SKIDMEKANIK – Så tolkar du Skisens data

Effekt, energi, och verkningsgrad

Skidåkning är likt löpning, cykel och simning en idrott där den mänskliga kroppen utför ett arbete, inom mekaniken definierat som att förflytta kroppen en sträcka (s) mot en bromsande kraft (F). I tävlingssammanhang strävar idrottare efter att utföra arbetet på kortast möjlliga tid (t). Ett naturligt mätetal på kapacitet är således effekt, definierat som arbete per tidsenhet vilket mäts i enheten watt=Nm/s.

Eftersom effekt isolerar idrottarens arbetsförmåga från taktiska och materialmässiga faktorer samt variationer i den omgivande miljön (väder och vind) är det ofta ett bättre jämförelsetal än hastighet. I synnerhet har detta använts inom cykelsporten där effektmätare finns kommersiellt tillgängliga sedan ett antal år tillbaka. Mer nyligen har effekt börjat diskuteras också inom andra idrotter, tex löpning och skidor. Flertalet olika gymutrustningar visar också effekt på displayen.

Innan effekt alltför flitigt börjar användas för att jämföra prestation inom olika sporter är det avgörande att förstå vad som avses med begreppet. I dagligt tal används ordet ofta betydligt mindre exakt än den vetenskapliga definitionen –arbete per tidsenhet. Det är vanligt förekommande att effekt används för att beskriva resultatet av en händelse, tex ”effekten av träningen gjorde att jag kunde prestera bättre på Vasaloppet”. Denna lite runda tillämpning av begreppet avspeglas i en del tjänster för träningsuppföljning där ordet ”träningseffekt” används för att kvantifiera en aktivitets träningsbelastning. I de flesta fall har detta ingenting med effektmätning att göra utan är en sammanvägning av hur intensivt och hur långt ett träningspass har varit. Det vanliga är att ”träningseffekten” skattas utifrån hjärtfrekvens eller accelerometerdata. Om man verkligen mäter effekt kan den med fördel beräknas därur. Faktum är att energiförbrukningen, tex mätt i kcal/timme, matematiskt är entydigt med träningspassets integrerade effekt. En effektmätare är ett mycket noggrant verktyg för att skatta hur mycket energi kroppen förbrukar när vi tränar, vilket är centralt för såväl motionärer som vill gå ner i vikt som elitidrottare som eftersträvar energibalans. För att kunna göra detta måste vi dock känna till ett par saker om effektmätning. Vilket arbete det är som mäts och hur? Avser man kroppens utförda arbete eller avser man den nyttogjorda effekten?

Inom cykel, som kan anses som en föregångssport när det gäller effektmätning, använder man trådtöjningsgivare för direkt mätning av krafter och vridmoment långt ut i drivlinan, tex i pedaler eller i vevparti. Detta ger en mycket exakt bestämning av det arbete som driver cykeln framåt, dvs nyttogjort arbete. Den nyttogjorda effekten är vid cykling ca 20% av den totala effekten som för aerobt arbete är proportionell mot syreförbrukningen (VO₂) som kan mätas i labbmiljö och ofta används som ett mått på aerob arbetsförmåga. Under senare år har det dykt upp effektmätare för löpning, tex Stryd, dessa är baserade på en helt annan teknik, där så kallade IMUer (Inertial Measurement Unit) används för att estimera kroppens rörelse och beräkna effekten utifrån dessa rörelser. Utan att gå in på tekniska detaljer om produkter vi inte känner till kan vi säga att mätning med enbart IMUer är associerad med flera felkällor och att det vidare är otydligt vilken effekt som avses –är det kroppens utförda arbete eller är det den nyttogjorda effekten som driver idrottaren framåt?

Skisens effektmätare mäter effekten i staven genom en lastcell bestående av fyra trådtöjningsgivare som bestämmer den axiella kraften i staven och en IMU som används för att bestämma stavens vinkel vilket möjliggör beräkning av hur stor del av kraften som går i åkarens färdriktning. Effekten fås sedan genom att multiplicera med hastighet mätt med GPS teknik.  Den effekt som mätes är således den nyttogjorda effekt som går genom stavarna. Vid dubbelstakning är detta liktydigt med den nyttogjorda effekten som driver åkaren framåt. Vid åkteknik då benen används, tex diagonal, stakning med frånskjut eller någon av den fria stilens växlar, kommer man missa det arbete som går genom benen. För att estimera kroppens totala energiförbrukning kan man utgå från kroppens verkningsgrad, som i skidåkning ligger på ca 15-17% och vetenskapliga studier om hur stor andel av effekten som går genom stavarna vid olika åktekniker. Skisens mjukvara ger stöd för åkstilsdetektion som möjliggör detta.

Kraft, impuls, frekvens och kraft-vinkel graf

Skidåkning är en cyklisk rörelse där framdriften skapas genom att energi periodiskt injiceras i färdriktningen i korta pulser. För att öka hastigheten krävs att den framdrivande kraften övervinner summan av bromsande krafter.

Vid dubbelstakning ger varje stavtag en impuls i färdriktningen. Impulsen mäts i enheten Ns och beror dels på kraftens storlek men också på hur länge kraften appliceras. I mer vetenskapliga termer definieras impulsen som integralen av kraft-tid grafen över en stakcykel, impulsen i färdriktningen är således

(1)  

där F(t) är momentan axiell kraft, T är periodtiden för ett stavtag och a(t) är stavens momentana vinkel mot underlaget.

För att öka medelkraften i färdriktningen kan åkaren förenklat ha två strategier, att öka impulsen i varje stavtag eller att höja frekvensen f=1/T, dvs öka antalet stavtag per tidsenhet. Medelvärdet av den framdrivande kraften kan således beräknas

(2)  

Där I_t är den genomsnittliga impulsen över n stavtag och f är den genomsnittliga frekvensen. Detta är ett delikat samband som ställer stora krav på såväl fysisk kapacitet som teknisk skicklighet. Ju högre frekvens åkaren försöker hålla, desto svårare blir det att upprätthålla en hög impuls i varje stavtag. I synnerhet är detta utmanande när hastigheten ökar. Ju fortare skidåkaren rör sig framåt, desto kortare är tiden för att skapa impuls i färdriktningen. Detta kan jämföras med löpning då explosiviteten i fotisättningen ökar med löphastigheten.

Figur 1 – Kraft-vinkel graf

Figur 1 visar en kraft-vinkel graf som illustrerar hur stavens axelkraft och vinkel mot underlaget typiskt varierar genom ett stavtag. Notera hur stavens vinkel ändras från att vid stavisättningen vara nära 90 grader till att vid stavsläppet vara ca 30 grader. Impulsen i färdriktningen beror dels av stavens axelkraft men även av vinkel-kurvan och specifikt hur väl åkaren behåller kraft i staven mot slutet av stavtaget då staven är mer riktad i färdriktningen. Vi kan utläsa hur åkaren planterar stavarna i marken vid punkt 1 med nära 90 graders vinkel mot underlaget, vid isättningen stiger kraften i staven snabbt då den bromsas in mot underlaget, sedan sjunker kraften kort innan åkaren hinner mobilisera muskler och lägga på kroppstyngden. Maximal stavkraft uppnås i punkt 2 då åkaren har lagt på hela kroppstyngden, varefter kraften sjunker då åkaren rör sig framåt och stavarna riktas bakåt i färdriktningen. Den framdrivande impulsen avgörs av hur väl åkaren lyckas bibehålla kraften i staven då de riktas bakåt i färdriktningen. För att illustrera detta visar Figur 2 kraften i färdriktningen jämförd mot stavens axelkraft. Här ser man hur kraften i färdriktningen når sitt maximala värde vid punkt 3 då stavens vinkel mot underlaget är ca 45 grader för att sedan sjunka mot noll i punkt 4 då åkaren lyfter staven för att göra sig redo för nästa stavtag. Impulsen i färdriktningen är arean under den röda kurvan i Figur 2 i enlighet med ekvation (1).

Figur 2 – Kraftkomposanter

Genom att studera kraft-vinkel kurvan för olika hastighet och lutning kan man säga mycket om en skidåkares tekniska färdighet och stil. Figur 3 jämför kraft-vinkel kurvan för två Vasaloppsåkare, en före detta Vasaloppsvinnare och en led-2 åkare som har börjat åka skidor i vuxen ålder. Kurvorna för de två åkarna som är ungefär lika långa och väger ungefär lika mycket är inspelade vid samma tillfälle och visar två stavtag ur en 50 m ”nära maxinsats”. Vid en snabb blick på figuren kan man se hur Vasaloppsvinnaren får på kraften i staven betydligt snabbare och sedan håller den bättre genom stavtaget. Vidare kan man från vinkelkurvan notera att denne riktar kraften betydligt bättre och på detta vis skapar en betydligt större framdrivande impuls i varje stavtag.

Så här långt har vi använt kraft-vinkel kurvan för att studera enskilda stavtag. För att åka fort på skidor gäller det dock att göra mer än enstaka bra stavtag och den framdrivande kraften beräknas som sagt i enlighet med ekvation (1). I längden är det inte effektivt att maximera impulsen i varje enskilt stavtag, det gäller snarare att hitta en optimal avvägning mellan impuls och frekvens för att bibehålla en god åkekonomi eller för att kunna generera maximal kraft under varierande åkförhållanden genom ett helt lopp, –erfarna skidåkare är mycket bra på detta och hittar snabbt, för dem, optimal frekvens och impuls då förutsättningarna ändras. Beroende på kroppskonstitution har vi alla olika förutsättningar att nyttja såväl frekvens som impuls, men genom medvetenhet om de tekniska brister som kan utläsas ur kraft-vinkel kurvan kan vi aktivt arbeta jobba med vår förmåga och de tekniska brister som kan utläsas ur kraft-vinkel kurvan kan vi aktivt arbeta för att förbättra vår förmåga till såväl maximal kraftinsats som effektiv åkning.

Figur 3 – Kraft-vinkel kurva för Vasaloppsvinnare jämförd mot en led 2 åkare.