How do small horizontal impeding forces affect physiomechanics of running?

Abstract

Background: Benefits of drafting strategies for elite marathon performance are known. However, due to different methods to convert aerodynamic drag force to metabolic power and high horizontal impeding forces (HIF) implemented in previous studies, it is unclear how physiomechanical is affected at these conditions. Objective: We aimed to quantify how small HIF affect the physiomechanics of long-distance runners. Methods: Twelve male runners (age: 26.1 ± 3.5 years, mass: 66.5 ± 5.6 kg, height 1.79 ± 0.09 m) participated. The study consisted of three data collection sessions. On each session, the subjects ran one velocity two times per session (12, 14 and 16 km.h-1 ) at three HIF (0, 4 and 8 N) in a total of six 5-minute trials with 5 minutes recovery in-between. We measured submaximal oxygen uptake and ground reaction forces simultaneously. Ground reaction forces were double integrated for calculating spring-mass model variables, landing take-off and rebound asymmetries on Labview software. The metabolic power, apparent efficiency (Eff), braking (Ibrake) and propulsive impulses (Iprop), peak of braking (Fbrake,peak) and propulsive forces (Fprop,peak), contact (tc) and aerial time (ta), step length (L), duty factor, effective contact (tce) and aerial time (tae), push (tpush) and brake duration (tbrake), vertical displacement of the center of mass (sv) during contact time (sc), aerial time (sa), effective contact downward (sce,down), effective contact upward (sce,up), effective aerial downward (sae,down) and effective aerial upward (sae,up), step frequency (fstep), natural frequency of the system (fsyst.), vertical stiffness (kvert), vertical force (Fv), vertical velocity of the center of mass downward (vv,max,down) and upward (vv,max,up), elastic energy storage (EL) and tce/tae, tpush/tbrake, sae,down/sae,up, sce,down/sce,up and vv,max,down/vv,max,up asymmetries were calculated. We performed a two-way ANOVA with repeated measures and Bonferroni post-hoc for comparing the variables (α = 0.05). Results: The metabolic power increased by 6.13% per 1% body weight of HIF. With increasing HIF, Ibrake decreased while Iprop increased. The L and Fv reduced with increase of HIF corresponding of 8 N. The variables tc, ta, tce, tae, duty factor, Fbrake,peak, Fprop,peak, sa, fstep, fsyst., kvert, EL and tce/tae asymmetry were all independent of HIF. tbrake, vv,max,down, vv,max,up and elastic energy storage were all independent of HIF. The asymmetry between vv,max,down/vv,max,up reduced when was applied 4 and 8 N of HIF, whereas 8 N becomes sae,down/sae,up and sce,down/sce,up symmetrical. The Eff, sv, sc, and tpush/tbrake asymmetry were not affected by running velocity and HIF. Conclusion: We concluded that springmass model can be optimized at high HIF. This optimization is related to symmetrical relationship between sae,down/sae,up, sce,down/sce,up e vv,max,down/vv,max,up with high HIF (8 N). Therefore, although attenuated by elastic mechanism, the metabolic power increases 6.13% by adding HIF of 1% body weight.

Introdução: Os benefícios da estratégia de drafting no desempenho de maratonistas de elite são conhecidos. Porém, devido a diferentes métodos para converter as forças de arrasto na corrida em potência metabólica e as altas forças horizontais impeditivas (HIF) utilizadas nos estudos anteriores, não está claro como os fatores fisiomecânicos são afetados nessas condições. Objetivo: Quantificar como pequenas HIF afetam a fisiomecânica de corredores de longa distância. Métodos: Doze corredores homens (idade: 26,1 ± 3,5 anos, massa corporal: 66,5 ± 5,6 kg, estatura: 1,79 ± 0,09 m) participaram do estudo. O estudo consistiu em três sessões de coletas de dados. Em cada sessão, os sujeitos correram em duas vezes uma velocidade (12 ou 14 ou 16 km.h-1 ) nas três forças (0, 4 e 8 N) totalizando 6 tentativas de 5 minutos por sessão, com 5 minutos de recuperação entre as tentativas. Nós mensuramos o consumo de oxigênio submáximo e forças de reação do solo, simultaneamente. As forças de reação do solo foram duplamente integradas para cálculo das variáveis do sistema massa mola, e as assimetrias contato-despregue e rebound no software Labview. A potência metabólica, eficiência aparente (Eff), impulsos de frenagem (Ibrake) e de propulsão (Iprop), picos de força de frenagem (Fbrake,peak) e propulsão (Fprop,peak), tempo de contato (tc) e aéreo (ta), comprimento do passo (L), duty factor, tempo de contato efetivo (tce) e aéreo efetivo (tae), tempo de propulsão (tpush) e frenagem (tbrake), deslocamento vertical do centro de massa (sv): durante o contato (sc), fase aérea (sa), contato efetivo descendente (sce,down), contato efetivo ascendente (sce,up), aéreo efetivo descendente (sae,down) e aéreo efetivo ascendente (sae,up), frequência de passo (fstep), frequência natural do sistema (fsyst), rigidez vertical (kvert), força vertical (Fv), velocidade vertical do centro de massa durante a fase descendente (vv,max,down) e ascendente (vv,max,up), armazenamento de energia elástica (EL) e as assimetrias tce/tae, tpush/tbrake, sae,down/sae,up, sce,down/sce,up e vv,max,down/vv,max,up foram calculadas. Foi utilizada uma ANOVA de duas vias para medidas repetidas com post-hoc de Bonferroni para a comparação entre as variáveis (α = 0,05). Resultados: A potência metabólica aumentou 6,13% por 1% do peso corporal de HIF. Com o aumento das HIF, Ibrake reduziram, enquanto Iprop aumentaram. O L e Fv reduziram com aumento das HIF correspondente a 8 N. As variáveis tc, ta, tce, tae, duty factor, Fbrake,peak, Fprop,peak, sa, fstep, fsyst, kvert, EL e assimetria entre tce/tae foram todas independentes das HIF. A assimetria entre vv,max,down/vv,max,up reduziu quando 4 e 8 N de HIF foi aplicada, enquanto 8 N tornou as relações entre sae,down/sae,up e sce,down/sce,up simétricas. Não houve qualquer efeito da velocidade de corrida e das HIF na EFF, sv, sc, e na assimetria entre tpush/tbrake. Conclusão: Concluímos que o sistema massa-mola pode ser otimizado com altas HIF. Essa otimização acontece quando as altas HIF (8 N) tornam as relações entre sae,down/sae,up, sce,down/sce,up e vv,max,down/vv,max,up simétricas. Entretanto, custo energético para superar Iprop contra HIF aumenta a potência metabólica em 6,13% por 1% da massa corporal de HIF.