Eπίδραση προπόνησης υψηλής έντασης εντός της βέλτιστης περιοχής της μηκοδυναμικής σχέσης του τετρακέφαλου στη μηχανική απόδοση της άρθρωσης του γόνατος

Abstract

The aim of the study is to study the effect of high intensity training with maximum speed, within the optimal range of quadricep’s length-force relationship in the mechanical function of the knee joint in monoarticular and multiarticular movement and in particular: a) on maximal isometric torque of knee extensors at various angles in and out of the training range; b) a) on maximal isokinetic torque of knee extensors at different speed of the knee extension speed during training and c) on the mechanical parameters of countermovement jump (maximum jump height, maximum vertical ground reaction force, maximum vertical velocity and maximum power). The sample consisted of 16 students (age: 20.8 ± 0.8 years, height: 176.4 ± 4.6cm, weight: 76.7 ± 2.8kg). All participants exercised periodically with external resistance as part of their exercise, but did not participate in any special lower extremity strength training program for the last 6 months. The protocol of the dynamometry included maximum isometric knee extensions at five different knee angles (40°, 60°, 70°, 80°, 90°) and five maximal isokinetic concentric knee extensions at full range of motion (0ο - 90°) of the knee joint at speeds of 60ο/s and 180°/s. Along with the dynamometries the myoelectric activity of three heads of the quadriceps (rectus femoris, medial and external extensor) and of the hamstrings was recorded, via wireless surface electromyography. In addition, the position of the examined lower limb during isometric and isokinetic dynamometry was recorded by a three-dimensional optoelectronic motion analysis system. All data was synchronized via an analog-to-digital converter with a sampling frequency of 1000Hz. From the data analysis, the maximum isometric and isokinetic torque at each angle and speed of knee extension, respectively, were calculated through inverse dynamics, together with the respective muscle activation of the agonist and antagonist muscles. Finally, participants performed three maximal vertical countermovement jumps on a piezoelectric dynamometer, from which the maximum height, maximum vertical velocity, maximum vertical ground reaction force and maximum power were calculated. All the above measurements were performed before and after the implementation of the training program which had a total duration of six weeks, with a frequency of three times a week and one day of rest between workouts. The training was performed in an isokinetic dynamometer but in isotonic mode. The range of each knee extension during training was 15°, on either side of the knee angle of 60° (i.e. from 45° to 75°) at which the maximum isometric force at the knee extension begins to maximize in adults. The initial intensity of the workout was set at 65% of the maximum isometric knee extension torque at the 45ο angle. The first week of training consisted of 5 sets of 5 repetitions. Per week the sets, the repetitions and therefore the total training loading gradually increased. The repetitions increased per training day and the sets per week. There was a 90s break between sets. During training, participants were encouraged to perform the repetitions at maximum speed and return their limbs to the starting position in a controlled manner each time. The results showed that training with great external resistance and the maximum possible speed of execution, in just six weeks, significantly increased the maximum torque of the knee extensor muscles during knee extension at all measured angles, inside and outside the training range. Also, this training significantly increased the maximum torque of the knee extensor muscles during the extension of the knee at the isokinetic speeds of 6ο/s and 180ο\s. Regarding the countermovement jumps from the results, it was found that the only mechanical parameter that showed a significant increase after the training was the mechanical power of the jump. Among the most likely adaptations of the biological mechanism to achieve the above findings, namely changes in muscle activation or hypertrophy of the participating muscles, it was found that the training applied in the present study did not cause a significant increase in muscle activation of agonist muscles, in any of the angular positions and movement speeds of knee joint extension. Therefore, given the stability of the length and rate of contraction of the muscles in the pre- and post-workout measurements, it was possible that the increases in the strength of the agonist muscles after training were due to the increase in their physiological cross-sectional area, ie their hypertrophy. However, this factor could not be evaluated before and after training based on the design of the present study and therefore additional research is needed to verify this claim. In any case, the findings of the present work support the use of very high external loads with maximum speed of movement in strength training.

Σκοπός της έρευνας είναι να μελετηθεί η επίδραση προπόνησης υψηλής έντασης με μέγιστη ταχύτητα εκτέλεσης, εντός της βέλτιστης περιοχής της μηκοδυναμικής σχέσης του τετρακέφαλου μυός στη μηχανική λειτουργία της άρθρωσης του γόνατος σε μονοαρθρική και πολυαρθρική κίνηση και ειδικότερα: α) στην μέγιστη ισομετρική ροπή των εκτεινόντων μυών του γόνατος σε διάφορες γωνίες εντός και εκτός του εύρους προπόνησης, β) στην μέγιστη ροπή των εκτεινόντων μυών του γόνατος σε ταχύτητα εκτέλεσης διαφορετική από την ταχύτητα της έκτασης του γόνατος κατά την προπόνηση, και γ) στις μηχανικές παραμέτρους του άλματος με υποχωρητική φάση (ύψος άλματος, μέγιστη κατακόρυφη δύναμη, μέγιστη ταχύτητα και μέγιστη ισχύς). Το δείγμα της έρευνας αποτέλεσαν 16 φοιτητές (ηλικία: 20,8±0,8 έτη, ύψος: 176,4±4,6cm, βάρος: 76,7±2,8kg). Όλοι οι συμμετέχοντες ασκούνταν περιοδικά με εξωτερικές αντιστάσεις στο πλαίσιο της άσκησης τους, αλλά δεν συμμετείχαν σε κάποιο ειδικό πρόγραμμα προπόνησης δύναμης των κάτω άκρων τους τελευταίους 6 μήνες. Το πρωτόκολλο της δυναμομέτρησης περιελάμβανε την εκτέλεση μέγιστων ισομετρικών εκτάσεων γόνατος σε πέντε διαφορετικές γωνίες (40°, 60°, 70°, 80°, 90°) γόνατος και την εκτέλεση πέντε μέγιστων ισοκινητικών σύγκεντρων εκτάσεων γόνατος σε εύρος κίνησης (0ο - 90ο) της άρθρωσης του γόνατος με ταχύτητες 60ο/s και 180°/s. Παράλληλα με τις δυναμομετρήσεις καταγράφονταν η μυοηλεκτρική δραστηριότητα τριών κεφαλών του τετρακεφάλου (ορθός μηριαίος, έσω και έξω πλατύς) και των ανταγωνιστών οπίσθιων μηριαίων, μέσω ασύρματης επιφανειακής ηλεκτρομυογραφίας. Επιπλέον η θέση του εξεταζόμενου κάτω άκρου κατά την ισομετρική και ισοκινητική δυναμομέτρηση καταγράφονταν από ένα τρισδιάστατο οπτοηλεκτρονικό σύστημα ανάλυσης κίνησης. Όλα τα δεδομένα συγχρονίζονταν μέσω ενός αναλογοψηφιακού μετατροπέα με συχνότητα δειγματοληψίας 1000Hz. Από την ανάλυση των δεδομένων υπολογίστηκαν μέσω αντίστροφης δυναμικής η μέγιστη ισομετρική και ισοκινητική ροπή σε κάθε γωνία και ταχύτητα έκτασης γόνατος αντίστοιχα, μαζί με την αντίστοιχη μυϊκή ενεργοποίηση των αγωνιστών και ανταγωνιστών μυών. Τέλος, οι συμμετέχοντες εκτέλεσαν τρία μέγιστα κατακόρυφα άλματα με υποχωρητική φάση πάνω σε πιεζοηλεκτρικό δυναμοδάπεδο, από το οποίο υπολογίστηκαν το μέγιστο ύψος, η μέγιστη κατακόρυφη ταχύτητα, η μέγιστη κατακόρυφη δύναμη αντίδρασης του εδάφους και η μέγιστη ισχύς. Όλες οι παραπάνω μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν πριν και μετά από την εφαρμογή του προπονητικού προγράμματος το οποίο είχε συνολική διάρκεια έξι εβδομάδες, με συχνότητα τρεις φορές την εβδομάδα και μία ημέρα ανάπαυση ανάμεσα στις προπονήσεις. Η προπόνηση πραγματοποιήθηκε σε ισοκινητικό δυναμόμετρο αλλά σε ισοτονική λειτουργία. Το εύρος της κάθε έκτασης του γόνατος κατά την προπόνηση ήταν 15°, εκατέρωθεν της γωνίας γόνατος των 60° (δηλαδή από 45ο έως 75ο ) κατά την οποία αρχίζει να μεγιστοποιείται η μέγιστη ισομετρική δύναμη κατά την έκταση του γόνατος στους ενήλικες. Η αρχική ένταση της προπόνησης ορίστηκε στο 65% της μέγιστης ισομετρικής ροπής έκτασης γόνατος στη γωνία των 45ο. Η πρώτη εβδομάδα προπονήσεων αποτελούνταν από 5 σετ των 5 επαναλήψεων. Ανά εβδομάδα τα σετ, οι επαναλήψεις και άρα η συνολική επιβάρυνση αυξάνονταν προοδευτικά. Ανά ημέρα προπόνησης αυξάνονταν οι επαναλήψεις και ανά εβδομάδα τα σετ. Ανάμεσα στα σετ πραγματοποιούνταν διάλειμμα 90sec. Κατά την διάρκεια της προπόνησης οι συμμετέχοντες ενθαρρύνονταν ώστε να εκτελούν τις επαναλήψεις με μέγιστη ταχύτητα και να επιστρέφουν το άκρο τους στην αρχική θέση ελεγχόμενα κάθε φορά. Από τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε πως η προπόνηση με μεγάλη εξωτερική αντίσταση και με την μέγιστη δυνατή ταχύτητα εκτέλεσης, σε διάστημα μόλις έξι εβδομάδων, αύξησε σημαντικά την μέγιστη ροπή των εκτεινόντων μυών κατά την έκταση του γόνατος σε όλες τις μετρούμενες γωνίες, εντός και εκτός εύρους προπόνησης. Επίσης, η συγκεκριμένη προπόνηση αύξησε σημαντικά την μέγιστη ροπή των εκτεινόντων μυών του γόνατος κατά την έκταση του γόνατος στις ισοκινητικές ταχύτητες των 60ο/s και 180ο/s. Όσον αφορά τα άλματα από τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι η μόνη μηχανική παράμετρος που παρουσίασε σημαντική αύξηση μετά την προπόνηση ήταν η μηχανική ισχύς του άλματος. Μεταξύ των πιθανότερων προσαρμογών του βιολογικού μηχανισμού για την επίτευξη των παραπάνω ευρημάτων, δηλαδή των μεταβολών της μυϊκής ενεργοποίησης ή και της υπερτροφίας των συμμετεχόντων μυών διαπιστώθηκε ότι η προπόνηση που εφαρμόστηκε στην παρούσα έρευνα δεν προκάλεσε σημαντική αύξηση στη μυϊκή ενεργοποίηση των αγωνιστών μυών, σε καμία από τις εξεταζόμενες θέσεις και ταχύτητες έκτασης της άρθρωσης του γόνατος. Ως εκ τούτου και με δεδομένη την σταθερότητα του μήκους και ταχύτητας συστολής των μυών στις μετρήσεις πριν και μετά την προπόνηση ήταν πιθανό οι αυξήσεις στην δύναμη των αγωνιστών μυών μετά την προπόνηση να οφείλονται στην αύξηση της φυσιολογικής εγκάρσιας διατομής τους δηλαδή στην υπερτροφία τους. Ο συγκεκριμένος παράγοντας όμως δεν ήταν δυνατόν να αξιολογηθεί πριν και μετά την προπόνηση με βάση τον σχεδιασμό της παρούσας έρευνας και επομένως για την επαλήθευση του εν λόγω ισχυρισμού απαιτείται επιπλέον έρευνα. Σε κάθε περίπτωση τα ευρήματα της παρούσας εργασίας συνηγορούν υπέρ της χρήσης πολύ υψηλών φορτίων εξωτερικής επιβάρυνσης με μέγιστη ταχύτητα κίνησης στην προπόνηση δύναμης.