Populärvetenskaplig artikel Skridskoåkningens grundläggande biomekanik

Transkript

1 Specialidrott med inriktning mot träning och prestation, 21-60p Idrottshögskolan Christina Schön Populärvetenskaplig artikel Skridskoåkningens grundläggande biomekanik I följande artikel beskrivs delar av skridskoåkningens grundläggande biomekanik. Det är ett referat från boken Handbook of Competitive Speed Skating som är skriven av Henk Gemser, Jos de Koning och Gerrit Jan van Ingen Schenau. Boken innehåller samlade kunskaper från stora delar av den forskning som finns gjord inom skridsko. Den utgavs 1999 av Internationella Skridsko Unionen och är publicerad av Eisma Publishers bv, P.O Box 340, 8901 BC Leeuwarden, The Netherlands. Artikelförfattaren Christina Schön är utbildad Idrottslärare och har läst Tränarlinjen med specialidrotten Skridsko vid Idrottshögskolan i Stockholm. Hon arbetar idag som tränare vid Skridskogymnasiet i Göteborg och medverkar också som tränare för Svenska Skridskoförbundets juniorlandslag.

2 Skridskoåkningens grundläggande biomekanik Olika framåtdrivande rörelser Innan hjulet uppfanns var skridskoåkning den rörelse som snabbast kunde driva människan framåt. Vid jämförelser mellan olika rörelser kan vissa likheter och olikheter klargöras. För att uppnå en viss hastighet vid löpning, skridskoåkning och cykling måste de framåtdrivande krafterna övervinna de motsatt riktade krafterna som består av luftmotstånd och friktionen mot underlaget. Detta åstadkommes genom frånskjut mot underlaget. Vid löpning sker upprepade frånskjut mot underlaget. Vid frånskjutet påverkas löparen av en framåtriktad reaktionskraft från underlaget. Efter frånskjutet lyfts benet med en accelererande rörelse framåt i förhållande till bålens position. Rörelsen bromsas i det övre läget, byter riktning och benet accelereras sedan i motsatt riktning, bakåt i förhållande till bålens position. Fotens rörelse i förhållande till underlaget stannar vid frånskjutet. Dessa återkommande accelerations och decelerationsrörelser kräver ett stort arbete per frånskjut och bara en liten del, ca 20%, av den totala muskelkraften kan användas till att övervinna yttre motverkande krafter. Grundläggande i skridskoåkningens biomekanik är att benets bakåtriktade rotationshastighet vid kontakten med underlaget liknar den vid löpning där skillnaden mellan bålens och benets hastighet uppkommer genom benets rotationsrörelse. Mekaniskt sett kan cykelns bakhjul beskrivas som en tusenfoting som hela tiden genomför ett frånskjut med en av alla sina fötter. Varje frånskjut kan jämföras med löparens, men den stora skillnaden är att tusenfotingens frånskjut inte behöver efterföljas av en deceleration utan benet kan fortsätta rotera i samma riktning. Efter att hjulet har uppnått en hastighet behövs inget extra arbete. Detta är en teknisk lösning som för cyklisten möjliggör att ca 80% av den producerade muskelkraften kan användas till att övervinna friktionen. Vid jämförelser med hjulet är skridskon nästan lika effektiv. Speciellt då den unika glidtekniken används. Grundläggande är att skridskon glider framåt under åkarens frånskjut. Även skridskoåkaren kan uppnå en muskulär verkningsgrad på ca 80% eftersom löpningens energikrävande accelerations- och decellerationsrörelser inte är nödvändiga vid skridskoåkning. Dessa skillnader i interna energiförluster är förklaringen till att skridskoåkare, speciellt vid längre distanser, kan uppnå två gånger så hög hastighet som löpare. 2

3 Skridskopositionen På bilden visas några vinklar som kan beskriva skridskopositionen. - vinkeln som mäter bålens position i förhållande till en horisontal lin je (θ 1 ) - vinkeln i knäleden under glidfasen (θ 0 ). Denna vinkel är lika med (θ 2 ) + (θ 3 ), vilka mäter över- och underbenets position. - vinkeln mellan underbenet och en horisontell linje ( θ 4 ) Vinklarna θ 1 och θ 0 har stor inverkan på luftmots tåndet och överkroppens position ( θ 1 ) är den mest betydande faktorn. Knävinkeln (θ 0 ), eller snarare vilken höjd bålen hålls på i förhållande till isen, påverkar också luftmotståndet. Antag att två exakt lika skrinnare genomför ett 3000m -lopp under lika förhållanden. De som skiljer dem är överkroppens vinkel mot en horisontal linje. Åkare A håller sin överkropp lägre ( θ 1 = 15 ) och B håller sin överkropp något högre ( θ 1 = 25 ). Denna lilla skillnad på 10 påverkar luftmotståndet mycket. I sluttid ger skillnade n 12s vilket visar att överkroppens position är viktig. Anmärkningsvärt är att liknande skillnader ofta kan observeras mellan olika elitåkare. Arbete per frånskjut och frånskjutsfrekvens När muskler producerar kraft och samtidigt förkortas utförs mekaniskt sett ett arbete. Vid frånskjutet i skridsko utförs detta arbete i huvudsak av höftsträckarna, knästräckarna och vadmusklerna. Extensionen i dessa leder resulterar i ett visst arbete per frånskjut. När man talar om ett kraftfullt frånskjut eller effektiv a skär, är det inte frånskjutskraften som är intressant, utan snarare resultatet av frånskjutet: arbetet/ frånskjut. Bra skrinnare skiljer sig från sämre genom att de producerar mer arbete/ frånskjut. Arbete skiljer sig från effekt. Arbete är relaterat t ill energimängden, medan effekt uttrycks i energi per tidsenhet. Effekt kan ses som en ström av energi. Inte förrän vi utför frånskjuten i en särskild rytm kan vi tala om effektutveckling. Effektutvecklingen (Watt= Joule/s) beror av både arbete/ frånskjut (Joule) och frånskjutsfrekvensen (frånskjut/s). Detta karakteriserar alla 3

4 uthållighetsidrotter där rörelsen utförs i en cyklisk rytm. I cykling, längdåkning, rodd, simning, etc. pratar man också om ett visst arbete per frånskjut eller rörelsecykel. Mekanisk sett är det vid en given hastighet ingen skillnad mellan en skrinnare som producerar ett litet arbete/ frånskjut med en hög frekvens och en åkare som producerar ett stort arbete/ frånskjut med låg rörelsefrekvens. Båda åkarna borde, i princip, kunna ut veckla samma medeleffekt. Detta stämmer dock inte i praktiken. Den snabbaste skrinnaren är oftast den som producerar ett stort arbete/ frånskjut. Det finns flera orsaker till detta; en fysiologisk som beror på att muskulärt är inte alla kombinationer av arbete per frånskjut och frånskjutsfrekvens lika effektiva. En annan förklaring är att mekaniskt sett krävs det ett stort arbete/ frånskjut för att åka en bra kurva. I flera uthållighetsidrotter har man sett att de aktiva reglerar sin hastighet nästan ute slutande genom förändrad rörelsefrekvens. Oberoende av om det är under en kort eller en lång distans förblir arbetet/ frånskjut konstant. Så är det även i skridskoåkning, vid jämförelser mellan 500m och 5 000m skiljer sig frånskjutsfrekvensen men inte arbe tet/ frånskjut. Detta beror antagligen på att de höga koordinativa kraven vid frånskjutet. Den exakta tajmingen mellan muskelkontraktion och frånskjut är svår att ändra. Glidfasens längd är däremot lättare att ändra. Försök att förbättra prestationen på en enskild distans genom att enbart öka frånskjutsfrekvensen misslyckas dock ofta. Vanligtvis medför detta att frånskjutstekniken försämras och därmed minskar arbetet/ frånskjut. Om man tittar på frånskjutsfrekvensen i förhållande till prestationsnivå bla nd olika skrinnare, hittar man inget samband mellan hög frekvens och tävlingsresultat. Däremot finns en klar relation till arbete/ frånskjut: de bästa manliga och kvinnliga skridskoåkarna producerar det största arbetet/ frånskjut. Vid en holländsk undersökning har man gjort jämförelser mellan juniorlandslaget och klubbåkare. Man såg förvånansvärt liten skillnad i muskelkoordination men man såg att de bättre skrinnarna skapade ett högre arbete/ frånskjut genom större utnyttjande av höftextensorerna. Detta är möjligt eftersom dessa åkare har en djupare skridskoposition. En mindre höftvinkel ger musklerna en bättre startposition för varje frånskjut. Skärets längd Det är välkänt att bra skridskoåkare kan åka med långa skär. Därför ses detta som en viktig teknisk detalj. Detta är på sätt och vis riktigt, men att göra långa skär är egentligen i sig inget att sträva efter. Nybörjare kan också åka med långa skär genom att glida länge på ett ben. Som tidigare nämnt är det arbetet/ skär och frekvensen som ger högre hastighet. Men eftersom långa skär ofta är resultatet av ett stort arbete/ frånskjut är det vanligt att bra åkare åker med långa skär. 4

5 Frånskjut i sidled Frånskjutet i skridsko är unikt när man jämför det med andra uthållighetsidrotter. I både cykling, löpning, rodd, skidåkning och i viss mån även simning är frånskjutet riktat bakåt. Den aktive påverkas då av en reaktionskraft som ger framåtdrift. Vid skridskoåkning görs heller inte frånskjutet mot en fixerad punkt utan här används istället den speciell a glidtekniken, med frånskjutet vinkelrätt mot åkriktningen, som möjliggör betydligt effektivare framåtdrift. På bilden visas reaktionskraften från isen på skridskon (Fp). Den kraften kan delas upp i en horisontell komponent (Fx) och en vertikal komponent (Fz). Det är Fx som bidrar till framåtdrift. Denna kraft ger kroppstyngdpunkten en hastighet i x-led. I genomsnitt är Fz lika stor som åkarens kroppstyngd, men denna behöver inte vara konstant genom hela glid - och frånskjutsfasen. Br a skrinnare roterar passivt runt Y-axeln under glidfasen. Detta sker när åkaren skiftar från ytterskär till innerskär. P.g.a. centrifugalkraften som påverkar kroppstyngdpunkten, som ett resultat av rotationen, är reaktionskraften (Fp) något mindre än gravi tationen i denna fas. Delen av skridskoskäret där kroppstyngdpunkten sänks kallas fallfas. Efter denna passiva fallfas kan Fz och därmed också Fp och den effektiva komponenten Fx bli större än vid ett frånskjut som inte föregås av en fallfas. Detta efters om kroppstyngdpunkten måste accelereras uppåt igen. En för tidig initiering av det aktiva frånskjutet kan därför ha en negativ inverkan på frånskjutet. 5

6 Eftersom frånskjutet sker vinkelrät mot åkriktningen kan man undra hur detta kan ge en hastighetsökning. Detta visas med vektorer i bilden nedan. V 1 representerar kroppstyngdpunktens (Tp) hastighet precis innan frånskjutet. V 2 visar den hastighet som tillförs (resultatet av frånskjutet) och dessa två tillsammans ger V 3 som är Tp:s nya hastighet och riktning. Frånskjutet ger två förändringar av Tp:s hastighet: 1. Hastigheten strax efter frånskjutet är högre än innan. Rörelseenergin ökar och detta kompenserar de kontinuerliga energiförlusterna p.g.a. friktionen. Denna ökning är lika stor som arbetet/ frånskjut och bestäms nästan uteslutande av V 2. Ju högre arbete/ frånskjut desto högre förändring av V Frånskjutet i skridsko leder till en riktningsförändring av Tp. Det är omöjligt att låta Tp följa en rak linje. Istället rör sig Tp i en vågrörelse som visas på bilden ovan. Följaktligen följer man inte närmsta vägen rätt fram på rakan. Avvikelsen från en rät linje rätt fram är större när åkaren utför ett större arbete/ frånskjut med en lägre frånskjutsfrekvens. Men som tidigare betonats är ett stort arbete/ frånskjut en viktig faktor för skrinnare. För att korrigera detta och räta ut åkriktningen kan åkaren korta av glidfasen. Detta medför dock en ökning av frånskjutsfrekvensen och då måste man vara uppmärksam på att inte förlora effekt i frånskjutet. Man bör inte lägga för stor vikt vid sin strävan efter att räta ut Tp:s rörelse. Mätningar och beräkningar visar att friktionsförlusterna som detta medför är små i förhållande till de nackdelar som kortare skär kan ge. Viktigt att notera här är dock att detta gäller självklart inte för åkare som åker med stor sidoförflyttning p.g.a. att deras skridsko i glidfasen pekar utåt. Dessa åkare bör försöka ändra sin åkning till att bli mer rakt fram. 6

7 Frånskjutets effektivitet Vid många biomekaniska analyser av skridskoåkare har man sett att en faktor som har stor betydelse är frånskjutets effektivitet. Denna faktor beror av frånskjutsriktningen. Frånskjutskraften, eller snarare reaktionskraften (Fp), kan ha många olika riktningar och kan därför resultera i helt olika storlek på den framåtdrivande kraften (Fx). Ju mer vertikalt Fp är riktad, desto mindre blir den intressanta komponenten Fx. Det är ju självklart att en skrinnare som skjuter ifrån i vertikal riktning bara kommer att flytta kroppen i höjdled och inte framåt. Men trots denna självklarhet visar omfattande mätningar på skillnader i frånskjutsriktning även bland åkare i världseliten. Vad detta beror på är svårt att säga. Kanske är det svårt för tränare att utan tekniska hjälpmedel bedöma denna vinkel (α) eller så beror det på att vissa aktiva i de stressade tävlingssituationerna har svårt att åka tekniskt riktigt och därför initierar det aktiva frånskjutet för tidigt. Ett för vertikalt frånskjut kan alltså ses som en stor energiförlust. Skridskoåka re med olika effektutveckling har ofta samma frånskjutskraft och explosivitet i bensträckarna, det är frånskjutsriktningen som skiljer dem åt och gör åkningen olika effektiv. Frånskjutsriktningen kan bedömas genom att observera åkaren framifrån på slutet a v rakan. Ju mindre α är desto mindre är också knävinkeln på det nya glidbenet, se bild nedan. Detta medför att vid ett effektivt frånskjut, när α är liten, kommer det nya glidbenet att vara längre ifrån frånskjutsskridskon Ett sätt att instruera detta und er träning kan vara att eftersträva att sätta i det nya glidbenet långt ut och hålla en liten knävinkel. Frånskjutets explosivitet Ett explosivt frånskjut och kraftfulla skär behöver inte alltid betyda bra och effektiv skridskotenik. Mekaniskt sett är det arbetet/ frånskjut som har betydelse. Frånskjutskraften har betydelse men den är inte avgörande. Uttryckt i procent av kroppsvikt är frånskjutskraften på rakan mellan % av kroppsvikten på alla sträckor. I starten kan frånskjutskrafte n dock vara mycket högre och de första frånskjuten kan ibland uppnå 200% av kroppsvikten. Vid steady state uppnås inte särskilt höga krafter och man kan därför ifrågasätta graden av explosivitet i skridsko. Men det är det korta tidsintervallet som kraften verkar i frånskjutet som gör skridskoåkningen explosiv. Frånskjutet sker, till skillnad från i många andra idrotter där man utnyttjar en bensträckning, utan att helt räta ut höftleden. Under ett kortare tidsintervall, där inte möjlighet ges att sprida från skjutet över flera leder, skall en hög vinkelhastighet byggas upp i knäleden. Vinkelhastigheten i knäleden vid tävling är /s. Det är kombinationen av 7

8 denna hastighet och frånskjutskraften som ger den explosiva rörelsen i skridsko. På muskulär nivå är effekten lika med produkten av muskelkraft och kontraktionshastighet. Skridskoåkare genererar en mycket hög muskeleffekt vid frånskjutet. Vid samma syreupptagningsnivå är maxeffekten 3-4 ggr högre vid skridskoåkning än vid cykling. Men denna maxeffekt varar bara i mindre än 0,1s vilket är mindre 10-20% av en rörelsecykel. Vid löpning och cykling varar frånskjutsfasen betydligt längre, i cykling mer än 80% av en rörelsecykel. 8