Analýza hnacích síl pri posudzovaní techniky šliapania

26.3.2013 |

Mgr. Juraj KARAS, prof. MUDr. Dušan HAMAR, PhD.

Katedra Športovej Kinantropológie, Fakulta Telesnej Výchovy a Športu, Univerzita Komenského, Bratislava, Slovensko

ABSTRAKT

Cieľom štúdie bolo porovnať rozsah cyklického kolísania síl (koeficient rovnomernosti šliapania), ako základ pre posudzovanie techniky šliapania, u cyklistov a necyklistov pri rôznych frekvenciách a intenzitách zaťaženia. Sledovania sa zúčastnilo 20 výkonnostných cestných cyklistov a 20 necyklistov (rekreačných športovcov). Obe skupiny absolvovali v náhodnom poradí minútové zaťaženia na izokinetickom bicyklovom ergometri pri frekvenciách 60, 90 a 120 otáčok za minútu, každé z nich na úrovni 100 watt, 200 watt a 300 watt a na záver ešte 10-sekundové zaťaženie maximálnym úsilím pri frekvencii 90 otáčok za minútu. V priebehu testov bola zaznamenávaná hnacia sila (sila prenášaná prostredníctvom reťaze na brzdený zotrvačník ergometra). Z každého minútového zaťaženia sme získali priemerné hodnoty minimálnej, maximálnej a priemernej sily z 360-stupňového záberového cyklu. Z nich sme vypočítavali koeficient rovnomernosti šliapania ako percentuálny podiel rozdielu medzi maximálnou a minimálnou silou a priemernej sily. Signifikantné rozdiely (p<0,05) v koeficiente rovnomernosti šliapania sa ukázali pri 100-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 60, pri 200-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 90 a pri 300-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 60 a 90, t. j. tých intenzitách a frekvenciách, ktoré sú typické pre cyklistický tréning a preteky. Výsledky preukázali špecifický efekt tréningu na techniku šliapania v závislosti od intenzity tréningového zaťaženia preferovaných frekvenciách šliapania.

Kľúčové slová: koeficient rovnomernosti šliapania, frekvencia otáčok, intenzita zaťaženia, technika šliapania

ÚVOD

Dobrá výkonnosť vo vytrvalostných športoch závisí nielen od maximálneho aeróbneho výkonu, ale aj od dostatočne vysokej mechanickej účinnosti svalovej práce. Jej úroveň je určovaná efektívnosťou premeny energetických zdrojov (tukov a cukrov) na využiteľnú energiu v makroergických fosfátoch svalových buniek (ATP a CP), ako aj účinnosťou jej ďalšej premeny na mechanickú prácu samotnej svalovej kontrakcie. Dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje mechanickú účinnosť, je technika. Jej význam je tým väčší, čím je vykonávaný pohyb technicky náročnejší.

I napriek tomu, že pedálovanie na bicykli patrí medzi pomerne jednoduché a technicky nenáročné pohybové činnosti, jestvujú v mechanickej účinnosti medzi cyklistami a necyklistami rozdiely. Kým jedinci bežnej populácie dosahujú hrubú mechanickú účinnosť približne 20% (HAMID a kol., 2005), u trénovaných cyklistov sa uvádzajú hodnoty až okolo 25% (BURKE, 2003).

Pod technikou v cyklistike rozumieme spôsob, akým je sila, produkovaná svalmi nôh, prenášaná do pedálov bicykla. Za jeden z faktorov techniky šliapania možno považovať rozsah kolísania sily v priebehu 360-stupňového cyklu obrátky pedálov. Ako uvádza HAMAR a kol. (1994) dobrá technika šliapania v praxi môže spočívať v menej výraznom kolísaní síl medzi maximálnou a minimálnou silou (obr. 1). Vychádza pri tom z monitorovania efektívnych síl pri pedálovaní na izokinetickom ergometri. Ako kritérium techniky uvádza rozdiel maximálnej a minimálnej sily, alebo ich vzájomný pomer.


Obrázok 1: Rozdiel maximálnej a minimálnej sily v priebehu 360-stupňového cyklu obrátky pedálov spriemerovaný z minútového zaťaženia na úrovni 300 wattov pri frekvencii pedálovania 90 otáčok za minútu u cyklistu a necyklistu

Kolísanie sily záberu v priebehu otáčky kľúk je už dlho stredobodom pozornosti biomechanikov a konštruktérov. V minulosti sa viacero výrobcov kľúk a prevodníkov pokúšalo vyhotoviť kľuky s elipsovitými prevodníkmi, s cieľom znížiť sily pôsobiace na pedále vo fáze, keď sú kľuky v polohe šesť hodín, teda v tzv. mŕtvom bode. V rokoch 1983 až 1993 začal konštruovať kľuky typu Biopace japonský výrobca Shimano. Avšak nastavenie elipsy voči kľukám bolo paradoxne také, že prevodníky kládli pri prekonávaní mŕtveho bodu najväčší odpor. To znamená, že v mŕtvom bode (pedálové kľuky vo vertikálnej polohe) mal prevodník väčší polomer a v polohe aktívneho záberu (pedálové kľuky v horizontálnej polohe) menší (obr. 2). Následkom takejto konštrukcie bolo nepravidelné a nepohodlné šliapanie, ktoré sťažovalo plynulé a rovnomerné pôsobenie síl v priebehu 360-stupňového záberového cyklu. Cyklisti, používajúci prevodník typu Biopace si sťažovali na bolesti v kolenách, čo bol pravdepodobne dôsledok vynakladania vyššieho úsilia pri prekonávaní mŕtveho bodu. Konštruktéri sa tieto problémy snažili riešiť zmiernením oválnosti elipsy. Takáto úprava však problémy neodstránila, takže prevodníky uvedeného typu boli nakoniec stiahnuté z trhu.


Obrázok 2: Rozloženie zubov na veľkom prevodníku značky Shimano - Biopace

V súčasnosti sa výrobou elipsovitých prevodníkov znova začalo zaoberať niekoľko značiek ako napríklad španielska firma Rotor. Tentoraz však použili opačné rozloženie priemerov elipsy prevodníkov vo vzťahu ku kľukám. Vychádzajú pritom zo skutočnosti, že najväčšiu silu vynakladá cyklista okolo horizontálnej roviny, konkrétne pri polohe kľúk 20 stupňov pod vodorovnou polohou. V tejto polohe má prevodník polomer najväčší, a naopak v polohe mŕtveho bodu najmenší. V tejto polohe, vzhľadom na nižší polomer prevodníka stačí pôsobiť nižšou silou, takže prechod je plynulejší (obr. 3). Výrobca tvrdí, že prevodník Rotor Q-Ring pomáha zvýšiť hnaciu silu prenášanú na kolesá bicykla. Má to byť vďaka tomu, že práve ich elipsový tvar minimalizuje odpor záberu pri prekonávaní mŕtveho bodu a maximalizuje prenos síl v polohe aktívneho záberu. Ďalej pri používaní výrobku uvádza možnosť rýchlejšej jazdy pri zníženej tvorbe laktátu, lepšiu akceleráciu bicykla, plynulejšiu aktiváciu svalov pri zábere, čo by malo minimalizovať opotrebovanie kĺbov pri žiaducom zvýšenom zaťažení „hnacích“ svalov a šliach. Výrobky využívajú niektoré profesionálne cyklistické tímy a sú dostupné na trhu aj pre širokú verejnosť.

Obrázok 3: Rozloženie zubov na veľkom prevodníku značky Rotor

CARMICHAEL a kol. (2003) uvádza, že mechanická účinnosť šliapania je vyššia pri nižšom poklese sily vo vertikálnych polohách kľúk („vrchnej a spodnej časti záberu“, označovanej tiež ako “mŕtvy bod“). Zastáva názor, že horskí cyklisti disponujú lepšou technikou šliapania ako cyklisti iných disciplín. Odôvodňuje to tým, že v strmých horských výjazdoch zostávajú v sedle bicykla. Aby na štrku a sypkom povrchu nestrácali trakciu, pôsobia na pedále v celej obrátke rovnomernejšie.

Je pravdepodobné, že exaktné vedecké štúdie týkajúce sa tejto problematiky v literatúre chýbajú. Cieľom vedeckej štúdie bolo preto porovnať rozsah kolísania síl u cyklistov a necyklistov pri rôznych intenzitách zaťaženia a frekvenciách otáčok.

Predpokladali sme, že cyklisti budú mať menší rozdiel medzi maximálnou a minimálnou silou ako necyklisti, a tento bude navyše závisieť od frekvencie otáčok a intenzity zaťaženia.

MATERIÁL A METÓDY

Súbor tvorilo 20 výkonnostných cyklistov a 20 necyklistov (rekreačných športovcov). Do skupiny cyklistov sme zaradili jedincov, ktorí v priebehu ostatných 5 sezón najazdili minimálne 5000 km ročne. Základné údaje o veku, antropometrické charakteristiky a tréningovej anamnéze oboch súborov sú uvedené v tabuľke 1.

Tab. 1: Charakteristika súboru

Testovanie prebiehalo v laboratórnych podmienkach na bicyklovom ergometri Ergocycle, ktorý umožňuje monitorovanie tangenciálnych hnacích síl frekvenciou 100 Hz. Pri vyšetreniach sme využívali izokinetický režim. Pre tento režim je charakteristická konštantná rýchlosť zabezpečovaná elektromagnetickou brzdou a špeciálnym riadiacim systémom, ktorý okamžite prispôsobuje odpor sile pôsobiacej na pedále tak, že frekvencia pedálovania zostáva bez ohľadu na silu pôsobiacu na pedále konštantná.

Každému jedincovi sme nastavili polohu sedla a riadidiel. Proband sa postavil vedľa sedla, zdvihol dolnú končatinu zo zeme, tak aby sa stehno nachádzalo vo vodorovnej polohe. Podľa horného okraja sme nastavili výšku sedla. Potom sa posadil na bicykel a výšku sedla sme skontrolovali, prípadne upravili tak, aby stehno s predkolením vystretej nohy v polohe mŕtveho bodu pedálov zvieralo 145 až 155 stupňový uhol (zvolená končatina mierne pokrčená v kolennom kĺbe). Riadidlá sme umiestnili vo výške sedla, u vyšších probandov o 2 – 5 cm nižšie.

Oba súbory absolvovali testy v športovej obuvi, ktorú si upevnili k pedálom za pomoci košíkov a klipsní. Pre zabezpečenie štandardných podmienok vykonali zaťaženia v sedle.

V rámci samotného testovania probandi absolvovali minútové zaťaženia pri frekvencii 60, 90 a 120 otáčok za minútu v náhodnom poradí. Uvedené zaťaženia vykonal postupne pri výkone 100 watt, 200 watt a 300 watt. Keďže výkon v izokinetickom režime závisí od subjektívneho úsilia, zvolená intenzita zaťaženia sa udržiavala úpravou (zvyšovaním, resp. znižovaním) subjektívneho úsilia na základe bezprostrednej informácie o výkone aktualizovaného po každej otáčke na monitore ergometra. Na záver testovaní jedinci absolvovali 10-sekundové zaťaženie maximálnym úsilím pri frekvencii 90 otáčok za minútu.

Z každého minútového zaťaženia sme pomocou softvéru Ergocycle získali priemerné hodnoty minimálnej sily (N), maximálnej sily (N) a priemernej sily (N) z 360-stupňového cyklu obrátky pedálov. Pri odpočítaní minimálnej sily od maximálnej sily sme dostali rozdiel sily (N). Pri vydelení rozdielu sily priemernou silou sme dostali podiel, ktorý sme vyjadrili v percentách (%) a nazvali ho koeficient rovnomernosti šliapania.

Rozdiely medzi dvoma skupinami v koeficiente rovnomernosti šliapania sme porovnávali parametrickým nepárovým T-testom.

VÝSLEDKY A DISKUSIA

Výsledky ukázali, že koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov pri zaťažení 100 wattov neukázal signifikantné rozdiely (p<0,05) pri frekvencii otáčok 90 a 120. Predpokladáme, že to mohlo byť zapríčinené príliš nízkou intenzitou zaťaženia. Cyklista pri tréningu využíva relatívne vysokú frekvenciu šliapania pri takto nízkej intenzite zaťaženia iba výnimočne. Ak sa v tréningu využíva nízka frekvencia, tak skôr pri nízkej intenzite. Zrejme v dôsledku tohto faktu bol významný rozdiel v koeficiente rovnomernosti šliapania pri frekvencii otáčok 60 medzi cyklistami (128 ± 17%) a necyklistmi (142 ± 15%) významný iba pri nízkej intenzite 100 wattov (obr. 4).

Obrázok 4: Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov pri 100 wattoch

Pri 200-wattovom zaťažení sme zistili signifikantný rozdiel (p<0,05) pri frekvencii otáčok 90, kde cyklisti dosiahli koeficient 120 ± 20% a necyklisti 138 ± 19% (obr. 5). Práve toto zaťaženie pre cyklistu predstavuje podstatnú náplň tréningového procesu. Priemerný výkonnostný cyklista má aeróbny prah okolo 200 wattov a optimálnu frekvenciu otáčok okolo 90. V ostatných frekvenciách (60, respektíve 120) rovnakého zaťaženia sa rozdiely medzi skupinami neprejavili. Chýbajúci rozdiel je dôsledkom skutočnosti, že cyklisti túto frekvenciu otáčok v takomto zaťažení v tréningu prakticky nevyužívajú.

Obrázok 5: Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov pri 200 wattoch

Zaťaženie na úrovni 300 wattov potvrdilo signifikantný rozdiel (p<0,05) pri frekvencii otáčok 60 a 90 (obr. 6). Pri frekvencii 60 otáčok cyklisti dosiahli koeficient 128 ± 12% a necyklisti 138 ± 13%. Rozdiel možno vysvetliť tým, že cyklisti prekonávajú prudké stúpania a zrýchlenia v nich s maximálnym nasadením pri takto vysokej intenzite a nízkej frekvencii šliapania. Pri frekvencii 90 otáčok cyklisti dosiahli koeficient 116 ± 17% a necyklisti 134 ± 24%. Pre necyklistu predstavuje toto zaťaženie enormné úsilie, ktoré nevydrží vynakladať dlhší čas. Avšak u výkonnostného cyklistu predstavuje daná intenzita približne anaeróbny prah a na jej úrovni absolvuje veľkú časť pretekov, časoviek a tréningov (VOGT a kol., 2006; SMITH a kol., 2001).

Obrázok 6: Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov pri 300 wattoch

Pri 10-sekundovom šliapaní maximálnym úsilím sa nepotvrdili signifikantné rozdiely (p<0,05) medzi cyklistami a necyklistami (obr. 7).

Obrázok 7: Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov pri maximálnom úsilí

ZÁVER

Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov ukázal signifikantné rozdiely (p<0,05) pri 100-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 60, pri 200-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 90 a pri 300-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 60 a 90.

Koeficient rovnomernosti šliapania u cyklistov a necyklistov neukázal signifikantné rozdiely (p<0,05) pri 100-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 90 a 120, pri 200-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 60 a 120, pri 300-wattovom zaťažení vo frekvencii otáčok 120 a pri 10-sekundovom šliapaní maximálnym úsilím.

Rozdiely v koeficiente šliapania sa ukázali pri tých zaťaženiach a v tých frekvenciách, ktoré cyklisti v tréningu a pretekoch využívajú. Naopak, rozdiely sa neukázali v zaťaženiach a frekvenciách, v ktorých cyklisti netrénujú alebo trénujú len minimálne.

Monitorovanie kolísania efektívnych hnacích síl v závislosti od aktuálnej polohy kľúk sa ukazuje ako vhodný prostriedok na posudzovanie tréningom podmienených špecifických zmien techniky šliapania.

LITERATÚRA

1. BURKE, E. R.: High-tech cycling. 2nd ed. 2003, s. 282.
2. CARMICHAEL, CH. – ARMSTRONG, L. – NYE, P. J.: The Lance Armstrong Performance performance program. 2003, s. 150 – 154.
3. CARMICHAEL, CH.: Rozhodujúci jízda. Praha: Pragma 2003. 350s.
4. HAMAR, D. a kol.: Izokinetický bicyklový ergometer vo funkčnej diagnostike cyklistov. Telesná výchová a šport, 6, 1996, č. 4, s. 11 – 14
5. HAMAR, D. - LIPKOVÁ, J.: Fyziológia telesných cvičení. Bratislava: UK 2008.
6. HAMAR, D. - GAŽOVIČ, O. – SCHICKHOFER.: Izokinetický bicyklový ergometer – uplatnenie vo funkčnej diagnostike a rehabilitácii. Slovenský lekár, 1994, č. 6-7, s. 41 – 44.
7. HAMID, G. – SHANNON, J. – MARTIN J.: Physiologic basis of respiratory disease. ch. 65, 2005, s. 739
8. HILL, A.: The maximum work and mechanical efficiency of human muscles, and their most economical sppeed. J. Physiol. (Lond.) 56, 1992, s. 19-41.
9. KORFF, T. - ROMER, L. M. - MAYHEW, I. - MARTIN, J. C.: Effect of Pedaling Technique on Mechanical Effectiveness and Efficiency in Cyclists. Med. Sci. Sports Exerc. 2007, č. 6, s. 991 – 995.
10. SMITTH, M.F. – DAVISON, R. C. R. – BALMER, J. – BIRD, S. R.: Reliability of Mean Power Recorded During Indoor and Outdoor Self-Paced 40 km Cycling Time-Trials. Int. J. Sports Med. 2001, č 22 (4), s. 270 - 274
11. VOGT, S. - HEINRICH, L. – Y. O. SCHUMACHER - BLUM, A. - ROECKER, K. - H-H. DICKHUTH. – SCHMID, A.: Power output during stage racing in Professional road cycling. Med. Sci. Sports Exerc. 2006, č. 1, s. 147 – 151.

ANALYSIS OF PROPULSIVE FORCES IN ASSESMENT OF PEDALING TECHNIQUE

Mgr. Juraj KARAS, prof. MUDr. Dušan HAMAR, PhD.

Department of Sports Kinanthropology, The Faculty of Physical Education and Sport, Comenius University, Bratislava, Slovakia

ABSTRACT

The aim of the study was to compare the cyclical fluctuations propulsive force produced during pedalling as a criterion for the assessment of technique in cyclists, and non-cyclist at different frequencies and exercise intensities. Twenty competitive road cyclists, and 20 fit non-cyclists volunteered to participate in the study. Both groups underwent in random order one-minute exercise on the isokinetic cycle ergometer at frequencies of 60, 90, and 120 revolutions per minute, each of them at intensity of 100, 200 and 300 watt, and at the end also a 10-second maximum effort bout at frequency of 90 revolutions per minute. Propulsive force (the force transmitted through the chain to the braked flywheel) was recorded during the tests. From each minute exercise the average values of minimum, maximum and average force of 360-degree pedalling cycle were obtained. In addition equality coefficient of pedalling as a percent difference between maximum, minimum force, and average force was calculated. Results showed significant differences (p<0,05) in equality pedalling coefficient during 100-watt load at a frequency of 60 revolutions. Significant differences were also detected during 200-watt load at a frequency of 90 revolutions, and in 300-watt load at a frequencies of 60, and 90 revolutions. Differences were found for those loads, and frequencies which cyclists prefer in their training and racing. The results proved a specific effect of training on pedalling technique depending on the training intensity of preferred pedalling frequencies.

Key words: equality pedalling coefficient, frequency of revolutions, exercise intensity, pedalling technique

Autor:

Mgr. Juraj Karas, PhD. / PROefekt