Kun uusi Nike Vaporfly kenkä julkaistiin, se lopetti minimalismin ja aloitti maksimalismin aikakauden. Maailmalla muutamia vuosia levinnyt trendi, jossa kengästä haluttiin materiaalia pois, vaihtui uuteen. Nyt materiaalia halutaan lisää. Voiko näkemys hyvästä juoksukengästä muuttua näin nopeasti? Ei tietenkään voi. Tässä jutussa kerron, miksi Niken uutuus on enemmän markkinoinnin kuin insinöörien taidonnäyte. Samalla astun suunnittelijan saappaisiin pohtimalla millaisella rakenteella valmistettu kenkä auttaa pinkomaan mahdollisimman kovaa.
Nike osaa huippu-urheilijoita ihailevien asiakkaiden kosiskelun kenties paremmin kuin kukaan muu, ja ihailen heitä siitä. Tällä kertaa Nike ei voinut turvautua Michael “Air” Jordanin apuun, joten se keksi vetävästi nimetyn Breaking2-projektin, jonka tavoitteena oli juosta maraton alle maagisena pidetyn kahden tunnin aikarajan — ja mainostaa uutta juoksukenkää.
Projekti polkaistiin käyntiin vuonna 2017. Karsintojen jälkeen siihen valittiin kolme juoksijaa: Eliud Kipchoge (edeltävä paras aika: 2:03:05), Lelisa Desisa (2:04:45) ja Zernesay Tadese (2:10:41). Tadesella ei ollut realistisia mahdollisuuksia kahden tunnin rajan alittamiseen. Hän oli kuitenkin puolimaratonin maailmanennätyksen haltija (58:23, juostu vuonna 2010), joten ehkä hänet valittiin mukaan siinä toivossa, että muiden epäonnistuessa Tadese saattaisi tehdä suurimman suhteellisen aikaparannuksen, en tiedä.
Ennätyksen lyömiseen valittiin otolliset olosuhteet. Juoksu tehtiin Monzan kilpa-autoradalla, joka sijaitsee lähellä merenpintaa, minkä vuoksi ilmassa on paljon happea, ja radalla vallitsee tasaiset tuuliolosuhteet. Lisäksi rata on suhteellisen lyhyt, mikä helpottaa juoksujänisten vaihtoa.
Juoksujäniksiä oli radalla yhtä aikaa kuusi. Tasaisen vaudin ylläpitoon olisi riittänyt juoksijan edellä ajava (sähkö)auto. Sen sijaan jänisten (ja pienessä mittakaavassa myös auton) tehtävänä oli pienentää ilmanvastusta.
Ilmanvastuksen vaikutuksesta on esitetty erilaisia arvioita. Nobel palkittu fysiologi A. V. Hill arvioi jo vuonna 1928, että ilmanvastuksen vaikutus on maratonvauhdissa noin 3 %.1 Siihen aikaan Hill ei pystynyt vielä mittaamaan juoksijoiden hapenkulutusta laboratorion ulkopuolella, joten uudet menetelmät ovat tarkentaneet arviota. Pugh päätyi vuonna 1970 arvioon, että ilmanvastuksen vaikutus on 8 %.2 Ilmanvirtausmallinnukset ovat tulleet siihen tulokseen, että juoksijan saama hyöty auton ja kuuden juoksijan ryhmästä on jopa 10 %.3
Kipchoge, joka lopulta onnistui vuonna 2019, sai siis jäniksistä jopa 10 %:n edun. Tämä on paljon enemmän kuin Kipchoge tarvitsi. Hänen aiempi ennätyksensä oli 123 min. Niinpä 120 minuutin rajan alittamiseen tarvittiin 2,5 %:n parannus. Virheet salliva marginaali oli melko suuri.
Nike siis tiesi, että Kipchoge tulee alittamaan kahden tunnin aikarajan. Nyt tehtävä oli vain saada kaikki näyttämään siltä, että ennätys on juostu nimenomaan Niken uuden kengän ansiosta.
Jätetään Kipchoge hetkeksi syrjään ja pohditaan teoreettiselta pohjalta millainen kenkä antaa juoksijalle lisää nopeutta?
Olettamus tällaiselle kengälle on, että kenkä parantaa juoksijan taloudellisuutta palauttamalla jousen tavoin energiaa joka askeleella. Kenkä ei kuitenkaan ole juoksijan ainoa jousi. Koko jalka toimii juoksussa jousen tavoin. Kokonaisuuden arvioimiseksi, meidän on oletettava, että kaksi jousta, joiden juosivakiot ovat k1 (jalka) ja k2 (kenkä), on asetettu peräkkäin eli sarjaan.
Sarjaan kytketyille jousille k1 ja k2 sekä kokonaisjousivakiolle knet pätee
1/knet = 1/k1 + 1/k2
jolloin kokonaisjuosivakio knet on
knet = 1 / (1/k1 + 1/k2) = k1 * k2 / (k1 + k2)
Jousivakio on Hooken lain mukaan jousen jännitysvoiman ja venymän välinen kulmakerroin. Mitä jäykempi jousi sitä suurempi jousivakio.
Taulukosta 1 nähdään, että erilaisilla jousivakioiden kombinaatioilla, kokonaisjousivakio on aina pienempi kuin k1, joka siis vastaa jousen lailla toimivan jalan jäykkyyttä. Ylimmällä rivillä jousivakio k2 on asetettu hyvin, hyvin suureksi. Siis käytännössä vastaamaan tilannetta, jossa mitään jalkinetta ei ole. Siksi viimeinen sarake (ΔE) vertaa varastoitua energiaa aina riviin 1.
Käytännössä taulukosta 1 nähdään, että millä tahansa jäykkyydellä varustettu kenkä yhdessä jalan kanssa varastoi vähemmän energiaa kuin jalka yksinään.
| k1 | k2 | knet | x1 | x2 | xnet | E1 | E2 | Enet | ΔE |
| 1 | 1000000 | 1.0 | 8.0 | 0.0 | 8.0 | 32 | 0 | 32 | 0 % |
| 1 | 10 | 0.9 | 7.3 | 0.7 | 8.0 | 26 | 3 | 29 | -9 % |
| 1 | 5.0 | 0.8 | 6.7 | 1.3 | 8.0 | 22 | 4 | 27 | -17 % |
| 1 | 2.0 | 0.7 | 5.3 | 2.7 | 8.0 | 14 | 7 | 21 | -33 % |
| 1 | 1.0 | 0.5 | 4.0 | 4.0 | 8.0 | 8 | 8 | 16 | -50 % |
| 1 | 0.5 | 0.3 | 2.7 | 5.3 | 8.0 | 4 | 7 | 11 | -67 % |
| 1 | 0.2 | 0.2 | 1.3 | 6.7 | 8.0 | 1 | 4 | 5 | -83 % |
| 1 | 0.1 | 0.1 | 0.7 | 7.3 | 8.0 | 0 | 3 | 3 | -91 % |
Taulukossa 1 on kuitenkin tehty olettamus, joka ei välttämättä pidä paikkaansa. Olettamus on, että yhdistelmän muodonmuutos xnet pysyy vakiona. Käytännössä muodonmuutos voi pysyä vakiona vain, jos jännitysvoima heikkenee rivi riviltä alaspäin liikuttaessa niin paljon, että alimmilla riveillä jalka olisi jo liian veltto minkäänlaiseen juoksemiseen.
Voimme olettaa myös toisin. Siten että jännitysvoima säilyy vakiona ja muodonmuutos vaihtelee (taulukko 2). Tämä näyttää jo paljon paremmalta, koska voimme kasvattaa yhdistelmään varastoitua energiaa (ΔE on positiivinen 1. riviin verrattuna).
Idean heikkous paljastuu kuitenkin muodonmuutoksessa. Kengän muuttuessa löysemmäksi, sen muodonmuutos (x2) kasvaa. Taulukon luvut ovat keksittyjä, mutta muodonmuutoksen voi ajatella vastaavan senttejä (suuruusluokka on oikein).
Koska kansainvälinen yleisurheiluliitto on määritellyt kengän maksimipaksuudeksi 4 cm, se on myös suurin mahdollinen jalkineen muodonmuutos. Yksikään kenkä ei yllä tähän paksuuteen päkiän kohdalta, johon suurin kuormitus kohdistuu, joten voimme huoletta puolittaa arvion suurimmasta muodonmuutoksesta 2 cm:iin.
Edellisen perusteella näyttäisi siltä, että optimaalisen juoksukengän ominaisuudet on kuvattu riveillä 2 ja 3 (Taulukko 2). Tällöin kenkä on 5–10 kertaa jalkajousta jäykempi ja energian varastointikyky on lisääntynyt 10–20 %.
| k1 | k2 | knet | x1 | x2 | xnet | E1 | E2 | Enet | ΔE |
| 1 | 1000000 | 1.0 | 8.0 | 0.0 | 8.0 | 32 | 0 | 32 | 0 % |
| 1 | 10 | 0.9 | 8.0 | 0.8 | 8.8 | 32 | 3 | 35 | 10 % |
| 1 | 5.0 | 0.8 | 8.0 | 1.6 | 9.6 | 32 | 6 | 38 | 20 % |
| 1 | 2.0 | 0.7 | 8.0 | 4.0 | 12.0 | 32 | 16 | 48 | 50 % |
| 1 | 1.0 | 0.5 | 8.0 | 8.0 | 16.0 | 32 | 32 | 64 | 100 % |
| 1 | 0.5 | 0.3 | 8.0 | 16.0 | 24.0 | 32 | 64 | 96 | 200 % |
| 1 | 0.2 | 0.2 | 8.0 | 40.0 | 48.0 | 32 | 160 | 192 | 500 % |
| 1 | 0.1 | 0.1 | 8.0 | 80.0 | 88.0 | 32 | 320 | 352 | 1000 % |
Hoogkamer mittasi kenkien kykyä varastoida energiaa.4 Mukana oli Adidas Adizero Adios BOOST 2 (AB), Nike Zoom Streak 6 (NS) ja uuden Nike (Zoom Vaporfly) kengän prototyyppi (NP). Kenkien AB ja NS jäykkyys oli noin 300 kilonewtonia per metri (kN/m) ja kengän NP jäykkyys oli 150 kN/m. Niken prototyypin pienempi jäykkyys johtui suuremmasta muodonmuutoksesta (12 mm) verratuna kenkiin AB ja NS (6 mm). Vertailussa jalkajouseen, jäykkyys 10–15 kN/m, juoksukengät ovat noin 10–30-kertaa jäykempiä.5 Tämä vastaa teorian pohjalta tekemääni oletusta.
Hoogkamerin tutkimuksen lopputulos oli sikäli merkittävä, että Niken kengän prototyyppi vapautti 2-kertaisen määrän energiaa tutkimuksen toisiin jalkineisiin verrattuna. Eikä tulos edes näkynyt kengän lisääntyneenä massana (Nike 187 g vs. Adidas 230 g).
Mutta entä hiilikuitu? Niken kengässä on hiilikuitulevy pohjassa. Hiilikuitu on vahvaa materiaalia, mutta se ei tarkoita, että se varastoisi kengässä runsaasti energiaa. Itse asiassa mittausten mukaan energiaa vapautuu vain pohjan muusta materiaalista muttei hiilikuitulevystä.6
Olennainen kysymys on, siirtyykö kengän teoreettinen toimintakyky juoksijan suorituskykyyn? Hoogkamerin mukaan siirtyy, sillä hän kollegoineen mittasi, että Nike Vaporfly kengän prototyypillä juostiin 4 % pienemmällä hapenkulutuksella verrattuna toisiin kenkiin. Tätä lukua myös Nike on käyttänyt markkinoinnissaan.
Kummastusta aiheuttaa kuitenkin tämä: Jos pelkkä kenkä parantaa juoksukykyä 4 %, Kipchogen, jolla oli kengän lisäksi käytössään kuusi jänistä ilmanvastuksen voittamiseen, olisi pitänyt juosta heittämällä alle 2 tunnin. Näin ei kuitenkaan käynyt. Itse asiassa Kipchoge epäonnistui ensimmäisessä yrityksessään vuonna 2017.
Ajatus paksupohjasten kenkien eduista ei ole uusi. Hyöty juoksijalle voi tulla muutenkin kuin energian varastoimisen ja vapauttamisen kautta. On osoitettu, että kun juoksualustan jäykkyys pienenee, jalkajousen jäykyys kasvaa.5 Kun jalka on jäykempi, nivelkulmat pienenevät ja lihasten hyötysuhde kasvaa, mikä säästää energiaa.
On myös muistettava, että hyvät tulokset laboratoriossa eivät takaa hyviä tuloksia kentällä. Mahdollisia selityksiä on monta. Yksi selkeä tuntematon tekijä on juoksijan kyky ylläpitää vauhtia pitkillä matkoilla, siis kyky vastustaa väsymystä. Tätä ominaisuutta ei juuri koskaan mitata laboratoriossa. Laboratoriossa tehty suorituskykytesti kestää tyypillisesti 5–15 minuuttia.
Vaikka ratajuoksijat juoksevat lähes vaimentamattomilla kengillä, itse rata on joustavaa materiaalia. Paksuista pohjista voikin olettaa olevan hyötyä juuri silloin, kun juostaan maantiellä joka ei jousta.
Haittaakin paksupohjaisista kengistä voi olla.
Mitä paksumpi pohja on, sitä vaikeampi kenkää on hallita nopeissa käännöksissä. Kengän paksuus myös lisää painoa, ja tutkimusten mukaan 100 g kengän painossa lisää hapenkulutusta 1 %:n verran.7 Valmistajien on siis tasapainoiltava näiden ominaisuuksien välillä.
Entä kahden tunnin alitusta seuranneet ennätysten murskajaiset Niken uusilla kengillä? No, ensiksi tämä on tilastotiedettä, ei biomekaniikka, joten jätän sen ruotimisen muille. On kuitenkin täysin mahdollista, että selitys on psykologinen. Kun Roger Bannister ensimmäisenä ihmisenä alitti neljän minuutin haamurajan mailin matkalla, hän lupasi solmion kaikille, jotka pystyvät samaan. Hän joutui kuitenkin pian luopumaan lupauksestaan alittajien määrän kasvaessa niin suureksi. Bannister itsekin alitti oman aikansa vain 46 päivää myöhemmin Helsingissä.
Koska jalkajousen jäykkyyttä säädellään lihasten aktiivisuudella, ja lihasten aktiivisuus kasvaa vauhdin myötä, kengän optimaaliset ominaisuudet riippuvat nopeudesta.8 Muita optimointiin vaikuttavia tekijöitä ovat luultavasti alusta, juoksija ja juoksijan historia.
Siksi ennustan, että ammatikseen juoksevat, joille pienikin hyöty, olkoonkin 1 %:n luokkaa, on merkityksellinen, saavat jo lähitulevaisuudessa juoksukenkänsä mittatilaustyönä.
Meidän huvin vuoksi töppöstä toisen eteen pistävien ei ole syytä murehtia kenkäteknologian uusista trendeistä, joilla voi olla mikroskooppisia vaikutuksia juoksukykyyn. Kannattaa valita sellainen kenkä, jonka kanssa tulee lähdettyä ulos juoksemaan.
Siinä kaikki tällä kertaa. Kiitos kun kävit lukemassa.
Lähteet
- Hill Archibald Vivian. 1928. “The Air-Resistance to a Runner.” Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. Royal Society 102 (718): 380–85.
- Pugh, L. G. 1970. “Oxygen Intake in Track and Treadmill Running with Observations on the Effect of Air Resistance.” The Journal of Physiology 207 (3): 823–35.
- Beves, C. & Ferguson, S. “Uncovering the Aerodynamic Trickery behind Nike’s Breaking 2 Project”. Viitattu 18.5.2021. URL: https://www.linkedin.com/pulse/uncovering-aerodynamic-trickery-behind-nikes-breaking-ferguson/
- Hoogkamer, Wouter, Shalaya Kipp, Jesse H. Frank, Emily M. Farina, Geng Luo, and Rodger Kram. 2018. “A Comparison of the Energetic Cost of Running in Marathon Racing Shoes.” Sports Medicine 48 (4): 1009–19.
- Ferris, D. P., M. Louie, and C. T. Farley. 1998. “Running in the Real World: Adjusting Leg Stiffness for Different Surfaces.” Proceedings. Biological Sciences / The Royal Society 265 (1400): 989–94.
- Hoogkamer, Wouter, Shalaya Kipp, and Rodger Kram. 2019. “The Biomechanics of Competitive Male Runners in Three Marathon Racing Shoes: A Randomized Crossover Study.” Sports Medicine 49 (1): 133–43.
- Hoogkamer, Wouter, Shalaya Kipp, Barry A. Spiering, and Rodger Kram. 2016. “Altered Running Economy Directly Translates to Altered Distance-Running Performance.” Medicine and Science in Sports and Exercise 48 (11): 2175–80.
- Day, Evan, and Michael Hahn. 2020. “Optimal Footwear Longitudinal Bending Stiffness to Improve Running Economy Is Speed Dependent.” Footwear Science 12 (1): 3–13.
