracique. Cela créer une baisse de la pression intra-alvéolaire qui est compensée par une entrée d’air car la pression atmosphérique est supérieure à la pression intra-alvéolaire.
Au cours de l’expiration, le relâchement des muscles ventilatoires permet une baisse du volume de la cage thoracique entraînant une diminution du volume intra-alvéolaire. Cela créer une hausse de la pression intra-alvéolaire qui est compensée par une sortie d’air car la pression atmosphérique est inférieure à la pression intra-alvéolaire.
A. La fréquence ventilatoire s’adapte aux besoins des organes
La fréquence ventilatoire est le nombre de cycle respiratoire (inspiration et expiration) mesuré par minute. Nous avons observé que cette fréquence pouvait varier en fonction de l'entraînement des individus.
Chez un individu sédentaire, le nombre de cycle va être plus élevé que chez un individu entraîné. Cependant, les sportifs ont besoin de plus de dioxygène pour faire fonctionner leurs muscles dans le but d’établir d’importantes performances comme nous l’avons vu précédemment. Alors comment les individus entraînés parviennent-ils à combler leurs besoins en dioxygène plus importants que les individus non entraînés alors qu’ils respirent moins souvent ?
Il y a deux explications à cela. D’une part les sportifs peuvent inspirer un volume d’air plus important à chaque inspiration. D’autre part les sportifs sont plus économes et peuvent absorber plus de dioxygène à chaque inspiration.
En réalité, les poumons des individus non entraînés sont “plus petits”. En effet, certaines parties des poumons sont fermées et l’air inspiré ne peut y pénétrer. En s’entraînant, les sportifs ouvrent ces parties des poumons augmentant ainsi leur capacité respiratoire. Les sportifs peuvent ainsi réduire la fréquence des cycles respiratoires. En effet, chez un individu non entraîné, le diaphragme se déplace peu mais la fréquence respiratoire est comprise entre 18 et 20 cycles par minutes au repos alors que chez un individu entraîné, le diaphragme s’abaisse d’avantage et la fréquence respiratoire est de l’ordre de 6 à 8 cycles par minutes au repos. Cependant, l’augmentation de la capacité d’inspiration d’air des poumons, ne suffit pas à compenser la baisse de la fréquence respiratoire et le volume d’air inspiré baisse de 20 % par rapport aux individus non entraînés. Pour compenser cela, les sujets entraînés respirent d’une façon plus économique. En effet ces derniers développent une capacité d’absorption du dioxygène qui peut augmenter de 15 à 18 %. Pour une même puissance de travail, il a besoin de moins d’air car il peut utiliser une plus grande proportion de dioxygène.
La fréquence ventilatoire intervient dans un autre calcul : le calcul du VO2 max. En effet, le VO2 max est le résultat du produit de la fréquence ventilatoire et du débit ventilatoire.
B. Le VO2 max
1. Le Volume de Dioxygène consommé augmente à l’effort jusqu’à atteindre le VO2 max
Votre corps peut avoir besoin de jusqu'à 15 fois plus de dioxygène quand vous vous exercez, vous commencez donc à respirer plus vite et plus fort. Votre rythme respiratoire augmente jusqu'à ce que les muscles qui entourent les poumons ne puissent tout simplement pas se déplacer plus vite. Cette capacité d'utilisation maximale d'oxygène est appelée VO2 max. Le VO2 max correspond à la fréquence cardiaque maximale.
On peut calculer le VO2 max par extrapolation du volume de dioxygène consommé en fonction de la fréquence cardiaque.
L’étape une correspond à une phase de repos. Ensuite, l’individu effectue 10 flexions en une minute (étape 2), puis 15 flexions en une minutes (étape 3) et enfin 20 flexions en une minutes (étape 4).
Par extrapolation de ces résultats, on peut calculer le VO2 max de l’individu.
Ainsi, on peut calculer le VO2 max de cet individu de 20 ans en calculant la fréquence cardiaque maximale de l’individu.
On applique la formule pour calculer la fréquence cardiaque maximale :
FC max = 220-âge (en année) = 220-20 = 200 battements/minutes
Ainsi, pour un individu de 20 ans dont la fréquence cardiaque maximale est de 200 battements/minutes, le VO2 max est de 4 Litres.minutes-1.
Au cours de l’effort le volume de dioxygène augmente progressivement jusqu’à atteindre un seuil maximal : le VO2 max. Autrement dit, le VO2 max est le débit de dioxygène maximal consommé par l’organisme lorsque la puissance de l’effort est maximale. Plus une personne à un VO2 max élevé, plus la personne est en forme.
2_ Augmenter son VO2 max améliore les performances sportives
puissance de l'effort
volume de dioxygène consommé
Le système ventilatoire s’adapte à l’effort par une augmentation du volume et de la fréquence ventilatoire donc du débit ventilatoire ce qui permet une augmentation de l’intensité respiratoire jusqu’à atteindre le VO2max. Ici, le cycliste a augmenté son VO2 max mais aussi sa capacité de résistance à l’effort.
L’augmentation du VO2 max permet donc une amélioration des performances sportives car les muscles vont bénéficier d’un apport en dioxygène plus important et pourront donc fonctionner plus efficacement.
Améliorer son système circulatoire et ventilatoire permet d’augmenter les performances sportives.
1_ L’évolution de la concentration en dioxygène dans les artères et les veines à l’effort.
Quand la puissance de l’effort augmente, la concentration en dioxygène artérielle d’un muscle reste maximale à 200 mLO2.L-1 de sang à 360 Watt. Cependant, les besoins du muscle en dioxygène augmentent à l’effort mais la concentration artérielle en dioxygène reste constante. Cependant le sang amenant le dioxygène parvient aux muscles par les artères et s’en va par les veines. Pour combler leurs besoins en dioxygène, les muscles prélèvent plus de dioxygène ce qui se traduit par une forte baisse de la concentration veineuse en dioxygène comme on peut l’observer sur le graphique.
2_ L’entrainement augmente la consommation en dioxygène des organes et améliore les performances sportives.
Le cœur pompe le sang et le dirige vers les différents organes (principalement les muscles) afin de les approvisionnés en dioxygène. Plus les organes auront de dioxygène à disposition mieux ils fonctionneront permettant ainsi au sportif d’améliorer ses performances.
Sur ce graphique, on peut constater que suite à ses 6 années d’entraînement, l’individu a considérablement augmenté sa consommation en dioxygène lors d’un effort.
Au cours d’une activité physique régulière à long terme, le cœur qui est un muscle se développe. Il pompe alors plus d’oxygène qu’un cœur non musclé et va ainsi augmenter le flux sanguin de l’athlète.
Donc, les organes consommateurs de dioxygène alimentés par un cœur musclé vont tous recevoir davantage de dioxygène que ceux alimentés par un cœur moins musclé.
De ce fait, la respiration est facilitée et l’individu entraîné sera moins rapidement essoufflé qu’un individu sédentaire.
Le sportif voit ainsi ses performances améliorées grâce à une meilleure consommation de dioxygène par ses organes.
Conclusion
Ainsi l’effort physique a des conséquences multiples et variées sur l’organisme et plus particulièrement sur le système cardio-respiratoire. En effet, un effort physique augmente la fréquence cardiaque mais l’entrainement permet une baisse de la fréquence cardiaque au repos et à l’effort ainsi que l’augmentation du volume sanguin. L’entrainement permet également non pas d’améliorer la fréquence cardiaque maximale mais de retarder le moment où elle est atteinte, d’améliorer le VO2 max, d’augmenter le volume d’oxygène consommé et de réduire la fréquence ventilatoire. L’amélioration de tous ces facteurs permet d’améliorer les performances sportives.