Kävelijä ponnistaa ylöspäin (HUU 2/2008)

Transkriptio

1 Kävelijä ponnistaa ylöspäin (HUU 2/2008) Mietitäänpä kilpakävelijää, joka etenee nopeudella 4,5 m/s tasaisella, tuulettomalla reitillä. Newtonin ensimmäisen lain mukaan kävelijä jatkaisi suoraviivaista liikettään ikuisesti, mikäli häneen ei kohdistuisi ulkoisia voimia. Mitä voimia häneen kohdistuu, mitä vastaan kävelijä tekee työtään? Vaakasuunnassa vaikuttaa ilmanvastus. Juoksija kuluttaa tuulettomassa säässä merenpinnan tasolla 3 9 % energiasta ilmanvastukseen (McArdle), joten suhteutettu energianhukka kävelyssä lienee 5 %:n luokkaa. Muuta vaakasuuntaista hidastavaa voimaa tai kitkaa ei ole. Pystysuunnassa vaikuttaa painovoima, joka vetää kävelijää kohti maapallon keskipistettä ja on suuruudeltaan noin 10x kävelijän massa. Jaetaan askel neljään osaan: Kuva 1. Kilpakävelyn askeleen vaiheet 1.) etutukivaihe, jolloin edessä oleva jalka on juuri koskettanut maahan 2.) pystytukivaihe, jolloin massakeskipiste (myöh. m.k.p) on tarkalleen tukipisteen päällä ja 3.) takatukivaihe, jolloin m.k.p on ohittanut tukipisteen, taempi jalka on irtoamassa maasta ja lopuksi 4.) lyhyt lentovaihe, kestoltaan <<0,40 ms, jotta suoritus säilyy IAAF säännön 230 mukaisena. Etutukivaiheen alkaessa pysäytetään edeltävän lentovaiheen aikana syntynyt alaspäin suuntautuva nopeus ja vastaanotetaan törmäys. Polven on oltava suorassa maakosketuksen alkaessa, mikä pakottaa kosketukseen kantapää edellä. Siksi törmäysenergia ei voi varastoitua polvi- ja akillesjänteisiin kuten juoksussa, jossa jopa 70 % energiasta voi olla uudelleenkäytettävissä. Vartalon m.k.p nousee pystytukivaiheeseen asti, jolloin osa liike-energiasta muuttuu potentiaalienergiaksi. Kävelijä liikkuu vaiheen (1) "ylämäkeä" ja

2 vaakanopeus hidastuu. Pystytukivaiheessa ponnistus kiihdyttää edelleen ylöspäin. Takatukivaiheessa kompensoidaan painovoima ja vaiheen (1) aikana menetetty vaakanopeus, kävelijä laskettelee alamäkeä. Mitä suurempi alkunopeus kävelijällä on sitä vähemmän m.k.p. ehtii pudota takatuki- ja lentovaiheen aikana ja mitä paremmin tukijalan ojennus toimii, sitä suuremman eteenpäin vievän hyödyn kävelijä saa painovoimalta. Pääosa työstä tehdään painovoimaa vastaan pystytukivaiheen molemmin puolin, jolloin voimantuotto on suurten lihasryhmien kannalta tehokkainta. Sääntö 230 rajaa m.k.p:n pystysuuntaista heiluntaa, sillä O. Helene on laskenut, että pitämällä kiinni jatkuvasta maakosketuksesta m.k.p:n heilunta saa nopeudessa 5m/s olla korkeintaan 3cm ja teoreettisessa 8m/s vauhdissa vain 1,2cm. Käytännössä hyväksytään lyhyt lentovaihe, josta saadaan hiukan lisää toleranssia. Pieni m.k.p:n pystysuuntainen heilunta on myös taloudellisempaa (Draken ym. HUU 3/2005). Painovoima on sokea siinä mielessä, että m.k.p ei seuraa suoraan torson liikettä, vaan siihen vaikuttavat myös kädet, vapaa jalka, lantio, pää ja hartiat. Kävelijä voi näin olleen minimoida m.k.p:n heiluntaa pudottamalla painolastia mahdollisimman alas pystytukivaiheessa, jossa m.k.p on luonnostaan korkealla, ja vastaavasti siirtämällä painoa takatukivaiheen aikana mahdollisimman ylös maakontaktin silti säilyessä. Tämä tapahtuu oikea-aikaisella lantion pudotuksella sekä käsien ja hartioiden rytmityksellä, mikä lisää tietysti vartalo- ja käsilihasten energiankulutusta. Kävely muuttuu epätaloudelliseksi juoksuun verrattuna noin 2,8m/s nopeudessa (Iknoian, McArdle). KIHU:n mittaukset Kolme suomalaista kävelijää, miesten MM-edustaja ja kaksi naisten SM mitalistia, osallistuvat Kihun kestoprojektin askelmittauksiin Testissä kävellään voimalevyjen yli 9x30m lentävällä lähdöllä. Voimalevyillä mitataan mm. nopeus, askelpituus, -tiheys, lentoaika sekä pysty- ja vaakavoimat. Kilpakävelijä sopeuttaa nopeuden ensisijaisesti askeltaajuuden avulla (McArdle). Askelpituus seuraa taajuutta lineaarisesti. Kihun mittauksista havaitaan myös viitteitä ns. kynnysnopeudesta normaalin vauhtialueen ulkopuolella, nopeuslisä otetaan silloin kävelijästä riippuen joko frekvenssiä tai askelpituutta korostaen. Kellään testattavista ei ollut ongelmaa säilyttää maakontaktia sääntöjen mukaisena omassa kilpailuvauhdissaan, lentoajat olivat << 40ms mutta kasvavat nopeuden funktiona.

3 Kuva 2. Kilpakävelijä 4.43,4 min/km vauhdissa. Ylhäällä pystyvoima ja alhaalla vaakavoima Kuvassa 2. mieskävelijän reaktiovoimat 50km kilpailuvauhtisessa vedossa. Maakosketus säilyy koko vedon ajan. Kontaktit kestävät n. 0,35 s. Pystyvoimat ovat kaarevia, kaksikyttyräisiä ja maksimissaan N, eli noin 1,6x kävelijän paino. Vaakavoimassa 0-tason yläpuolinen alue on positiivista työntövoimaa eteenpäin ja alapuolinen negatiivista jarruttavaa voimaa. Kontaktin alussa on terävä pystypiikki, mikä paljastaa, että jalka liikkuu taaksepäin suuremmalla nopeudella kuin kävelijän nopeus eteenpäin on. Kosketus on iskunomainen ja m.k.p ei ole vielä jalan päällä. Sitä seuraa jarruttava voima, jolloin kävelijän massa siirtyy vartalon etupuolella kontaktissa olevan jalan päälle ja m.k.p nousee. Kun m.k.p ylittää kontaktissa olevan jalan vaakavoima suunta muuttuu työntäväksi. Ponnistuksen voimantuotto tapahtuu pääosin vaiheessa, jossa kantapää on kiinni maanpinnassa. Takatukivaiheessa voimantuotto heikkenee nopeasti, kun kantapää alkaa irrota maasta ja paino siirtyy päkiälle - tämä vaihe on kuitenkin tärkeä siksi, että se pienentää m.k.p:n putoamista tukivaiheen ääriasennossa. Mitä enemmän kävelijä takatuki- ja lentovaiheen aikana menettää m.k.p:n potentiaalia, sitä enemmän etutukivaiheessa on massakeskipistettä nostettava ja sen suurempi jarruttava vaakasuuntainen komponentti reaktiovoimaan ilmaantuu.

4 Naiskävelijöiltä mitatut askelvoimat ovat muodoltaan vastaavat, mutta profiililtaan loivempia. Kävelytekniikan kannalta hyödyllistä olisi erityisesti vaakavoimien seuranta. Ne kertovat esimerkiksi askeleen toispuoleisuudesta ja tekniikkakynnyksistä (kuva 2). Newtonin toisen lain mukaan, jos voimakomponenttien summa on nollasta poikkeava, niin voimaa vastaa aina kiihtyvyys, F=ma, ja vastaavasti kiihtyvyyttä voima. Havaintojen mukaan +/- vaakavoimien muodostamat pinta-alat ovat keskimäärin yhtä suuret joten niiden summa on = 0. Yhden askelparin aikana kävelijä sekä jarruttaa että kiihdyttää vaakanopeutta mutta keskimäärin se pysyy matkavauhdissa likimain vakiona. Mitä kauemmas normaalin vauhtialueen yläpuolelle tullaan, sen suuremmiksi kasvavat etutukivaiheen jarruttavat vaakavoimat ja törmäysisku suhteessa takatukivaiheen työntövoimiin. Niiden pidempi kestoaika kompensoi kuitenkin jarruttavan impulssin. Esimerkiksi 3.16min/km nopeudessa mieskävelijän jarruttava vaakavoiman amplitudi on 2x kiihdyttävä voima ja pystyvoima yli 2x paino. Tuloksia Coventrystä Andi Drake mittasi Englannin maajoukkue- ja juniorikävelijöiden askelmuuttujia juoksumatolla, jonka nopeus oli säädetty hiukan alle kunkin maksimisuorituksen. Nuoret kävelivät 5km ja aikuiset 10km. Suorituksen aikana mitattiin voimalevyillä pystyvoimat ja lentoaika. Askelmuuttajat mitattiin videokameroiden stereokuvista. Toinen mittaus videokameroilla tehtiin Leamingtonin vuoden 2007 EC kilpailussa

5 Taulukko 1. Leamington Aineistosta ei ole vielä saatavilla tilastollisin menetelmin tehtyjä johtopäätöksiä. Joitakin havaintoja voidaan kuitenkin tehdä. Tarkasteltaessa kunkin kilpailijan nopeimman neljänneksen mittausta huomio kiinnittyy erityisesti etutukivaiheeseen: useimmissa tapauksissa lyhin mitta on nopeimmalta neljännekseltä. O. Helene mukaan lyhyempi etutukivaihe vaatii enemmän absoluuttista voimaa kävelijältä. Pidentyvä askel ja etutukivaihe näyttäisivät seuraavan vauhdin hidastumista. Voittajan Johan Dinizin askeleen koordinaatio säilyi likimain samanlaisena läpi kilpailun. Hänelläkin nopeimman neljänneksen mittauksessa etutukivaihe oli suhteellisesti lyhin. Miesten 20km kilpailussa tukivaihe m.k.p:n edessä oli keskimäärin 45 % ja takana 55 % kontaktista. Vielä suurempi suhde oli 50km matkalla: 42/58 %. Näin ollen m.k.p on suuremman osan ajasta tukipisteen etupuolella. Kävelijä putoaa eteenpäin mutta ponnistaa ylöspäin. Kävelyasennon ei tarvitse olla suora painovoiman suhteen mutta tärkeää on, että suurimman törmäysiskun ja voimantuoton aikana vartalo on suorassa voimavektorin suhteen linjalla korvahartia-lantio (Keskinen HUU 1/2008 s.30) ja että voimaketju ei katkea vartalon taittoon lantion kohdalta vaan jatkuu ylävartaloon asti (Kononen-Salonen). Yhteenvetoa Sekä laboratorio- että kilpailutilanteen kenttämittausten mukaan urheilijoilla on taipumus pidentää askelpituutta väsymyksen uhatessa ja kävely muuttuu helposti hallitsemattomaksi myös IAAF:n säännön kannalta. Kuitenkin pidempi askel vauhdin hidastuessa kuluttaa enemmän energiaa, koska m.k.p ehtii putoamaan enemmän. Kahden tukivaiheen välillä painovoiman aiheuttama pudotus on verrannollinen tukivaiheiden välisen ajan neliöön (h=1/2gt2), ei askeleen pituuteen. Etutukivaiheen suhteellinen piteneminen johtaa energiataloudellisesti huonompaan tekniikkaan: ylämäkiosuus kasvaa. Nopeuden hakeminen askelpituutta lisäämällä frekvenssin pudotessa johtaa energian tuhlaukseen. Kestävyysjuoksusta tiedetään, että juoksutekniikka on taloudellisimmillaan sillä vauhtialueella, jolla harjoitusta on eniten (Vuorimaa). Kilpakävelyssä vaikutus saattaa olla jopa suurempi, johtuen ensisijaisesta tavasta säädellä nopeutta - juoksussa askelpituus, kävelyssä frekvenssi. Tämä ei liene ongelma kv. tason urheilijoilla, mutta tulisi ottaa huomioon erityisesti nuorten valmennuksen

6 suunnittelussa, jotta lajitekniikka säilyy kilpakävelynä. Jos nuori kävelijä tekee pk-harjoitukset hitaalla frekvenssillä ja suurella askelpituudella tilanne on sama kuin jos kilpapyöräilijä tekisi pitkät lenkit varmuuden vuoksi isolla vaihteella ja hitaalla pyöritysnopeudella. Onkin syytä miettiä miten harjoitusohjelmaan sisällytetään tarpeeksi riittävän vauhdikasta kävelyä oikealla vauhtialueella kuitenkaan kuluttamatta liikaa kehitysvaiheessa olevaa urheilijaa. Aerobisen taso kehittämiseen voidaan käyttää muita keinoja: juoksua, hiihtoa, uintia ym.. Australialaiset suosittelevat jopa lainelautailua (Valiance). Askelpituus kehittyy automaattisesti nopeuden myötä, jos urheilijan liikkuvuus ja voimaominaisuudet sen sallivat. Australian olympiaryhmän valmentaja Brent Valiance kehottaakin suorituskyvyn maksimointia alimatkoilla 5km (<20:30) ja 10km (<43:00) ennen vakituisen päämatkan siirtämistä 20km:lle. Lähdemateriaalia: Ahonen Kari, muistiinpanot Robert Korzenjowskin esityksestä Pajulahden kestoseminaarissa 2000 Drake Andi, seminaariluennot, 2004, 2006, 2007 University of Coventry Drake Andi, EC 20km, 50km mittaustulokset, Leamington, 2007 Helene O, "On 'waddling' and race walking", Am. J. Phys 52 (7), July 1984 Iknoian Therese "Walking fast", Human Kinetics, USA 1998 Kaasalainen Juhani, Kilpakävelyn askelmuuttujista, seminaariluento, Tampere, Kivimäki Marko, Keskivartalon hallinnalla tehoa ja taloudellisuutta kävelyyn, HUU 3/2005 Keränen Tapani, Kestävyysprojekti mittaukset, Kihu Jyväskylä, Keskinen Maarit, "Syvät lihakset kuntoon..." HUU, 1/2008 Kononen Valentin, Salonen Reima Kävelytekniikkaluento, Tampere, McArdle W.D, Katch F.I, Katch V.L, Exercise Physiology, Energy, nutrition and human performance 5th Edition 2001, USA Sutherland A.J. "A Torso Driven Walking Algorithm for Dynamically Balanced Variable Speed Biped Robots", University of Western Australia, 2006 Valiance Brent: Junior to senior transition in race walking Modern Athlete & Coach (Aus), 2007 Vuorimaa Timo, Hyvät juoksevat helposti, HUU, 1/2008