Vertikal- och sidriktade rörelser visavi löpekonomi - en pilotstudie

Transkript

1 Svensk Idrottsforskning nr Vertikal- och sidriktade rörelser visavi löpekonomi - en pilotstudie i^ Människan justerar spontant steglängd och stegfrekvens för att optimera energikostnaden under gång och löpning. Ralston (1976) undersökte detta under gång och under löpning har Högberg (1952), Cavanagh & Williams (1982) visat att ekonomiska steglängder spontant valdes vid en given hastighet. Det är emellertid oklart vilka processer som känner av och styr dessa rörelseval. Dessutom har det varit svårt att klargöra vilka specifika faktorer som har ett starkt samband med optimal energikostnad. Under löpning kallas optimeringen av energiprocessen löpekonomi och definieras som syrekostnad per kg kroppsvikt när man springer på en given submaximal hastighet under stedy state (Cosöll & Winrow Även om löpare verkar ha förmåga att välja ekonomiska kombinaöoner av steglängd och stegfrekvens vid givna hasögheter, så verkar det Annas stora individuella skillnader i denna förmåga. Skillnaderna i löpekonomi som påvisats mellan erfarna löpare och otränade eller personer med mindre systematisk löpträning (Morgan et ak 1995) i kombinaöon med det faktum att löpekonomi förbättras efter träning (Svedenhag & Sjödin 1985), stöder tesen att löpekonomi är träningsbar. Denna öllvänjningsprocess verkar ta lång Öd då man i träningsstudier på 10 veckor inte kunde fastställa någon posiöv effekt på löpekonomin (Baily & Meisser 1991, Lake &: Cavanagh 1996). Ännu längre träningsperioder (13 veckor öll 2 år) verkar ha en posiöv effekt på löpekonomin (Conley et al. 1981, Svedenhag & Sjödin 1985). Därför är det, när man undersöker olika faktorer som kan tänkas påverka löpekonomin, rekommendabelt att jämföra erfarna löpare med personer utan någon systematisk eller specifik träning i löpning på plant underlag. Trots det faktum att förbättringar kan ses efter längre Öd av träning, så har skillnader på mellan 17-30% påvisats mellan erfarna/ vältränade löpare och mindre drivna (Dill 1965, Daniels et ak 1974, Svedenhag & Sjödin 1985). Bakom skillnaderna inom och mellan kategorierna med olika löperfarenheter ligger möjligen både biomekaniska (Anderson 1996) och fysiologiska (Daniels 1985) faktorer. Ytterligare forskning behövs for att mer i detalj förstå vikten av olika komponenter som påverkar löpekonomin. Intuiövt förefaller rörelser som avviker mycket från löpriktningen att påverka löpekonomin negaövt. Det är därför rimligt att anta att överdrivna sidorörelser vinkelrät mot löpriktningen (medio-laterala rörelser) såväl som stora rörelser i höjdled leder öll reducerad löpekonomi, överraskande få undersökningar har genomförts for att klarlägga dessa rörelsers inverkan under löpning. Cavanagh och medarbetare (1977) fann att distanslöpare på elitnivå hade något mindre vertikal rörelseamplitud i förhållande öll distanslöpare på en lägre prestaöonsnivå. Syrekostnad mättes inte i denna studie. Så vitt vi vet har inga undersökningar genomförts som innefattar verökala såväl som medio-laterala förflyttningar i relaöon öll syrekostnad Lennart Gullstrand Riksidrottsförbundets Elitidrottscentrum Bosön, Lidingö Johnny Nilsson Idrottshögskolan, Stockholm, Norges Idrottshögskola, vid olika hasögheter på vältränade idrottare. Syftet med den föreliggande studien var därför att studera relä öoner mellan syrekostnad och vertikal och medio- lateral rörelse hos kroppen vid olika submaximala hasögheter. Försökspersoner Tio manliga idrottare, fem medeloch långdistanslöpare på regional elitnivå samt fem från andra idrotter (se tabell 1), deltog i studien. Före de gav sitt muntliga medgivande öll deltagande i studien, blev deltagarna informerade om undersökningens syfte, procedur och eventuella olägenheter vid genomförandet samt att de när som helst kunde avbryta sin medverkan. Alla försökspersoner var väl förtrogna med löpning på löpband. Metod Försökspersonerna löpte på ett rullband (Typ 2300 DVPL, Cardionics AB, Sverige) på Hy 13,15 km. öm' Jon Ansnes Idrottshögskolan, Stockholm Thomas Lindholm Riksidrottsförbundets Elltidrottscentrum Bosön. Lidingö

2 Svensk Idrottsforskning nr 2 * >&r och med 0 graders lutning. Före mätningarna genomfördes uppvärmningslöpning under ca. 10 min på 10 km. öm'. Arbetsöden var 5 minuter på varje belastning och efter varje period följde 30 sekunders vila för blodprovstagning och senare analys av mjölksyra i blod. Efter löpning på de submaximala belastningarna följde minuters vila före bestämning av maximal syreupptagningsförmåga. Ett protokoll med 5-8 minuters progressivt ökad arbetsbelastning ledde öll utmattning. Löpbandets hasöghet var konstant medan lutningen ökades for varje minut. I ett fåtal fall genomfördes bestämning av maximal syreupptagning en annan dag. Kriterier for uppnående av maximal syreupptagning var utplåning eller nergång i syreupptagning och/eller en respiratorisk kvot av minst 1,1 samt skattad ansträngning i ben och andning som "mycket ansträngande" eller högre. Syreupptagning mättes kontinuerligt under varje belastning med en on-line utrustning (Oxycon-4, Miinhardt, Holland). Medelvärden av O2, CO2 och syreupptagning (VO2), venölaöon (Vg) och respiratorisk kvot (RQ) registrerades var 30 sekund. Utrustningen var kalibrerad med 5% CO2 och atmosfärisk lufl Luftflödesmätning kontrollerades med en 3 liters precisionsspruta. Mjölksyra i blod analyserades från mikroprov (10m!) tagna från punkterad fingertropp. Proven lyserades och analyserades med fotometrisk metod (Mini-8, Dr. Lange, Tysk- Puls registrerades kontinuerligt med en Polar Sport Tester (PE 4000, Polar Electro OY, Finland). Pulsen användes bland annat for att kontrollera graden av steady state på de olika löphasöghetema. Upplevd ansträngning i ben och andning skattades efter den maximala belastningen med hjälp av en skattningsskala (Borg 1985). För registrering av medio-laterala och vertikala rörelser placerades en markör på huden mellan den 5:e lumbalkotan och sacrum. Markören användes också för att kalibrera benlängd, vilken definierades som det vertikala avståndet mellan markören och golvet vid normalt ståen- Försökspersonemas ryggsida filmades med en videokamera (Panasonic, NTSC, Super VHS) med 30 bilder per sekund. Endast markören och det närmaste området runt denna (totalyta 0,7 x 0,7 m) filmades. Kameran kalibrerades genom filmning av en ram (0,5 x 0,5 m) med 6 kontrollpunkter med kända avstånd emellan varje punkt. Filmningarna genomfördes under ca 20 sekunder under minuterna 3, 4 och 5 på varje belastning. Varje bildruta frystes och digitaliserades med ett rörelseanalyssystem (Ariel Performance Analysis System, APAS, Ariel Dynamics, La Jolla, CA. USA). Efter digital filtrering beräknades den sidriktade och verökala förflyttningen av markören på ryggen genom att subtrahera minvärdena från maxvärdena i den oscillerande rörelsen varvid nettoförhyttningen kunde beräknas. Stöd- och flygfasema för de efterföljande beräkningarna av stegfrekvens registrerades med en tryckgivare som var placerad under milbandet. Signalerna från denna givare gjorde det möjligt att beräkna ö- den for varje stegcykel på alla hasögheter. Steglängden; LC (stegets längd under varje cykel) beräknades genom att dividera löphasöghet (v) med stegfrekvens (f); LC = v/f. Statistik Standardmetoder för beskrivande statistik användes. För test av skillnader mellan medelvärden genomfördes Students t-test. ANOVA gjordes mellan de olika hasöghetema och följdes av ett Tukeys post hoc test för att testa medelvärdesskillnader. En signiökansnivå på 0,05 har använts. Resultat Aerob kapacitet, relativt utnyttjande av syreupptagningsförmåga och respiratorisk kvot. Data i tabell 1 vi- " " " Vikt (kg) Längd (m) BASDATA OM FÖRSÖKSPERSONERNA 1 Alder m VO2 max (ml kg min') VO2 max (ml kg-"* -min, ' - 1 Medel sd Badminton Ishockey Kampsport Badminton Brottning Tabeff 1. Basdafa om/örsdtspersowrna. fmfmid%/gfza M%rdgM, makfoärjgn oca sfmwkrjdeuiaffom fsd).

3 Svensk Idrottsforskning nr 2* 2000 :< sar maximal syreupptagningsförmåga hos försökspersonerna. Löparna hade som grupp i medeltal över 70 ml x kg x min', vilket kan förväntas av regionala elitlöpare i medel- och långdistans. De andra idrottamas medelvärde var signifikant lägre, men i nivå med ödigare rapporterade data för icke uthållighetsidrottare (Åstrand & Rodahl 1986). Liknade skillnader mellan grupperna kunde också ses när O2 upptag relaterades öll en funköon av kroppsvikten (ml x kg x min ) (Bergh et al 1991, Svedenhag 1995). 30-1,0- Steglängd (m) ^- - Stegfrekvens (Hz) i- % - ^ * ± Std.error I I tabell 2 ses utnyttjandegraden av maximal aerob effekt (% av maximal syreupptagningsförmåga) vid de olika hasöghetema. Skillnaden mellan den högsta och lägsta procentuella utnyttjandegraden av syreupptagningsförmågan var 30-40% i de tre undersökta hasöghetema r 1 Hastighet (km tim-1) Figwr 1. SgWxzndef mgfw s^gwr%g(i och skg/rgkwms t%sge% /zosfigw/5r o7/a^, MakfDgrdgM (±gc). *-symm# anger MgmpZbmtasf^^ Hjärtfrekvensen var i medeltal, vid de 3 hasöghetema, 132 ± 17,148 ± 21 och 163 ± 20 slag x min' med en maximal hjärtfrekvens på 191 ± 10 Respiratorisk kvot vid 11,13 och 15 kmxöm' var0,82±0,03,0,86±0,04 och 0,89 ± 0,06. Den låga relaöva syreupptagningen (se tab. 2) hos löparna åtföljdes av låga blodlaktatvärden (alla under 3 mmol x"). Bland icke-löpama var en fp. under, en på och en över 4 mmol x " -gränsen (2 värden saknas pga. tekniska problem. ökade något vid samma hasöghet Syrekonsumtion i relation till hasöghet. För alla försökspersonerna kunde man finna ett linjärt samband mellan löphasöghet och syrekonsumöon (r = 0,92). Syreupptaget (ml x kg x min* ) var signifikant högre för icke-löpare jämfört med löparna på alla hasöghetema. ANOVA visade signifikanta skillnader i syreupptag (ml x kg x min i) mellan alla hasögheter och båda grupperna (figur Syrekostnad i relation till mediolateral och vertikal förflyttning. Inga signifikanta samband hittades mellan syreupptag och medio-lateral förflyttning i någon av de undersökta hasöghetema. I ögur 4 beskrivs relaöonen mellan syrekonsumöon och vertikal förflyttning normaliserad öll benlängd för 11,13 och 15 km x öm'. Korrelaöonen var 0.72, 0.72 och 0.53 för de tre testade hasöghetema. Sambanden var signifikanta för 11 och 13 km Steglängd, stegfrekvens, medio-lateral och vertikal rörelse i förhållande till löphastighet. Steglängden ökade signifikant i förhållande öll hastighet (från 11 öll 15 km x öm') medan stegfrekvens förblev relaövt konstant och inte ökade signifikant i de registrerade hasöghetema (se fig. 1). Korrelaöonen mellan steglängd och hasöghet var 0,92 (p< 0,05). Person RELATIV AEROBEFFEKT 11 km -h'»km. ' 15 km h- Den medio-laterala förflyttningen uttryckt som netto-förflyttning i % av benlängd visade ingen signifikant förändring i relaöon öll hasöghet för någon av grupperna. För vertikal nettoförflyttning i förhållande öll hasöghet fanns inte heller någon statistiskt säkerställd skillnad. Däremot minskade medelvärdet för verökal förflyttning något för icke-löpare vid 15 km x öm' medan löparna Medel sd Tabef f 2. Rgkfn?f ufnyff/arwk au mazöwzf agrob gj^efcf (% ar maz VO2) W de ofzka Zöp/zasfigWerMa.

4 Svensk Idrottsforskning nr 2 * 2000 Diskussion Relativ syreupptagningsförmåga, steg- och förflyttningsparametrar samt syrekostnad visavi löphastighet. Det linjära sambandet mellan löphasöghet och syreupptagning som fastställdes i denna studie visades första gången av Henry (1951). Den relaöva utnyttjandegraden av aerob effekt, respiratorisk kvot och blodmjölksyra indikerar att löparna endast utnyttjade den anaeroba förmågan öll en liten del Högre värden kunde noteras hos icke-löpama (se tab. 2), men endast vid 15 km x öm' noterades en anaerob metabolism indikerad av ett blodmjölksyravärde högre än 4 mmol x 1'. Normaliserad vertikal förflyttning i relation till syrekostnad. Normal löpning vid hasögheter som i den här studien, innebär en konönuerlig växling mellan markkontaktfas och flygfas (Nilsson et al 1985). Den verökala förflyttningen som analyserades i denna undersökning avsåg både markkontaktfasen och flygfasen. Skillnaderna som noterades här mellan löpare och icke-löpare i vertikal förflyttning normaliserad öll procent av benlängd antyder att löparna i medeltal har en mindre verökal förflyttning jämfört med icke-löpar- Detta betyder att löparna tenderar att producera en större framåtdrivande kraft i horisontalplanet relaterat öll den kraft som produceras att lyfta kroppen vertikalt. Resultaten i denna studie indikerar att detta korrelerade starkt öll löpekonomi i hasöghetema 13 och 15 km figur 2. Rgfafionen me//anoerf%- W/bT/TyftMmg (normafismzd tiff % au knmngd) oc/z fopvzasfzgw hos Zöpare och ica%-#pare. Notera fe7%fensem fiff minskad oerf iw /br;ply#mrz# hos icke-föpama uid 15 km % ömt Figur 3. MedeZoärden f± se) yör syre%/ppfagnmg i JBrWZZanäg fizz Zöphasfighef /Ör Zö-pareoch icke-zöpare. Signi- /Zkanf skizznad mezzan grappgrrza anges med * - symboz. F^gur4. ReZafionen mezzan uerfi- WybV/Zyffning fse/zg. 2.) och syrei^mfagning W 11,13 och 15 km z Zr\ Syrorna mofscarar oar^e yörsökspersons nwmmer i tabezz 1 i...: :: kategori löpare A icke löpare isklarn* löpare A andra idrottare Hastighet (km-tim-1) Hastighet (km h-i) ^ Den i medeltal lägre vertikala förflyttningen för löpare jämfört med icke-löpare, stöder de ovan presenterade resultaten i fråga om bättre löpekonomi för löptränade personer. Minskningen i vertikal förflyttning som en anpassning Öll ökande fart, vilket sågs hos några icke-löpare i denna undersökning, har beskrivits i ödigare undersökningar (Thorstensson et al 1984, Nilsson & Thorstensson 1987). Resultaten antyder således att en överdriven vertikal förflyttning är mer kostsam och reducerar löpekonomin. Det är sannolikt så att en del kan förklaras med en överdriven vertikal rörelse under luftfasen. En annan möjlighet är graden av sänkning av kroppstyngdpunkten under stödfasen, vilket också bidrar öll omfånget av verökal för-flyttning som redovisats i studien. Heise och Martin (1998) visade i en undersökning att eftergiften under stödjefasen och stramheten i benmuskulaturen relaterat öll efter- VO (ml - kg-1. min-n giftsomfånget var negaövt korrelerat öll löpekonomi, dvs. att en större eftergift (mindre strama benmuskler) resulterade i en högre syrekostnad. Det är möjligt att den vertikala förflyttningen för icke-löpare i vår studie delvis kan förklaras av samma förhållande. Detta leder diskussio-nen mot teorin om elastiska komponenter, vilket framförts som en vikög faktor för löpekonomin (Andersson, 1996). Det är rimligt att

5 Svensk Idrottsforskning nr jfe anta att elastisk energi lagrad i aköv och passiv muskelvävnad under den excentriska fasen i början av stödfasen kan användas under koncentrisk muskelkontraköon mot slutet av stödjefasen. Löpekonomi uttryckt som VO2 vid en given hasöghet påverkas sannolikt av ett antal faktorer som exempelvis elastiska komponenter, styrka, rörlighet och metaboliska faktorer (Svedenhag, 1995). Slutsatser Sambanden mellan olika faktorer som påverkar löpekonomi verkar vara komplexa och här har ett antal av dem blivit diskuterade. Faktumet att starka korrelaöoner sällan hittas leder öll slutsatsen att individuella kombinaöoner av faktorer förekom- Våra resultat visade att vertikal förflyttning kan vara vikög för löpekonomi och att tränade löpare verkade kunna kontrollera detta mest effekövt. Då den vertikala förflyttningen under löpning kan ha betydelse för löpekonomin bör den därför kunna prövas som en indikator för löpekonomi på liknande sätt som syreförbrukning. Emelleröd måste betydelsen av vertikal förflyttning under stöd- och flygfasema undersökas ytterligare. Mer forskning i detta och andra närliggande områden kan leda öll bättre förståelse för hur människan känner av och kontrollerar optimeringen av energikostnad under löpning och andra typer av rörelser. För^zfkzma oizz tacka azza ybrsökspersoner som deftagif i sfwdien. Undersökningen genom/ördes med ekonomisk* stöd/ran Riksidroffg/orbwndef och Soeriges Olympiska Kommiff6 Vi tackar yör odfrde/nzza kommentarer pj manuskriptet/ran dr. Jan Soedenhag, dr. BerfiZ S;t%Zin och prof AZf Thorstensson. Sammanfattning Avsikten med studien var att undersöka sambanden mellan syreupptagning visavi kroppens verökala och medio-laterala (sidriktadc) förflyttning under löpning vid olika submaximala hasögheter (11,13 och 15 km x öm i) på löpband. Tio vältränade manli-ga försökspersoner (5 löpare och 5 frän andra idrotter) del- OoersiktsZnZd av den defms nya nppsfdzzningen pd Bosön dar syreupptagning, pnzs, m/özksyra i Wod, oerfikaza rörelser, stqgparamefrar och EMG registreras oid ozika Zöphastigheter. Foto: Artirr Forsberg. tog i undersökningen. En markering på huden mellan den 5:e ländkotan och sakralbenet utgjorde en approximering av kroppstyngdpunktens läge. Personemas vertikala och sidriktade kroppsrörelse videofilmades med en filmupplösning av 30 bilder per sekund. Stegfrekvens och steglängd beräknades med hjälp av signalen från en tryckgivare monterad under löpban- Syreupptagning mättes kontinuerligt under löpning i 4-minuters intervaller på de tre submaximala löphasöghetema och utgjorde ett mått på s.k. löpekonomi. Blodprover för analys av mjölksyra togs efter varje 4- minutersintervall. Maximal syreupptagning bestämdes under progressivt ökande belastning (5-8 min). Resultaten visar att den vertikala förflyttningen och syreförbrukningen ökade signifikant med ökad löp-

6 Svensk Idrottsforskning nr 2» 2000 a hasöghet. Korrelaöonen mellan vertikal förflyttning (normaliserad öll benlängd) och syreupptagning vid 11,13 och 15 km x öm' var 0.72,0.72 respeköve 0.53, varav de två första sambanden var signifikanta. Den sidriktade förflyttningen skilde sig inte signifikant vid någon hasöghet. Slutsatsen är att den vertikala förflyttningen under löpning verkar ha betydelse för löpekonomin och därför bör kunna prövas som en indikator för löpekonomi på liknande sätt som bestämd syreupptagning. Nyckelord: rörelsemönster, löpekonomi, vertikal förflyttning, mediolateral förflyttning, syreupptagning Referenser Anderson, T. Blomechanics and running economy. Sports Med., 22 (2): 76-89,1996. Bailey, SJP. & Messier, S.P. Variations in stride length and running economy in male novice runners subsequent to a seven-week training program. Int. J. Sports Med ,1991. Bergh U. Sjödin B. Forsberg U. & Svedenhag ]. The relationship between body mäss and oxygen uptake during running in humans. Med. ScL Sports Exerc, Vol 23, No. 2: ,1991. Borg, G.A.V. Ljunggren G. & Ceci R. The increase of perceived exertion, aches and pain in the legs, heart råte and blood lactate during exercise on a bicycle ergometcr. Eur. J. Physiol,. 54, Cavanagh, P-R-, Pollock, MJ. & Landa, 1. A biomechanical comparison of clite and good distance runners. Ann NY Acad. ScL, 301: ,1977. Cavanagh PJL & WiDiams KJL The effect of stride length variation on oxygen uptake during distance running. Med Sci Sports Exerc ,1982 Conley, DL., KrahenbuhL G5. & Burkett, L24. Training for aerobic capacity and running economy. Physician Sportsmed. 9: ,1981. IdenattwefZa artikeln registrerades vertikala ochme- (fio-zafera/a r(freiser7med h/^tp ac uideo- ^Zmning au en markör pd töparens rygg. ForfaKfningsinshar en annan metod Datfs/Ör registrering ai; oerti&ata röreiser. En positionsgizwre är monterad rakt own- /Ör iöparenpd Zopbandef och ma en twnn fina ansluten uid iöparens midja, foto;.artur Fors- Costill D. & Wlnrow E. A comparison of two middle-aged ultra marathon runners. Res. Q., 41: ,1970. Daniels, 1. Physiological characteristics of champion male athletes. Res. Q. Exerc Sport, ,1974. Daniels, J. T. A physiologisfs view of running economy. Med. Sci. Sports Exerc ,1985. Dill DB. Oxygen used in horizontal and grade walking and running on the treadmill J. AppL PhysioL ,1965. Hcise, G.D. & Martin PJB. "Leg spring" characteristics and the aerobic demand of running. Med. Sci. Sports Exerc, VoL 30, No. 5, ,1998. Henry, F.M Aerobic oxygen consumpöon and alactic oxygen consumption in mode-rate exercise of graded intensity. J. AppL PhysioL 3: ,1951. Högberg P. How do stride length and stride frequency influence the energy output during running? Arbeitsphysiologie, Suppl ,1952. Lake, MJ. & Cavanagh, PJL Sb( weeks of training does not change running mecha-nics or improve running economy. Med. Sci. Sports Exerc, VoL 28, No. 7: ,1996. Morgan, D.W., Bransford, D.R.,CosölL DL, Daniels, J.T., Howley, E.T. & Krahen-buhl, G.S. Variation in aerobic demand of running among trained and untrained sub-jects. Med. ScL Sports Exerc; VoL27, No. 3: , Nilsson, L, Thorstensson, A & Halbertsma J. Changes in leg movements and musc-le activity with speed of locomotion and mode of progression in humans. Acta Phy-sioL Scand. 123: ,1985. Nilsson, J. & Thorstensson, A. Adaptability in frequency and amplitude of leg movements during human locomotion at different spceds. Acta PhysioL Scand. 129: , Ralston, HJ. EnergeÖcs in human walking. In: Neural Control of Locomotion (Eds. RM. Herman, S. Grillner, P.S.G. Stein and D.G. Stuart), 77-%, Plenum Press, New York, Svedenhag J. & Sjödin B. Physiological characteristics of clite male runners in and off season. Can. J AppL Sport Sci. 10: , Svedenhag 1. Maximal and submaximal oxygen uptake during running: how should body mäss be accounted for? Scand J Med Sci Sports. 5: Thorstensson, A., Nilsson, J., Carlson, H. & Zomlefer, MJt. Tnmk movements in hu-man locomotion. Acta Physiol. Scand. 121: 9-22, Williams KJL & Cavanagh PJR. A model for the calculation of the mechanical power during distance running. J. Biomech 16: ,1983. Åstrand, P-O. & Rodahl, K. Textbook of work physiology. Physiological bases of exercise. 3rd ed.: , McGraw-HiU, New York, 1986.