Juoksutekniikka mullistuu murrosiässä

Biomekaaninen analyysi osoittaa, että aikuisen juoksulle ominainen kimmoisuus saavutetaan vasta murrosiässä. Silloin lapsen juoksuaskeleelle tyypillinen epäsymmetrisyys vähenee nopeasti. Tämä kirjoitus vastaa kysymyksiin, mitä juoksun epäsymmetrisyys tarkoittaa, ja miten se muuttuu iän karttuessa?

Mitä epäsymmetria tarkoittaa

Tarkastellaan aluksi juoksun kinematiikkaa. Juoksuaskeleeseen kuuluu kaksi vaihetta. Tukivaiheessa jompi kumpi jaloista kannattelee koko kehon massaa ja lentovaiheessa molemmat jalat ovat ilmassa, jolloin juoksija on vapaassa pudotuksessa eli ainoa häneen vaikuttava voima on painovoima.

Yhden askeleen aikana juoksijan lantio liikkuu pystysuunnassa 3–10 cm:ä. Liikkeen alin kohta ajoittuu sekä aikuisilla että lapsilla tukivaiheeseen. Sen sijaan lentoradan ylin kohta ajoittuu lapsilla tukivaiheen loppuun ja aikuisilla lentovaiheeseen (Kuva 1). Lapsi onkin koko lentovaiheen ajan alaspäin suuntautuvassa liikkeessä, kun taas aikuinen liikkuu ensin ylöspäin, vaihtaa suuntaa ja liikkuu vasta sitten alaspäin.

Juoksun epäsymmetria tarkoittaa sitä, että tukivaiheen alku ja loppu eivät ole peilikuvia. Aikuisella symmetriaa havaitaan enemmän kuin lapsella, mutta myös aikuisen lantio on tukivaiheen lopussa korkeammalla kuin alusssa, mikä tekee tukivaiheesta epäsymmetrisen.

Juoksijan ollessa pysähtyneenä sekä liikeradan ylimmässä että alimmassa pisteessä pystysuuntainen nopeus on nolla. Nopeuden itseisarvon paikallinen maksimi saavutetaan askeleen aikana kahdesti: alaspäin mentäessä (merkitään v_a) ja ylöspäin tultaessa (v_y).

Askeleen symmetrian tarkastelua varten jaetaan tukivaiheen kesto vielä kahteen osaan (Kuva 1) siten, että ensimmäinen osa muodostuu kontaktin alun ja liikeradan alimman pisteen väliin (jarrutusvaihe, t_j) ja toinen osa alimman pisteen ja kontaktin lopun väliin (ponnistusvaihe, t_p).

Tarkastelemalla sekä suhdetta v_y/v_a että t_j/t_p saadaan kuva juoksuaskeleen symmetrian kehittymisestä. Jos juoksuaskel olisi symmetrinen, sekä nopeuksien suhde (v_y/v_a) että jarrutus- ja ponnistusvaiheen suhde (t_j/t_p) olisivat arvoiltaan aina yksi. Molemmat ovat kuitenkin merkittävästi alle yhden lapsuudessa ja saavuttavat aikuisikää vastaavat arvonsa vasta teini-iässä (Kuva 2).¹

Edellisistä seuraa, että jarrutusvaiheen kiihtyvyys (kuvassa a_v) vähenee merkittävästi iän myötä ja on itseisarvoltaan merkittävästi ponnistusvaiheen kiihtyvyyttä suurempi.[1] Koska kiihtyvyyden (a) ja massan (m) tulo on sama kuin kiihtyvyyden aiheuttama voima (F), siis F = ma (Newton II), jarrutuksessa tuotetaan ponnistusta suurempi voima.

Lapsen juoksutekniikan kehittymistä voi seurata alta löytyvältä videolta.

Epäsymmetria syntyy lihaksissa

Lihaksen tuottama voima riippuu sen supistumisnopeudesta. Kun supistumisnopeus on negatiivinen, aktiivinen lihas pitenee ja sanotaan, että lihas tekee eksentristä työtä. Kun lihaksen pituus ei muutu, lihas tekee isometristä työtä. Kun supistumisnopeus on positiivinen, lihas lyhenee ja tekee konsentrista työtä. Edellä kuvatuista tavoista eksentrinen voimantuotto on suurin. Sitä seuraavat isometrinen ja konsentrinen voimantuotto.

Niinpä jarruttavan vaiheen suurempi voimantuotto voidaan selittää sillä, että silloin tehdään eksentristä tai isometristä työtä, kun taas ponnistuksessa työskennellään konsentrisesti.

Eksentrinen lihastyö on poikkeustapaus. Sitä käytetään silloin, kun laskeudumme portaita tai hyppäämme alas korkealta esteeltä. Tällöin lihaksen tehtävä on absorboida paljon mekaanista energiaa, mikä suojaa muita kudoksia vaurioitumiselta (kts. juttu eksentrisestä suojamekanismista). Juoksussa olisi kuitenkin hyvä välttää eksentristä työtä, koska juoksuaskelia saatetaan ottaa kerralla jopa kymmeniä tuhansia.

Koska juoksussa nivelten on kuitenkin koukistuttava ja ojennuttava, lihaksiin ja niihin kiinnittyviin jänteisiin kohdistuvia pituuden muutoksia ei voida välttää. Koska jänteet ovat elastisia (ne palautuvat alkuperäiseen mittaansa, kun niihin kohdistuva jännitys lakkaa), on silti mahdollista venyttää lihas-jänne-yhdistelmää vaikuttamatta itse lihassolujen pituuteen.

Lihakseen asennettavien pienten ääntä tuottavien kiteiden avulla on havaittu (näitä kokeita on tehty vain eläimillä), että lihaksen pituus muuttuu juoksussa pääosin jalan heilahtaessa ilman halki, eli silloin kun tarve tuottaa voimaa on vähäinen. Tukivaiheessa, jolloin voimaa ja tehoa tarvitaan enemmän, lihassolujen pituus ei muutu, koska kimmoisat jänteet vastaavat nivelen liikelaajuudesta.²

Edellä kuvattu toimintatapa pätee tietysti vain lihaksiin, joihin kiinnittyy suhteellisen pitkät jänteet. Tällaisia lihaksia löytyy ihmisen pohkeesta. Ultraäänikuvantamisella onkin havaittu, että aikuisen juoksijan kaksoiskantalihas työskentelee konsentrisesti läpi tukivaiheen, jolloin kaikki venyminen tapahtuu akillesjänteessä.³

Cavagna päätteli omista mittauksistaan, että juoksun konsentrinen työ lakkaa 14 km/h nopeudessa ja sitä suuremmilla nopeuksilla juoksija tekee vain isometristä työtä tukivaiheen aikana.⁴

Lihaspituuden muutosten säilyttäminen kohtalaisen pieninä ja jänteen kimmoisuuden hyödyntäminen tukevat taloudellista juoksua, koska 1) jänne varastoi painoonsa nähden tuhatkertaisen määrään energiaa lihakseen verrattuna. Siksi kannattaa venyttää ennemmin jännettä kuin lihasta. 2) Kun lihassolujen pituus ei muutu tai muuttuu vain vähän, lihassolut toimivat jatkuvasti lähellä optimaalista voimantuottopituuttaan, mikä vähentää aktiivisen lihasmassan tarvetta.

Olen edellä perustellut, kuinka juoksun epäsymmetrisyys voidaan johtaa lihaksen käyttäytymisestä ja että lasten epäsymmetrisempi askel aikuiseen verrattuna voidaan selittää lihasten erilaisella toimintamallilla. Koska lasten lihasten supistumista juoksun aikana ei ole kuitenkaan tietääkseni juurikaan tutkittu, tältä osin kyseessä on vahvistamaton ennuste.

Iän vaikutus juoksutekniikkaan

Edellä kuvattu juoksun epäsymmetria vähenee iän myötä. Esimerkiksi 2,5-vuotiaiden jarrutusvaiheen kiihtyydestä katoaa 94 % teini-ikään mennessä (Kuva 2). Kinematiikaltaan ja dynamiikaltaan juoksu alkaa muistuttaa aikuista noin 15 vuoden iässä.

Varmaa syytä juoksuaskeleen symmetrian lisääntymiseen iän myötä ei tunneta. Jos kuitenkin käy niin, että lapsi ei hyödynnä kimmoisuutta samaan tapaan kuin aikuiset, tämä riittäisi selittämään muutokset, jotka havaitaan juoksun taloudellisuudessa iän myötä.

Juoksun taloudellisuutta voidaan arvioida hapenkulutuksen avulla. Hapenkulutus per juostu metri laskee lähes lineaarisesti ikävuosien 6–18 välillä (n. 300 ml/kg/km -> 200 ml/kg/km).⁵ Vaikka juoksun taloudellisuus paranee iän myötä, lihasten mekaaninen hyötysuhde ei näyttäisi muuttuvan.⁶ Voidaan siis sanoa, että lihaksen kyky muuttaa kulutettu energia työksi on kehittynyt optimiinsa jo lapsena, mutta kyky muuttaa kulutettu energia eteenpäin vieväksi liikkeeksi kasvaa iän myötä.

Taloudellisuuden lisäksi on toinenkin syy, miksi lasten kannattaa hankkiutua eroon eksentrisestä lihastyötavasta. Eksentrinen lihastyö aiheuttaa lihassoluvaurioita ja lihaksen toimintakyvyn väliaikaista heikkenemistä. Siksi eksentrinen työ saattaa selittää myös sen, miksi lapsi väsyy juostessa aikuista nopeammin.

Johtopäätökset

Miksi juoksun symmetria lisääntyy iän myötä ja, ennen kaikkea, miksi pieni lapsi turvautuu mahdollisesti eksentriseen lihastyötapaan, joka tunnetusti heikentää juoksun taloudellisuutta ja aiheuttaa lihassoluvaurioita?

Erään viimeaikaisen teorian mukaan käytettävissä oleva teho ohjaa askelparametrien valintaa [lue: Miksi lapsi juoksee kömpelösti]. Teorian esittäjien mukaan lapsen pieni koko riittää selittämään miksi lapsen juoksu ei ole verrattavissa aikuiseen.⁷ Jalkojen suhteellisen lihasmassan puutteen vuoksi lapsi joutuu turvautumaan eksentriseen työhön tuottaakseen riittävän jarruttavan tehon.

Lihasmassan suhteellinen puuttuminen lapsella voi johtua monista tekijöistä, mutta yksi mahdollisesti selittävä havainto liittyy kehon mittasuhteisiin. Vastasyntyneellä lapsella jalkojen pituus suhteessa koko kehon pituuteen on 0,34. Aikuisella vastaava luku on 0,48. Muutosta matkalla aikuisuuteen kertyy peräti 40 %.⁸ Tytöillä kasvu tapahtuu keskimäärin kahteentoista ja pojilla neljääntoista ikävuoteen mennessä. Näin ollen mittasuhteiden muutosjakso on suunnilleen saman mittainen, kuin askeleen symmetrian kehittyminen vaatii.

Yhteenvetona voidaan todeta, että biomekaaninen analyysi osoittaa, että juoksun kinematiikka ja dynamiikka alkavat muistuttaa aikuista vasta teini-iässä. Muutos luultavasti selittää myös juoksun taloudellisuuden paranemisen. Tarkkaa syytä askelparametrien muuttumiseen ei tiedetä, mutta jalkojen suhteellisen lihasmassan lisääntyminen on yksi varteenotettava hypoteesi.

Lopuksi pohdin, mitä tämä löydös tarkoittaa omassa lajissani eli jalkapallossa. On monia esimerkkejä lasten urheilusta, joissa biologiset tosiasiat tulisi huomioida nykyistäkin selkeämmin. Yksi näistä on kenttien ja välineiden koot. Erityisen tärkeää tämä on jalkapallossa, jossa täysimittainen kenttä on pallopeleistä suurin. Optimaalisin ratkaisu olisi siirtyä pelaamaan aikuisten kokoa vastaavalla kentällä (65 x 110 m) vasta vanhemmassa C-ikäluokkassa (15-vuotiaat). Sitä ennen käytettävissä olevan pelialan per pelaaja tulisi kasvaa tasaisesti niin, että nuoremman C-ikäluokan (14-vuotiaat) suositeltavin pelimuoto on näkemykseni mukaan 9 vs 9 peli täysimittaista kenttää hieman pienemmällä alueella (55 x 72 m). Myös pelaajavalintoja tehtäessä tulisi huomioida, että pidemmällä kehityksessä olevat yksilöt ovat voineet saavuttaa huomattavan mutta ohimenevän edun, kuten tämäkin esimerkki juoksusta osoittaa.

Lähteet

1. Legramandi, Mario A., Bénédicte Schepens, and Giovanni A. Cavagna. 2013. “Running Humans Attain Optimal Elastic Bounce in Their Teens.” Scientific Reports 3: 1310.
2. Roberts, Thomas J., Richard L. Marsh, Peter G. Weyand, and C. Richard Taylor. 1997. “Muscular Force in Running Turkeys: The Economy of Minimizing Work.” Science 275 (5303): 1113–15.
3. Lichtwark, G. A., K. Bougoulias, and A. M. Wilson. 2007. “Muscle Fascicle and Series Elastic Element Length Changes along the Length of the Human Gastrocnemius during Walking and Running.” Journal of Biomechanics 40 (1): 157–64.
4. Cavagna, G. A. 2006. “The Landing–take-off Asymmetry in Human Running.” The Journal of Experimental Biology 209 (20): 4051–60.
5. Krahenbuhl, G. S., and T. J. Williams. 1992. “Running Economy: Changes with Age during Childhood and Adolescence.” Medicine and Science in Sports and Exercise 24 (4): 462–66.
6. Schepens, B., P. A. Willems, G. A. Cavagna, and N. C. Heglund. 2001. “Mechanical Power and Efficiency in Running Children.” Pflugers Archiv: European Journal of Physiology 442 (1): 107–16.
7. Gerver, Wjm, and R. De Bruin. 1995. “Relationship between Height, Sitting Height and Subisehial Leg Length in Dutch Children: Presentation of Normal Values.” Acta Paediatrica 84 (5): 532–35.
8. Hubel, Tatjana Y., and James R. Usherwood. 2015. “Children and Adults Minimise Activated Muscle Volume by Selecting Gait Parameters That Balance Gross Mechanical Power and Work Demands.” The Journal of Experimental Biology 218 (Pt 18): 2830–39.