Kävelyn lajitekniikkapäivä Tampereella

Transkriptio

1 Kävelyn lajitekniikkapäivä Tampereella Kilpakävelyn askelmuuttujista Tutkimustietoa kentältä ja laboratoriosta Kestävyysprojekti Kihu Jyväskylä Andy Drake 2004, 2006, 2007 University of Coventry Andy Drake EC 20K Lemington, 2007 Kilpakävelijän liikemallista lukiofysiikan termein Kansainvälisiä näkemyksiä kävelystä Englantilainen Italialainen Turkulainen Puolalais-ranskalainen

2 Kävelijään vaikuttavat voimat Mitä voimia vastaa kävelijä ponnistelee? Väliaineen (ilman) vastus? likimain ~ 0 ja voidaan eliminoida juoksumatolla; väliaineen vastus on merkittävä lajeissa, jossa väliaineen tiheys suuri, kuten esimerkiksi uinnissa tai matkanopeus olennaisesti suurempi, kuten pyöräilyssä Kitka? kilpakävelijälle kitkasta on vain hyötyä, sillä suuri lepokitka tossun ja radan välillä helpottaa ponnistusta. Kitkalla on merkitystä esimerkiksi hiihdossa Painovoima? F=m*g, missä m=kävelijän massa ja g putoamiskiihtyvyys ~ 9.81m/s 2 Toisin sanoen kävelijä kuluttaa valtaosan energiasta työhön painovoimaa vastaan

3 Takatukivaihe Pystytukivaihe Etutukivaihe F x F x lentovaihe lentovaihe F y F y F T F T F T

4 Kestoprojektin mittaukset Kihu Testi: 9x 30 m lentävällä lähdöllä voimalevyjen yli Vaakavoimat Pystyvoimat Testiryhmässä Jarkko, Marja ja Karoliina

5 Ponnistuksen pääasiallinen voimantuotto tapahtuu pystytukivaiheen molemmin puolin Takatukivaiheen ojennus pienentää putoamista ja säästä energia Kuva 1 Jarkko normaalivauhdissa, jolloin kontakti rataan säilyy koko ajan. Kontaktit kestävät n. 0,35 s. Pystyvoimat ovat kaarevia kaksikyttyräisiä ja maksimivoimiltaan N, eli kg luokkaa, josta tietysti osa on kävelijän painoa. Vaakavoimassa 0-tason yläpuolinen alue on positiivista-/työntövoimaa eteenpäin ja alapuolinen negatiivista/jarruttavaa voimaa. Kontaktin alussa on terävä pystypiikki. Mikä paljastaa, että kantapää iskeytyy kontaktiin niin, että jalka liikkuu taaksepäin suuremmalla nopeudella kuin kävelijän nopeus eteenpäin on. Tämä hetki on hyvinkin iskunomainen ja varmasti sillä hetkellä kävelijän massa ei ole vielä jalan päällä. Sitä seuraa jarruttava voima, jolloin kävelijän massa siirtyy vartalon etupuolella kontaktissa olevan jalan päälle. Siinä vaiheessa kun painopiste ylittää kontaktissa olevan jalan vaakavoima vaihtuu eteenpäin työntäväksi. Voimakäyrien loiva lasku kohti kontaktin loppua kuvastaa voimantuoton heikkenemisen. Se johtunee voimantuotolle epäedullisesta asennosta askelkontaktin työntövaiheen lopussa.

6 Kuva 2 Jarkon reaktiovoimat reippaassa nopeudessa. Siinä erottuu jo n. 0,04 s lentovaihe askelkontaktien välissä. Pystyvoiman huiput ovat N ( kg) ja vastaavasti jarrutusvoimat hetkellisesti kg ja työntövoiman huiput kg.

7 Kuva 3 Jarkko erittäin hitaassa vauhdissa. Ojennukset eivät ehdi loppuun asti, koska vaaka/pystyvoimat koko ajan > 0 (tehoa jää käyttämättä, onko harjoittelu tällä vauhdilla järkevää?)

8

9

10

11

12

13 Huomaa toispuoleisuus, askel pettää hitaassa vauhdissa Normaali kuvaaja Marja Penttinen 2. Veto 5.52,2 min/km askelpituus 0.94 m askeltiheys 3.02 Hz.

14 60 kg 0,300 s 10 kg -10 kg Marja Penttinen: Viides veto 4.21,9 min/km askelpituus 1.13 m askeltiheys 3.38 Hz. Askel silmämääräisesti symmetrinen

15 Karoliina Kaasalainen: Kaksi mittausta - kuvaajat hyvin samanlaiset - kävelijän sormenjälki. Syksyn 2006 mittaus hyvin samanlainen

16 Erot naiskävelijän ja mieskävelijän vaakavoimissa Jarkolla 4.01,2 min/km askelpituus 1.27 m askeltiheys 3.27 Hz. Jarrutusvoimat suuremmat kuin impulssi eteenpäin. Lentovaihe pieni. Marjalla 4.21,9 min/km askelpituus 1.13 m askeltiheys 3.38 Hz Vaakavoimat silmämääräisesti samat. Lentovaihe selvä.

17 Vaakavoimien summa keskimäärin = 0? Tehdään vastaoletus: kävelijä pystyy tuottamaan keskimäärin yhden Newtonin suuruisen positiivisen (liikesuunnan myötäisen) voima. Tällainen voima tarvitaan esimerkiksi kannattelemaan 1dl vettä pahvimukissa. Mittausten mukaan noin 50kg naiskävelijä tuottaa keskimäärin yli 600 Newtonin pystyvoiman ja +/-150 Newtonin vaakavoimat. Näin ollen f x = +1N Newtonin toisen lain mukaan saadaan: f x =ma => a=f x /m Jos kävelijän massa m on = 50kg, niin a = 1kgm/s 2 :50kg = 0.02m/s 2 Koska Niin saadaan nopeuden lisäys ajan t kuluttua: v = at Aika t Nopeus v 100s 2m/s (1min 40s) 1000s 20m/s (16min 40s) Joten on oltava keskimäärin Σfx = 0

18 Push off vai Jump up? Kun massakeskipiste on ylittänyt tukipisteen painovoima alkaa kiihdyttämään liikettä alas eteen paraabelikaaren y = 1.2+(-0.5)*9.87*x^2*1/v^2 ; v= vaakanopeus mukaan. Tässä tilanteessa riittää, että ylöspäin suuntautuvan ponnistuksen voima kumoaa painovoiman F y >= mg; m=kävelijän massa alas suuntautuvan kiihtyvyyden g, jolloin massakeskipisteen aaltoliike pysyy mahdollisimman pienenä. Mietitäänpä juoksumatolla kävelevää urheilijaa, joka etenee 4:30-4:40 /km, jolloin matkanteko on varmasti kilpakävelyä ja lentovaihekin (< 20ms) näkyvissä. Matolla kävelijään ei kohdistu edes ilmanvastusta, joten ainut voima jota vastaan kävelijän pitää tehtä työtä on painovoima, joka tunnetusti suuntautuu suoraan alas. Vaakavoimat syntyvät, kun tukivoima ei ole suora muulloin kuin hetkellisesti tarkalleen massakeskipisteen alla, jossa myös ponnistus on tehokkain voiman ja vastavoiman lain perusteella. Sen edessä vaakasuuntainen tukivoima on negatiivinen (jarruttava - urheilija menee ylämäkeen) ja takana positiivinen (äsken menetetty liike-energia otetaan takaisin ja lasketellaan alamäkeä) mutta keskimäärin vaakavoima = 0. Mitä enemmän massakeskipiste soutaa ylös-alas, sen suurempia vaakavoimia näkyy - eli sen nykivämpää kävely on ja sen enemmän energiaa kuluu hukkaan. Kilpakävelijällä on aika ristiriitainen asetelma, pysyä maakontaktissa, mutta ponnistella ylöspäin ja siinä juuri tulee hyvä liikkuvuus avuksi - eli miten liikkuva painolasti, eli kädet, vapaa jalka ja lantio on asettuneet askeleen kussakin vaiheessa kompensoimaan keskivartalon väsitämätöntä aaltoliikettä.

19 Yhteenveto kilpakävelyn reaktiovoimamittauksista Kävelijään ei normaalioloissa vaikuta olennaisia ulkopuolisia vaakavoimia, vaan hän työskentelee vain painovoimaa vastaan. Newtonin ensimmäisen lain mukaan jos kappaleeseen ei vaikuta (vaaka-) voimia niin massakeskipiste liikkuu eteenpäin (vaakasuunnassa) vakionopeudella. Käytännön mittauksissa havaitaan kuitenkin vaakasuuntaisia voimia. Kuvaajissa näkyy X-akselin yläpuolella positiivinen, liikesuunnan myötäinen voima ja x-akselin alapuoleinen negatiivinen, liikesuunnan vastainen voima. Havaintojen mukaan vaakavoimien muodostamat pinta-alat ovat keskimäärini yhtä suuret joten niiden summa = 0. Newtonin toisen lain mukaan jos voimakomponenttien summa on > 0, niin voimaa vastaa aina kiihtyvyys ja vastaavasti kiihtyvyyttä voima (F=ma). Yhden askelparin aikana kävelijä siis sekä jarruttaa että kiihdyttää vaakanopeutta mutta keskimäärin nopeus pysyy matkavauhdissa likimain vakiona. Etutukivaiheen aikana massakeskipiste pyrkii nousemaan, jolloin liike-energiaa muuntuu potentiaalienergiaksi Takatukivaiheen aikana massakeskipiste pyrkii putoamaan, jolloin potentiaalienergiaa muuntuu liike-energiaksi Pystytukivaihetta lukuunottamatta kävelijä joutuu lihastyöllä korvaamaan painovoiman aiheuttaman putoamisen Mitä enemmän kävelijä takatukivaiheen aikana menettää massakeskipisteen potentiaalienergiaa sitä enemmän etutukivaiheessa on massakeskipistettä nostettava ja sen suurempi jarruttava vaakasuuntainen komponentti reaktiovoimaan ilmeentuu 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 massakeskipisteen putoamista tukivaiheen ääriasennossa

20 Kävelyn taloudellisuus Lähde HUU 3/2005 Askeleen taloudellisuutta on analysoitu Coventryn yliopiston tekemässä tutkimuksessa suhteuttamalla hapen kulutus ja lantion vertikaalinen liike sekä hapen kulutus ja askelpituus. Puutteellisesta lantion hallinnasta johtuva lantion vertikaalinen liike lisää hapen kulutusta ja on siten taloudellisuutta heikentävä tekijä, koska lantion liiallinen painopisteen nousu ja lasku ei lisää kävelyn tehokkuutta. Askelpituuden lisääminen heikentää sekin kävelyn taloudellisuutta, mutta toisaalta kävelyn tehokkuus hyvän lihashallinnan kautta paranee. Drake, A.P., Cox, V., Godfrey, R., Brooks, S. Race walking economy of highly trained race walkers. Journal of Sports Sciences Kävelyn taloudellisuudesta lantion vertikaalinen liike (engl. vertical oscillation) ja askeleen pituus (step length) yhdessä selittävät 27%. Yksin lantion liike selittää taloudellisuudesta 20%, joten pyrittäessä parantamaan kävelyn taloudellisuutta tekniikan kautta, tulisi tavoitteena pitää eteenpäin vievää, matalalla pysyttelevää askellusta, jossa palataan jälleen lantion oikeaan lihastyöjärjestykseen ja liikkeiden hyvään hallintaan. A. Drake & co. Mittaukset Lemington EC 2007: Denizillä nopeus laski, niin etutukivaihe kasvoi! Sama ilmiö havaittavissa useimmilla mitatuilla kilpailijoilla. Suurin nopeus korreloi lyhimmän etutukivaiheen kanssa A. Drake & co. Mittaukset mittaukset Coventryn yliopiston laboratoriossa:

21 Kuva 5. Lantion painopisteen vaihtelun merkitys kävelyn taloudellisuuteen Kävelyn taloudellisuudelle ei ole vain yhtä selittävää tekijää. Kuvassa nähdään lantion pystysuuntainen liike sijoitettuna askelrakenteeseen. Taloudellisessa kävelyssä painopisteen vaihtelu on pienempää kuin energiaa tuhlaavammassa kävelyssä, jossa väärä lihastyöjärjestys ja kävelyn kannalta väärien lihasten rekrytointi johtavat painopisteen liialliseen nousuun ja laskuun (HUU 3/2005)

22 Taulukko 1. Kilpakävelyn taloudellisuustutkimuksen tuloksia (Lähde HUU 3/2005)

23 Takatukivaihe -> Kaksoistukivaihe r Kädet ja hartialinja korkealla kohottamassa massakeskipistettä Tukijalka ojentunut kakkosvarpaan yli, lantio suorana ja vaparin lantio nyt korkealla. 1+2 => massakeskipiste pudonnut vähemmän kuin torso => vähemmän nostettavaa etutukivaiheessa

24 Pystytukivaihe Kädet ja hartialinja matalalla laskemassa massakeskipistettä Tukijalka ojentunut painopisteen päälle, lantio suorana, vapari ja vaparin puoleinen lantio nyt matalalla 1+2 => massakeskipiste jää matalalle suhteessa torsoon => enemmän varaa suunnata liikettä ylös takatukivaiheen aikana

25 Kuva suomalaisen kilpakävelyn kulta-ajalta vahvistaa saman... Hartialinja alhaalla Kädet Vapaa jalka ja lantio pudonnut matalalle Kokemäki 1999

26 Andy Drake ja Coventryn yliopiston ryhmä mittasi askelmuuttujia vuoden 2007 EC kilpailusta suuriresoluutioisesta kahden videokameran stereokuvasta Jakauma keskimäärin 46%:54% f (m) b (m) T (m) L step D f (%) D b (%) Yohan Diniz 0,39 0,45 0,84 1,28 46,13 % 53,87 % Igor Yerokhin 0,32 0,46 0,78 1,24 41,16 % 58,84 % Juan Molina 0,37 0,42 0,79 1,25 46,35 % 53,65 % Ben Kucinski 0,38 0,45 0,84 1,20 45,81 % 54,19 % Mik Seradovich Matej Tóth Maik Berger 0,35 0,38 0,41 0,43 0,50 0,50 0,78 0,88 0,91 1,16 1,21 1,29 45,16 % 43,30 % 45,05 % 54,84 % 56,70 % 54,95 % Jarkko: vahvistaako poikkeus säännön? Andrey Ruzavin 0,38 0,46 0,84 1,24 45,37 % 54,63 % Jarkko Kinnunen 0,45 0,44 0,89 1,23 50,56 % 49,44 % Vilius Mikelionis 0,35 0,47 0,82 1,22 42,68 % 57,32 % Peter Korcok 0,42 0,44 0,87 1,21 48,84 % 51,16 % Daniel King 0,43 0,49 0,93 1,20 46,76 % 53,24 % Taulukko2: Askeleen keskimääräinen jakautuminen etu/takatukivaiheeseen mitattuna neljältä kierrokselta EC Lemington 2007

27 Andrew Drake, Department of Physiology & Sport Science Coventry University M 20K Lemington EC 2007 Microsoft Excel Worksheet

28 M y 1 y 1 (x) = pisteeseen (0,0) piirretyn 1,2 m säteisen ympyrän kuvaaja y 2 (x) = 1,2 m korkeudella olevan, nopeudella 3,5m/s liikkuvan massan M heittoparaabeli y 2 h T y 3 (x) = 1,2 m korkeudella olevan, nopeudella 4,1m/s liikkuvan massan M heittoparaabeli y 4 = 1.2+(-0.5)*9.87*x^2*1/4.4^2 x 1 =5cm-0cm=5cm y 1 = - 2mm x 2 =45cm-40cm=5cm y 2 =- 2cm x T = 45cm-0cm = 45cm h T =120cm-111cm= -9cm y 1 = (1.2^2+(-x^2))^0.5 y2 = 1.2+(-0.5)*9.87*x^2*1/3.5^2 y3 = 1.2+(-0.5)*9.87*x^2*1/4.1^2 Ympyräkaari r=120cm Paraabeli1: alle 4 tunnin 50km vauhdissa Paraabeli2: Jarkko ensimmäinen 5km Lemingtonissa x 1 x 2 x T

29 Yohan Diniz Lemington EC 2007 Takatukivaihe 45 cm Lento vaihe 40ms Etutukivaihe 40 cm r f r b 120cm 128cm 17,6cm 126,5cm r b =8,2 matka, jonka kävelijän pitää kasvattaa tukivartta, jotta massakeskipiste etenisi suoraviivaisesti takatukivaiheessa r f =6,5 matka, jonka kävelijän pitää lyhentää tukivartta, jotta massakeskipiste etenisi suoraviivaisesti etutukivaiheessa

30 Yohan Diniz:in takatukivaihe keskimäärin noin 45cm Diniz liikkuu keskimäärin 4,4m/s eli 0,45 metriä 0,1022:ssä sekunnissa Vapaa pudotus samassa ajassa on noin 6 cm Allaolevan taulukon mukaan vastaavan pudotuksen aiheuttava takatukivaihe eri nopeuksilla Nopeus m/s mi:ss/km Vastaava takatukivaiheen pituus/m 4,4 4,1 4,0 3,8 3,5 3,3 3,0 2,8 2,5 2,3 2,0 3:47 4:04 4:10 4:23 4:46 5:03 5:33 5:57 6:40 7:15 8:20 0,45 0,42 0,41 0,39 0,36 0,34 0,31 0,29 0,26 0,24 0,20 Taulukko 1: Askeleen suhde pudotukseen eri vauhdeissa vauhdissa

31 Andrew Drake, Department of Physiology & Sport Science Coventry University Laboratoriomittaukset maajoukkueurheilijoilla juoksumatolla hiukan alle oman maksimi suorituksen vauhdilla Microsoft Excel Nuoret urheilijat 5K Worksheet Aikuiset 10K Matto pakottaa vauhdin Voimalevyt maton alla (vain pystyvoima!) Mittaukset videokameroiden perusateella

32 Yhteenveto Coventryn yliopiston sekä laboratorio- että kilpailutilanteen kenttämittausten mukaan urheilijoilla on taipumus pidentää askelpituutta väsymyksen uhatessa Kuitenkin pidempi askel vauhdin hidastuessa kuluttaa enemmän energiaa, koska massakeskipiste ehtii putoamaan enemmän. Samassa tilanteessa, missä kilpapyöräilijä vaihtaa pienemmälle ja ylläpitää frekvenssin kävelijä vaihtaa isommalle ja hidastaa frekvenssiä Erityisesti askeleen etutukivaihe massakeskipisteeseen nähden kasvaa ja aikaansaa näin energiataloudellisesti huonomman tekniikan: ylämäkiosuus kasvaa Johtuuko tämä pyrkimyksestä korvata hidastuva frekvenssi pidemmällä aallonpituudella? Vai siitä, että urheilijan lihaskunto ei enää riitä pitämään suuremmalla frekvenssillä suoritusta IAAF säännön 230 mukaisena? Vai onko syynä se, että mitä suuremmalla frekvenssillä kilpailija kävelee, sen lähemmäs vartalon alle etutukivaihe tulee ja sen vaikeampi tuomarin on nähdä polven ojentumista? Vai siitä, että suuri frekvenssi kuormittaa liiaksi nopeita lihas-soluja, jolloin niiden väsyessä pitää siirtyä käyttämään hitaampia mutta kestävämpia lihas-soluja? Vai loppuuko hermosoluilta energia, jolloin nopeampi askeltaajuus ei enää toimi? Lopputuloksena joka tapauksessa vauhti hidastuu kun askelpituus kasvaa Kannattaa huomata, että kävelijän kahden tukivaiheen välillä painovoiman aiheuttama pudotus on verrannollinen tukivaiheiden väliseen aikaan ( h=1/2at 2 ), eikä esimerkiksi askeleen pituuteen, joten askeleen pituutta saa kehittää vain vauhdin kasvaessa: toisin sanoen nopeuden hakeminen askelpituutta lisäämällä frekvenssiin pudotessa johtaa katastrofaaliseen energian tuhlaukseen.

33 Pohdittavaa Mikä on hitain nopeus, millä urheilija pystyy etenemään samalla tekniikalla kuin kilpailussa? Mikä on kuntotasoon suhteutettu järkevä yhden toiston pituus edellä mainitulla vauhdilla? Koska urheilija on kypsä tekemään pk harjoitukset kävellen? Olisiko joku muu tapa parempi juniorivuosina? Hiljaa kävelemällä oppii - kävelemään hiljaa? Jos tytöillä 3K ei kulje alle 14min ja pojilla 5K alle 22min onko mitään järkeä kävellä 20K?. Eikö ensin kannattaisi hankki 20K matkavauhti lyhyemmillä matkoilla? Maximise performance at 5km (<20:30) & 10km (<43:00) before regular 20km competition (Brent Valiance Australian institute of Sport & 2004 Olympic Team Coach Walks)

34 Kävelystä sanottua kävelevän robotin kehittäminen on ollut kova haaste insinööreille, niin paljon erilaisia tasapainoantureita, horjahduksia korjaavia mekanismeja ja ennen kaikkea laskentakapasiteettia se vaatii..... kävelemisen hinta [ihmislajille] on myös kova... selkä ja jalkaongelmat johtuvat siitä, että selkäranka on alunperin pään ja peffan välissä roikkuva oiva kannatinrakenne nelijalkaisille eläimille.. riippusilta joka ihmisellä on on nostettu pystyn... Esko Valtaoja; Turkulainen tähtitieteen professori teoksessa Kävelyretkiä kaikkeuteen Tähtitieteellinen yhdistys Ursa 2007

35 Engantilainen fyysikko ja matemaatikko Sir Isaac Newton ; Newtonin ensimmäisen lain mukaan: massakeskipiste jatkaa suoraviivaista liikettään (tai pysyy levossa) mikäli siihen ei kohdistu mitään voimaa Newtonin toisen lain F=ma mukaan voimaa vastaa kiihtyvyys ja kiihtyvyyttä voima Newtonin kolmas laki: jos ponnistat maasta voimalla F, niin maa ponnistaa sinua vasten voimalla -F

36 Leonardo di ser Piero da Vinci ( ) Italialainen kävelyvalmentaja The relationship between static balance and centre of mass has been understood for a very long time. Leonardo da Vinci demonstrates an understanding of the concept as he describes how to draw human figures in motion, in his notebooks (A.J Sutherland: A Torso Driven Walking Algorithm for Dynamically Balanced Variable Speed Biped Robots). "Motion is created by the destruction of balance, that is, of equality of weight, for nothing can move by itself, which does not leave its state of balance, and that thing moves most rapidly, which is furthest from its balance.". The centre of gravity of a man who lifts one of his feet from the ground always rests on the centre of the sole of the foot [he stands on] The faster a man runs, the more he leans forward towards the point he runs to and throws more weight in front of his axis than behind.

37 Puolalainen näkemys - Robert Korzenjowski - Pajulahden kestoseminaari 2000 (Kari Ahosen muistiinpanot) Olimme tekemässä harjoitusta ulkona yhdessä kävelijöiden ja valmentajien kanssa, Robert esitti käsitystään tekniikasta ja kun hänellä oli jalka suorana vartalon alla kysyin häneltä : "What happens next? johon Robert : "jump up!". ja jatkoi; kun ponnistuu suuntautuu ylöspäin on sen voima (teho) suurin,- liikenopeus siirtää kuitenkin ponnistuksen suunnan eteenpäin - ei ylös. Suuntaa tehostaa käsien liike, joka ei saa viedä askelta ponnistuvaiheessa ylös-- vaan eteenpäin. Myös tärkeä asia oli, että jalka ja lantio työskentelee parina: ei niin että jalka vie lantiota tai toisinpäin vaan: jalka ja lantio kulkevat parina eteenpäin ja tämä mahdollistaa sen, että askel suuntautuu eteenpäin ja vartalon painopiste on etummaisen jalan päällä heti sen koskettaessa maata.