Energie et corps humain

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Importance relative des sources d’énergie d’un athlète en fonction de la durée de l’effort
(source : SporTech)

Jeux olympiques obligent, intéressons-nous un peu à l’énergie dépensée par les athlètes dans leurs performances. Les physiologistes distinguent trois sources d’énergie :

  • une source anaérobie alactique (pour moins de 30 secondes d’effort) ;
  • une source anaérobie lactique (pour moins de 3 minutes d’effort) et
  • une source aérobie (pour plus de 3 minutes d’effort).

Comme le montre le schéma ci-dessus, les trois sources fonctionnent en parallèle à des degrés divers.

Comme tous les animaux, les êtres humains trouvent l’énergie nécessaire à la vie, dans la nourriture. Celle-ci est stockée sous forme de sucres. Les aliments sont notre carburant, l’oxygène que nous respirons sert de comburant (cf. Les explorateurs de l’énergie).

L’énergie produite par le corps humain sert, au minimum, à maintenir la température du corps à environ 37°C et à faire fonctionner les organes essentiels à la vie (cœur, reins, cerveau…). C’est le métabolisme de base.

L’article de la Wikipedia sur le sujet nous donne des formules dont celles de Black et al. (1996), qui font référence pour calculer le métabolisme de base  :

  • Femmes : MB = 0,963.P0,48.T0,50.A-0,13
  • Hommes : MB = 1,063.P0,48.T0,50.A-0,13

Où : MB est le métabolisme de base en mégajoules (MJ), P est la masse en kilogrammes, T est la taille en mètres et A est l’âge en années

Ainsi, le métabolisme de base d’un homme de 60 ans, mesurant 1,76 m et pesant 85 kg s’élève à 7175 kJ/jour. Celui d’une femme de 35 ans, mesurant 1,66 m et pesant 70 kg s’élève à 6000 kJ/jour. Ces valeurs correspondent respectivement à des puissances moyennes de 83,0 et 69,4 watts. A comparer avec une ampoule électrique à incandescence.

Au delà du métabolisme de base, tout effort effectué grâce aux contractions musculaires, nécessite aussi de l’énergie.

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Usain Bolt lors des championnats du monde d’athlétisme à Berlin en 2009 Photo Erik van Leeuwen (GFDL)

Une étude intéressante, réalisée à l’Université de Mexico en 2013, a montré que Usain Bolt avait produit une force horizontale constante de 815,8 N (proche de son poids), lors de son record du monde en 2009 à Berlin (en 9,58 secondes).

Cette force lui est nécessaire pour accélérer dans les premiers mètres (l’énergie cinétique augmente), ainsi que pour lutter contre le frottement avec le sol et résistance de l’air, tout au long de la course. Le frottement avec est proportionnel à la vitesse de l’athlète. En l’absence de vent, la résistance de l’air est proportionnelle au carré de sa vitesse.

L’athlète a donc produit une énergie totale égale à 81,58 kJ, soit une puissance moyenne de 81580/9,58 = 8516 watts pendant les 9,58 secondes. L’étude a montré d’autre part que 7,8% seulement de cette énergie ont été consacrés à son déplacement. Le reste (92,2%) s’est dissipé en frottements (sol et air). Quel gâchis !

Enfin, l’étude a montré aussi que la puissance nécessaire pour lutter contre la résistance de l’air représentait environ 11% de la puissance nécessaire pour lutter contre tous les frottements, une fois la vitesse de l’athlète stabilisée (12,15 m/s).

Il va de soit que la majeure partie de la source d’énergie d’Usain Bolt lors des 100 m, est de nature anaérobie alactique.

Dans un prochain article, nous nous intéresserons aux cyclistes.

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