Μελέτη της σχέσης δύναμης, ταχύτητας, ισχύος και ανάλυση κινηματικών δρομικών χαρακτηριστικών σε αθλητές υψηλού αγωνιστικού επιπέδου

Abstract

The ability of neuromuscular system to produce maximum level of force and power is essential parameter on athletic performance. The force, velocity and power producing capacities of leg muscles could be well described using the linear force-velocity (F-v) and the parabolic power–velocity (P-v) relationships. During the sprint acceleration phase, the F-v and P-v relationships characterize the change in the athlete’s maximal horizontal force and power production capabilities when the running velocity increases. From Newton's second law of motion, the forces applied to the athlete’s body center of mass during sprinting can be used to calculate the variables of the horizontal F-v-P profile. Athlete’s theoretical maximum power output (Pmax), theoretical maximum horizontal force (F0), theoretical maximum horizontal velocity (v0), the ratio of the total force production which directed in the horizontal direction (RFmax) and the decrease in the ratio of horizontal force as the running velocity increases (DRF), can be estimated using established field methods. The early phase of acceleration distinguished by large contact times enabling the development and application of high levels of force into the ground, at low running velocities. Whereas, during the late phase of acceleration the force is applied in a different way, requiring smaller forces than during the first steps, but applied at higher running speed. The capability to produce horizontal force onto the ground over the entire acceleration phase seem to be the crucial factor that differentiates the sprinting performances between higher and slower athletes. However, only few studies have examined the sprint mechanical characteristics of high-level athletes as well as the training methods which can alter the sprint mechanical properties during the early and late phases of acceleration. The aim of the thesis was the explore the mechanical properties that distingue the sprint acceleration phases in high-level athletes. To fulfil the purpose of the thesis 3 studies were performed.In the first study examined the horizontal and vertical force-velocity-power profile (F-v-P) between high-level female sprinters and hurdlers. Additionally, examined the sprint mechanics and kinematics characteristics between high-level men and women sprinters and lower-level competitors. The testing procedures consisted of 2 maximal 30-m sprints and 5 to 6 vertical jumps with additional loads. According to the results, the female sprinters showed higher v0 (Effect Size (ES = 1,50) and RF at 10 m (ES = 1,48), compared to female hurdlers. Moreover, the high-level male sprinters, showed higher Pmax, v0, RFmax (ES = 1,21, 1,56, 1,14, respectively), step frequency (ES = from 1,07 – to 1,62) and shorter ground contact time (ES = from 1,20 to 1,45) compared to lower-level sprinters. Similarly, high-level female sprinters showed greater Pmax, v0, RFmax (ES = 1,63, 3,15, 1,29, respectively), step frequency (ES = from 1,26 to 1,73) and shorter contact time (ES = from 0,83 to 1,26), compared to lower-level females.In the second study examined the relationship between the sprint mechanical variables with the Peak Force (PF) and the Rate of Force Development (RFD), which achieved during the Isometric Mid-Thigh Pull (IMTP) and CMJ tests. Also, examined the relationship between the same mechanical variables of the horizontal and vertical mechanical F-v-P profile. Study results revealed that isometric PF and RFD were associated with F0 (r2 = from 0,50 to 0,66) and Pmax (r2 = from 0,50 to 0,63). The v0 were not related with IMTP and CMJ RFD. However, the PF achieved in CMJ related with v0 (r2 = 0,65) and Pmax (r2 = 0,43). Furthermore, the same mechanical variables v0 and Pmax of the horizontal and vertical mechanical F-v-P profile showed large relationships (r2 = 0,44 – 0,52, respectively). Whereas, the variables F0 and SFv were not significantly correlated between the sprinting and jumping tasks.In the third study examined the effect of 6 weeks sled pulling training program with 3 conditions (Vdec50%, 10%BM and Control) on the sprinting performance and on the sprint mechanical and kinematics characteristics. The results of the study showed that the subjects of Vdec50% condition significantly improved in all sprint distance intervals (ES = from 1,81 to 2,39). Additionally, the condition Vdec50% showed higher F0, RFmax and Pmax (ES = 0,74, 0,93, 0,86, respectively) as well as achieved higher mean running velocity (ES = from 0,78 to 1,91), step frequency (ES = from 0,98 to 1,20) and shorter flight time (ES = from 0,60 to 1,21) after the end of the training program. No differences were observed for the rest training groups post training.Study results suggests that horizontal and vertical F-v-P profile tests should be performed in order to ensure a more specific, accurate and comprehensive characterization of high-level athletes’ physical qualities. In practical terms, this type of data can reveal the neuromuscular and technical components affecting the sprint acceleration performance and guide coaches to detect the strengths and weaknesses in their athletes depending on whether a force-oriented or velocity-oriented profile dominates in order to design appropriate training programs.

Η ικανότητα εφαρμογής δύναμης, ταχύτητας και ισχύος είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την επίτευξη υψηλών επιδόσεων στους δρόμους ταχύτητας. Οι σχέσεις που συνδέουν τη μυϊκή δύναμη και την ταχύτητα κίνησης είναι η ταχυτητοδυναμική σχέση (F-v) και η σχέση ισχύος-ταχύτητας (P-v). Στην πρώιμη και ύστερη φάση της επιτάχυνσης ενός sprint, οι σχέσεις F-v και P-v, χαρακτηρίζουν τις μηχανικές ιδιότητες του νευρομυϊκού συστήματος και ιδιαίτερα την ικανότητα παραγωγής οριζόντιας δύναμης και ισχύος καθώς αυξάνεται η δρομική ταχύτητα. Με βάση τους θεμελιώδεις νόμους της δυναμικής που εφαρμόζονται στο κέντρο μάζας σώματος κατά την επιτάχυνση ενός αθλητή, οι σχέσεις F-v και P-v δύνανται να ποσοτικοποιήσουν την ικανότητα παραγωγής μέγιστης οριζόντιας δύναμης (F0), ταχύτητας (v0), ισχύος (Pmax), το λόγο της οριζόντιας προς τη συνολική παραχθείσα δύναμη (RFmax) και τη μείωση του λόγου της οριζόντιας προς τη συνολική δύναμη (DRF) κατά την αύξηση της δρομικής ταχύτητας. Η πρώιμη φάση της επιτάχυνσης χαρακτηρίζεται από μεγάλη (χρονικά) διάρκεια επαφής του πέλματος με το έδαφος, υψηλή παραγόμενη οριζόντια δύναμη και χαμηλή ταχύτητα κίνησης. Η ύστερη φάση της επιτάχυνσης χαρακτηρίζεται από σύντομο χρόνο επαφής, χαμηλή παραγόμενη οριζόντια δύναμη και υψηλή ταχύτητα κίνησης. Η ικανότητα εφαρμογής της δύναμης στις διακριτές φάσεις της επιτάχυνσης δύναται να εξηγήσει, σε μεγάλο βαθμό, τη διαφορά στη δρομική ταχύτητα μεταξύ αθλητών διαφορετικού αγωνιστικού επιπέδου. Ωστόσο, υπάρχει περιορισμένη βιβλιογραφία σε σχέση με τα μηχανικά και κινηματικά χαρακτηριστικά τα οποία διακρίνουν τους αθλητές υψηλού αγωνιστικού επιπέδου, όπως επίσης, και σε σχέση με τις προπονητικές μεθόδους που δύνανται να μεταβάλουν τις μηχανικές ιδιότητες που διέπουν την πρώιμη και ύστερη φάση της επιτάχυνσης. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν τις φάσεις της επιτάχυνσης σε αθλητές υψηλού αγωνιστικού επιπέδου. Για την εκπλήρωση του σκοπού της διατριβής πραγματοποιήθηκαν 3 μελέτες.Στην πρώτη μελέτη πραγματοποιήθηκε σύγκριση των μηχανικών μεταβλητών, όπως αυτές εξήχθησαν από την αξιολόγηση του οριζόντιου και κάθετου προφίλ δύναμης-ταχύτητας-ισχύος (F-v-P) μεταξύ γυναικών sprinter υψηλού επιπέδου των 100 m και 100 m μετ’ εμποδίων. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των μηχανικών και κινηματικών δρομικών χαρακτηριστικών του sprint ανάμεσα σε άνδρες και γυναίκες δρομείς ταχύτητας υψηλού και χαμηλότερου αγωνιστικού επιπέδου. Για την αξιολόγηση του οριζόντιου F-v-P προφίλ εκτελέστηκαν 2 sprint των 30 m με μέγιστη ταχύτητα. Ενώ, για την αξιολόγηση του κάθετου F-v-P προφίλ εκτελέστηκαν 5-6 άλματα χωρίς προδιάταση (SJ) με προοδευτικά αυξανόμενο φορτίο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης οι γυναίκες sprinter έχουν την ικανότητα να αναπτύσσουν υψηλότερη v0 (Μέγεθος Επίδρασης (ΜΕ) = 1,5) και RF στην απόσταση των 10 m (ΜΕ = 1,48), σε σχέση με τις αθλήτριες που επιδίδονται στους δρόμους ταχύτητας με εμπόδια. Αντίστοιχα, οι άνδρες sprinter υψηλών επιδόσεων έχουν την ικανότητα να αναπτύσσουν υψηλότερη Pmax, v0, RFmax (ΜΕ = 1,21, 1,56, 1,14, αντίστοιχα), συχνότητα βήματος (ΜΕ = από 1,07 έως 1,62) και συντομότερο χρόνο επαφής (ΜΕ = από 1,20 έως 1,45) συγκριτικά με τους αθλητές χαμηλότερου αγωνιστικού επιπέδου. Ομοίως, οι γυναίκες sprinter υψηλού επιπέδου έχουν την ικανότητα να αναπτύσσουν υψηλότερη Pmax, v0, RFmax (ΜΕ = 1,63, 3,15, 1,29, αντίστοιχα), συχνότητα βήματος (ΜΕ = από 1,26 έως 1,73) και συντομότερο χρόνο επαφής (ΜΕ = από 0,83 έως 1,26) συγκριτικά με τις αθλήτριες χαμηλότερου αγωνιστικού επιπέδου.Στη δεύτερη μελέτη εξετάστηκε η σχέση των μηχανικών μεταβλητών της επιτάχυνσης με τη μέγιστη δύναμη (ΜΔ) και το ρυθμό εφαρμογής της δύναμης (ΡΕΔ), όπως αξιολογήθηκαν κατά την ισομετρική έλξη μπάρας από το ύψος του μέσου των μηρών (IEMM), καθώς και από το κατακόρυφο άλμα με αντίθετη προπαρασκευαστική κίνηση (CMJ). Επιπλέον, εξετάστηκε η συσχέτιση μεταξύ των μηχανικών μεταβλητών του οριζόντιου και κάθετου F-v-P προφίλ σε δρομείς ταχυτήτων υψηλού επιπέδου. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η ΜΔ και ο ΡΕΔ, όπως εξήχθησαν από την ισομετρική αξιολόγηση σχετίζονται με την F0 (r2 = από 0,50 έως 0,66) και την Pmax (r2 = από 0,50 έως 0,63). Η v0 δε συσχετίστηκε με τον ΡΕΔ, όπως αξιολογήθηκε κατά την ΙΕΜΜ και το CMJ. Ωστόσο, η ΜΔ που επιτεύχθηκε στο CMJ συσχετίστηκε με την v0 (r2 = 0,65) και την Pmax (r2 = 0,43). Επίσης, οι μεταβλητές του κάθετου F-v-P προφίλ: v0 και Pmax εμφάνισαν μεγάλες συσχετίσεις με τις αντίστοιχες μεταβλητές του οριζόντιου F-v-P προφίλ (r2 = 0,44 – 0,52, αντίστοιχα). Ενώ, οι μεταβλητές F0 και SFv που εξήχθησαν από την αξιολόγηση των δυο μηχανικών προφίλ δε συσχετίστηκαν στατιστικώς σημαντικά.Στην τρίτη μελέτη διερευνήθηκε η επίδραση ενός προγράμματος που περιλάβανε προπόνηση sprint με διαφορετικά ρυμουλκούμενα φορτία αντίστασης (V50%μείωση, ΣΒ10%φορτίο, Ομάδα ελέγχου) διάρκειας 6 εβδομάδων, στην επίδοση του sprint, καθώς και στα μηχανικά και στα κινηματικά χαρακτηριστικά που διέπουν τις φάσεις της επιτάχυνσης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης η πειραματική ομάδα που προπονήθηκε με το φορτίο που οδήγησε σε μείωση της v0 κατά 50%, βελτίωσε σημαντικά την επίδοση σε όλες τις ενδιάμεσες αποστάσεις του sprint 30 m (ΜΕ = από 1,81 έως 2,39). Επίσης, στην ομάδα V50%μείωση αυξήθηκε σημαντικά μετά από την προπονητική παρέμβαση η F0, η RFmax και η Pmax (ΜΕ = 0,74, 0,93, 0,86, αντίστοιχα), καθώς και η μέση δρομική ταχύτητα (ΜΕ = από 0,78 έως 1,91), η μέση συχνότητα βήματος (ΜΕ = από 0,98 έως 1,20), ενώ μειώθηκε ο χρόνος πτήσης (ΜΕ = από 0,60 έως 1,21). Καμία μεταβολή δε σημειώθηκε μετά την παρέμβαση στις υπόλοιπες ομάδες.Τα αποτελέσματα των μελετών της διατριβής υποστηρίζουν την αναγκαιότητα αξιολόγησης του οριζόντιου και κάθετου F-v-P προφίλ στους αθλητές υψηλών επιδόσεων, προκειμένου να αποκτηθεί μια βαθύτερη εικόνα αναφορικά με τις μηχανικές ιδιότητες του νευρομυϊκού συστήματος των κάτω άκρων. Από πρακτικής πλευράς, η αξιολόγηση των μηχανικών και κινηματικών χαρακτηριστικών στις φάσεις της επιτάχυνσης και στο κατακόρυφο άλμα, θα μπορούσε να βοηθήσει τους προπονητές να διακρίνουν τα ελλείματα των αθλητών τους ως προς την ικανότητα ανάπτυξης δύναμης και ταχύτητας στο οριζόντιο και κάθετο επίπεδο της κίνησης. Επιπλέον, δύνανται να αξιοποιηθούν από τους προπονητές τα μηχανικά και κινηματικά δεδομένα των αθλητών υψηλών επιδόσεων της μελέτης, με σκοπό να συγκριθούν με τα αντίστοιχα δεδομένα των αθλητών τους, στοχεύοντας στον καλύτερο προσανατολισμό των προπονητικών παρεμβάσεων, για τη μεγιστοποίηση της αθλητικής απόδοσης.