Aikuiseen verrattuna lapsen juoksu ei ole yhtä sulavaa. Uusi tutkimus vinkkaa, ettei ero johdu siitä, että lapsi on vielä kehittymätön tai kömpelö. Lapsi juoksee omalaatuisella tekniikallaan, koska on pakotettu siihen pienen kokonsa vuoksi.
Jo pitkään on tiedetty, että ihminen liikkuu sellaisilla askelparametreillä — mm. kontaktiaika ja askeltiheys — että liikkumiseen kuluu mahdollisimman vähän energiaa. Vähäisen energiankulutuksen edut ovatkin ilmiselvät. Moni asia kuitenkin askarruttaa tutkijoita edelleen. Yksi sellainen on: Miksi juostessa joka askeleella jarrutetaan? Tasaisen vauhdin ylläpitäminen kun olisi energiataloudellisesti paljon tehokkaampaa kuin vauhdin jatkuva vaihtelu.
Lapsen meno näyttää erityisen epätaloudelliselta. Aikuiseen verrattuna lapsen juoksussa on pitkä ja epäsymmetrinen tukivaihe: Nopeaa jarrutusta seuraa pitkä ponnistus, jossa massakeskipiste nousee huomattavasti. Tämä lisää energian tarvetta. Ymmärtääkseen paremmin juoksijan valintoja, tutkijat Tatjana Hubel ja James Usherwood loivat juoksijasta mallin, ja vertasivat mallin antamia tuloksia täysikasvuisen aikuisen ja lapsen juoksemiseen.
Malli tekee muutamia oletuksia, joista mainitsen tässä kaksi, koska ne kertovat paljon ihmisen kyvystä liikkua ja tehdä työtä. Malli olettaa, että 1) lihaksella on rajallinen teho ja 2) se voi tehdä yhdellä supistuksella rajallisen määrän työtä. Koska maksimi tehon ja työn suhde on 0,1, lihas, joka tuottaa huipputehon 500 W/kg, tekee yhdellä supistuksella työn 50 W/kg.
Käyn esimerkin kautta läpi mihin rajallinen työ ja teho käytännössä johtavat. Tarkastelen erityisesti juoksun tukivaiheen kestoa eli kontaktiaikaa, koska vain kehon ollessa vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa, se voi tehdä työtä.
Teoreettisesti taloudellisin tukivaihe olisi äärettömän lyhyt. Silloin jarruttavia voimia ei olisi lainkaan ja tehty työ olisi nolla, siis vaakasuunnassa. Lentovaiheen vuoksi juoksija kuitenkin liikkuu pystysuunnassa ja siksi tukivaiheen aikana tehdään aina työtä. Äärettömän lyhyt tukivaihe ei jättäisi lainkaan aikaa työn tekemiseen, mikä johtaisi äärettömän tehon vaatimukseen lihakselle. Teholtaan ääretön lihas olisi myös äärettömän suuri.
Tehovaatimusta saadaan inhimillisemmäksi kasvattamalla tukivaiheen kestoa. Tämä kuitenkin lisää vaakasuunnassa jarruttavien ja kiihdyttävien voimien määrää, mikä taas lisää tukivaiheen aikana tehtyä työtä. Koska lihas supistuu yhdellä askeleella vain yhden kerran, lihaksen ainoa keino vastata lisääntyvään työhön on, taas, kasvattaa kokoaan.
Kuva 1. Havainnollistus juoksun tukivaiheen keston vaikutuksesta lihasten tehoon ja työhön. Katkoviiva esittää juoksijan liikerataa.
Tutkijat olettivat, että tasapainottamalla työ ja teho minimoidaan aktivoituva lihasmassa ja saavutetaan suurin taloudellisuus. Selvittääkseen sopiiko malli kaiken kokoisille juoksijoille, tutkijat keräsivät pinnan tukivoimia ja laskivat niistä askelparametrejä sekä aikuisille että lapsille (alle 5 v).
Malli ennusti, että pienemmillä nopeuksilla taloudellisin juoksu saavutetaan, kun kontaktiaika on 0,2 sekuntia ja suuremmilla nopeuksilla kontaktiaika lyhenee lähestyen 0,1 sekuntia (Kuva 2). Pienimmillä nopeuksilla mallin ennuste ei aivan vastaa mitattuja kontaktiaikoja, mutta suhteellisesta nopeudesta 0,7 alkaen (aikuisella n. 9 km/h) malli ja havainnot pitävät melko hyvin yhtä.
Kun lapsia ja aikuisia vertaillaan alueella, jolla malli osoitti toimivuutensa (suhteellinen nopeus = 1,0), havaitaan, ettei kontaktiajoissa ole eroa. Malli siis ennustaa askelparametrien valinnan juoksijan koosta riippumatta. Tämä tulos osoittaa, että lasten ja aikuisten erilaista juoksua ei tarvitse selittää lasten osaamattomuudella. Selitykseksi riittää lapsen pieni koko.
Kuva 2. Juoksun teoreettisen mallin ja havaintojen vertailu. Mallissa (valkoinen kuvio) kontaktiaikaa rajoittaa joko työ tai teho: Liian pitkä kontaktiaika johtaa liian suureen vaatimukseen joko vaakasuuntaisessa työssä (vasen yläkylmä) tai tehossa (oikea yläkulma). Kaikilla nopeuksilla liian lyhyt kontaktiaika vaatisi liian suuren pystysuuntaisen tehon. Vertailun helpottamiseksi lasten ja aikuisten mitatut kontaktiajat on lisätty mallin päälle (sininen ja keltainen käyrä).
Tässä tutkimuksessa käytetty malli ennustaa lasten ja aikuisten eroja paremmin kuin aiemmin käytetyt mallit. Esimerkiksi dynaamisen samankaltaisuuden malli, joka vaatii, että tukivaiheen kesto on verrannollinen jalan pituuteen (tarkemmin pituuden neliöjuureen), ennustaa, että lasten tukivaihe kestää 0,2 sekunnin sijaan vain 0,14 sekuntia. Todellisuudessa lapsen tukivaihe on ennustetta pidempi, koska sillä tavalla lapsi minimoi työhön käytettävän lihaksen määrän.
Lasten ja aikuisten tulokset on esitetty suhteellisen nopeuden avulla. Suhteellinen nopeus v’ lasketaan kaavalla v’ = v/(g·L)1/2, missä v on nopeus (m/s), g on gravitaatiokiihtyvyys (m/s2) ja L on jalan pituus (m). Tässä tutkimuksessa aikuisilla L = 0,93 m ja lapsilla L = 0,46 m.
Yhdessä pitkä ja epäsymmetrinen tukivaihe voivat saada lasten juoksun vaikuttamaan kehittymättömältä tai kömpelöltä. Tämä tutkimus kuitenkin osoittaa, että pienten ihmisten (tässä lapset) juoksutekniikan erityispiirteitä ei tarvitse selittää osaamattomuudella. Selitykseksi riittää, että juoksijat ovat kooltaan pieniä.
Malli myös selittää, miksi ihmiset eivät valitse äärettömän lyhyttä kontaktiaikaa, vaikka sillä päästäisin eroon vaakasuuntaisesta työstä. Kontaktin kestoa kasvattamalla ostetaan aikaa tehdä työtä. Liian lyhyt tukivaihe vaatisi tehon, jota ei yksinkertaisesti voida tuottaa järkevällä määrällä lihasta. Toki lyhyen kontaktiajan välttämiseen on muitakin hyviä syitä, kuten kuormituksen hallinta ja ketteryyden säilyttäminen.
Tutkimuksen julkaisi Journal of Experimental Biology.
