THE EFFECT OF SKI GLIDING PROPERTIES ON THE FORCE PRODUCTION OF V2-TECHNIQUE

THE EFFECT OF SKI GLIDING PROPERTIES ON THE FORCE PRODUCTION OF V2-TECHNIQUE Olli Ohtonen Master s thesis in Biomechanics Autumn 2010 Department of Biology of Physical Activity University of Jyväskylä Supervisors: Stefan Lindinger Vesa Linnamo

TIIVISTELMÄ Ohtonen, Olli 2010. Suksen luisto-ominaisuuksien vaikutukset V2-tekniikan voimantuottoon. Biomekaniikan pro gradu -työ, syksy 2010. Liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto, 64 s. Perinteisen hiihdon voimantuottoa on tutkittu paljon (esim. Komi 1985/1987, Vähäsöyrinki 2008, Lindinger 2009), mutta 3D-voimamittauksia luisteluhiihdosta ei ole juurikaan tehty. Suksen luisto-ominaisuuksien vaikutuksista suorituskykyyn ja biomekaanisiin ominaisuuksiin puhutaan paljon mutta, niitä ei ole vielä tutkittu. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa toimiva 3D-voimanmittauslaitteisto ja tutkia kuinka erilailla voidellut sukset vaikuttavat luisteluhiihdon sykliin sekä käsien ja jalkojen voimantuottoon. Kehitetty siteeseen kiinnitettävä voimanmittauslaitteisto rakennettiin (Jyväskylän yliopisto). Laite kalibroitiin ja sen toimintaa vertailtiin jo olemassa olevia voimanmittauslaitteita, suksenliikutuslaite (Kolehmainen 2006) ja pitkät voimalevyt (Vähäsöyrinki 2008), vastaan. Lisäksi testiin luisteluhiihtomittaukset, joissa 10 laadukasta kansallisen tason hiihtäjää suoritti neljällä eri nopeudella hiihtosuorituksia 100 metriä pitkään tasaisen kulman (4 ) omaavaan hiihtonousuun V2-tekniikalla kahdella eri lailla valmistellulla suksella (hidas suksi ja nopea suksi). Hitaan suksen kitka oli 79 % suurempi kuin nopean suksen. Tämä johti 6,4 % hitaampaan maksiminopeuteen hitaalla suksella. Syklin kesto lyheni ja frekvenssi kasvoi hitaalla suksella. Tämä johtui pääasiassa palautumisajan lyhenemisestä syklin sisällä. Toinen merkittävä tekijä suuremman kitkan kompensoimisessa hitaalla suksella on ylävartalon voimantuoton kasvu (sauvan huippuvoima ja keskimääräinen työntövoima syklin aikana) hitaalla suksella. Pystysuorissa jalkavoimissa ei havaittu muutoksia, mutta poikittaissuuntaiset jalkavoimat (jalan huippuvoima poikittaiseen suuntaan) olivat suurempia ja hitaalla suksella. Voimanmittauslaitteisto osoittautui toimivaksi, mutta suksen suuntaisten voimien mittaamista tulee vielä kehittää. Hitaan suksen aiheuttama suurempi kitka vakionopeuksilla kompensoidaan lyhentämällä syklin kestoa (ja nostamalla frekvenssiä), mikä tapahtuu pääasiassa palautumisaikaa lyhentämällä. Ylävartalon voimantuoton kasvu on myös merkittävä tekijä suuremman kitkan kompensoimisessa, mikä on linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa (Millet ym. 1998). Jalkojen voimantuotossa poikittaisvoimien kasvu, mikä voi johtua suksen voimakkaammasta kääntämisestä kantille, on havaittavissa hitaalla suksella. Pystysuuntaisissa jalkavoimissa muutoksia ei ole havaittavissa. Avainsanat: Maastohiihto, luisteluhiihto, voimantuotto, luisto-ominaisuudet

ABSTRACT Ohtonen, Olli 2010. The effect of ski gliding properties on the force production of V2- technique. Master s thesis in Biomechanics, autumn 2010. Department of Biology of Physical Activity, University of Jyväskylä. 64 p. Force production during diagonal cross-country (XC) skiing has been often investigated (e.g. Komi 1985/1987, Vähäsöyrinki 2008, Lindinger 2009), but multidimensional force measurements during skating have rarely been performed. The role of gliding properties of skating skies for performance and biomechanical movement patterns is often discussed in XC ski racing but has not yet been investigated. The aim of the present study was to examine the effects of two differently prepared skating skis on performance, cycle characteristics and leg and pole force production during V2 skating. Improved force measurement system in ski binding was built (Univeristy of Jyväskylä). It was calibrated and then compared against existing force measurement systems (Ski tester, Kolehmainen 2006 and long force platform Vähäsöyrinki 2008). In skating measurements ten top Finnish national level skiers performed V2 skating on a constant 100 m uphill (4 ) at four different speeds using two differently prepared skating skis (fast ski and slow ski). Coefficient of friction was 79 % higher with the slow ski than with the fast ski. This leads to approximately 6,4 % slower maximum speed with the slow ski. Cycle time gets shorter and frequency gets higher with the slow ski. This is mainly caused by the decreasing in the recovery time of leg inside of the cycle. Another important thing when compensating the higher friction of slow ski is the increase in the force production of the upper body (peak pole force and average cycle force). No changes were observed in the vertical leg forces but the lateral leg forces (peak lateral leg force) is increasing with the slow ski comparing to fast ski. Force measurement system turned out to be useful system, but the measuring of the horizontal forces still needs improvement. Greater friction caused by the slow ski is compensated by reducing the cycle time (and raising the frequency) which is mainly done by reducing the recovery time of the leg. Increasing the force production of the upper body is also important when compensating the greater friction of the slow ski. These results are in line with the earlier studies (Millet et al. 1998). In leg forces increasing of the lateral forces, which might be caused by the more strongly edging of the ski, can be seen with the slow ski. Whereas no differences were observed in vertical leg forces Keywords: Cross-country skiing, skating, force production, glide properties

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ ABSTRACT KIRJALLISUUSKATSAUS 1 JOHDANTO... 5 2 MAASTOHIIHDON TEKNIIKAT... 6 2.1 Vapaa hiihtotekniikka... 7 2.1.1 V1-tekniikka... 7 2.1.2 V2A-tekniikka... 8 2.1.3 V2-tekniikka... 8 2.2 Perinteinen hiihtotekniikka... 9 2.2.1 Vuorohiihto... 10 2.2.2 1-potkuinen tasatyöntö... 10 2.2.3 Tasatyöntö... 10 3 VOIMAN MITTAAMINEN MAASTOHIIHDOSSA... 11 3.1 Voiman mittaamisen perusteita... 11 3.2 Jalkojen reaktiovoimien mittaaminen... 12 3.2.1 Lumen alle sijoitettavat voimalevyt... 12 3.2.2 Suksen ja siteen väliset voimalevyt... 15 3.3 Sauvojen reaktiovoimien mittaaminen... 18 3.4 Muita voimanmittaustapoja maastohiihdossa... 19 3.4.1 Painepohjalliset... 19 3.4.2 Suksenliikutuslaite... 20 4 VOIMANTUOTTOON VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ MAASTOHIIHDOSSA... 22 4.1 Hiihtonopeuden vaikutus voimantuottoon... 22 4.2 Suksen pito-ominaisuuksien vaikutus voimantuottoon... 24 4.3 Nousukulman vaikutukset voimantuottoon... 26 4.4 Tekniikoiden vaikutus voimantuottoon... 27 4.5 Suksen luiston vaikutus voimantuottoon ja fysiologisiin muuttujiin... 28 5 TUTKIMUKSEN TARKOITUS... 30 LÄHTEET... 32

1 JOHDANTO Maastohiihtoa on tukittu eri menetelmillä jo kymmeniä vuosia. Voimamittauksia maastohiihdossa on tehty jo liki 30 vuotta, ensimmäiset voimamittaustutkimukset suoritettiin Ekströmin (1981) toimesta. Voimamittauksia on tehty enimmäkseen perinteisen tekniikasta (mm. Komi 1985 ja 1987, Vähäsöyrinki 1996 ja 2008) mittausten helpomman toteuttamisen vuoksi. Luistelutekniikasta voimamittauksia on vain muutamia (mm. Leppävuori 1989 ja 1993). Tällä hetkellä on käynnissä useita projekteja maastohiihdon tutkimusta varten. Keväällä 2008 alkoi hiihto- ja lumitutkimusympäristö (HILU) projekti Vuokatissa. Projektissa on mukana seuraavat tahot: Center for Wireless Communications (CWC), Oulun yliopiston mittalaitelaboratorio (MILA), Jyväskylän yliopisto ja VTT. Tutkimushankkeen tavoitteena on toteuttaa Vuokattiin kokonaisvaltainen mittausympäristö hiihtotutkimusta varten. Visiona on kehittää Vuokatin alueesta kansainvälisesti arvostettu hiihtotutkimuksen huippukeskittymä. Jyväskylän yliopiston vastuulla on koordinoida hankkeessa kehitettävien teknisten sovellusten testausta oikeissa hiihtomittauksissa. Lisäksi Jyväskylän yliopisto vastaa hiihtosuksiin kiinnitettävien antureiden kehittämisestä, joita käytetään reaktiovoimien mittaamiseen maastohiihdossa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on suunnitella ja rakentaa suksen ja siteen väliin sijoitettava vastusvenymäliuskateknologiaan perustuva voimalevy. Voimalevyltä mitataan voimia kaikista kolmesta luonnollisesta (x, y ja z) suunnasta. Tämän lisäksi voimalevyn tulee olla helposti siirrettävä suksesta toiseen, jotta voidaan mitata eri urheilijoita ja eri tekniikoita. Voimalevyjen toiminta testataan luisteluhiihtomittauksilla, joissa tutkitaan suksen erilaisten luisto-ominaisuuksien vaikutusta hiihtäjän jalka- ja sauvavoimantuottoihin kolmella eri vakionopeudella sekä maksiminopeudella.

6 2 MAASTOHIIHDON TEKNIIKAT Nykyaikaisessa mastohiihdossa katsotaan tekniikan suhteen tapahtuneen kaksi suurta muutosta. Ensimmäisen muutoksen aiheutti muovisuksi, joka syrjäytti puusuksen. Toisen aiheutti luisteluhiihto, joka eriytyi omaksi tekniikakseen kilpahiihdossa 80-luvulla. Muovisuksi on puusukseen nähden huomattavasti liukkaampi, kevyempi ja kapeampi. Tämän vuoksi latujen valmisteluun oli kiinnitettävä suurempaa huomiota, joka aiheutti koneellisten latukoneiden kehittymisen. Muovisuksissa on erilainen jalkavuusjäykkyys kuin puusuksessa. Muovisuksi vastaa ponnistukseen takaisinpotkulla terävämmin kuin puusuksi aikoinaan. Tämä aiheutti ponnistusajan lyhenemisen ja pakotti kehittämään perinteisen hiihtotekniikkaa, joka ilmeni mm. 3- ja 4-vaiheisen vuorohiihdon häviämisenä hiihtotekniikoista. Lisäksi muovisuksen voitelu on huomattavasti tarkempaa kuin puusuksen. Puusuksessa pitovoide levitettiin usein koko suksen matkalle, mutta muovisuksessa se laitetaan vain voidepesän alueelle. Muovisuksella voiteluvirheiden mahdollisuus on huomattavasti suurempi kuin puusuksella, mutta voitelun onnistuminen takaa paremman hiihdettävyyden. (Kataja ym. 1996 s. 34) Luistelu on ollut osa maastohiihtoa jo vuosikymmeniä, sitä on käytetty perinteisen hiihdon osana askelkäännöksissä ja kun olosuhteet ovat sen sallineet (Smith 2003 s. 45). Luisteluhiihtoa on käytetty mm. maakuntaviesteissä ja hiihtosuunnistuksessa sekä kovapohjaisten tasanteiden ja tiepohjien hiihdossa vuosikymmeniä. Luisteluhiihtoa on käytetty myös jäällä ja keväthangilla retkihiihdossa. Luisteluhiihto kehittyi pitkissä massahiihdoissa, missä oli hiihdettävä kovaa ja taloudellisesti usein muuttuvissa olosuhteissa. Pauli Siitonen tunnetaan luisteluhiihdon kehittäjänä (Siitonen schritt). Hän huomasi, että nousut voi luistella vaikka pitovoiteet olivat kuluneet. Muuttuvissa keliolosuhteissa luistelutekniikasta oli valtava apu perinteisen tekniikoihin verrattuna. Kilpahiihdossa luistelutekniikka yleistyi 80-luvulla. Oslon MM-kilpailuissa 1982 luistelu tuli useimpien hiihtäjien käyttöön. (Kantola ym. 1985 s. 144). Kaudella 1985-86 luisteluhiihdosta tuli virallinen osa kansainvälistä kilpahiihtoa (Smith 2003 s. 45)

7 80-luvun lopussa tapahtui Kansainvälisen hiihtoliiton (FIS) toimesta maastohiihdossa jako perinteisen ja luisteluhiihdon tekniikoihin kilpailuissa ja tuota jakoa noudatetaan vielä tänäkin päivänä. 2.1 Vapaa hiihtotekniikka Vapaassa hiihtotekniikassa on viisi eri osatekniikka, jotka ovat V1 (perusluistelu, kuokka), V2 (1-vaiheinen tasaluistelu, Wassberg), V2A (2-vaiheinen tasaluistelu, Mogren, open field), sauvoittaluistelu ja vuoroluistelu ( ankkakävely ). Ensimmäisenä on tekniikan kansainvälinen nimi ja suluissa muita tekniikasta käytettyjä nimiä. Jatkossa käytetään tekniikoista kansainvälisiä nimiä. Seuraavassa esitellään ensimmäiset kolme osatekniikkaa, koska ne ovat käytetyimmät luistelutekniikat. V2-tekniikka esitellään tarkemmin, koska tässä tutkimuksessa käytetään kyseistä tekniikkaa. 2.1.1 V1-tekniikka Kuten vuorohiihto perinteisessä V1 luistelussa on tekniikka jota käytetään kun vastustavat voimat kuten ylämäki ja huono luisto, ovat suuria (Smith 2003 s. 47). V1-tekniikka on kuntoilijoiden piirissä eniten käytetty luistelutekniikka. Kilpailijat käyttävät sitä lähinnä ylämäkien hiihtämiseen. Tasaisella ja alamäissä ei tällä tekniikalla ehdi tehdä suoritusta loppuun asti vauhdin kasvaessa liian suureksi. Voimantuoton kannalta paras työntökulma on silloin, kun kyynärkulma on 90-100 ja sauvat iskeytyvät lumeen monojen kohdalla. Sauvatyöntö on lähes puhdas tasatyöntö ja hartioiden tulee olla koko syklin ajan kohtisuorassa latulinjaa vasten. V1-tekniikassa sauvatyön optimaalisen voimantuoton ja oikean rytmin saavuttamiseksi työntö on hieman epäsymmetrinen niin, että työntöpuolen käsi ohjaa työntöä. (Kataja ym. 1996 s. 61). Työntöpuolen sauva on lähes kohtisuorassa lunta vasten ja toinen sauva hieman kohtisuorasta vinossa ponnistavan suksen suuntaan (Smith 2003 s. 47). V1-tekniikkaan voidaan lisätä loikka ylämäkeen jolloin kiihdytetään vauhtia ja tehdään samalla rytminvaihdos. Loikassa ponnistus on lyhyempi ja nopeampi ja sillä saadaan kiihdytettyä vauhti nopeasti. Irtiotoissa esim. viesteissä käytetään usein loikkaa. (Kataja ym.1996 s.64)

8 2.1.2 V2A-tekniikka V2A-tekniikka on muunnos V1-tekniikasta. Kuten V1-tekniikassa, V2A-tekniikassa työntö tapahtuu vain toiselle puolelle ja se on epäsymmetrinen (Kataja 1996 s. 66). V1- tekniikkaan verrattuna V2A tekniikan ajastus on rauhallisempi. V2A tekniikan sykli kestää noin 1,5 s, kun V1-tekniikalla sykli kestää noin 1,2-1,3 s (Smith 2003 s. 49). Tätä tekniikkaa käytetään tasaisilla ja loivissa alamäissä hyvillä ja luistavilla keleillä. V2Atekniikka eroaa V1-tekniikasta siinä, että se alkaa sauvojen tasatyönnöllä, jonka jälkeen tulee työntöpuolen ponnistus. Työntö suoritetaan ladun suuntaisena, kaikki ylävartalon kierrot hukkaavat energiaa. Oikein suoritettuna tämä tekniikka lisää vauhtia tasaisella tai loivaan ylämäkeen. Koska voimantuottoajat ovat V2A-tekniikassa pitemmät, hiihtäjälle jää aikaa keskittyä jokaiseen suoritukseen. V1-tekniikkaan verrattuna ylävartaloa käytetään tässä tekniikassa tehokkaammin hyväksi, koska ylävartalon tuottama voima on aikayksikköä kohden suurempi kuin perusluistelussa. (Kataja ym. 1996 s. 66-69, Smith 2003 s. 49). 2.1.3 V2-tekniikka V2-tekniikka eroaa kahdesta muusta luistelutekniikasta siten, että se on täysin symmetrinen (Smith 2003 s. 50). Tässä tekniikassa työnnetään molemmille puolille täysin samanlainen tasatyöntö. V2-tekniikka suoritetaan rytmissä työntö potku työntö ja kaikki voimat suuntautuvat ladun suuntaisesti. Tässä tekniikassa voimantuotto ja hyötysuhde ovat hyviä, koska tehokas tasatyöntö ja jalkaponnistus yhdistetään. V2- tekniikkaa käytetään tasaisilla ja ylämäkiin, kelin ollessa hyvä jotkut hiihtäjät voivat hiihtää erittäin jyrkätkin nousut tällä tekniikalla. Tämä tekniikka on nopea kiihdytyksissä ja maalisuorilla. (Kataja ym.1996 s. 69-72). V2-tekniikka on alettu käyttämään viime vuosina paljolti kilpailuissa, huippuhiihtäjät voivat hiihtää jyrkätkin ylämäet tällä tekniikalla, mutta tämä asettaa huomattavia vaatimuksia ylävartalolle (Smith 2003 s. 50). Kuvassa 1 on esitetty V2-tekniikan puolikas sykli. Koska V2-tekniikka on symmetrinen, työnnöt ja potkut ovat samanlaisia kummallekin työntöpuolelle.

9 KUVA 1. V2-tekniikan puolikas sykli.(smith 2003, s. 50) V2-tekniikan pääasioita ovat. Tasatyöntö ja luistelupotku tapahtuvat kummallekin puolelle muodostaen symmetrisen tekniikan. V2-tekniikan koko syklin mitta on pitempi kuin muiden luistelutekniikoiden, mutta jokaisen tasatyönnön kesto on huomattavasti lyhyempi. Tämä vaatii käsien huomattavan kiihdyttämisen sauvojen eteentuontivaiheessa seuraavan työntövaiheeseen. Koska työnnön kestoaika on lyhyt, voi kyynärpään fleksio-ekstensioliike työntövaiheessa aiheuttaa voimaa lisäävän venymis-lyhenemis-syklin muodostumisen. Luistelupotkun eteenpäin vievä voima on melko pieni koska suksikulma V2- tekniikassa on kapea. Sauvavoimat tuottavat todennäköisesti suurimman osan eteenpäin vievästä voimasta V2-tekniikassa. (Smith 2003 s. 51) 2.2 Perinteinen hiihtotekniikka Perinteisen hiihtotekniikassa on kolme eri osatekniikka, jotka ovat vuorohiihto (2- vaiheinen vuorohiihto, diagonal stride) 1-potkuinen tasatyöntö (double pole with kick), tasatyöntö (double pole). Ensimmäisenä on suomenkielinen nimi, jota käytetään jatkossa ja suluissa englanninkielinen nimi. Seuraavassa esitellään perinteisen hiihdon tekniikat.

10 2.2.1 Vuorohiihto Vuorohiihto on hitaiden vauhtien ja ylämäkien tekniikka. Vauhdin kiihtyessä vuorohiihdon taloudellisuus huononee. Potkuja ei ehditä suorittaa tehokkaasti koska vuorohiihdossa suksi on pysäytettävä potkun ajaksi vaikka hiihtäjä liikkuu. (Anttila & Roponen 2008 s. 75). Vuorohiihtosykli muodostuu kahdesta vuoroittaisesta työntö ja ponnistusparista, joiden välissä on vapaan liukumisen vaihe (Kataja 1996 s. 45). 2.2.2 1-potkuinen tasatyöntö 1-potkuinen tasatyöntö on tasaisten sekä loivien ylämäkien tekniikka. Se muodostuu tasatyönnöstä, johon on yhdistetty jalkaponnistus. 1-potkuisen tasatyönnön työvaiheet ovat potku ja työntö, niiden väliin sijoittuu kaksi vapaata liukuvaihetta. (Kataja 1996 s. 42). 1-potkuista tasatyöntöä pidetään perinteisen tekniikoista kaikista haastavimpana, koska jalka- ja käsityöskentelyn yhdistäminen vaatii tarkkaa ajoitusta (Anttila & Roponen 2008 s. 87). 2.2.3 Tasatyöntö Perinteisen hiihdossa tasatyöntö on kaikkein nopein tekniikka. Tasatyönnössä erotetaan kaksi vaihetta, ne ovat vapaa liukuvaihe ja tasatyöntö sauvoilla. Liukuvaiheen aikana vauhti hidastuu ja työnnön aikana se kiihtyy. (Kataja 1996 s. 22). Tasatyönnössä kaikki eteenpäin vievä voima tuotetaan sauvoilla. Käsien kulmaa ja työnnön pituutta muuntelemalla voidaan voimaa tuottaa taloudellisesti hyvinkin erilaisiin maastonkohtiin. (Anttila & Roponen 2008 s. 80). Sprinttihiihto on tuonut tasatyöntöön suuria mullistuksia. Sprintin myötä tasatyöntötekniikkaan on tullut useita erilaisia versioita. Sprintissä työntövaihe on lyhyempi kuin perinteisessä tasatyönnössä. Sprintin tasatyöntö on pumppaava ja siinä nousevat kantapäät huomattavasti ilmaan ennen työntövaihetta. Rintakehä nousee ylös ja sauvat lyödään lumeen suuren voiman tuottamiseksi lähes kohtisuoraan. Normaalimatkoille tasatyöntöön sprinttihiihdosta on otettu vaikutteita loppukireihin ja kiihdytyksiin. (Anttila & Roponen 2008 s. 85)

11 3 VOIMAN MITTAAMINEN MAASTOHIIHDOSSA Maastohiihdossa tuotetaan eteenpäin vievää voimaa sekä käsin sauvojen avulla, että jaloin suksien avulla. Jotta ymmärtäisimme maastohiihtoa paremmin, on tärkeää pystyä mittaamaan ja erittelemään näitä voimia. Kummatkin voimat vaikuttavat eteenpäin menemiseen, mutta voimien toiminnallinen merkitys voi olla monimutkaisempi kuin reaktiovoimien, jotka vaikuttavat juoksussa ja kävelyssä. (Komi 1987). 3.1 Voiman mittaamisen perusteita Biomekaanisissa voimamittauksissa käytetään yleensä seuraavanlaisia mekaanisia elementtejä: kondensaattori, konduktori (johtuvuuteen perustuva), pietsoelektrinen anturi ja venymäliuska. Sähköinen kondensaattori koostuu kahdesta sähköä johtavasta levystä, jotka ovat vastakkain toisiaan vasten ja joita erottaa etäisyys, joka on pieni niiden levyjen lineaariseen mittaan nähden. Levyjen väli on täytetty, ei johtavalla, elastisella materiaalilla. Johtuvuuteen perustuvat anturit ovat rakenteeltaan samanlaisia kuin kondensaattorit, mutta levyjen välissä oleva materiaali on sähköä johtavaa. Kun levyihin kohdistuu voimaa, levyjen välissä oleva materiaali kuormittuu ja aiheuttaa sähköisen resistanssin muutoksen levyjen välissä. Pietsoelektrinen materiaali on ei-johtavaa materiaalia kuten kvartsia, jolla on ominaisuus synnyttää sähköinen varaus kun siihen kohdistuu mekaaninen kuorma. Useat biomekaniikassa käytetyt venymämittaukset perustuvat sähköisiin metodeihin. Sähköiset venymäliuskat perustuvat vastus, pietsoresistiivisiin, pietsoelektrisiin, kapasitiivisiin, induktiivisiin ja/tai valosähköisiin menetelmiin. Voimalevymittauksissa yleensä käytetty anturi on vastusvenymäliuska. Sähköinen vastusmuunnin käyttää periaatetta, että rakenteeseen kohdistuva voima muuttaa sen geometriaa, jolloin sen vastus muuttuu ja tämä muutos voidaan kalibroida. (Nigg & Herzog, 1995 s. 261-280)

12 3.2 Jalkojen reaktiovoimien mittaaminen Maastohiihdossa tuotettavia suksen reaktiovoimia on tutkittu kahdella eri pääperiaatteella. Lumen alle haudattavilla, ylihiihdettävillä, voimalevyillä (mm. Komi 1985 ja 1987, Leppävuori ym. 1993, Vähäsöyrinki 1996, Vähäsöyrinki ym, 2008, Piirainen 2008) sekä suksen ja siteen väliin sijoitettavalla pienellä voimalevyllä.(mm. Ekstöm 1981, Komi 1987, Leppävuori 1989, Babiel 2003). 3.2.1 Lumen alle sijoitettavat voimalevyt Perinteisen hiihdon suksivoimia on tutkittu lumen alle sijoitetuilla pitkillä voimalevyillä (6-20 m), jotka mittaavat vaaka- (Fy) ja pystyvoimia (Fz). Ensimmäiset mittaukset pitkillä voimalevyillä toteutettiin Paavo Komin toimesta vuonna 1985 ja 1987. Jos halutaan mitata perinteisillä voimalevyillä maastohiihtoa (perinteinen tekniikka) täytyy voimalevyn pituus olla huomattavasti suurempi kuin esimerkiksi juoksussa ja kävelyssä. Tämä sen vuoksi, koska liuku- ja potkuvaiheet ovat maastohiihdossa melko pitkiä. (Komi 1987). Komin tutkimuksissa (1985 ja 1987) voimalevy-yksikkö (kuva 2) koostui neljästä 1,5 m pitkästä voimalevystä, jossa kussakin oli neljä 15 cm voimalevyä rinnakkain (sauvoille ja suksille). Jokainen levy mittasi voiman pystysuoraa (Fz) ja vaakasuoraa (Fy) komponenttia venymäliuska-antureilla, jotka oli asetettu molempiin päihin (Fz) ja keskelle (Fy) levyä (Komi 1985). Jokaisen rivin levyt kalibroitiin erikseen. Ennen kuin ne yhdistettiin sähköisesti, niiden vaste ei saanut ylittää ±1 % virhettä koko mittausalueella (Komi 1987). Pitkä voimalevy mahdollistaa vaihtelua yhteen testauskertaan, suorituskertojen nopeudessa ja voitelussa. Suksia ja sauvoja voidaan vaihtaa ja monia urheilijoita voidaan testata samanlaisissa testiolosuhteissa. Haittapuolia ovat: (a) Levyn sijoitus lumen alle vie huomattavan paljon aikaa ja vaivaa ja se pitää tehdä yhtä päivää ennen mittauksia. Erityisesti pitää huolehtia, että jokainen levy on fyysisesti irrallaan toisista levyistä ja ympäröivästä lumesta ja jäästä. (b) Kun levy on asennettu sillä voidaan tehdä vain kaksi tai kolme suoritusta yhden testin aikana. (c) Voimalevyltä ei saada voiman (Fx) komponenttia. (Komi 1987)

13 KUVA 2. 6-metrinen lumen alle sijoitettava voimalevy perinteisen hiihtoon (Komi 1985) Uudemmissa tutkimuksissa (Vähäsöyrinki ym. 2008, Piirainen 2008) on käytetty myös pitkiä voimalevyjä perinteisen hiihdon tutkimuksissa. Uusi mittaustekniikka mahdollistaa useiden peräkkäisten hiihtosyklien ajalta sauva- ja suksivoimien samanaikaisen mittaamisen 20 m pitkältä voimalevysysteemiltä (kuva 3). Systeemi on sijoitettu hiihtotunneliin, missä lumi, lämpötila ja kosteus pysyvät vakiona. (Vähäsöyrinki ym. 2008). Suksi- ja sauvavoimat (Fz ja Fy) tallennettiin erikseen samanaikaisesti pitkin voimalevysysteemiä. Nelirivinen levysysteemi muodostui 1 m pitkistä erillisistä levyistä, jotka olivat kytketty sähköisesti sarjaan rivi riviltä. Kaksi keskimmäistä riviä (suksille) peitettiin lumella ja siihen valmistettiin latu. Uloimpien, sauvoille tarkoitettujen, rivien metallipinta peitettiin liimatulla tartanin tyyppisellä materiaalilla ja sen pinta oli keskimmäisten rivien lumen tasolla. Asennuksen jälkeen mitattu mittausvirhe oli alle 0,5 %. (Vähäsöyrinki 2008)

14 KUVA 3. 20 metrinen lumen alle sijoitettava voimalevysysteemi perinteisen hiihtoon (Vähäsöyrinki 2008) Luisteluhiihdon suksen reaktiovoimia on tutkittu lyhyemmällä voimalevysysteemillä (kuva 4) Leppävuoren ym. (1993) toimesta. Voimalevy koostui 20 horisontaalisesta kiskosta, jotka olivat 0,1 m leveitä ja 1,5 m pitkiä. Jokainen kisko oli varustettu kolmella venymäliuskasillalla 3-D voimien mittaamiseksi kiskosta. Jokainen kisko oli suunniteltu niin, että voiman komponentit voitiin mitata erikseen muista komponenteista ja mistä kohti kiskoa tahansa. Kiskot oli kiinnitetty vahvaan alumiinirunkoon 2,2 m pitkän voimalevyn muodostamiseksi. (Leppävuori ym. 1993). Mittaussysteemi oli tarkka ja sopiva reaaliaikaisiin mittauksiin kenttäolosuhteissa. Testimittaukset osoittivat, että systeemi on sopiva luisteluhiihdon biomekaniikan ja luistelusuksien toiminnallisuuden analysointiin. (Leppävuori ym. 1993). Ongelmia tässä mittaustavassa olivat voimalevyrakenteen keveys, joka aiheutti virhettä tuloksiin. Voimalevy oli ulkona, mikä aiheutti ongelmia, koska lumivaippa ei ollut yhtä paksu, lumen satamisen vuoksi, kaikkien kiskojen päällä. (Leppävuori ym. 1993).

15 KUVA 4. 2-metrinen voimalevy luisteluhiihdon testaamiseen. (Leppävuori ym. 1993) 3.2.2 Suksen ja siteen väliset voimalevyt Hiihtäjän aiheuttamia reaktiovoimia on mitattu suksen ja siteen väliin asennettavilla pienillä voimalevyillä. Ensimmäisiä voimamittauksia tällaisella metodilla toteutti Ekström (1981) Sukseen asennettiin mittauslevy, johon hiihtäjän mono kiinnitettiin (kuva 5). Mittauslevy sisältää kulmalevyn johon oli asennettu viisi voimanmittaus solua (ELF 1000-250, Entran Devices inc, USA) pysty- ja vaakasuuntaisten voimien mittaamista varten (mittaustarkkuus ±10 %). Mittauslevyn paino on 280 g per suksi. (Ekström 1981)

16 KUVA 5. Suksen ja monon väliin asennettava mittauslevy (Ekstöm 1981). Komi (1987) teki mittauksia myös suksen ja siteen väliin asennettavalla voimalevyllä (kuva 6). Tämä sen vuoksi, koska pitkän voimalevyn käyttö on hankalaa kun halutaan mitata useita toistettuja (hiihto)askelia pitkän matkan aikana (Komi 1987). Suksessa oleva yksikkö koostui yhdestä Fy-levystä ja kahdesta erillisestä Fz-levystä, toinen jalan kanta- ja toinen päkiäosalle. Horisontaalinen voimalevy kiinnitettiin siteen etuosaan. Kaksi Fz-levyä toimivat erillisinä levyinä, tai niiden signaalit voitiin summata. (Komi 1987). Yhden levyn kokonaispaino on vain 200 g. Tämä mahdollistaa sen, että hiihtäjä voi liikkua vapaasti ja suorittaa oikeaa maastohiihtoa myös kilpailutilanteissa. Levyt on mahdollista siirtää toiseen sukseen kymmenessä minuutissa. (Komi 1987) Suksen ja siteen väliin asennettavat pienet voimalevyt oli suunniteltu voittamaan ainakin muutamia pitkien voimalevyjen ongelmia. Pienten levyjen suurin ongelma oli se, että horisontaalisen Fy-anturin kalibrointi vie melko kauan aikaa ja kalibrointi piti toistaa aika ajoin sekä aina kun siteitä vaihdettiin suksesta toiseen. Fz-levy oli helpompi kalibroida ja mahdollinen nollatason ryömintä oli mitätöntä. Kun levyt olivat paikoillaan ja kalibroinnit oli huolellisesti suoritettu, mittauksia voitiin suorittaa luotettavasti erilaisissa olosuhteissa jopa useita satoja kertoja. (Komi 1987)

17 KUVA 6. Suksen ja siteen väliin asennettava voimalevy (Komi 1987). Myöhemmissä mittauksissa Leppävuori (1989) mittasi samaisilla, modifioiduilla, antureilla. Tällöin oikean jalan suksen anturi mittasi suksen pysty- (Fz) ja pituusvoimia (Fy). Vasemman suksen anturi mittasi suksen pysty- (Fz) ja poikittaisvoimia (Fx). (Leppävuori 1989). Mittauksen ongelmana oli se, että anturi oli prototyyppi ja kaikkia voimia ei saatu mitattua tyydyttävästi. Suksen luonnollinen taipuminen ponnistusvaiheessa aiheutti osan pituussuuntaisen voiman (Fy) arvosta. Myös poikittaista (Fx) voimaa mittaava anturin toiminta oli epätarkkaa. (Leppävuori 1989) Mittauksia suksen ja siteen väliin asennettavalla voimalevyllä on tehty vieläkin myöhemmin. Babiel (2003) kehitti voimalevyn (kuva 7), jolla voitiin tutkia reaktiovoimia rullahiihdossa. Dataa kerättiin jalan normaalivoimista kaikista kolmesta suunnasta. Mekaanisen muutoksen mittaus perustui venymäliuskoihin. Vertikaalisen voiman mittaamiseen oli neljä anturia, joilla mitattiin voiman jakaantumista sukseen. Horisontaalisen voiman (poikittainen suksen suuntaan nähden) mittaamiseen oli kaksi anturia ja eteenpäin vievälle (suksen suuntainen) voimalla yksin anturi. (Babiel 2003) KUVA 7. Rullasuksen ja siteen väliin asennettava voimalevy. Babiel (2003)

18 3.3 Sauvojen reaktiovoimien mittaaminen Sauvan reaktiovoimia on tutkittu myös kahdella eri menetelmällä. Sauvavoimia voidaan mitata suoraan kahvan alta tai hihnasta (mm. Ekström 1981, Leppävuori 1989, Millet ym. 1998, Babiel 2003, Stöggl ym 2006) sekä maassa sijaitsevilla voimalevyillä (mm. komi 1985, Komi & Norman 1987, Vähäsöyrinki 1996, Nilsson ym. 2003, Vähäsöyrinki ym. 2008, Piirainen 2008) Ensimmäiset voimamittaukset hiihtosauvoista suoritti Ekström (1981). Hiihtosauvoihin sijoitettiin kuusi venymäliuskaa (Hottinger-Baldwin, USA, LY 6/120), kolme akselin suuntaisesti ja kolme kohtisuorasti akselia vastaan mittaamaan kiihdyttävää voimaa työnnössä ja toisaalta sauvan taipumista ja lämpötilaa (mittaustarkkuus ±10 %) (Ekstöm 1981). Leppävuoren (1989) mittauksissa sauvoihin kiinnitettiin vastusvenymäliuskaanturit, jotka mittasivat sauvaan kohdistuvaa puristusta. Millet ym. (1998) mittasi tutkimuksessaan sauva-voimia. Kaikki koehenkilöt käyttivät alumiinisia hiihtosauvoja, joita sai erimittaisina. Sauvavoima kerättiin käyttämällä yksiakselista voima-anturia (malli 208B03, PCB Piezotronics, Inc., Depew, NY) (paino 23 g), jotka oli kiinnitetty 1 cm standardin kahvan alapuolelle. Piezo-elektrisiä voima-antureita käytettiin, koska ne estävät hyvin cross-talk -efektiä taipumisen aikana. (Millet ym.1998). Babiel (2003) Mittasi myös sauvavoimia. Kaikkien kiihdyttävien voimien mittaamiseksi voima-anturit kiinnitettiin sauvoihin. Stöggl ym. (2006) tekivät tasatyöntömittauksia ja mittasivat sauvavoimia. Kaikki osallistujat käyttivät hiilikuitusauvaa, jonka pituus oli säädettävissä. Sauvansuuntainen reaktiovoima mitattiin venymäliuska-anturilla (Hottinger-Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt, Saksa), joka painoi 60 g ja oli kiinnitetty kevyeen alumiinirunkoon (75 g). Nämä yhdessä oli kiinnitetty suoraan kahvan alapuolelle. Sauvan hihnavoima tasatyönnön aikana mitattiin venymäliuska-anturilla (Ergolcst Technology. Norja), joka oli kiinnitetty hihnan yläosaan. Sauvavoimia on mitattu myös maassa sijaitsevilla voimalevyillä. Näiden voimalevyjen etu kahvan alla tai hihnasta mitattuihin voimiin on se, että massa sijaitsevalla voimalevyllä saadaan mitattua voiman vaaka- ja pystysuuntainen komponentti. Haittapuolena on se, että voimaa voidaan mitata vain muutaman syklin ajalta. Maassa sijaitsevilla pitkillä voimalevyillä (6-20 m) on mitannut mm. Komi (1985), Komi & Norman (1987),

19 Vähäsöyrinki (1996), Vähäsöyrinki ym. (2008) ja Piirainen (2008). Nilsson ym. (2003) tutki lyhyellä voimalevyllä erimittaisten sauvojen vaikutuksia voimantuottoon ja nopeuteen yhden työnnön ajalta. 3.4 Muita voimanmittaustapoja maastohiihdossa Voimamittauksia on tehty myös muilla tavoin. Maastohiihdon lisäksi mäkihypyssä ja pikaluistelussa on käytetty painepohjallisia, jotka laitetaan monoon tai luistimeen. Maastohiihdossa voimamittauksia on tehty myös suksenliikutuslaitteella (Kolehmainen 2006), jolla voidaan simuloida hiihtäjän potkua luonnollisissa olosuhteissa. 3.4.1 Painepohjalliset Hiihtotutkimuksissa painepohjallisia on käyttänyt mm. Holmberg ym. (2005), Lindinger ym. (2009) ja Stöggl ym. (2010). Painepohjallisia on käytetty myös mäkihypyssä, joissa niitä on käytetty kantapään, päkiän ja varpaiden tuottaman paineen selvittämiseksi vauhtimäessä ja hyppyripöydällä. (Virmavirta ym. 2001). Pikaluistelussa on käytetty painepohjallisia tutkimuksissa, jossa jalkapohjan paineen jakaantumista on tukittu pikaluisteluradan suorilla osuuksilla. (Eils ym 2000) Lindinger ym. (2009) tutki hiihdon tasatyöntötutkimuksessa oikean jalan jalkapohjan reaktiovoimia painepohjallisilla. Laitteistona oli Pedar Mobile System (Novel GmbH, Munich, Germany) ja voimat mitattiin 100 Hz näytteenottoraajuudella. Painepohjallisten kalibrointi suoritettiin Pedar kalibrointilaitteella. Tarkempaa analyysiä varten jalkapohjan ala jaettiin etu- ja takajalkapohjaan 50 % kohdalta jalkapohjaa pituussuunnassa. Keskiarvoiset voimat laskettiin tasatyönnön työntö- ja palautusvaiheesta. Stöggl ym. (2010) suoritti luisteluhiihtomittauksia samaisella laitteistolla. Painepohjalliset ovat olleet suosittuja maastohiihtomittauksissa sen jälkeen kun esiteltiin Holmberg ym. (2005) toimesta. Haittapuolena on se, että voimia voidaan mitata vain pystysuorasta (z) suunnasta.

20 Virmavirta ym. (2001) tutkimuksissa jalkapohjan painejakaumia tutkittiin kahdella painepohjallisella, joissa kummassakin oli 16 anturia. Data tallennettiin Paromed Datalogger laitteella. Pikaluistelussa on tutkittu paineen jakaantumista painepohjallisilla kahdella eri luistelunopeudella suorilla Eils ym (2000) toimesta. Testit suoritettiin sisähallissa, jossa jalkapohjan tuottamia paineita mitattiin Pedar Mobile laitteistolla. Tavallisiin luistimiin asennettiin kiinteät ja tasaiset painepohjalliset, jonka anturit nollattiin ennen jokaista suoritusta. Painepohjallisista kerättiin tietoa 8 alueelta (kuva 8), jotka olivat kantapää, mediaalinen ja lateraalinen osa jalkapohjan keskiosasta, ensimmäinen ja toinen metatarsaali, metatarsaalit kolmannesta viidenteen, ensimmäinen varvas, toinen ja kolmas varvas ja neljäs ja viides varvas. Tuloksista analysoitiin huippupaine, aika huippupaineeseen, paineimpulssi ja paineaika. KUVA 8. Painejakauma painepohjallisella pikaluistelututkimuksessa (Eils ym 2000). 3.4.2 Suksenliikutuslaite Kolehmainen (2006) rakensi suksenliikutuslaitteen (kuva 9), jolla voidaan simuloida hiihtäjän potkua luonnollisissa olosuhteissa. Laitteen runkona on lineaarijohdin jolla saadaan suksenliikutuslaitteelle 12000 mm liikematka. Suksenliikutuslaitteessa on kaksi 7,5 kw oikosulkumoottoria, joilla liikutetaan hammashihnan välityksellä kahta kelkkaa. Kelkoissa on suksen kiinnityksen lisäksi pneumaattinen sylinteri, jolla suksi painetaan alustaan kiinni. Alustassa on kuusi kappaletta metrin mittaisia voimalevyjä, jotka mittaavat sukseen kohdistuvia vaaka- ja pystyvoimia. Voimalevyt antavat analogisignaalit summasignaalina. (Kolehmainen 2006).

KUVA 9. Suksenliikutuslaite Vuokatin hiihtoputkessa (Kolehmainen 2006) 21

22 4 VOIMANTUOTTOON VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ MAAS- TOHIIHDOSSA Maastohiihdossa voimantuottoon vaikuttaa useita tekijöitä. Maastohiihtotutkimuksissa on tukittu esimerkiksi hiihtonopeuden (mm. Komi 1985, Vähäsöyrinki ym. 2008, Leppävuori 1998), suksen pito-ominaisuuksien (mm. Komi 1985 ja 1987, Vähäsöyrinki 1996, Piirainen 2008), nousukulman (mm. Komi 1985, Vähäsöyrinki 1996) ja tekniikan (Leppävuori 1989, Millet ym. 1998), vaikutuksia voimantuottoon. Rullahiihdossa on tutkittu vierintävastuksen muutoksen vaikutuksia voimantuottoihin ja fysiologisiin muuttujiin (Hoffman ym. 1998, Millet ym. 1998) 4.1 Hiihtonopeuden vaikutus voimantuottoon Komi (1985) totesi, että potkuvaiheen huippu vaaka- ja pystyvoima nousee hiihtonopeuden kasvaessa. Vähäsöyrinki ym. (2008) tutki hiihtonopeuden vaikutuksia voimantuottoihin perinteisellä (vuorohiihto) hiihtotavalla 2,5 nousuun Vuokatin hiihtotunnelissa. Tutkimuksissa määriteltiin vuorohiihdosta seuraavat viisi vaihetta. Vaiheet on esitetty kuvassa 10 1. Vapaa liuku 2. Vapaa liuku ja sauvakontakti 3. Potkun esilataus 4. Potku 5. Swingi (heilahdus) (Vähäsöyrinki 2008)

23 KUVA 10. Esimerkki tuloksista, jossa on esitetty kaikkien voimalevyjen pysty- (Fz) vaakasuuntaiset (Fx) voimat sekä vuorohiihdon eri vaiheet. (Vähäsöyrinki ym. 2008) Tärkeimmät löydökset hiihtonopeuden kasvaessa olivat: 1) keskiarvoinen suksen Fzkomponentti liuku ja liuku- ja sauvavaiheessa laski. 2) suksea jarruttava Fy- ja Fzkomponentti esilatausvaiheen aikana ei muuttunut. 3) suksen Fy- ja Fz-komponentti nousi potkuvaiheessa. 4) sauvavoimat olivat pieniä, eivätkä muuttuneet. 5) sauvavoimien vaikutus työntövoimaan pieneni. (Vähäsöyrinki ym. 2008) Kuvassa 11 on esitetty hiihtonopeuden vaikutus suksi- ja sauvavoimiin Vähäsöyringin ym. (2008) mukaan.

24 a) Suksivoimat b) Sauvavoimat KUVA 11. a) ponnistusvaiheen keskiarvoistetut vaaka- ja pystyvoimat eri hiihtonopeuksilla, b) työntövaiheen keskiarvoistetut vaaka- ja pystyvoimat eri hiihtonopeuksilla. (Mukailtu Vähäsöyrinki ym. 2008) Leppävuori (1989) tutki hiihtonopeuden vaikutuksia luisteluhiihdon voimantuottoihin 10 nousuun. V1-tekniikalla keskimääräinen voima kasvoi hitaasta nopeudesta puolikovaan nopeuteen 3-6 % ja puolikovasta kovaan nopeuteen 3-13 %. V2-tekniikalla ponnistusvoiman maksimimuutos oli hitaasta puolikovaan vauhtiin 6-15 % ja puolikovasta kovaan vauhtiin 1-8 %. (Leppävuori 1989) 4.2 Suksen pito-ominaisuuksien vaikutus voimantuottoon Komi (1985) totesi eri pitovoiteluiden vaikuttavan huomattavasti erityisesti vaakavoimaan. Kun sukseen ei laitettu ollenkaan pitovoidetta (heikko pito), vaakavoimat laskivat suhteessa enemmän kuin pystysuuntaiset voimat. Voimavektoridiagrammi on käytännöllinen tapa kuvata suksen pito-ominaisuuksien vaikutuksia hiihtopotkuun (kuva 12). Kuvasta voidaan havaita, että voiman horisontaalisen komponentin vaikutus on suurempi hiihdettäessä hyvällä pito-ominaisuudella varustetulla suksella. (Komi 1987)

25 KUVA 12. Voimavektoridiagrammi hiihdettäessä eri pito-ominaisuuksilla varustetuilla suksilla. (Komi 1985) Vähäsöyrinki (1996) tutki suksen pito-ominaisuuksien vaikutuksia voimantuottoihin hiihtonopeuden ja nousukulman kasvaessa. Suksen pito-ominaisuuksien parantuessa jalkapotkujen maksimaaliset pystyvoimat suurenivat. Samoin kävi huippuvaakavoimille, huippuvaakavoimat kasvoivat suksen pito-ominaisuuksien parantuessa ja vauhdin lisääntyessä. Tosin jyrkimmässä mäessä huippuvaakavoimat laskivat hieman. Käsien voimantuotto käyttäytyy päinvastoin jalkojen voimantuottoon nähden suksen pitoominaisuuksien muuttuessa. Lipsuvalla suksella käsien voimantuotto on suurempaa, kuin pitävällä suksella. Kuvassa 13 on esitetty maksimi käsivoimien suhde maksimi jalkavoimiin eri nousuissa hiihdettäessä maksiminopeudella eri pito-ominaisuuksilla varustetuilla suksilla. Tämä tarkoittaa sitä, että lipsuvalla suksella hiihdettäessä joudutaan tuottamaan voimaa enemmän käsillä. (Vähäsöyrinki 1996).

26 KUVA 13. Käsivoimien suhde jalkavoimiin hiihdettäessä maksiminopeutta eri nousukulmiin eri pito-ominaisuuksilla varustetuilla suksilla. (Vähäsöyrinki 1996) Myöhemmin Piirainen (2008) tutki suksen pito-ominaisuuksien vaikutuksia voimantuottoihin 11 nousukulmaan. Tutkimuksessa havaittiin pieniä eroja suksien ja sauvojen maksimipystyvoimissa eri pito-ominaisuuksien välillä, mutta erot eivät olleet tilastollisesti merkitseviä. Ponnistuksen aikainen suksen maksimaalinen vaakavoima taas kasvoi pidon lisääntyessä suksessa, erojen ollessa tilastollisesti merkitseviä. Maksimaalisten sauvojen vaakavoimien muutokset olivat pieniä eivätkä tilastollisesti merkitseviä suksen pito-ominaisuuksien muuttuessa. Suksi- ja sauvavoimien suhdetta vertailtaessa suksen eri pito-ominaisuuksilla pystyvoimien suhteessa ei ollut eroja. Vaakavoimissa taas käsien osuus voimantuotossa on sitä suurempaa, mitä heikommin pitävällä sukella hiihdetään. (Piirainen 2008). 4.3 Nousukulman vaikutukset voimantuottoon Vähäsöyrinki (1996) totesi, että nousukulman kasvaessa loivasta (2,5 ) keskijyrkkään (5,5 ) jalkojen pystyvoiman tuotto kasvaa vähän, mutta vaakavoimantuotto kasvaa selvästi. Siirryttäessä jyrkkään nousuun (11 ) molemmat, sekä jalkojen maksimi pystyvoima että maksimi vaakavoima, laskevat. Tästä voidaan päätellä keskijyrkän nousun olevan optimaalisin vuorohiihdolle. Sauvavoimat kasvavat nousukulman kasvaessa sekä maksimi vaakavoimien että maksimi pystyvoimien osalta. Suksen pito-ominaisuudet nousevat nousukulman lisääntyessä entistä tärkeämpään rooliin. Jyrkimmässä 11 nousussa pysty- ja vaakavoimat eivät saavuta 5,5 nousun arvoja millään pitoominaisuudella. Tämä kertonee siitä, että hyvälläkään pidolla ei saavuteta täyttä kontaktia lumeen.

27 Millet ym. (1998) tutki sauvavoimia kahteen eri nousukulmaan (2,1 % ja 5,1 %) hiihdettäessä rullasuksilla tasatyöntö- ja V1-luistelutekniikalla. Löydökset osoittavat, että V1-tekniikan sauvavoimamuuttujat ovat suuremmat nousukulmalla 5,1 % verrattuna kulmaan 2,1 %, tämä osoittaa, että edes osa eteenpäin vievästä voimasta, joka vaaditaan suuremman ylämäen vastuksen kumoamiseksi, tuotetaan ylävartalolla. Ylävartalon vaatimukset V1- ja tasatyöntötekniikalla ovat samanlaiset kulmilla 2,1 % ja 5,1 %. 4.4 Tekniikoiden vaikutus voimantuottoon Maastohiihdossa käytettävät eri tekniikat vaikuttavat voimantuottoon. Luistelun V1- tekniikalla maksimivoimatasot olivat Leppävuoren (1989) mukaan n. 810-920 N:a mitattaessa voimia suksen ja siteen välisellä voimalevyllä. Myöhemmin Leppävuori ym. (1993) teki mittauksia lumen alle sijoitettavalla voimalevyllä samalla tekniikalla (V1), jolloin maksimi vertikaaliseksi voimaksi saatiin noin 1,3 * kehon paino. V2-tekniikalla tuotetut suksivoimat voimat olivat Leppävuoren (1989) mukaan hieman matalampia, kuin V2A-tekniikalla. Tällöin liukuvaiheen alkuarvot vaihtelivat n. 760 N - 850 N välillä ja ponnistusvaiheen arvot n. 730 N:sta 920 N:iin. Perinteisellä hiihtotekniikalla (vuorohiihto) maksimaalisten vertikaalisten pystyvoimien suurus on 2,5 kertaa kehon paino ja vaakavoimien suurus noin 70 N. Pystysuoran voiman suuruus riippuu hiihtäjän kokemuksesta, kehon painosta, lihasvoimasta, (hiihto)askeleen kestosta ja ladun kovuudesta. (Ekström 1981). Uudemmissa tutkimuksissa Vähäsöyrinki ym. (2008) totesi vuorohiihdon maksimaaliseksi vertikaaliseksi voimaksi noin 2000 N:ia ja horisontaaliseksi noin 300 N:ia. Varsinaisia vertailuja perinteisen ja luistelutekniikan voimantuottojen välillä on vähän, mutta Leppävuori (1989) toteaa, että vuorohiihdossa ponnistuksen mekaniikka aiheuttaa suuremman voimantarpeen luistelutekniikoihin nähden. Perinteisessä pidon aikaansaamiseksi ladun ja suksen väliin muodostuu kitkapinta ja ponnistava jalka pysähtyy, jolloin suuri massa (alaraaja) on liikkumaton muuhun ympäristöön nähden. Jalan kiihdyttäminen muun kehon vauhtiin vaatii osansa ponnistusenergiasta. Luistelutekniikalla ponnistetaan liukuvaan sukseen, jolloin vastaavaa energianhukkaa ei synny. Liukuvaan

28 sukseen ponnistettaessa aiheutuu se, että ponnistusaika ja sen myötä lihasaktiivisuusaika ovat pitemmät kuin vuorohiihdossa. Tällöin voidaan tuottaa suuri nettoimpulssi alhaisemmilla frekvensseillä. Tämän vuoksi luisteluhiihdossa voidaan lisätä tai säilyttää vauhtia pienelläkin voimalla. (Leppävuori 1989). Millet ym. (1998) tutki tekniikoiden vaikutuksia sauvavoimiin rullahiihdossa 2,1% ylämäkeen. Tutkimus osoitti, että suurimmat huippuarvot luistelemalla olivat V2- tekniikalla (31,5 ± 5,6 % kehonpainosta) verrattuna tekniikoihin V1 ja V2A. V2 tekniikan huippuarvot olivat silti merkitsevästi matalampia kuin tasatyönnön (32,6 ± 3,3 % kehonpainosta) 4.5 Suksen luiston vaikutus voimantuottoon ja fysiologisiin muuttujiin Suksen luisto-ominaisuuksien vaikutuksia voimantuottoon luisteluhiihdossa ei ole juurikaan tutkittu. Ilmeisesti tarvittavaa mittausvälineistöä ei ole ollut olemassa. Rullahiihdosta sitä vastoin on tehty tutkimuksia, jossa rullasuksen vierintävastusta on muutettu ja tämän muutoksen vaikutuksia fysiologisiin muuttujiin on tutkittu. Hoffman ym. (1998) tutki millaisia fysiologisia vaikutuksia oli rullasuksen vierintävastuksen muutoksella arvosta µ = 0,011 arvoon µ =0,021 luisteluhiihdon V1 tekniikalla. Vierintävastuksen nosto kasvatti fysiologisia ja koettuja vaatimuksia (RPE, rating of perceived exertion) rullahiihdossa. Hapenkulutus kasvoi 13 % suuremmaksi suuremman vierintävastuksen omaavilla rullasuksilla. Jotta saavutettaisiin samanlainen fysiologinen ja koettu rasitus matalamman vierintävastuksen omaavilla rullasuksilla tulisi hiihtää 0,4 m/s kovempaa vauhtia, mikä vastasi noin 15 % vauhdinlisäystä tässä tutkimuksessa. (Hoffman ym. 1998). Millet ym. (1998) tutki kuinka rullasuksen vierintävastuksen muuttaminen arvosta µ = 0,012 arvoon µ = 0,024 vaikutti sauvavoimiin ja hiihtosykliin V2A-tekniikalla tasaisella alustalla. Päälöydökset olivat, että rullahiihtäminen hitaamman vierintävastuksen omaavalla suksella muuttaa aikaan sidottuja muuttujia (lyhentynyt palautusaika sauvoilla, frekvenssin kasvaminen) samalla tavalla kuin lisääntynyt nousukulma, sekä tietyillä

29 hapenoton tasoilla keskiarvoiset sauvatyöntövoimat syklin ajalta ovat suurempia suuremman työsyklin vuoksi.

30 5 TUTKIMUKSEN TARKOITUS Maastohiihto on dynaamista liikkumista, jossa on kaksi eri tekniikka ja useita osatekniikoita maaston ja olosuhteiden mukaan käytettäväksi. Fyysinen liikkuminen ja ympäristöolosuhteet maastohiihdossa vaativat erityiset testausvälineet, esimerkiksi kylmät ja kosteat olosuhteet asettavat erityisvaatimuksia mittausjärjestelyille (Komi 1987). Maastohiihdossa voimantuottoa on tukittu teknisillä välineillä jo useita vuosikymmeniä. Tutkimukset ovat kohdentuneet enimmäkseen perinteisen hiihtoon, koska sitä on helpompi mitata sen teknisen luonteen vuoksi. Voimamittauksia perinteisen hiihdosta on tehty pitkillä ylihiihdettävillä voimalevysysteemeillä, jotka mahdollistavat reaktiovoimien mittaamisen muutaman syklin ajalta. Luisteluhiihdosta voimamittaustutkimuksia voimalevyllä on vähemmän, ja ne on suoritettu 90-luvulla. Painepohjallisilla mittauksia on suoritettu viime aikoina enemmän. Luisteluhiihdossa suksen luisto-ominaisuuksien vaikutusta voimantuottoon oikeassa hiihtosuorituksessa lumella ei ole juurikaan tutkittu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on mitata hiihtäjän tuottamia jalka- ja käsivoimia hiihtosuorituksen aikana. Tutkimusta varten suunnitellaan ja rakennetaan suksen ja siteen väliin sijoitettava vastusvenymäliuskateknologiaan perustuva voimalevy. Voimalevyltä mitataan voimia kaikista kolmesta luonnollisesta (x, y ja z) suunnasta. Tiedonsiirto levyltä tulee olla langaton. Voimalevyn tulee olla niin pieni ja kevyt, etteivät sen koko ja paino vaikuta häiritsevästi hiihtosuoritukseen. Tämän lisäksi voimalevyn tulee olla helposti siirrettävä suksesta toiseen, jotta voidaan mitata eri urheilijoita ja eri tekniikoita. Voimalevy toiminta ja tarkkuus testataan jo olemassa olevia mittalaitteita, kuten suksenliikutuslaite (Kolehmainen 2006) ja lumen alle sijoitettavat pitkät voimalevyt (Vähäsöyrinki 2008), vastaan. Tämän jälkeen tehdään tutkimus, jossa tukitaan suksen luisto-ominaisuuksien vaikutuksia hiihtosykliin ja voimantuottoon luisteluhiihdon V2- tekniikalla vakionousukulmaan eri hiihtonopeuksilla. Tutkimuksessa hiihdetään vakionousukulmaan kahdella eri luisto-ominaisuuksilla varustetulla suksella kolmella eri vakionopeudella, jotka ovat hidas-, keski- ja kova nope-

31 us, sekä henkilökohtaisella maksiminopeudella. Vakionopeudet (hidas-, keski-, ja kova nopeus) kontrolloidaan valojäniksen avulla. Tutkimuskysymykset ovat: Muuttuuko jalkojen voimatuotto? Muuttuuko syklin kesto tai hiihtofrekvenssi? Muuttuuko jalka/käsi suhde voimantuotossa? Verrattaessa hidasta suksiparia nopeaan.

32 LÄHTEET Anttila, S. ja Roponen, T. 2008. Kaikki hiihdosta: tekniikka, välineet & harjoittelu. WSOY. Babiel, S. 2003. Studies on Intra-individual Variability of Selected Cross-Country Skiing Techniques. European Journal of Sport Science, vol. 3, issue 3. Eils, E., Jerosch, J. 2000. Pressure distribution in inline skating straights with Different speeds. Sportverletz Sportschaden. Dec;14(4):134-8. Ekström, H. 1981. Force interplay in cross-country skiing. Scandinavian Journal of Sports Science. S. 69-76. Hoffman, M., D.; Clifford, P., S.; Snyder, A., C.; O'hagan, K., P.; Mittelstadt, S., W.; Roberts, M., M.; Drummond, Heather., A.; Gaskill, S., E. 1998. Physiological effects of technique and rolling resistance in uphill roller skiing. Medicine & Science in Sports & Exercise Issue: Volume 30(2), February 1998, pp 311-317 Holmberg, H.-C., Lindinger S.J., Stöggl, T., Eitzlmair, E., Muller, E. 2005. Biomechanical analysis of double poling in elite cross-country skiers. Medicine and Science in Sports and Exercise. 37, 807-818. Kantola, H., Rusko, H. 1985. Sykettä ladulle. Valmennuskirjat Oy. Kataja, H., Kirvesniemi, H., Leppävuori, A., Viitasalo, J. 1996. Maastohiihto: tekniikat ja välineet. Suomen hiihtoliitto Helsinki. Kolehmainen, V. 2006. Perinteisen hiihtotavan simulointi suksen liikutuslaitteessa, sekä luistoon ja pito-ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät. Pro gradu tutkielma. Jyväskylän yliopisto. Komi, P.V. 1985. Ground reaction Forces in Cross-Country Skiing. International Series on Biomechanics, Volume 5B, Biomechanics IX-B, 185-190. Komi, P.V. 1987. Force Measurements During Cross-Country Skiing. International Journal of Sport Biomechanics, 3, 370-381 Leppävuori, A. 1989. Lihasaktiivisuus ja voimankäyttö maastohiihdossa s. Pro gradu tutkielma, Jyväskylän yliopisto. Leppävuori, A.P, Karras, M., Rusko, H. & Viitasalo, J.T., 1993. A New Method of Measuring 3-D Ground Reaction Forces Under the Ski During Skiing on Snow. Journal of Applied Biomechanics, 9, 315-328

33 Lindinger, S., J. Stöggl, T., Muller, E., Holmberg, HC. 2009. Control of Speed during the Double Poling Technique Performed by Elite Cross-Country Skiers. Medicine & Science in Sports & Exercise. 210-220. Millet, G.Y., Guillaume Y., Hoffman, M. D., Matrin, D., Candau, R.B., Clifford, P.S. 1998. Poling forces during roller skiing: effects of technique and speed Medicine & Science in Sports & Exercise Issue: Volume 30(11), November 1998, pp 1645-1653 Millet, G.Y., Hoffman, M. D., Candau, R.B., Clifford, P.S. 1998. Poling forces during roller skiing: effects of grade. Medicine & Science in Sports & Exercice. Volume 30(11), November 1998, pp 1637-1644. Millet, G.Y., Hoffman, M.D., Candau, R.B., Buckwalter, J.B., Clifford, P.S., 1998. Effect of rolling resistance on poling forces and metabolic demands of roller skiing. Medicine & Science in Sports & Exercise. 1998 May;30(5):755-62 Nigg, B.M., Herzog, W. 1999. Biomechanics of the Musculo-skeletal System. John Wiley & Sons Ltd. West Sussex, England. S. 261-280. Piirainen, J. 2008. Vuorohiihdon voimantuoton muutokset suksen pito-ominaisuuksia vaihtelemalla. Pro gradu tutkielma, Jyväskylän yliopisto. Smith, G. 2003. Biomechanics of cross country skiing. In Cross Country Skiing. Rusko, H. (Ed), Handbook of sports medicine and science, Blackwell Science Ltd. S 32-61 Stöggl, T., Lindinger, S., Muller, E. 2006. Biomechanical Validation of a Specific Upper Body Training and Testing Drill in Cross-Country Skiing. Sports Biomechanics Vol.5 (1) 23-46. Stöggl, T., Kampel, W., Müller, E., Lindinger, S., 2010. Double-push skating versus V2 and V1 skating on uphill terrain in cross-country skiing. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2010 Jan;42(1):187-96. Virmavirta, M., Perttunen, J., Komi, P.V. 2001. EMG activities and plantar pressures during ski jumping take-off. Journal of Electromyography and Kinesiology 11 (2001) 141 147 Vähäsöyrinki, P. 1996. Vuorohiihdon voimantuotto hiihtonousuun kulman ja pitoominaisuuksien vaihtuessa. Pro gradu tutkielma, Jyväskylän yliopisto. Vähäsöyrinki, P., Komi, P.V., Seppälä, S., Ishikawa, M., Kolehmainen, V., Salmi, J.A., Linnamo, V. 2008. Effect of Skiing Speed on Ski and Pole Forces in Cross-