Lihas liikuttaa meitä. Lihaksen liikkumista varten tuottama voima ei kuitenkaan ole aina sama; vaikka kuinka puristaisimme maksimaalisesti, ei yhdessä liikkeessä synny samaa voimaa kuin toisessa.

Voiman syntyyn vaikuttaa neljä tekijää: lihaksen toimintapituus, pituuden muutosnopeus, poikkipinta-ala ja hermostollinen käskytys. Lihaksen poikkipinta-alan ja hermostollisen käskytyksen yhteys voimaan on karkeasti lineaarinen: tuplaamalla poikkipinta-alan tai hermostollisen käskytyksen voima kaksinkertaistuu. Lihaksen toimintapituuden ja pituuden muutosnopeuden yhteys voimaan on monimutkaisempi. Wikiliikkuja lähti selvittämään miten voimalle käy, kun liikkumistapaa vaihdellaan?

Ideana oli tehdä erilaisia liikkeitä ja mitata kuinka paljon voimaa kussakin liikkeessä syntyy. Testissä hyödynnettiin lattiaan upotettua voimalevyä, joka mittaa alustan pystysuuntaisia tukivoimia. Koska kahden kappaleen toisiinsa kohdistama voima on samansuuruinen mutta suunnaltaan vastakkainen (Newton III), on pinnan tukivoiman suuruus yhtä kuin jalkojen alustaan kohdistaman voiman suuruus. Liikkeistä tallennettiin voiman huippuarvo, joka ilmoitettiin suhteessa kehon painoon jalkaa kohden.

Testiliikkeitä oli kolme, joista jokainen pyrittiin tekemään maksimaalisesti.
1. Jalkakyykky lisäpainoilla. Lisäpainona toimi levytanko ja levypainot, joiden yhteenlaskettu massa vastasi kehon massaa. Tanko hartioilla laskeuduttiin noin 90-asteen polvikulmaan, josta hetken pysähdyksen jälkeen työnnettiin tanko ylös.
2. Isometrinen maksimi. Levytanko lukittiin paikalleen tangon ohjureihin hartian korkeudelle. Paikalleen lukittua tankoa pyrittiin nostamaan jaloilla ylös.
3. Pohjehyppely. Hypittiin paikallaan kahdella jalalla ilmaan ilman levytankoa.

Testissä havaittiin, että jalkakyykyssä alustaan kohdistuva voima oli 1,6-kertainen kehon painoon nähden per jalka (kuva alla). Isometrisessä maksimissa voima oli yli kaksinkertainen jalkakyykkyyn nähden ja 3,5-kertainen kehon painoon verrattuna. Pohjehyppelyssä saavutettiin kaikkein suurin voima, 4,1 kertaa kehon paino per jalka.

Testissä näkyvät erot johtuvat lihaksen voima-nopeus-riippuvuudesta (kuva alla). Vaaka-akselin keskellä on isometrinen piste, jossa lihaksen pituuden muutosnopeus on nolla. Liikuttaessa isometrisestä pisteestä oikealle lihas lyhenee, ja liikuttaessa isometrisestä pisteestä vasemmalle lihas pitenee. Jalkakyykyssä lihas lyhenee, joten saavutettu voima vastaa noin puolta isometrisestä maksimista. Pohjehyppelyssä lihaksen pituus ei juuri muutu, mutta voima-nopeus käyrän jyrkän kulmakertoimen vuoksi pienikin muutosnopeus riittää siihen, että voima on noin 20 % isometristä maksimivoimaa korkeampi.

Ilmiön taustalla on fysiikan laki, joka sanoo, että teho P on voiman F ja nopeuden v tulo, P = Fv. Lihaksen teho ei toki ole ihan vakio, mutta lihaksenkin on noudatettava luonnonlakeja. Siispä nopeasti supistuva lihas tuottaa vähiten voimaa. Tämän vuoksi sprintterin nopeuskaan ei kasva loputtomiin.

Jussi Peltonen
Biomekaniikan tohtorikoulutettava

Lauri Stenroth
Biomekaniikan tohtorikoulutettava

Alla aiheeseen liittyviä tutkimuksia.

1. Ensimmäinen tutkimus, jossa havaittiin, että lihaksen pituus ei juuri muutu juoksuaskeleen kontaktin aikana. Roberts ym. (1997): Muscular force in running turkey: The economy of minimising work
2. Juoksuun siirrytään luultavasti siksi, että lihaksen supistumisnopeus kasvaa kävelyssä epätaloudellisen korkeaksi. Farris & Sawicki (2012): Human medial gastrocnemius force–velocity behavior shifts with locomotion speed and gait