This thesis deals with human powered vehicles. It contains history, division, examples of these vehicles, but especially design of quite new vehicle with an unique driving mechanism.

Auf der Radrennbahn können Leistungsdiagnostik und Techniktraining nur sehr eingeschränkt durchgeführt werden. Alternativen bieten sich mit Ergometer (Ergo) und Laufband (LB). Das erste Ziel dieser Arbeit war zu klären, inwieweit sich EMG, Pedalkraft und physiologische Kenngrößen beim Radfahren auf dem Ergo oder auf dem LB vom Radfahren auf der Bahn unterscheiden. Um die Wettkampfleistung beeinflussen zu können, müssen die Besonderheiten des Muskelkoordinationsmusters sowie des Tangentialkraft-Winkel-Kurvenverlaufes im wettkampfspezifischen Intensitätsbereich erkannt werden. Das zweite Ziel der Arbeit war daher die Analyse von Muskelaktivität und Tangentialkraft bei wettkampfnaher Belastung auf der Radrennbahn, um hieraus Erkenntnisse für die Trainingspraxis zu gewinnen. Im ersten Ergebnisteil zeigten sich signifikante Unterschiede für die physiologi-schen Kennwerte, die Tangentialkraft und die Muskelaktivität im Vergleich Bahn vs. Ergo (U1) sowie Bahn vs. LB (U2). Die mittlere Tangentialkraft und die physiologischen Kennwerte waren in der U1 und U2 auf der Bahn signifikant geringer als auf dem Ergo bzw. LB. Die Aktivität einiger Muskeln wies hingegen auf der Bahn signifikant höhere Werte auf als beim Ergo- und LB-Test. Im Vergleich Bahn vs. Ergo konnten für sechs und im Vergleich Bahn vs. LB für zwei der zehn abgeleiteten Muskeln signifikante Unterschiede nachgewiesen werden. Aus den Ergebnissen des ersten Untersuchungsteils kann gefolgert werden, dass für die Leistungsdiagnostik und das Techniktraining das LB dem Ergo vorgezogen werden sollte. Im zweiten Ergebnisteil wurde nachgewiesen, dass bestimmte Muskeln an der Anpassung der gesamten muskulären Beanspruchung an die wettkampfnahe Belastung besonders stark beteiligt sind. Im Kraft- und Radtraining sollte diesen Muskeln besondere Beachtung zukommen. Auch die Tangential-Kraft-Winkelkurve wies bei wettkampfnaher Belastung Besonderheiten auf, welche mit einem Feedbacktraining angesteuert werden könnten. / Performance diagnostics and technical training can only be carried out in a re-stricted manner on the cycling track. The alternatives are the ergometer (ergo) and treadmill (TM). The first objective of this paper was to clarify to what extent EMG, pedal force and physiological parameters during cycling on the ergo or TM differ from cycling on the track. The peculiarities of the muscle coordination pattern as well as the tangential force-angle-course of curve in the intensity range specific to competition must be recognized to be able to influence performance. The second objective of the paper was therefore the analysis of muscle activity and tangential force during stress on the cycle track close to the race to obtain findings for practical training as a result. In the first part of the results there were significant differences for the physio-logical parameters, the tangential force and the muscle activity when comparing track and ergo (U1) as well as track and TM (U2). The average tangential force and the physiological parameters in U1 and U2 on the track were significantly lower than on the ergo or TM. The activity of some muscles on the track, however, showed significantly higher values than on the ergo and TM test. When comparing track vs. ergo six of the ten derived muscles showed significant differences, when comparing track vs. TM it was two of the ten muscles. We can conclude from the results of the first part of the investigation that the TM is preferable to the ergo for performance diagnostics and technical training. The second part of the results showed that certain muscles play a significant role in the adaptation of the entire muscular stress to stress during the race. Special attention should be paid to these muscles during strength and cycle training. The tangential force-angle curve also showed peculiarities during stress close to the race, which could be controlled with feedback training.

Les études conduites au cours de ce travail de thèse ont montré que l’optimisation de la position du cycliste sur son vélo était un élément déterminant de la performance. Nos recherches ont porté sur quatre axes principaux : la conception et la validation d’outils de mesure, l’étude de la position aérodynamique, l’étude de la position assise et enfin l’étude de la position danseuse.L’ensemble des résultats obtenus montrent que la capacité de performance du cycliste peut être améliorée en position aérodynamique en augmentant le ratio entre la puissance mécanique (Pméca) et la surface frontale effective (SCx). Le confort représente également un des principaux facteurs de la performance en contre‑la‑montre (CLM) puisqu’il détermine l’aptitude du cycliste à maintenir sa position au cours du temps. Nos travaux montrent une amélioration du confort avec des semelles orthopédiques, chez les cyclistes affectés par une inégalité de longueur des membres inférieurs (ILMI), liée à une réduction des mouvements du bassin. Une correction orthopédique induit également une augmentation du rendement énergétique (+5,7 %). Ainsi, les cyclistes affectés par une ILMI sont recommandés de la compenser avec des semelles orthopédiques individualisées de façon à améliorer leur performance en CLM. Lors d’une étude préliminaire, nous avons également montré la relation entre les mouvements de la tête et le SCx, c’est pourquoi les cyclistes doivent réduire au maximum ces mouvements afin de minimiser leur SCx et ainsi maximiser leur performance. L’évaluation de la position aérodynamique doit être réalisée en conditions réelles de locomotion, que ce soit pour l’évaluation de S ou de SCx. Le développement de nos deux applications est donc un réel atout pour l’évaluation de la traînée aérodynamique (Ra) de manière individualisée dans les prochaines années puisqu’elles rendent le traitement plus accessible aux entraîneurs. Enfin, bien que nous ayons initié une nouvelle méthodologie d’évaluation de la position aérodynamique en associant numérisation 3D et modélisation numérique de la mécanique des fluides, cette méthode serait plutôt recommandée pour l’individualisation de l’équipement.La position assise peut également être optimisée en augmentant l’indice d’efficacité mécanique (IEM) du cycliste, quel que soit le niveau et le sexe. Cette augmentation de l’IEM passe principalement par une diminution de la force résistante (Fres) dans la phase de montée de la pédale. Malgré tout, le cycliste ne doit pas tirer sur la pédale pour générer un couple propulsif car cette stratégie est contre-productive d’un point de vue énergétique. Il serait intéressant d’étendre notre première étude, établie en laboratoire, sur le terrain pour analyser les adaptations biomécaniques du pédalage des cyclistes aux conditions rencontrées sur le terrain. Les différences observées en laboratoire, sur terrain plat et en montée laissent penser que les cyclistes adaptent leur pédalage selon les conditions dans lesquelles ils évoluent.Enfin, les travaux menés sur la position danseuse montrent que les cyclistes augmentent leur coût mécanique (CM) (+4,3 % en laboratoire vs. +19 % sur le terrain) par rapport à la position assise alors que la consommation d’oxygène reste stable entre les deux positions. Ces pertes mécaniques en position danseuse sont principalement dues à l’augmentation du coefficient de roulement (Cr) due aux oscillations latérales du vélo et donc à la torsion des pneus. Puisque les pertes mécaniques sont plus élevées sur le terrain que sur tapis roulant, d’autres facteurs semblent contribuer à cette différence comme la Ra (~10 W), le matériel utilisé par les cyclistes, le Cr de la route et la technique adoptée. Aussi, la position danseuse induit une augmentation du CM pour maintenir la vitesse de déplacement face aux variations de pente en montée. Les cyclistes sont donc fortement recommandés de réduire l’augmentation du CM en position danseuse comparée à la position assise. / The studies conducted during this PhD research showed that optimizing the position of the cyclist on the bicycle is a key factor influencing cycling performance. Our research focused on four main axes: the design and validation of measurement tools, the study of the aerodynamic position, the study of the seated position and the study of the standing position.All the results showed that the performance capacity of cyclists can be improved in aerodynamic position by increasing the ratio between the mechanical power (PO) and the drag area (ACd). Comfort is also a significant factor in time trial (TT) performance as it determines the ability of the cyclist to maintain position over time. Our works show that comfort can be improved via orthopaedic correction in cyclists affected by lower limb length inequality (LLLI) in the TT position, related to a reduction in pelvis movements. The orthopaedic correction also induces an increase in gross efficiency (+5.7%). Thus, this improvement in comfort could increase the PO and/or the amount of time the aerodynamic position can be maintained during a TT. Therefore, cyclists affected by LLLI should compensate LLLI with individualised foot orthotics to improve their TT performance. In a preliminary study, we also showed that there is a relationship between head movements and ACd. Therefore, cyclists should minimise these movements to minimise their ACd and maximise their performance. Aerodynamic position must be evaluated in real cycling locomotion, whether for the evaluation of A or ACd. We have developed two applications that are a real asset for the dynamic evaluation of aerodynamic drag (Ra) as they make the data analysis more accessible to coaches. Finally, although we have initiated a new method to assess ACd in the aerodynamic position by combining 3D scanning and computational fluid dynamics simulation, this method is also recommended for individualisation of cycling equipment.The seated cycling position can also be optimised by increasing the cyclists’ force effectiveness (FE), regardless of practice level or gender. This increase in FE is mainly due to a decrease in resistive force (Fres) during the upstroke phase of pedalling. Nevertheless, the cyclist should not pull on the pedal to generate propulsive torque because this strategy is counterproductive from an energy point of view. It would be interesting to extend our first study, which was set up in a laboratory, to the field to analyse the biomechanical adaptations of cyclists to the real conditions of locomotion. The differences observed in the laboratory, on level ground and over an uphill grade suggest that cyclists adjust their pedalling technique according to the conditions under which they are performing.Finally, studies of the standing cycling position show that cyclists increase their mechanical cost (MC) (+4.3% in the laboratory vs. +19% in the field) compared to the seated position; however, oxygen consumption was similar between the two positions. These mechanical losses (13 W in the laboratory vs. 49 W in the field) in the standing position are mainly due to increased rolling resistance coefficient (Crr), induced by the lateral sways of the bicycle and therefore torsion of the tyres. Because the observed mechanical losses are higher in the field than on the treadmill, other factors could contribute to this difference, such as Ra (~10 W), the equipment used by cyclists, the Crr of the road surface and the technique adopted. Also, the standing position induces an increase in MC to maintain constant speed when faced with uphill slope variations. Cyclists are therefore strongly recommended to reduce the increase of the MC in standing position compared to the seated position. This reduction in mechanical losses can be achieved by decreasing lateral sways and Ra.

Ce travail de thèse s'articule autour des caractéristiques de la performance dans la discipline du Vélo Tout-Terrain Cross-Country Olympique (VTT XCO). La performance produite dans une situation d’interaction homme-matériel résulte de l’adéquation optimale entre le pratiquant et son matériel. Elle résulte aussi bien de facteurs mécaniques (géométrie et rigidité du cadre, réglage des suspensions, taille des pneumatiques, transmission), biomécaniques (adoption d’un patron de pédalage adapté au terrain), physiologiques (économie du geste, endurance, fatigue) ou encore motivationnels (confiance en soi). La discipline spécifique du XCO a fortement évolué, au niveau réglementaire et technologique, depuis un peu moins d'une décennie. C’est pourquoi l’objectif de mes recherches a été de caractériser à la fois la performance in-situ et en laboratoire de manière à améliorer notre compréhension de la discipline dans son état actuel, afin de proposer des interventions au niveau de l'entrainement et sur des aspects plus fondamentaux du geste de pédalage en VTT. En s’intéressant notamment à la pratique de haut-niveau, à la dynamique des efforts et à certains aspects biomécaniques du pédalage, les résultats de ces travaux nous ont permis de mettre en évidence que le format actuel de course correspond à une épreuve de haute intensité à la fois acyclique et intermittente, mais aussi que la modification du matériel n’entraine pas forcément de changement dans le pattern de pédalage des coureurs. / This thesis focuses on performance characteristics in the Cross-Country Olympic Mountain Bike (MTB XCO) discipline. The performance produced in a man-material interaction situation results from the optimal adequacy between the rider and his equipment. It results as much from mechanical factors (frame geometry and rigidity, suspension adjustment, tyre size, transmission) as biomechanical (adoption of a pedalling pattern adapted to the terrain), physiological (economy of movement, endurance, fatigue) or motivational (self-confidence). The XCO's specific discipline has evolved considerably, both in terms of regulations and technology, in just under a decade. Therefore, the objective of my research has been to characterize both in-situ and laboratory performance in order to improve our understanding of the discipline in its current state, in order to propose interventions at the level of training and on more fundamental aspects of pedalling in mountain bikes. By focusing in particular on high-level practice, the dynamics of effort and certain biomechanical aspects of pedalling, the results of this work have enabled us to highlight that the current racing format corresponds to a high intensity event that is both acyclic and intermittent, but also that changing the equipment does not necessarily lead to a change in the pedalling pattern of riders.

Ce travail de thèse s’est déroulé dans le cadre d’une convention CIFRE entre mon laboratoire de rattachement C3S (EA4660) et le département Recherche et Développement (R&D) de l’équipe cycliste professionnelle FDJ. Les différentes études que nous avons conduites se sont articulées autour de l’amélioration de la performance sportive chez le cycliste à travers une variable centrale qui est la puissance mécanique qu’il développe lors de la locomotion (Pméca) selon deux axes principaux : 1) l’évaluation et le suivi du potentiel physique avec pour but l’amélioration du processus d’entraînement et 2) l’optimisation de l’interface homme – machine à partir de l’analyse du matériel et des équipements utilisés par les cyclistes dans l’équipe FDJ. / This thesis has been completed as part of a CIFRE agreement between the laboratory C3S(EA4660) and the Research and Development (R&D) department of the FDJ professionalcycling team. The various studies that we conducted centred on analysing sport performanceoptimisation in cyclists through a central variable: the mechanical power output (PO)developed during locomotion. There were two main areas of focus: 1) evaluation andmonitoring of physical potential, with the aim of improving the training process, and 2)optimisation of the human–machine interface via analysis of the materials and equipmentused by the FDJ team cyclists