Juoksuteho: mitä se on ja kuka siitä hyötyy

Juoksuteho kuvaa lihasten vauhdista riippuvaa työmäärää, jonka juoksemalla liikkuminen vaatii. Tehon avulla voidaan määrittää liikkumisen taloudellisuus, joka mahdollistaa lajien, yksilöiden tai liikkumistapojen vertailun. Viime aikoina puettava teknologia on tehnyt juoksutehon tutuksi myös kuluttajille. Mutta mitä juoksuteho on, kuinka se määritetään ja kuka siitä hyötyy?

Suuret eläimet tarvitsevat painoon suhteutettuna vähemmän energiaa liikkumiseen kuin pienet eläimet. Verrattain suurena eläimenä ihminen sijoittuu asteikon kärkipäähän. Siirrämme töppöstä toisen eteen hiirtä taloudellisemmin. Omassa kokoluokassa pärjäämme kuitenkin kehnosti. Monet nelijalkaiset nisäkkäät kuluttavat samaan matkaan puolet siitä energiasta jonka ihminen tarvitsee.¹

Olen aiemmin kirjoittanut, että ihminen voi päihittää kestävyysjuoksussa jopa nelijalkaisia juoksuun erikoistuneita eläimiä. Tämä ei kuitenkaan perustu juoksun taloudellisuuteen, vaan ison eläimen nopeaan lämpenemiseen ja ihmisen voittamattomaan kykyyn hikoilla ylimääräinen lämpö taivaan tuuliin.

Mutta miksi suurten eläinten lihakset toimivat paremmalla hyötysuhteella kuin pienten?

Varmaa selitystä ei tiedetä. On esitetty, että suuremmilla eläimillä on tehokkaampi energian varastointijärjestelmä pitkien jänteiden ansiosta, ja että pidemmät jalat lisäävät myös taloudellisuutta. Yksinkertaisin selitys on, että suuret eläimet käyttävät vähemmän energiaa pelkästään kehon lämmittämiseen kuin pienet eläimet.

Eläimistä poiketen ihminen paikkaa puutteitaan keksinnöillään. Esimerkiksi polkupyörä on fantastinen apuväline, joka vähentää huikeasti kulkemiseen tarvittavaa energiaa. Verrattuna juoksuun ja kävelyyn pyöräily kuluttaa 75% vähemmän energiaa samalla matkalla (tarkka lukema riippuu nopeudesta ja käytetyistä varusteista).

Liikkumisen taloudellisuuden määrittäminen vaatii tehon mittaamista.

Liikkumisen teho voidaan määrittää monella tavalla. Yksinkertaisinta on mitata hapenkulutus ja kääntää se tehoksi. Näin määritetty teho on nimeltään aineenvaihdunnallinen eli metabolinen teho. Se kertoo kuinka nopeasti lihas muuntaa ravintoaineiden sisältämää kemiallista energiaa työksi.

Hapenkulutuksen muuntaminen metaboliseksi tehoksi käy seuraavasti. Oletetaan, että juoksija kuluttaa happea 48 millilitraa painokiloa kohti minuutissa (ml kg^-1 min^-1). Koska yhden happimillilitran palaminen vapauttaa energiaa 20 joulea, metabolisen tehon P_met laskukaava näyttää tältä:

P_met = (48 ml kg^-1 min^-1) * (20 J ml^-1) / (60 s min^-1) = 16 W kg^-1

Kun tiedetään juoksijan nopeus, v = 4 m/s, voidaan laskea matkaa kohti käytetty energia c, jota usein pidetään taloudellisuuden mittarina.

c = P_met/v = (16 W kg^-1) / (4 m s^-1) = 4 J kg^-1 m^-1

Metabolisen tehon avulla ei kuitenkaan voida päätellä mihin energiaa juostessa kuluu.

Tarvitaan mekaanisen energian ja tehon käsitettä. Määritelmän mukaan mekaaninen energia on gravitaatiokentän potentiaalienergian ja liike-energian summa.

Kuvassa 1 on esitetty mekaanisen energian pystysuuntainen vaihtelu juoksuaskeleen aikana. Energia saavuttaa miniminsä silloin, kun kehon massakeskipiste on alimmassa kohdassa ja nopeuden arvo on nolla. Tämä hetki sijaitsee tukivaiheen keskellä. Tukivaiheen jälkimmäisen puolikkaan aikana mekaaninen energia lisääntyy. Ilmassa mekaaninen energia säilyy.

Mekaaninen teho määritellään usein, että se on mekaanisen energian positiivinen muutos (ΔE) askeleen aikana jaettuna askeleen kestolla.

Mekaanisen energian yhtenä sovelluskohteena voi olla kävelyn taloudellisuuden selittäminen. Kävellessä energiaa kuluu vain 2/3 juoksuun kuluvasta energiasta.

Kävellessä liike- ja potentiaalienergia värähtelevät vastakkaisessa vaiheessa, mikä mahdollistaa energian vaihtamisen muodosta toiseen. Tämä parantaa liikkumisen taloudellisuutta. Juoksussa sitävastoin liike- ja potentiaalienergia värähtelevät samassa vaiheessa, eikä energianvaihtoa tapahdu.

Mekaanisen tehon määrittämiseen voidaan käyttää voimalevyä, joka mittaa pinnan tukivoiman (Kuva 1). Tukivoiman ja painovoiman lisäksi juoksijaan ei vaikuta muita voimia, joten kiihtyvyys saadaan jakamalla voima massalla (a = F/m). Kiihtyvyydestä voidaan integroimalla ratkaista nopeus ja paikka, jotka yhdessä määrittävät liike- ja potentiaalienergian.²

Useimmat laboratoriokäyttöön tarkoitetut voimalevyt mahdollistavat mekaanisen energian määrittämisen erikseen pysty- ja vaakasuunnassa.

Mittasimme kymmenen juoksijan pysty- ja vaakasuuntaisen tehon voimalevyjen avulla (Kuva 2).

Pystysuuntainen teho ei riipu nopeudesta. Sen suurus, 2–3 W kg^-1, vastaa 4–6-kertaisesti seisomisen vaatimaa tehoa. Vaakasuuntainen teho puolestaan kasvaa nopeasti vauhdin myötä ja ylittää pystysuuntaisen tehon, kun nopeutta on kertynyt 13–16 kilometriä tunnissa.

Ihmisillä tehdyt havainnot ovat pääpiirteittäin samoja kuin eläimillä.³ Tavassa liikkua maan päällä on siis jotain lajista riippumatonta. Menetelmän luotettavuuden puolesta puhuu se, että käyrien keskinäinen järjestys pysyy kutakuinkin samana nopeudesta riippumatta.

Voimalevymenetelmään riittyy kuitenkin yksi puute. Se kohtelee juoksijaa massakeskipisteenä. Käsien ja jalkojen liikettä massakeskipisteen ympärillä, joka myös vaatii työtä, ei huomioida lainkaan. Ongelman ratkaisuun tarvitaan sisäisen tehon käsitettä.

Sisäisen tehon laskentaa varten kehosta muodostetaan ns. “tikku-ukkomalli”. Tikku-ukon jokaiselle kiinteälle segmentille, joita ovat esimerkiksi sääri ja olkavarsi, määritetään massa, massajaukauma ja liike.

Massajakaumaa ei mitata jokaiselle juoksijalle, vaan se on määritetty aiemmin, tavallisesti ruumiita punnitsemalla. Tästä syntyy tietysti menetelmällistä virhettä, koska yksilöiden massajakaumat ovat erilaisia.

Segmenttien liike määritetään elokuvistakin tutulla liikekaappausmenetelmällä, jossa monta kameraa seuraa juoksijan liikettä kolmiulotteisessa avaruudessa .

Sisäinen teho ja ulkoinen teho (pysty- ja vaakasuuntaisen tehon summa) on esitetty kuvassa 3.

Lihaksen mekaaninen hyötysuhde määritetään mekaanisen ja metabolisen tehon suhteena. Nopeudella 6 m/s mekaaninen kokonaisteho (sisäisen ja ulkoisen tehon summa) on kuvasta 3 silmämääräisesti arvioiden 17 W kg^-1. Metabolinen teho saadaan, kun aiemmin määritetty c = 4 J kg^-1 m^-1 kerrotaan nopeudella, 4 * 6 = 24 W kg^-1. Tällöin mekaaninen hyötysuhde on 17/24 = 0,71 = 71%.

Pyöräilijän mekaaninen hyötysuhde on 25% tai vähän alle. Koeputkeen eristetyn lihaksen vieläkin alhaisempia. Miten on mahdollista, että juoksun mekaaninen hyötysuhde on näin suuri?

Kyse on erilaisista määritelmistä. Mekaanisen tehon määritelmä ei huomioi lainkaan kimmoisuutta; esineen tai kudoksen kykyä palautua muodonmuutoksesta ja palauttaa varastoitunutta energiaa.

Lihakseen kiinnittyvät jänteet ovat hyviä energiavarastoja ja erittäin kimmoisia. Yksi gramma jännettä varastoi saman määrän energiaa mitä kuusi grammaa lihasta pystyy työtä tekemällä tuottamaan. Jänteet myös palauttavat 95% prosenttia varastoidusta energiasta.

Lisäksi sisäisen tehon määritelmään liittyy ratkaisemattomia kysymyksiä. Tutkijat kiistelevät mm. siitä sallitaanko energianvaihto eri segmenttien välillä? Voiko oikea käsi ottaa vastaan vasemman käden menettämää potentiaalienergiaa? Oikeaa vastausta ei tiedä kukaan.

Usein energianvaihto sallitaan raajan segmenttien (esim. olka- ja kyynärvarren) välillä, mutta ei raajojen kesken. Jos energianvaihtoa tapahtuu enemmän kuin nykyisin käytetty menetelmä olettaa, sama työ lasketaan moneen kertaan, mikä tarkoittaa mekaanisen tehon yliarviointia.

Yhdistin kuvien 2 ja 3 datat tehon osa-alueiden keskinäistä vertailua varten (kuva 4).

• Pienillä nopeuksilla (10 km/h) pääosa tehosta, lähes puolet, syntyy tarpeesta tehdä työtä pystysuunnassa painovoimaa vastaan. Tämä on loogista, onhan seistessäkin teho suurempi kuin maatessa
• Keskisuurilla nopeuksilla (15 km/h) vaakateho ja sisäinen teho ovat jo ottaneet paikkansa pystytehoa suurempina
• Suurella nopeudella (20 km/h) sisäinen teho kattaa jo yli puolet lihasten energiantuotosta.