Voimalevyteknologian hyödyntäminen urheilu-valmennuksessa

Johannes Mämmelä, Tampereen yliopisto (TAU)

Viimeisen kymmenen vuoden aikana voimalevyteknologian hyödyntäminen huippu-urheilussa on kasvanut räjähdysmäisesti. [1] Tyypillisesti voimalevyjä käytetään hermolihasjärjestelmän suorituskyvyn ja palautumistilan mittaamiseen sekä kuntoutuksen seuraamiseen erilaisten vertikaalihyppytestien kautta. Testauskertojen määrät saattavat vaihdella päivittäisestä testauksesta vuosittaiseen riippuen päämäärästä. Teknologian käyttämisestä suurten ryhmien (joukkueiden) testaamiseen tekee tehokasta se, että suoritteet ovat nopeita ja helposti toistettavia. [2]

Tämän blogitekstin tarkoituksena on tuottaa suomalaisille valmentajille tieteeseen perustuvaa tietoa voimalevyteknologian hyödyntämisestä urheiluvalmennuksen tukena sekä avata levyjen toimintaperiaatetta tulosten takana.

Voimalevyt mittaavat urheilijaan kohdistuvia reaktiovoimia (ground reaction forces). Newtonin kolme liikelakia ovat perusta näiden voimien mittaamiselle, joten on tärkeää ymmärtää niiden merkitys voimalevyjen toimintaperiaatteen taustalla. Ensimmäisen lain mukaan kappale, johon ei kohdistu voimaa, pysyy joko paikoillaan tai jatkaa liikettään vakionopeudella. Toisin sanoen ilman voimaa liike ei voi muuttua. Toinen laki kertoo, että kappaleen kiihtyvyys on suoraan verrannollinen siihen kohdistuvaan voimaan seuraavan yhtälön mukaisesti [3]:

F = ma,

jossa F kappaleeseen kohdistuva voima, m kappaleen massa ja a kappaleen kiihtyvyys. Kolmas laki puolestaan selittää, että kohdistettaessa kappaleeseen voimaa, kappale kohdistaa vaikuttajaansa yhtä suuren, mutta vastakkaissuuntaisen voiman.

Yhdistämällä Newtonin lait voidaan ymmärtää voimalevyn toimintaperiaate esimerkiksi vertikaalihyppytesteissä. Kun urheilija kohdistaa levyyn pystysuuntaisen voiman, levy kohdistaa yhtä suuren, mutta vastakkaissuuntaisen voiman urheilijaan. Levossa paikallaan seisoessa reaktiovoima vastaa kehon massaa ja liikkeessä reaktiovoima muuttuu kiihtyvyyden muutosten vuoksi. Tämä voima saa aikaan lopulta hyppääjän irtaantumisen alustasta ponnistusvaiheen lopussa [3]. Kuva 2.1 havainnollistaa tätä reaktiovoimantuottoa.

Voimalevyllä voimia mitataan voimamuuntimen avulla, jonka tehtävänä on muuntaa fyysinen tila sähköiseksi jännitteeksi niin sanottujen kuormituskennojen (load cell) avulla. Kuormituskennoja on useita erityyppisiä, kuten pietsosähköiset muuntimet ja venymäliuskat. Kukin kennotyyppi tarvitsee ulkoisen herätejännitteen, joka tuottaa kuormitukseen verrannollisen jännitteen. Eri kennotyyppien toimintaperiaatteet kuitenkin eroavat toisistaan tietyiltä osin. [3]

Pietsosähköiset anturit toimivat siten, että mekaaninen kuorma (urheilijan tuottama voima) aiheuttaa pietsosähköiseen materiaaliin sähköisen polarisoitumisen, eli materiaalin vastakkaisten pintojen välille syntyy sähköinen jännite. Venymäliuska-anturien toiminta puolestaan perustuu siihen, että ohut metalli- tai puolijohdekalvo kiinnitetään metalliseen rakenteeseen. Kun tähän rakenteeseen kohdistetaan voima, sen muoto muuttuu. Kun muoto muuttuu, muuttuu myös rakenteen resistanssi ja sitä myötä sähköinen jännite. Venymäliuska-anturi on sensorityypeistä yleisin. Pietsosähköiset anturit ovat parempia nopeiden ja korkeatehoisten suoritusten tallentamisessa, mutta niiden tuottama sähkövirta on epävakaampi, anturit ovat herkempiä lämpötilavaihteluille, ja ne ovat selkeästi kalliimpia [3, 4].

Voimalevyissä on myös eroja siinä suhteessa, mittaavatko ne vain vertikaalista (pystysuuntaista) voimaa (1D) vai myös horisontaalista ja lateraalista voimaa (3D). Tyypillinen 3D-voimalevy koostuu neljästä kolmikomponenttisesta kuormituskennosta. Kukin komponentti on aseteltu niin päin, että se mittaa tietyn suuntaista voimaa. Yleisesti hermolihajärjestelmän suorituskyvyn mittaus- tai valmennustarkoituksessa vertikaalisen voiman mittaaminen on usein riittävää [4, 5]. Tyypillisesti voimalevyn yksittäisillä antureilla mitatut kunkin suuntaiset voimat summataan kokonaisvoimiksi, joista saadaan laskettua monipuolisia suorituskyvyn mittareita [3].

Tyypillisesti voimalevyjä käytetään mittaamaan vertikaalihyppyjä kuten kevennyshyppyä (Counter Movement Jump, CMJ), joka on erinomainen liike hermolihasjärjestelmän suorituskyvyn, palautumistilan sekä loukkaantuneen urheilijan vammakuntoutuksen seurantaan. Kevennyshypyn tuottamaa dataa analysoidakseen, valmentajan on tärkeää tuntea hypyn eri vaiheet. Kuvassa 3.1 on esitetty tyypillisen kevennyshypyn voimakuvaaja ajan suhteen.

Kuvassa on erotettu kevennyshypyn päävaiheet. Alussa, kun hyppääjä seisoo paikoillaan voimalevyn päällä, vertikaalinen voima on hyppääjän massa kerrottuna putoamiskiihtyvyydellä 9.81 m/s² (Bodyweight). Voimalevy siis määrittää hyppääjän massan ennen jokaista hyppyä. Kun liike alkaa, hyppääjä joustaa nilkoista, polvista ja lonkastaan pudottaen massakeskipistettään. Tämä aiheuttaa negatiivisen kiihtyvyyden, jolloin voimakäyrä putoaa alle perustason (Unweighting). Tämän jälkeen hyppääjä aktivoi vartalon ojentajalihaksistoaan ja tuottaa impulssin perustason yläpuolelle ollessaan vielä liikkeessä alaspäin. Vaihetta perustason ja hyppääjän matalimman pisteen saavuttamisen välillä kutsutaan jarrutusvaiheeksi (Braking). Tämän jälkeen alkaa ponnistusvaihe, joka ilmenee voimantuottonopeuden kasvuna (Propulsion). Samanaikaisesti voimantuotto pienenee kohti ponnistusvaiheen loppua, koska hyppääjän nilkka-, polvi- ja lonkkanivelet lähestyvät täyttä ojennusta eivätkä kykene enää tuottamaan maksimaalista voimaa. Lentovaiheessa (Flight) luonnollisesti levyyn ei kohdistu voimaa ja voimakäyrä putoaa nollaan. Alastulovaiheessa (Landing) puolestaan levyyn kohdistuva voima kasvaa nopeasti eikä keho pysähdy heti paikalleen, vaan tuki- ja liikuntaelimistö ottaa alastuloiskun joustaen vastaan, mikä aiheuttaa useita piikkejä voimakäyrään ennen tasaantumistaan takaisin perustasolle. [5]

Jokaisesta vaiheesta kyetään määrittämään suuri määrä erilaisia parametreja, kuten keskimääräinen voima, maksimivoima sekä vaiheen kesto, jotka tarjoavat tärkeää tietoa urheilijan suorituskyvystä. Mikäli molempien jalkojen alla käytetään omaa voimalevyä, saadaan informaatiota myös jalkojen puolieroista, jota voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi alaraajavammojen kuntoutuksessa.

Voimalevyt tarjoavat merkittävästi enemmän tietoa vertikaalihypyistä verrattuna perinteisiin kenttätestimenetelmiin (esim. kontakti- ja valomatot tai videokuvaan perustuvat mobiilisovellukset), jotka ainoastaan arvioivat painopisteen nousukorkeutta lentoaikaan perustuen. Pelkkä hyppykorkeus ei kuitenkaan kerro, millä tavalla suoritus toteutettiin. Tutkimusten mukaan esimerkiksi hermolihasjärjestelmän väsymys näkyy voimalevyn antamissa aikaan sidotuissa muuttujissa aikaisemmin kuin suorituskyvyn lasku ponnistusvaiheen voimantuottomuuttujissa. Tämä johtuu väsymyksen kompensoimisesta liikestrategiaa muuttamalla, mikä näkyy erityisesti kevennyshypyn eksentrisessä vaiheessa (Unweighting ja Braking). Tyypillisesti, kun urheilija on hyvin palautunut, jarrutusvaihe on nopea ja voimakas, mutta väsyneenä jarrutusvaihe pitkittyy herkästi. Voima-aika-käyrän tuottamien parametrien perusteella saadaan selville, toimiiko suorituskyvyn rajoittavana tekijänä voima, nopeus vai hyppystrategia. [1]

Vuosittainen testaus antaa kokonaiskuvan yksilön voima-nopeusominaisuuksista sekä auttaa tunnistamaan kehityskohteita sekä ryhmä- että yksilötasolla. Viikoittainen testaus puolestaan soveltuu väsymyksen havaitsemiseen, ja siten harjoituskuorman optimointiin. [1] On kuitenkin tärkeää huomioida, että säännöllinen testaus vaatii luonnollisesti standardisoituja olosuhteita, jotta data on luotettavaa sekä vertailukelpoista. Nykyisin myytävät kaupalliset laitteet tarjoavat useita satoja erilaisia parametreja, joten säännöllinen testaus esimerkiksi 20-henkiselle urheilujoukkueelle tuottaa valtavan määrän dataa. Tästä syystä datan tehokas käyttö vaatii käyttäjältään sujuvan datanhallinta- sekä visualisointijärjestelmän, jolla tulosten kehittymistä voidaan seurata yksilötasolla. Tuloksia kannattaa seurata kokonaisvaltaisesti, eikä tuijottaa liikaa yksittäisiä lukuja.

Voimalevyt mittaavat urheilijaan kohdistuvia reaktiovoimia hyödyntäen Newtonin lakeja. Kun urheilija kohdistaa levyyn voiman, levy palauttaa yhtä suuren vastakkaissuuntaisen voiman urheilijaan, mikä mahdollistaa liikkeen analysoinnin. Voimalevyissä käytetään kuormituskennoja, kuten pietsosähköisiä antureita ja venymäliuskoja, jotka muuntavat mekaanisen voiman sähköiseksi signaaliksi. Pietsosähköiset anturit soveltuvat nopeisiin suorituksiin, kun taas venymäliuskat ovat vakaampia. Lisäksi voimalevyt voivat olla joko 1- tai 3- dimensionaalisia, riippuen siitä, mitataanko vain pystysuuntaista vai myös horisontaali- ja lateraalisuuntaista voimantuottoa.

Urheiluvalmennuksessa voimalevyjä käytetään esimerkiksi kevennyshypyn (CMJ) analysointiin. Levy mittaa hypyn eri vaiheet: aloitusvaihe (Bodyweight), kevennysvaihe (Unweighting), jarrutusvaihe (Braking), ponnistusvaihe (Propulsion), lentovaihe (Flight) ja alastulovaihe (Landing). Jokaisesta vaiheesta voidaan laskea esimerkiksi keskimääräinen ja maksimaalinen voima, vaiheen kesto sekä jalkojen puolierot. Säännöllinen testaus mahdollistaa hermolihasjärjestelmän suorituskyvyn kehityksen seuraamisen, harjoituskuorman optimoinnin sekä kuntoutuksen tukemisen yksilö- ja joukkuetasolla. Tehokas datanhallinta ja visualisointi ovat välttämättömiä suuren mittausdatan hyödyntämiseksi kokonaisvaltaisesti.

[1] J. Merrigan, J. Stone, J. Martin, G. Hornsby, S. Galster ja J. Hagen. Applying Force Plate Technology to Inform Human Performance Programming in Tactical Populations. Applied Sciences 11 (heinäkuu 2021). DOI: 10.3390/app11146538.

[2] So what exactly is force plate? 2018. URL: https://www.hawkindynamics.com/blog/what-is-a-force-plate.

[3] G. Beckham, T. Suchomel ja S. Mizuguchi. Force Plate Use in Performance Monitoring and Sport Science Testing. New Studies in Athletics 29 (tammikuu 2014), 25–37.

[4] A. Räntilä. A. Ostajan opas voimalevyjen hankintaan. fysiikkavalmennus.fi (2023).

[5] S. Chavda, T. Bromley, P. Jarvis, S. Williams, C. Bishop, A. N. Turner, J. P. Lake ja P. D. Mundy. Force-Time Characteristics of the Countermovement Jump: Analyzing the Curve in Excel. eng. Strength and conditioning journal 40.2 (2018), 67–77. ISSN: 1524-1602.