Chaussures à lames de carbone: boostent-elles vraiment nos performances?

Depuis quelque temps le monde du running subit une petite révolution. Entre les chaussures à lames de carbone et le retour d'énergie des amortis, les technologies occupent une place de plus en plus importante dans le monde de la course à pied.Mais peut-on vraiment faire un lien direct entre toutes ses technologies et l'explosion des records en course à pied depuis quelques années ? Xavier Bonnet, doctorant en biomécanique, nous répond.

Principes et utilisation de la lame de carbone

par Xavier Bonnet

La consommation d’oxygène (ou l’économie de course) d’un coureur est impactée par différents paramètres. Si l’impact négatif d’une augmentation de poids de la chaussure a un effet indéniable sur la consommation d’oxygène et est estimé à 1% pour 100g ajouté [efn_note]Franz, J. R., Wierzbinski, C. M. & Kram, R. Metabolic cost of running barefoot versus shod: Is lighter better? Med. Sci. Sports Exerc.44, 1519–1525 (2012).[/efn_note],[efn_note]E.C., F. Physiological and ergonomics factors in running shoe design. Appl. Ergon.15, 281–287 (1984).[/efn_note], la nature de l’interaction mécanique entre le pied et le sol a également un effet.

Dès 2002, Kerdok et al ont montré l’importance de la restitution d’énergie du sol en faisant varier sa raideur [efn_note]Kerdok, A. E., Biewener, A. A., McMahon, T. A., Weyand, P. G. & Herr, H. M. Energetics and mechanics of human running on surfaces of different stiffnesses. J. Appl. Physiol.92, 469–478 (2002).[/efn_note] sur la consommation d’oxygène. La souplesse et les capacités de restitution d’énergie des mousses utilisées dans les chaussures peuvent ainsi permettre également de réduire la consommation d’oxygène du coureur [efn_note]Luo, G., Stergiou, P., Worobets, J., Nigg, B. & Stefanyshyn, D. Improved footwear comfort reduces oxygen consumption during running. 4280, (2009).[/efn_note],[efn_note]Worobets, J., Wannop, J. W., Tomaras, E. & Stefanyshyn, D. Softer and more resilient running shoe cushioning properties enhance running economy. Footwear Sci. (2014) doi:10.1080/19424280.2014.918184.[/efn_note],[efn_note]Worobets, J., Tomaras, E., William Wannop, J. & Stefanyshyn, D. Running shoe cushioning properties can influence oxygen consumption. Footwear Sci.5, 8–10 (2013).[/efn_note] même si un compromis semble devoir être trouvé [efn_note]Hoogkamer, W. More isn’t always better. Footwear Sci.12, 75–77 (2020).[/efn_note].

Cette souplesse de la semelle lors d’un chargement en compression doit cependant être associée à une certaine rigidité en flexion. En effet cette rigidité en flexion permet de « soulager » les muscles contrôlant l’articulation mététarso phalangienne [efn_note]Day, E. & Hahn, M. Optimal footwear longitudinal bending stiffness to improve running economy is speed dependent. Footwear Sci.12, 3–13 (2020).[/efn_note],[efn_note]Day, E. M. & Hahn, M. E. Does running speed affect the response of joint level mechanics in non-rearfoot strike runners to footwear of varying longitudinal bending stiffness? Gait Posture84, 187–191 (2021).[/efn_note],[efn_note]Saša Čigoja. Shoe Bending Stiffness and Muscle-Tendon Unit Function in Running. (2021).[/efn_note],[efn_note]Cigoja, S. et al. The Effects of Increased Midsole Bending Stiffness of Sport Shoes on Muscle-Tendon Unit Shortening and Shortening Velocity : a Randomised Crossover Trial in Recreational Male Runners. Sport. Med. - Open (2020).[/efn_note] et peux modifier le travail des articulations sus jacentes (cheville). Cette rigidité peut être obtenue en intégrant une lame en carbone dans une mousse souple sans trop pénaliser le poids de la chaussure.

Cette intégration semble cependant devoir répondre à certains critères. En effet la position de la lame dans la semelle a son import [efn_note]Flores, N., Rao, G., Berton, E. & Delattre, N. The stiff plate location into the shoe influences the running biomechanics HAL Id : hal-02185104. Sport. Biomech.00, 1–16 (2019).[/efn_note]. La rigidité en flexion peut en effet entrainer une projection en avant du centre de poussée sur le sol [efn_note] Flores, N. Does an increase in energy return and / or longitudinal bending stiffness shoe features reduce the energetic cost of running ? Eur. J. Appl. Physiol.0, 0 (2019).[/efn_note]entrainant une modification de l’orientation de l’effort de poussée par rapport à l’alignement des articulations du membre inférieur. Cette altération, si elle augmente le bras de levier de l’appui sur le sol, entraine également une augmentation du travail des muscles contrôlant ces articulations.

L’intégration des lames demande donc une géométrie particulière incurvée sur l’avant de la chaussure. Cette courbure permet de contrôler la position du centre de poussée sur le sol en fonction du déroulé de l’avant pied. Il a ainsi pu être montré que la combinaison de ces différentes contraintes permettait de soulager l’articulation métatarso phalangienne sans augmenter le travail de la cheville [efn_note]Hoogkamer, W., Kipp, S. & Kram, R. The Biomechanics of Competitive Male Runners in Three Marathon Racing Shoes: A Randomized Crossover Study. Sport. Med.49, 133–143 (2019).[/efn_note]. De plus, il semble que la rigidité en flexion de la semelle diminue la vitesse de contraction des muscles du pied et de la cheville11 ce qui permet de placer ces muscles dans une plage de fonctionnement présentant un meilleur rendement.

Les gains sur la consommation énergétique des chaussures à lames de carbone sont en moyenne de 4% aussi bien pour des élites (<32 minutes au 10km) à des vitesses comprises entre 14 et 18 km/h [efn_note]Hoogkamer, W., Kipp, S. & Kram, R. A Comparison of the Energetic Cost of Running in Marathon Racing Shoes. Sport. Med.49, 133–143 (2019).[/efn_note],[efn_note]Hunter, I. et al. Running economy , mechanics , and marathon racing shoes Running economy , mechanics , and marathon racing shoes. J. Sports Sci.00, 1–7 (2019).[/efn_note],[efn_note]Barnes, K. R. & Kilding, A. E. A Randomized Crossover Study Investigating the Running Economy of Highly ‑ Trained Male and Female Distance Runners in Marathon Racing Shoes versus Track Spikes. Sport. Med. (2018) doi:10.1007/s40279-018-1012-3.[/efn_note] que pour les coureurs amateurs [efn_note]Hébert-Losier. Metabolic and performance responses of male runners wearing 3 types of footwear : Nike Vaporfly 4 %, Saucony Endorphin racing flats , and their own shoes Jean-Fran c. J. Sport Heal. Sci.00, 1–10 (2020).[/efn_note]. Cette économie de course peut être extrapolée pour prédire les vitesses et temps de course à partir des travaux de Kipp et al. [efn_note]Kipp, S., Kram, R., Hoogkamer, W., Alexandre, L. & Jones, A. M. Extrapolating Metabolic Savings in Running : Implications for Performance Predictions. Front. Physiol.10, 1–8 (2019).[/efn_note] qui semble être corroboré par les études statistiques récentes [efn_note]Senefeld, J. W. et al. Technological advances in elite marathon performance. medRxiv 2020.12.26.20248861 (2021).[/efn_note],[efn_note]Guinness, J., Bhattacharya, D., Chen, J., Chen, M. & Loh, A. An Observational Study of the Effect of Nike Vaporfly Shoes on Marathon Performance. UNDER Rev. 1–14 (2019).[/efn_note].

Il faut bien comprendre que ce gain de 4% s’applique à la VO2 consommée à une allure donnée. Aussi, le gain chronométrique ne peut pas excéder les 2% pour un athlète de haut niveau. Et il ne s’agit là que du gain relatif maximal dans le cas d’une chaussure totalement adaptée à l’athlète qui serait lui/elle-même répondant à 100% à cette technologie. L’apport de ces nouvelles technologies s’il ne peut être contesté doit donc être pondéré, il s’agit d’un facteur de performance parmi la multitude de ceux qui existent et ne peut légitimement pas expliquer à lui seul une performance chronométrique.

Pour discuter des chaussures à lames de carbone et de toutes les évolutions technologies autour de la chaussure de course à pied, nous recevons aujourd’hui autour de la table du i-Run Café :

Fabien PALCAUD - Vice-champion de France sur 5000m et champion d'Europe U20 par équipe de cross
Xavier BONNET - Doctorant en biomécanique et responsable de projet R&D en prothèses innovantes
Frédéric BELOUZE - Entraineur du groupe Elite au Stade Français Athlétisme
Guillaume CENTRACHIO - Animateur du podcast Dans la tête d’un coureur

Découvrez la nouvelle gamme running NITRO de Puma

Emmanuel Faivre, du site wanarun.net et et Mathilde Sénéchal, athlète Puma, Championne de France de cross espoir et vice-championne de France élite sur 5 000 mètres nous présentent la nouvelle gamme running Puma, dotée de la technologie Nitro.

Une émission proposée par i-Run.fr, leader français de la vente en ligne de matériel de running, trail & fitness.

Chaussures à lames de carbone: boostent-elles vraiment nos performances? - Podcast - i-Run Café

Chaussures à lames de carbone - Bibliographie

Article mettant en évidence l'effet de la rigidité de l'interface avec le sol.

Kerdok, A. E., Biewener, A. A., McMahon, T. A., Weyand, P. G., & Herr, H. M. (2002). Energetics and mechanics of human running on surfaces of different stiffnesses. Journal of Applied Physiology, 92(2), 469–478. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.01164.2000

Quantification de l'impact des chaussures à lames de carbone sur la VO2

Hébert-Losier. (2020). Metabolic and performance responses of male runners wearing 3 types of footwear: Nike Vaporfly 4 %, Saucony Endorphin racing flats , and their own shoes Jean-Fran c. Journal of Sport and Health Science, 00, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.jshs.2020.11.012

Kipp, S., Kram, R., Hoogkamer, W., Alexandre, L., & Jones, A. M. (2019). Extrapolating Metabolic Savings in Running: Implications for Performance Predictions. Frontiers in Physiology, 10(February), 1–8. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00079

Hunter, I., Mcleod, A., Valentine, D., Low, T., Ward, J., Hunter, I., Mcleod, A., Valentine, D., Low, T., Ward, J., Mcleod, A., Valentine, D., Low, T., Ward, J., & Hager, R. (2019). Running economy , mechanics , and marathon racing shoes Running economy , mechanics , and marathon racing shoes. Journal of Sports Sciences, 00(00), 1–7. https://doi.org/10.1080/02640414.2019.1633837

Hoogkamer, W., Kipp, S., & Kram, R. (2019). A Comparison of the Energetic Cost of Running in Marathon Racing Shoes. Sports Medicine, 49(1), 133–143. https://doi.org/10.1007/s40279-018-1024-z

Barnes, K. R., & Kilding, A. E. (2018). A Randomized Crossover Study Investigating the Running Economy of Highly ‑ Trained Male and Female Distance Runners in Marathon Racing Shoes versus Track Spikes. Sports Medicine, 0123456789. https://doi.org/10.1007/s40279-018-1012-3

Worobets, J., Wannop, J. W., Tomaras, E., & Stefanyshyn, D. (2014). Softer and more resilient running shoe cushioning properties enhance running economy. Footwear Science, September. https://doi.org/10.1080/19424280.2014.918184

Luo, G., Stergiou, P., Worobets, J., Nigg, B., & Stefanyshyn, D. (2009). Improved footwear comfort reduces oxygen consumption during running. 4280. https://doi.org/10.1080/19424280902993001

Guinness, J., Bhattacharya, D., Chen, J., Chen, M., & Loh, A. (2019). An Observational Study of the Effect of Nike Vaporfly Shoes on Marathon Performance. UNDER REVIEW, 1–14.

Evaluations biomécaniques de l'intégration des lames de carbone (rigidité en flexion et position du centre de pression)

Day, E. M., & Hahn, M. E. (2021). Does running speed affect the response of joint level mechanics in non-rearfoot strike runners to footwear of varying longitudinal bending stiffness? Gait and Posture, 84(February 2020), 187–191. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2020.11.029

Saša Čigoja. (2021). Shoe Bending Stiffness and Muscle-Tendon Unit Function in Running.

Beck, O. N., Golyski, P. R., & Sawicki, G. S. (2020). Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a muscle-level explanation. Scientific Reports, 10(1), 1–13. https://doi.org/10.1038/s41598-020-74097-7

Nigg, B. M., Cigoja, S., & Nigg, S. R. (2020). Teeter-totter effect: A new mechanism to understand shoe-related improvements in long-distance running. British Journal of Sports Medicine, 0(0), 1–2. https://doi.org/10.1136/bjsports-2020-102550

Ray, S. F., & Takahashi, K. Z. (2020). Gearing Up the Human Ankle-Foot System to Reduce Energy Cost of Fast Walking. Scientific Reports, 10(1), 1–12. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65626-5

Cigoja, S., Asmussen, M. J., Firminger, C. R., Fletcher, J. R., Edwards, W. B., & Nigg, B. M. (2020). The Effects of Increased Midsole Bending Stiffness of Sport Shoes on Muscle-Tendon Unit Shortening and Shortening Velocity: a Randomised Crossover Trial in Recreational Male Runners. Sports Medicine - Open. https://sportsmedicine-open.springeropen.com/track/pdf/10.1186/s40798-020-0241-9.pdf

Sichting, F., Holowka, N. B., Hansen, O. B., & Lieberman, D. E. (2020). Effect of the upward curvature of toe springs on walking biomechanics in humans. Scientific Reports, 10(1), 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71247-9

Hoogkamer, W., Kipp, S., & Kram, R. (2019). The Biomechanics of Competitive Male Runners in Three Marathon Racing Shoes: A Randomized Crossover Study. Sports Medicine, 49(1), 133–143. https://doi.org/10.1007/s40279-018-1024-z

Flores, N., Rao, G., Berton, E., & Delattre, N. (2019). The stiff plate location into the shoe influences the running biomechanics HAL Id: hal-02185104. Sports Biomechanics, 00(00), 1–16. https://doi.org/10.1080/14763141.2019.1607541

Nolan, L. (2008). Carbon fibre prostheses and running in amputees: A review. Foot and Ankle Surgery, 14(3), 125–129. https://doi.org/10.1016/j.fas.2008.05.007

Nolan, L., & Lees, A. (2000). Touch-down and take-off characteristics of the long jump performance of world level above- and below-knee amputee athletes. Ergonomics, 43(10), 1637–1650. https://doi.org/10.1080/001401300750004050

Revues de synthèses et d'opinions

Muniz, B., Shaun, P., Konstantinos, S., Fergus, A., Bosch, A., & Pitsiladis, Y. (2021). Recent Improvements in Marathon Run Times Are Likely Technological , Not Physiological. Sports Medicine, 0123456789. https://doi.org/10.1007/s40279-020-01420-7

Dyer, B. (2020). A Pragmatic Approach to Resolving Technological Unfairness: the Case of Nike’s Vaporfly and Alphafly Running Footwear. Sports Medicine - Open, 6(1), 1–10. https://doi.org/10.1186/s40798-020-00250-1

O’Grady, T. J., & Gracey, D. (2020). An Evaluation of the Decision by World Athletics on Whether or Not to Ban the Nike Vapor Fly Racing Shoe in 2020. The Entertainment and Sports Law Journal, 18(1), 1–5. https://doi.org/10.16997/eslj.257

Burns, G. T., & Tam, N. (2019). Is it the shoes? A simple proposal for regulating footwear in road running. British Journal of Sports Medicine, October, 2018–2020. https://doi.org/10.1136/bjsports-2018-100480