Forțele aplicate pe palonier în timpul vâslitului la ergometru, la caiaciste de niveluri competiționale diferite

Rezumat

Context

Puterea dezvoltată și forțele produse în timpul efortului sunt considerate indicatori importanți ai performanței la sportivii de elită. Scopul acestui studiu preliminar a fost determinarea forțelor aplicate pe palonier (suportul pentru picioare din caiac) în timpul vâslitului la ergometru, la caiaciste aflate la niveluri competiționale diferite.

Metode

Trei caiaciste de elită au participat voluntar la studiu. Consumul de oxigen (VO₂) și puterea medie au fost măsurate în timpul vâslitului la patru intensități de lucru — cu 15W sub pragul de acumulare a lactatului în sânge (OBLA), la OBLA, cu 15W peste OBLA și la efort maximal („all-out”) — pe un ergometru de caiac modificat. Senzori externi de forță au fost atașați cablurilor din dreapta și din stânga care leagă padela de volanta ergometrului. Au fost construite paloniere individuale, care permiteau măsurarea separată a forțelor de împingere și de tragere și distingerea între piciorul stâng și cel drept.

Rezultate

Diferențele relative dintre cele trei sportive au fost similare în ceea ce privește puterea, VO_2peak și forțele pe pale. Au existat însă diferențe la forțele aplicate pe palonier, unde sportiva cea mai performantă a generat forțe de 3 până la 26 de ori mai mari decât sportiva cea mai puțin performantă.

Concluzii

Diferențele relative dintre cele trei sportive au fost similare pentru putere, VO₂ și forțele la padelă. Au existat, în schimb, diferențe dramatice la forțele aplicate pe palonier.

Cuvinte cheie: biomecanică, test de efort maximal, analiza mișcării.

Context

În analiza performanței sportive de elită, ergometrele sunt construite astfel încât să reflecte specificul probei analizate [1]. Ergometrele măsoară lucrul mecanic sau puterea în timpul testului [2] și, uneori, evaluează și indici specifici de performanță precum distanța, timpul și viteza. Puține ergometre oferă însă informații despre forțele dezvoltate în timpul efortului. În caiac se folosesc frecvent ergometre cu frânare aerodinamică pentru măsurarea puterii [1]. Testările anterioare pe ergometre de caiac [3] au arătat că acestea reflectă răspunsul fiziologic din vâslitul pe apă plată.

Vâslitul în caiac angrenează grupe musculare mari, care propulsează ambarcațiunea cât mai rapid prin apă. Sportivul trebuie să învingă forța de rezistență la înaintare, care acționează în sens opus deplasării. Rezistența hidrodinamică (a ambarcațiunii) și cea aerodinamică (a ambarcațiunii și a sportivului) apar pe măsură ce caiacul se deplasează prin apă [4]. Padela aflată în apă transmite forțele nete dezvoltate de sportiv în interiorul caiacului, asigurând propulsia înainte. S-a considerat că forțele dezvoltate la padelă, cele care împing caiacul prin apă, sunt produse în principal de musculatura părții superioare a corpului [5–7].

Există foarte puține studii despre forțele dezvoltate în interiorul caiacului în timpul vâslitului. Aitken și Neal [8] au constatat că, la caiaciști sub-elită, la padelă se aplică forțe de vârf de aproximativ 200 N. La caiaciști de elită, Baker [9] a măsurat la padelă forțe de vârf de circa 375 N la bărbați și 290 N la femei. Întrucât s-a demonstrat că, la canotaj, dezvoltarea forței pe suportul pentru picioare în faza de tracțiune influențează puterea dezvoltată [10], este posibil ca situația să fie similară și în caiac. Majoritatea caiaciștilor de elită își fixează într-un fel picioarele pe palonier, cel puțin în competiție. Acest lucru permite aplicarea atât a forțelor de împingere, cât și a celor de tragere asupra palonierului. Nu avem cunoștință de niciun studiu anterior privind forțele de la palonier și de la scaun în caiac, aspect semnalat și într-un articol recent de sinteză [4].

Scopul acestui studiu preliminar a fost determinarea forțelor aplicate pe palonier în timpul vâslitului la ergometru, la caiaciste aflate la niveluri competiționale diferite — elită de juniori, elită națională și elită internațională.

Metode

Subiecți

Trei caiaciste (vârste între 20 și 29 de ani, greutate între 67,6 și 74,9 kg, înălțime între 169 și 180 cm) s-au oferit voluntar să participe la studiu. Toate trei fac parte dintr-o echipă națională: o junioară, o sportivă de elită națională și una de elită internațională. Studiul a fost aprobat de comisia regională de etică a cercetării din Lund, Suedia (ETIK 2007/72). Toate participantele și-au dat acordul ca rezultatele să fie prezentate împreună cu rezultatele lor din competiții [11].

Designul studiului

Studiul s-a desfășurat în cadrul testărilor efectuate de aceste sportive ca parte a monitorizării antrenamentului. Două sportive au fost testate într-un laborator, iar a treia într-un al doilea laborator. Toate testele au fost supravegheate de același membru al echipei de cercetare. Sportivele au efectuat testul de efort pe un ergometru de caiac modificat, care permitea măsurarea simultană a puterii, a consumului de oxigen (VO₂) și a forțelor din pală și la nivelul palonierului. Sportivele au lucrat la patru intensități: cu 15W sub pragul de acumulare a lactatului (OBLA), la OBLA, cu 15W peste OBLA și la efort maximal. Nivelul de lucru la care era așteptat OBLA era cunoscut din testările anterioare, pentru toate sportivele. Între paliere au avut două minute de repaus, așezate pe ergometru. Sportivele erau familiarizate cu procedura de testare. Li s-a cerut să nu mănânce și să nu bea cafea cu două ore înaintea sesiunii de testare, precum și să nu facă efort intens în ultimele 48 de ore dinaintea testelor.

Capacitatea de efort

Sportivele au vâslit câte patru minute cu 15W sub OBLA, la OBLA și cu 15W peste OBLA. Două sportive au efectuat un test maximal de două minute, iar una un test maximal de patru minute. A trebuit să respectăm protocolul standard al fiecăreia dintre cele trei sportive, ceea ce explică această diferență. S-a folosit un ergometru de caiac modificat (Dansprint PRO, Dansprint Asp, Hvidovre, Danemarca). VO₂ a fost măsurat respirație-cu-respirație (Oxycon Mobile, Jaeger, Hoechberg, Germania) la o sportivă și cu cameră de amestec (Oxycon PRO, Jaeger, Hoechberg, Germania) la celelalte două. Ambele sisteme au fost validate față de măsurătorile cu saci Douglas, iar măsurătorile repetate au arătat un coeficient de variație al VO₂ de 3%. Calibrarea senzorilor de gaz s-a făcut înaintea fiecărui test, cu un amestec gazos certificat. Debitul de aer a fost calibrat înaintea fiecărui test cu o seringă de calibrare. Folosirea unor echipamente diferite se explică prin testarea în două laboratoare, așa cum s-a descris mai sus. Sportivele au fost încurajate verbal să lucreze cât mai intens în timpul testului maximal. Lactatul sanguin a fost măsurat în primul minut după încheierea fiecărui palier. S-au recoltat probe de sânge capilar, analizate cu un fotospectrometru (Biosen, EKF Diagnostic, Magdeburg, Germania).

Analiza forțelor și a puterii

Ergometrul de caiac (Dansprint PRO) folosit la testarea capacității de efort a fost echipat cu senzori externi de forță, atașați cablurilor care leagă partea stângă și partea dreaptă a padelei de volanta ergometrului. Au fost construite paloniere individuale pentru piciorul stâng și cel drept, care permiteau măsurarea forțelor de împingere și de tragere. Reglajele individuale ale palonierelor erau posibile, în acord cu designul original al palonierului. S-au folosit curele de picior pentru menținerea poziției labei piciorului în timpul vâslitului.

Senzorii de forță au fost fabricați special pentru această aplicație. Senzorii atașați cablurilor se bazează pe inele mici și ușoare din oțel, echipate cu mărci tensometrice, în timp ce senzorii din palonier, tot cu mărci tensometrice, au fost integrați în palonier. Mărcile tensometrice sunt conectate într-o punte Wheatstone completă, pentru ca senzorii de forță să fie insensibili la factori precum temperatura și rezistența cablurilor senzorilor. Senzorii au fost calibrați prin aplicarea unor forțe liniare cunoscute, în același domeniu cu forțele măsurate. Semnalele de la senzorii de forță, pentru evaluarea forțelor de la padelă și de la picioare, au fost colectate prin cabluri electrice cu LabVIEW 8.0, prin sistemul de achiziție de date DAQPad-6015 și SC-2345 de la National Instruments (Austin, Texas, SUA), iar semnalele pentru evaluarea puterii au fost colectate de la ergometru cu Dansprint Analyser 1.09 (Dansprint Asp, Hvidovre, Danemarca).

Analiza datelor

Capacitatea de efort. VO₂ la 15W sub OBLA, la OBLA și la 15W peste OBLA a fost definit ca valoarea medie înregistrată în ultimele două minute de vâslit la fiecare palier. VO_2peak a fost definit ca valoarea medie înregistrată în ultimul minut al testului maximal. Puterea a fost valoarea medie înregistrată pe ergometru la fiecare palier.

Forțele. Forțele de la padelă și de la palonier au fost înregistrate pe durata a două sau patru minute, în funcție de durata testului maximal. Semnalul senzorilor neîncărcați a fost considerat zero. S-a generat o distribuție de frecvență a forței în timp, iar percentila 95 a forței a fost considerată forță de vârf. Această procedură a fost folosită pentru a reduce impactul zgomotului din măsurători. Analiza a fost efectuată cu LabVIEW 8.0 și Matlab R2006a.

Rezultate

Consumul de oxigen în timpul testului maximal este prezentat în Figura 1. Toate cele trei sportive au atins un platou al VO₂, deși mai puțin net la junioară, iar coeficientul respirator a depășit 1,1 în timpul testului maximal. Rezultatele măsurătorilor din timpul efortului sunt prezentate în Figura 2. Sportivele sunt ordonate crescător după puterea dezvoltată în test.

Figura 1. Consumul de oxigen (l/min) în timpul testelor maximale.

Figura 2. VO₂, lactat, putere, forța la padelă, forțele de împingere și forțele de tragere la picioare, în timpul vâslitului la ergometru sub OBLA, la OBLA, peste OBLA și la efort maximal. Valorile forțelor sunt prezentate ca medii ale măsurătorilor din stânga și din dreapta.

Așa cum era de așteptat, ordinea a fost aceeași pentru putere, VO_2peak și timpul de concurs, atât la 500 m, cât și la 1000 m (Tabelul 1). Diferențele relative dintre cele trei sportive au fost similare pentru putere (la efort maximal: 155; 182; 235 W), VO_2peak (la efort maximal: 3,2; 3,3; 3,9 l/min) și forțele la padelă (la efort maximal: 144; 183; 192 N). Au existat însă diferențe dramatice la forțele aplicate pe palonier (la efort maximal, tragere: 23; 77; 150 N), unde sportiva cea mai performantă a generat forțe de 3 până la 26 de ori mai mari decât cea mai puțin performantă (Tabelul 1).

Tabelul 1a — Performanța la efort maximal

Tabelul 1b — Forțele măsurate la efort maximal (N)

Tabelul 1 din studiul original: VO₂, lactat, putere, timp de concurs, forțe la padelă, forțe de împingere și de tragere la picioare, în timpul vâslitului la ergometru la efort maximal.

Discuții

Principala constatare a acestui studiu este că sportivele aflate la niveluri competiționale diferite generează forțe considerabil diferite pe palonier în timpul vâslitului la ergometru.

Aitken și Neal [8] au raportat forțe de vârf (padelă dreapta 213,5 ± 9,6 N, padelă stânga 200,6 ± 7,9 N) măsurate cu mărci tensometrice pe tija padelei, pe 500 m de vâslit pe apă, la caiaciști sub-elită. Baker [9] a raportat forțe de vârf mai mari (bărbați, 1000 m: 375 N; femei, 500 m: 290 N) în măsurători pe apă la caiaciști din echipa națională a Australiei. Rezultatele noastre sunt compatibile cu studiile anterioare, în ciuda faptului că am avut doar trei subiecți de sex feminin și că relația dintre măsurătorile de forță pe apă și cele de pe ergometru nu este cunoscută.

Noi am măsurat forțele de la palonier în timpul vâslitului. Forțele de la suportul pentru picioare au mai fost măsurate anterior la canotaj. Caplan și Gardner [12] au constatat astfel că puterea medie crește odată cu forțele de tragere de la suportul pentru picioare. S-a propus că forțele de împingere de la suportul pentru picioare în canotaj sunt proporționale cu forțele de la paleta vâslei [2, 13]. La canotaj, vâslele sunt fixate de ambarcațiune [14]. Din punct de vedere mecanic, aceasta este o situație diferită de caiac, unde nu există nicio legătură între padelă și ambarcațiune. La canotaj, forțele de la vâsle acționează relativ simetric asupra bărcii și a canotorului, iar barca este împinsă înainte prin picioare. La caiac, sportivii trebuie să transfere ei înșiși forța de la padelă către ambarcațiune prin intermediul corpului [6]. Întrucât forța din paleta padelei, cea care propulsează caiacul înainte, acționează la o anumită distanță de axa longitudinală a caiacului, fiecare tracțiune tinde să rotească ambarcațiunea. Acest lucru este compensat parțial prin designul ambarcațiunii. Momentul de rotație poate necesita, de asemenea, echilibrarea prin forțe laterale în scaun, stabilizate de o forță de tragere în piciorul de pe partea opusă părții active. Un moment mare, provenit dintr-o putere mare, ar putea fi astfel echilibrat de forța de tragere dintr-un picior.

Sincronizarea dintre partea superioară și partea inferioară a corpului pare să fie importantă în vâslitul la ergometru, judecând după curbele de forță (Figura 3) ale celor trei sportive. Mai mult, coordonarea dintre mișcarea de împingere și cea de tragere pare, de asemenea, importantă. Se poate specula că sincronizarea momentului este importantă pentru a putea produce o putere mare. O tracțiune de padelă implică rotația trunchiului, de la umeri până la bazin [4]. Rotația bazinului implică, cel mai probabil, musculatura membrelor inferioare, iar aplicarea forțelor pe palonier poate ajuta la stabilizarea trunchiului în timpul mișcării.

Figura 3. Forța la padelă, forțele de împingere și forțele de tragere la picioare, în timpul vâslitului la ergometru, pe parcursul a 4 secunde la efort maximal.

Anterior s-a sugerat că factorii cei mai importanți care diferențiază caiaciștii de elită sunt capacitatea aerobă și cea anaerobă ridicate [5, 7]. Rezultatele noastre sugerează că factorii de sincronizare și cei biomecanici, precum forțele de la picioare, au un impact mai mare asupra performanței (Figura 2).

Limitări

Rezultatele noastre preliminare arată că, deși diferențele relative de putere, VO₂ și forțe la padelă au fost similare la cele trei sportive, au existat diferențe foarte mari la forțele de la palonier. Aspectele tehnice ale vâslitului, de exemplu profilul tracțiunii și direcția forței la contactul dintre padelă și apă, ar putea fi legate de generarea forțelor la palonier.

Studiul are mai multe limitări. Numărul mic de subiecți este, cu siguranță, una dintre ele. Am putut efectua studiul doar în asociere cu testările de rutină din timpul sezonului competițional, ceea ce a însemnat că a trebuit folosite protocoale ușor diferite și echipamente diferite. Rezultatele ar fi fost însă aceleași dacă am fi analizat forțele după două minute la sportiva care a efectuat testul maximal de patru minute. Echipamentele pentru măsurarea VO₂ fuseseră validate în același laborator (Elite Sports Centre Bosön, Lidingö, Suedia) și suntem încrezători că cele două aparate dau rezultate comparabile.

Sunt necesare studii suplimentare privind forțele de la palonier în timpul vâslitului și relația lor cu puterea și cu timpul de concurs, pentru a confirma constatările noastre. Dacă asemenea relații există, antrenarea specifică a coordonării dintre tracțiunea de padelă și forțele aplicate pe palonier ar putea contribui la îmbunătățirea performanței. Studii asupra relației dintre putere și forțe, cu și fără fixarea picioarelor, ar putea oferi o perspectivă asupra importanței forțelor de tragere de la palonier. Forțele de la palonier ar trebui studiate și în vâslitul pe apă, întrucât acestea pot fi diferite față de vâslitul la ergometru. Sunt necesare măsurători mai cuprinzătoare ale forțelor și mișcărilor pentru a oferi o imagine completă a biomecanicii caiacului.

Concluzii

Forțele aplicate pe palonier par să fie indici importanți ai caiacului de elită, întrucât sportiva care evolua la cel mai înalt nivel a produs cele mai mari forțe. Sincronizarea și coordonarea forțelor din padelă și de la palonier par să fie importante pentru o performanță ridicată în caiac. Aceasta sugerează că forțele de la palonier ar putea fi un indice important de evaluat în cadrul monitorizării antrenamentului.

Note ale studiului original

Mulțumiri. Autorii îi mulțumesc Åsei Eklund pentru sprijinul competent acordat în timpul măsurătorilor.

Finanțare. Studiul a fost susținut de Malmö Sports Academy și finanțat de Consiliul Suedez de Cercetare pentru Știința Sportului. Finanțatorul nu a participat la conceperea studiului, la colectarea, analiza și interpretarea datelor sau la redactarea manuscrisului.

Disponibilitatea datelor. Datele nu pot fi partajate din cauza riscului de identificare a participantelor.

Etică. Comisia regională de etică a cercetării din Lund, Suedia, a aprobat studiul (ETIK 2007/72). Participantele au luat parte voluntar la studiu și și-au dat consimțământul scris pentru participare și pentru publicarea rezultatelor.

Conflicte de interese. Autorii declară că nu au conflicte de interese.

Abrevieri

• OBLA — onset of blood lactate accumulation, pragul de acumulare a lactatului în sânge
• VO₂ — consumul de oxigen
• VO_2peak — valoarea maximă a consumului de oxigen atinsă în test
• N — newton, unitatea de măsură a forței
• W — watt, unitatea de măsură a puterii

Sursă și licență

Tornberg ÅB, Håkansson P, Svensson I, Wollmer P. Forces applied at the footrest during ergometer kayaking among female athletes at different competing levels – a pilot study. BMC Sports Science, Medicine and Rehabilitation. 2019;11:1. DOI: 10.1186/s13102-018-0113-5. Articol integral: pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6327426.

© Autorii, 2019. Articolul original este publicat cu acces liber, sub licența Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0), care permite utilizarea, distribuirea și adaptarea — inclusiv traducerea — în orice mediu, cu condiția citării corespunzătoare a autorilor și a sursei originale și a indicării eventualelor modificări. Traducerea în limba română aparține prof Bogdan Buciu și este pusă la dispoziție sub aceeași licență. Figurile reproduse provin din articolul original, sub aceeași licență. Modificări față de original: traducere în limba română, împărțirea Tabelului 1 în două tabele pentru lizibilitate și adăugarea notei redacționale de la începutul articolului; conținutul științific nu a fost modificat.

Referințe bibliografice

1. Withers R, Gore C, Gass G, Hahn A. Determination of maximal oxygen consumption (VO2max) or maximal aerobic power. În: Gore CJ, ed. Physiological tests for elite athletes. Champaign: Human Kinetics; 2000. p. 116.
2. MacFarlane DJ, Edmond IM, Walmsley A. Instrumentation of an ergometer to monitor the reliability of rowing performance. J Sports Sci. 1997;15:167–173.
3. van Someren KA, Philips GR, Palmer GS. Comparison of physiological responses to open water kayaking and kayak ergometry. Int J Sports Med. 2000;21:200–204.
4. Michael JS, Smith R, Rooney KB. Determinants of kayak paddling performance. Sports Biomechanics. 2009;8:167–179.
5. Michael JS, Rooney KB, Smith R. The metabolic demands of kayaking: a review. J Sports Sci Med. 2008;7:1–7.
6. Shephard RJ. Science and medicine of canoeing and kayaking. Sports Med. 1987;4:19–33.
7. Tesch PA. Physiological characteristics of elite kayak paddlers. Can J Appl Sport Sci. 1983;8:87–91.
8. Aitken DA, Neal RJ. An on-water analysis system for quantifying stroke force characteristics during kayak events. Int J Sport Biomech. 1992;8:165–173.
9. Baker J. Evaluation of biomechanical performance related factors with on-water tests. În: Vrijens J, ed. Proceedings of an International Seminar on Kayak-Canoe Coaching and Science. Gent, Belgia: International Canoe Federation; 1998. p. 50–66.
10. Cabrera D, Ruina A, Kleshnev V. A simple 1+ dimensional model of rowing mimics observed forces and motions. 2006. p. 192–220.
11. Harriss DJ, Atkinson G. Ethical standards in sport and exercise science research. Int J Sports Med. 2009;30:701–702.
12. Caplan N, Gardner TH. The influence of stretcher height on the mechanical effectiveness of rowing. J Appl Biomech. 2005;21:286–296.
13. Hase K, Kaya M, Zavatsky AB, Halliday SE. Musculoskeletal loads in ergometer rowing. J Appl Biomech. 2004;20:317–323.
14. Smith RM, Loschner C. Biomechanics feedback for rowing. J Sports Sci. 2002;20:783–791.