Ihminen voi helposti pudottautua kolmen metrin korkeudelta ja laskeutua turvallisesti, mutta sama ei onnistu toisinpäin. Paikaltaan ponnistava ihminen ei onnistu pääsemään ylöspäin edes yhtä metriä. Miksi lihas on niin paljon tehokkaampi jarruttamaan kuin ponnistamaan, ja miten tämä liitty urheiluvammoihin?

Youtube-videoilta voi seurata kuinka parkour-harrastajat tekevät huimia hyppyjä metrien korkeuksilta. Ovatko he oikeasti vaarassa? Missä kulkevat ihmisen sietokyvyn rajat?

Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto NASA on tehnyt arvioita putoavan ihmisen selviytymismahdollisuuksista (NASA:n raportti, s. 36). Heidän mukaan seitsemästä metristä putoava ihminen selviää lähes varmasti hengissä. Jos pudotus tapahtuu väliltä seitsemästä viiteentoista metriin, ihminen joko selviää hengissä tai kuolee. Varma kuolema seuraa, jos kohtaa maan yli 15 metrin pudotuksen jälkeen.

Käytännössä turvallinen laskeutuminen onnistuu useimmilta terveiltä aikuisilta noin 1,5–2 metrin pudotuksesta ja harjoitelleilta henkilöiltä kolmesta metristä. Kun näitä arvoja verrataan suurimpaan ponnistuskorkeuteen — terveellä aikuisella noin 0,35–0,5 metriä ja urheilijalla 0,7 metriä —saadaan arvio, että lihas on karkeasti neljä kertaa yhtä vahva jarruttamaan kuin ponnistamaan.

Kuinka paljon lihasta tarvittaisiin pysäyttämään 70 kg:n painoisen henkilön pudotus kolmen metrin korkeudesta?

Ongelmaa voidaan lähestyä energiaperiaatteen kautta. Energian säilymislain mukaan alun potentiaalienergia, 2,1 kilojoulea (70 kg * 9,81 m s^-2 * 3,0 m), on yhtä kuin lopun liike-energia. Koska säilymislaki kieltää myös liike-energian katoamisen, lihaksen on kyettävä vastaanottamaan energiaa. Jos lihas tekee työtä yhdellä supistuksella 70 J/kg, tarvittaisiin 30 kiloa jarruttavaa lihasta, jos sekä ponnistaminen että jarruttaminen olisivat samanarvoisia.

Normaalivartaloisen henkilön kehossa on 28 kg:a lihasta, 40% kehon painosta. Tästä tosin vain neljäsosa osallistuu jarrutukseen, koska puolet lihasmassasta sijaitsee jaloissa ja tästä puolikas ojentaa ja puolikas koukistaa niveliä. Jarruttavaa lihasta on siis seitsemän kilogrammaa. Vain neljäsosa vaaditusta 30 kilosta.

Edellisen tarkastelun perusteella meillä ei ole riittävästi lihasta pysäyttämään kolmen metrin pudotusta. Tämä ei ole totta. Lihas ei ole yhtä vahva ponnistaja kuin jarruttaja.

Kuvassa 1 on esitetty koehenkilön alustaan kohdistama voima kun joko 1) ponnistetaan eli lihas tekee konsentrista työtä, 2) tuotetaan voimaa paikallaan eli lihas tekee isometristä työtä tai 3) jarrutetaan eli lihas tekee eksentristä työtä. Eksentrinen työ tuottaa tässä tapauksessa lähes kolme kertaa niin suuren voiman kuin konsentrinen työ.

Kuvasta 2 selviää, miksi eksentrisesti työskentelevä lihas tuottaa enemmän voimaa kuin konsentrisesti tai isometrisesti työskentelevä lihas. Lihaksen voima riippuu lihaksen pituuden muutosnopeudesta. Kun lihas venyy työtä tehdessään (eksentrinen työtapa), se tuottaa enemmän voimaa kuin silloin, jos se lyhenee työtä tehdessään (konsentrinen työtapa). Koska jarrutettaessa tehdään eksentristä ja ponnistettaessa konsentrista työtä, suurin pudotuskorkeus voi olla monta kertaa niin suuri kuin paras ponnistuskorkeus.

Pitenevä lihas absorboi (=imee itseensä) energiaa. Samalla tavalla kuin musta pinta absorboi valoa. Energian absorbointi on hallittu tapa ohjata energiaa sinne, missä se ei aiheuta merkittävää vahinkoa. Koska energian säilymislaki kuitenkin kieltää energian katoamisen, absorboitu liike-energia on muutettava joko lämmöksi tai muodonmuutokseksi.

Suuren tilavuutensa vuoksi, lihas voi ottaa vastaan paljon lämpöä. Jos oletetaan, että jarruttavaa lihasta on edellä mainittu 7 kg:a ja lihaksen ominaislämpökapasiteetti on sama kuin veden (70% lihaksesta on vettä), 4190 J/kg/°C, 2,1 kilojoulen verran liike-energiaa absorboituna lihakseen muuttaa lihaksen lämpötilaa 0,07 °C.

Jänteen tapaan lihas ei ole elastinen, joten sen muodonmuutos ei varastoi ja vapauta energiaa. Siksi osa muodonmuutoksesta jää pysyväksi, ja lihakseen syntyy mikroskooppisen pieniä vaurioita. Keho korjaa vauriot muutamassa päivässä, mutta palautumisen ajan lihas on joskus niin kipeä, ettei sillä tee mieli liikkua lainkaan.

Klassisessa kokeessa koehenkilöt nousivat ja laskeutuivat edestaikaisin laatikon päältä tunnin ajan. Laskeuduttaessa paino otettiin vastaan koko ajan samalla jalalla, mikä aiheutti siihen suuren eksentrisen kuormituksen. “Edellä kulkevan” jalan voimantuotto vähenikin tunnin kuluessa yli 50%, kun taas “perässä tulevan” jalan voimantuotossa ei havaittu mitään muutosta. Vaikutus oli pitkäkestoinen, sillä voimavaje voitiin havaita vielä 20 tuntia harjoituksen päättymisen jälkeen.²

Eksentrisen suojamekanismin tehokkuuden vuoksi eksentrisestä harjoittelusta on toivottu tehokasta työkalua myös urheiluvammojen ehkäisyyn. Valitettavasti meta-analyysi urheiluvammojen ehkäisystä ei tue tätä ajatusta.³

Eksentrinen suojavaikutus toimii, jos lihas on ketjun heikoin lenkki. Tavallisesti näin on, sillä suurin voima, jonka jännittynyt lihas tuottaa, alittaa esimerkiksi jänteen murtolujuuden. On kuitenkin tilanteita, kuten kudokseen kohdistuva isku, joissa lihas ei absorboi energiaa. Silloin ulkoinen energia, jota kehossammekin voi olla satoja, jopa tuhansia, jouleja, ylittää reippaasti kudoksen murtamiseen tarvittavan energian. Esimerkiksi nivelsiteet murtuvat tavallisesti muutaman kymmenen joulen energialla ja 70 J riittää rikkomaan ihmisen kallon.

Suuren energian absorbointikyvyn ansiosta lihas toimii puskurina, joka suojaa muita kudoksia äkillisiä energiapiikkejä vastaan. Siksi oikea kysymys kuuluukin: Pitääkö kaikkia vammoja pyrkiä estämään? Esimerkiksi kun lihas vaurioituu, se saattaa samalla pelastaa muita kudoksia. Vilkkaan aineenvaihduntansa vuoksi lihas myös palautuu vammoista nopeasti.

Toistuvat lihasvammat kannattaa aina pyrkiä torjumaan. Silloin paras tapa toimia on aiemman vamman kuntoutus, sillä edeltävä vamma on käytännössä ainut tunnistettu ja tunnustettu urheiluvamman riskitekijä. Kaikki muut toimenpiteet urheiluvammojen ehkäisemiseksi ovat toistaiseksi tieteellisessä valossa pelkkää kosmetiikkaa.

Lähteet:

1. Kumar KV & Norfleet WT. Issues on human acceleration tolerance after long-duration space flights. NASA, Houston, Texas. Luettu: 19.4.2016. Saatavilla: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930020462.pdf. 1992
2. Davies CT & White MJ. Muscle weakness following eccentric work in man. Pflugers Archiv 392(2), 1981. Linkki
3. McCall A ym. Injury risk factors, screening tests and preventative strategies: a systematic review of the evidence that underpins the perceptions and practices of 44 football (soccer) teams from various premier leagues. Br J Sports Med 49(9), 2015. Linkki