Aquabiking et élastique – Partie 1

Depuis quelques années les propriétés spécifiques de la résistance élastique et leurs effets sur la performance motrice sont étudiés par les scientifiques. Pour faire la lumière sur les connaissances actuelles sur cette résistance, et balayer les mauvaises informations qui circulent encore sur internet et dans certaines formations, cet article (en 2 parties) a pour but de vous présenter les principes scientifiques qui sous-tendent la résistance élastique, l’intérêt de ce type de résistance et ses applications dans le domaine de l’aquabiking et celui de la santé.

Un peu d’histoire

La résistance élastique est utilisée depuis plus d’un siècle dans l’entraînement en force. Le pionnier du culturisme, Friedrich Wilhelm Mueller (1867-1925), plus connu sous le nom d’Eugen Sandow, fut le premier à utiliser une résistance élastique pour ses entraînements. Les sandow sont d’ailleurs un nom commun et caractérisent des sangles de fixation en caoutchouc servant à de nombreux usages. Aux États-Unis, au début du 20ème siècle, les élastiques «Whitely exerciser» promettaient « Santé, force, grâce et forme : comment les avoir, comment les garder » pour les enfants, les femmes et les hommes. Dans les années 50, c’est Paige Palmer (1916-2009) qui fut l’une des premières femmes à populariser le fitness à la télévision. Elle conçut des équipements de sport pour les femmes dont une bande élastique, la Stretch rope vendue avec une fiche explicative des exercices possibles et spécifiquement adressée aux femmes pour tonifier son corps.

Jusque dans les années 60 et 70, la résistance élastique (sous forme de tubes chirurgicaux ou de chambre à air) était utilisée pour le renforcement musculaire dans les milieux sportifs mais également pour la rééducation par les kinésithérapeutes. C’est en 1978, que plusieurs kinésithérapeutes ont approché une société, Hygenic Corporation, qui fabriquait initialement des morceaux de latex pour la dentisterie. Leur idée était de concevoir des bandes élastiques avec des niveaux de résistances différents, codifiés par des couleurs. C’est ainsi qu’est née la plus célèbre gamme de bandes élastiques destinées principalement à des fins thérapeutiques.

Dans les années 80, différents appareils de musculation avec résistance élastique à destination du grand public ont vu le jour. La tendance était au minimalisme et l’idée innovante à cette époque était de remplacer les charges traditionnelles de fonte par une résistance élastique qui ne pèse rien mais qui fournit tout de même une résistance. Certaines machines, comme le Soloflex^® en 1985, permettaient d’étirer plus ou moins les élastiques et/ou de placer des élastiques plus ou moins gros pour varier la tension lors des exercices.

Dans les années 60, la résistance élastique fut incluse dans un programme aérospatial. Une presse horizontale fut construite en 1987, mais jamais ne sortit de l’atmosphère terrestre. Toutefois, le concept n’est pas mort puisqu’il est possible de retrouver aujourd’hui, dans de nombreux cabinets de kinésithérapeutes, des presses Vector de la société Easytech.

Jusque dans les années 80, la résistance élastique n’était considérée que comme une autre source de tension, une option moins chère et plus facilement transportable de son équivalent en fonte. Enfin, c’est à cette époque, qu’un athlète de force américain du nom de Louie Simmons, fondateur du Westside Barbell, a popularisé l’usage de la résistance élastique pour l’entraînement des athlètes de force avec des bandes bien plus épaisses qui permettaient de fournir des dizaines de kilogramme de tension.

Aujourd’hui, la résistance élastique se décline sous de nombreuses formes et répond à différents objectifs :

• la rééducation musculaire et articulaire,
• l’amélioration de la condition physique et l’augmentation de la force musculaire.

Bandes élastiques : Une résistance variable

1. Les différents types de résistance

Pour bien comprendre la particularité de la résistance élastique, nous devons nous intéresser brièvement aux différents types de résistance qui induisent des adaptations musculo-squelettiques. Il en existe trois :

• la résistance externe constante,
• la résistance avec adaptation,
• la résistance variable.

• La résistance externe constante : La charge déplacée reste la même tout au long de son déplacement. Si vous soulevez un haltère de 10 kg avec le bras, quelque soit la position dans l’espace de votre bras, l’haltère pèsera toujours 10 kg. Cette résistance est dépendante de l’accélération gravitationnelle.
• Les résistances adaptatives (ou accomodatives) : Ce type de résistance consiste à adapter la résistance pour permettre à l’athlète de développer des forces maximales à différentes vitesses sans être affecté par les propriétés inertielles de la charge.L’isocinétisme est un exemple de résistance avec adaptation. La résistance est adaptée grâce à une machine en fonction de la force exercée par l’athlète pour maintenir la vitesse choisie constante. En résumé, pour une articulation isolée, à chaque angle, l’athlète fournira un effort maximal. Les résistances hydrauliques et pneumatiques sont des exemples de résistance avec adaptation, même si leur classement oscillerait plutôt entre résistance avec adaptation et résistance variable.
• Les résistances variables : Ce type de résistance a pour objectif de modifier la résistance externe lors de la trajectoire d’un exercice pour simuler les différentes relations force – angle articulaire rencontrées chez l’homme. On retrouve dans cette catégorie les systèmes de cames et de leviers popularisés par Nautilus^® et Universal^®, les chaines et les bandes élastiques. Dans le cas des bandes élastiques, plus celles-ci sont étirées et plus la résistance augmente. Certains articles confondent la résistance adaptative et la résistance variable lorsqu’il est question des bandes élastiques.

Retenez simplement que l’élastique n’adapte pas sa résistance en fonction de la vitesse d’exécution du mouvement, mais bien en fonction de l’étirement.

2. Propriétés mécaniques des bandes élastiques

a. Le matériau

La plupart des bandes élastiques sont issues du latex naturel, récolté sur l’hévéa par saignées. À l’air libre, le latex coagule naturellement, et le caoutchouc s’obtient par coagulation du latex à environ 120°C. Cependant, le caoutchouc ainsi formé est collant et possède un très mauvais comportement face aux écarts de températures. Il devient cassant lorsque les températures sont froides et il devient poisseux lorsque les températures sont chaudes.

Pour palier à ce problème, Charles Goodyear a mis au point en 1842 un procédé chimique appelé vulcanisation. C’est un mélange d’agents vulcanisants (le plus souvent du souffre) à un élastomère (le caoutchouc) pour former après cuisson des ponts entre ses chaines moléculaires.

Il vous faut imaginer que les polymères (dont les élastomères font partie) sont composés de macromolécules (une chaîne de monomères plus ou moins longues) qui s’enroulent les unes aux autres à la manière d’une assiette de spaghettis. Dans le cas des élastomères, une chaîne contient plus de 10 000 monomères. Des ponts d’origine chimique relient les chaînes entre elles, et dans le cas des élastomères, le nombre de ponts est faible : environ 1 pour 100 monomères. C’est justement ce faible nombre de ponts qui permet une très grande élasticité. Or, c’est la vulcanisation qui permet de créer ces ponts. Cependant, trop de ponts réduiront l’élasticité du matériau, et trop peu de ponts auront pour conséquence un mauvais comportement aux variations de température. Ce sont ces ponts qui donnent à la bande élastique sa mémoire de forme. La vulcanisation est donc une étape clé dans le processus de fabrication des bandes élastiques.

b. Comportement des bandes élastiques lors de la déformation

Grâce à l’union des macromolécules par des ponts chimiques, les bandes élastiques ont cette propriété de fournir une tension de plus en plus importante à mesure qu’elles sont étirées. Comme pour tous les matériaux, il est possible de réaliser un test de traction afin de connaître précisément les caractéristiques du matériau, et pour les bandes élastiques cela peut se résumer à savoir la résistance de la bande en fonction de l’étirement.

Concernant la manière dont la résistance des élastiques augmente en fonction de l’étirement, il est commun de lire que c’est une tension croissante et linéaire. Ce n’est pas tout à fait exact. Le comportement des polymères est loin d’être aussi simple. Pour simplifier les choses, il est possible de considérer que la tension d’une bande élastique évolue en 3 phases :

1. Entre 0 et 50% environ, les macromolécules se déplient et s’alignent…
2. Entre 50 et 500%, elles s’allongent…
3. Au-delà, les macromolécules sont complètement allongées, et l’étirement est localisé sur les ponts chimiques. En brisant les ponts, la bande élastique perd ses propriétés de mémoire de forme. In fine, l’étirement mènera à la rupture.

Au-delà de 50 %, le comportement des bandes est presque linéaire, c’est-à-dire que lorsque la bande est étirée d’au moins la moitié de sa longueur initiale de repos, la relation entre l’étirement et la tension est constante, et ce, jusqu’à environ 500% de déformation. Plus vous étirerez l’élastique, plus sa tension sera forte et ce, de manière proportionnelle. Une phase linéaire peut être expliquée par la loi de Hooke.

L’utilisation classique des bandes élastiques en musculation, aquabiking et préparation physique se situe généralement entre 50 et 200%.

Il faut également prendre en compte que la quantité de matière joue un rôle dans la tension. En effet, deux élastiques de longueurs égales n’auront pas forcément la même tension à une déformation de 100 %. Cette différence viendra de l’aire de section. La bande d’aire de section A₁ possède une tension moins grande que celle d’aire de section A₂. Ainsi, si vous doublez une bande élastique, vous aurez deux fois plus de tension. De même que l’addition de différentes bandes élastiques permettra d’augmenter la résistance.

Enfin, les processus de vulcanisation lors de la conception des bandes vont déterminer le nombre de ponts entre les chaînes de monomères. Ce processus influencera également la tension des bandes élastiques, comme nous l’avons décrit ci-dessus.

Plus je tire sur la bande élastique, et plus la difficulté augmente.

Les bandes élastiques ont une très grande élasticité. L’élasticité est la capacité d’un matériau à se déformer plus ou moins et à revenir à sa position initiale sans dommage une fois relâché. Passé un certain seuil, le matériau subira des dommages et ne reviendra plus tout à fait à sa forme d’origine (ce sera la déformation plastique), une trop grande déformation peut également conduire à la rupture.

Dans le cas des bandes élastiques, l’élasticité est très importante. La plupart des études ont mesuré les tensions de bandes élastiques correspondant à des allongements supérieurs à 150 % de la longueur initiale de repos. Selon la composition des bandes élastiques, elles pourraient ne pas subir de dommage jusqu’à plus de 300 % de déformation.

c. Comportement des bandes élastiques en fatigue

Il ne s’agit pas de la fatigue de l’individu qui utilise les bandes élastiques. En mécanique des matériaux, la fatigue est un processus qui va modifier la structure d’un matériau sous l’effet de contraintes ou déformations variables répétées. Cela pourra entraîner des dégâts au matériau voire même aller jusqu’à la rupture. Et pourtant ce phénomène de fatigue peut survenir sans que les déformations répétées soient d’une intensité très forte.

La fracture de fatigue chez le sportif est liée à ce phénomène. L’os subit des contraintes répétées, des micro-fissures naissent au niveau de l’os, et les sollicitations répétées finiront par mener à la fracture.

Les bandes élastiques réagissent également à la fatigue. Durant toute la durée de vie d’une bande élastique, elle subira de nombreux cycles d’étirement-relâchement. Il n’y a aucun moyen d’empêcher ce phénomène, les bandes élastiques devront être remplacées. Quelques études se sont intéressées au comportement d’une bande élastique sous l’effet d’une sollicitation répétée.

Des chercheurs ont testé lors de 501 cycles d’étirement-relâchement 6 bandes élastiques de différentes résistances. Pour cela, un petit moteur étirait les bandes élastiques à une vitesse constante de 0,018 m·s^-1. C’est à dire qu’un cycle étirement-relâchement durait 22 secondes, ce qui correspondrait à une exécution d’exercice très lente. Ces chercheurs ont testé les 6 bandes élastiques pour deux déformations : 100 % et 200 % de leur longueur initiale. Un capteur de force mesurait les tensions provoquées par la déformation.

Sur les 501 cycles, les chercheurs ont observé une diminution de la tension de 5 à 12 % pour une déformation de 100 % de la longueur initiale, et une diminution de la tension de 10 à 15 % pour une déformation de 200 % de la longueur initiale. Néanmoins cette baisse de tension est intervenue lors des 50 premiers cycles, et la tension est ensuite restée constante sur les cycles suivants.

D’autres ont également étudié le comportement en fatigue des bandes élastiques. Deux échantillons d’une même bande ont subi environ 5800 cycles d’étirement-relâchement. Un cycle correspondait à une variation entre 100 % et 200 % de la longueur initiale de l’échantillon. Ces auteurs n’ont pas observé de différences significatives entre le premier cycle et le dernier cycle. La différence moyenne de tension entre le premier et le dernier cycle était d’environ 0.31 Newton, soit 0.031 kg.

Cette équipe a également constaté qu’il existait une différence de tension entre une bande étirée 20 fois manuellement avant d’être testée et une bande neuve. Néanmoins, ils ont constaté que même si la longueur de repos initiale de la bande augmente, la tension relative à la déformation reste la même.

d. Influence du temps sous tension et de la vitesse d’étirement

Les bandes élastiques laissées dans une position d’étirement constant peuvent subir des dommages irréversibles. C’est ce qui est appelé le fluage. C’est à dire que sous l’action d’une charge constante ou d’une tension constante, des déformations irréversibles interviennent sur la matériau. Il est donc recommandé de ne pas laisser les bandes élastiques dans une position étirée trop longtemps.

La vitesse d’étirement ne semble pas avoir d’influence sur les bandes élastiques. Des chercheurs ont testé deux vitesses différentes d’étirements sur des bandes élastiques (0.085 cm·s^-1 et 0.009 cm·s^-1) et n’ont observé aucune différence au niveau de la tension. Néanmoins, les vitesses testées ne représentent absolument pas des vitesses d’étirements normales observées lors d’exercices (entre 10 et 50 cm·s^-1). Cette hypothèse s’appuie sur le fait que les polymères sont sensibles à la vitesse de déformation. Plus la vitesse d’étirement est grande, et plus les polymères seront rigides et fragiles. A l’inverse, plus la vitesse d’étirement est faible et plus ils seront souples et ductiles. À, l’exception de cette étude et à notre connaissance, aucune étude ne s’est intéressée à ce phénomène sur des bandes élastiques à des vitesses normales d’exécution d’un geste sportif. Il est possible de supposer que la vulcanisation empêche cette variation de résistance en fonction de la vitesse d’étirement.

Pour résumer cette partie :

• La résistance élastique est variable. Plus vous étirez une bande élastique et plus la résistance que vous rencontrerez sera grande.
• Vous pouvez étirez une bande élastique sans risque, pour vous et pour la bande, jusqu’à plus de 4 fois sa longueur initiale de repos.
• L’addition de bandes élastiques provoquera la somme de leur résistance.
• Lorsque les bandes élastiques sont neuves, 20 à 50 pré-étirements vont augmenter légèrement leur longueur, mais celle-ci restera sensiblement la même ensuite.
• La tension qui diminue n’est que relative. Une bande plus longue aura besoin d’un étirement plus grand pour produire une même tension.
• Les bandes élastiques vieillissent et sont affectées par de nombreux paramètres mécaniques (nombre de cycles d’étirement-relâchement, pourcentage de déformation) et des paramètres environnementaux (humidité, abrasion, etc.). Il sera nécessaire de les changer lorsque des défauts apparaissent sur les bandes, comme des coupures ou des zones blanches par exemple.