Co kryje się za kropką Garmina – cz. 4
Analiza przedziału 600-700ms.
Po upływie 600ms w zasadzie nie dzieje się już nic, co mogłoby istotnie wpłynąć na ruch środka masy. COM porusza się w górę siłą rozpędu – wszystko, co kluczowe z perspektywy trajektorii VO, wydarzyło się wcześniej. Prędkość zaczyna maleć, a przyspieszenie zmienia znak na ujemny w 610ms (moment uchwycony na stopklatce poniżej), czyli zaczyna przeciwdziałać ruchowi w górę. Im bliżej końca GCT, tym mniej dramaturgii. W 650ms stopa odrywa się od podłoża (LC). W tym czasie COM wzniosło się już o 7cm. Na fazę lotu i osiągnięcie pułapu w okolicach 700ms przypada więc jedynie 1cm. Na uwagę zasługuje zachowanie zrywu, który przecina oś czasu i zmienia znak w okolicy LC. Skąd Garmin wie, kiedy następuje LC? Być może – analogicznie do detekcji IC (pisałem o tym w części drugiej) – także LC można szacować na podstawie analizy wartości zrywu (dla IC: j = max, dla LC: j = 0). Niewykluczone, że to właśnie takie markery wykorzystuje Garmin do określania początku i końca GCT.
Po oderwaniu stopy od podłoża (650ms, LC) siła reakcji podłoża (GRF) zanika, a na tor ruchu działa już wyłącznie siła ciężkości. Przyspieszenie pionowe COM pozostaje ujemne, a jego wartość bezwzględna rośnie, odzwierciedlając klasyczną parabolę fazy lotu – z charakterystycznym zmniejszaniem prędkości wznoszenia między 650 a 700ms. W 700ms COM osiąga maksymalną wysokość: prędkość pionowa chwilowo wynosi zero, dochodzi do wyhamowania ruchu wznoszącego i zmiany kierunku na opadanie.
W warstwie biomechanicznej przedział 600–650ms nie stwarza sprzyjających warunków do zaistnienia tzw. silnego wybicia z nogi zakrocznej. Przeciwnie – im bliżej końca GCT, tym warunki dla wybicia stają się mniej korzystne. Zakres wyprostu w stawach biodrowym i kolanowym jest już niemal osiągnięty. Siła generowana przez mięśnie działa na małym ramieniu, dlatego nie ma optymalnych warunków do silnego wybicia. Stopa zachowuje pewien potencjał do podtrzymania pędu miednicy ku górze. Jednak przebieg prędkości nie pozostawia wątpliwości: wznoszenie – choć kontynuowane – zwalnia. Dzieje się tak dlatego, że pęd jest w większym stopniu generowany z zaistniałych wcześniej mechanizmów pasywnych i sprężystych, a w mniejszym stopniu z aktywnego odpychania w końcowej fazie podporu. Z perspektywy efektywności biegu taki stan rzeczy wydaje się pożądany, ponieważ szybki, ekonomiczny bieg cechuje się raczej niższymi, a nie wyższymi wartościami VO. Stąd dynamika wzniosu w tym przedziale powinna maleć. Jednak nie da się w pełni ocenić jakości całego wybicia na podstawie analizowania jedynie jego składowej pionowej.
Impuls siły
W biomechanice biegu kluczową rolę odgrywa pojęcie siły. Intuicyjnie rozumiemy siłę jako pchnięcie lub ciągnięcie, które może wprawić ciało w ruch lub zmienić jego prędkość (zmienić jego pęd). Zmiana prędkości środka masy w czasie jest bezpośrednim skutkiem działania siły – zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona (F = m · a). W analizowanym biegu na COM działa głównie siła reakcji podłoża GRF (FGRF) skierowana w górę oraz siła ciężkości Fg skierowana w dół. Ich sumą w danym momencie czasu jest siła wypadkowa (F), która przyspiesza lub wyhamowuje COM. W analizie ruchu istotne jest też uwzględnienie czasu działania tej siły. Całkowity efekt działania siły na COM w określonym przedziale czasu to impuls siły wypadkowej (I) i jest on sumą impulsu GRF (IGRF) i impulsu siły ciężkości (Ig). W literaturze można też spotkać określenie na siłę wypadkową jako siłę netto, a impuls siły wypadkowej jako impuls netto. Podobnie z GRF i impulsem GRF jako siłą brutto i impulsem brutto.
Poniższy wykres przedstawia uśredniony przebieg pionowej siły wypadkowej działającej na środek masy w czasie kontaktu z podłożem, uzyskany z nałożenia i uśrednienia danych z sześciu kroków biegowych. Siła jest wprost proporcjonalna do przyspieszenia COM, dlatego wykres siły ma ten sam kształt co wykres przyspieszenia, różniąc się tylko skalą (żółta oś wartości siły jest przeskalowana przez stałą wartość masy biegacza – 55kg). Obrazem graficznym impulsu siły wypadkowej jest zakreskowane pole (kolor żółty) ograniczone krzywą siły w czasie trwania GCT. Wielkość tego pola jest wyrażona w niutonosekundach [Ns] i reprezentuje całkowity przyrost pędu pionowego COM w trakcie kontaktu z podłożem.
Znając wartość GCT wynoszącą 190ms (0.19s) oraz prędkość pionową COM na początku i na końcu GCT (odpowiednio vIC = −0.791m/s, vLC = 0.449m/s), możemy obliczyć całkowitą zmianę prędkości pionowej COM: ΔvCOM = vLC – vIC = 1.24m/s. Na podstawie tej zmiany prędkości możemy wyliczyć impuls siły wypadkowej: I = m ⋅ ΔvCOM = 68.2Ns, a z tego oszacować średnią siłę wypadkową Fśr. = I / GCT ≈ 359N.
W literaturze można znaleźć badania wykorzystujące platformy siłowe, dotyczące sił reakcji podłoża. Pomiary te są bezpośrednie, a nie szacowane na podstawie trajektorii środka masy, w której występuje dodatkowe tłumienie związane z odkształcalnością tkanek. Porównywanie wyników z obu metod może być więc obarczone błędem. Powyższa analiza dotyczy wyłącznie pionowej składowej siły wypadkowej i jej wpływu na ruch środka masy. Obliczenia te oparte są na uproszczonym modelu masy na sprężynie, który — choć klasyczny i szeroko stosowany — ma swoje ograniczenia, np. nie uwzględnia rotacji w stawach, czy aktywnego udziału mięśni i powięzi w modulowaniu sztywności.
Co z tego wynika w warstwie biomechanicznej? Przyszłe pomiary z wykorzystaniem czujników inercyjnych (IMU) umieszczonych na miednicy mogłyby umożliwić szacowanie sił działających w trzech wymiarach oraz analizę prędkości kątowych miednicy, co otworzyłoby drogę do pełniejszego zrozumienia dynamiki biegu. Nawet uproszczona analiza impulsu siły wypadkowej może dostarczyć informacji na temat generowania siły, zdolności magazynowania i odzyskiwania energii sprężystej, a także sztywności układu mięśniowo-szkieletowego. To z kolei może być użyteczne w ocenie efektywności techniki biegu, zarówno u amatorów, jak i zawodników wyczynowych.
