Analysing effectiveness of force application in ski skating using force and motion capture data : a model to support cross-country skiing research and coaching

Abstract

Maastohiihto on huomattavan vaativaa kokovartaloliikuntaa niin fysiologian kuin biomekaniikankin kannalta tarkasteltuna. Latujen kunnostuksen, hiihtovälineiden, hiihtotekniikoiden sekä kilpailumuotojen kehityksen myötä hiihdosta on tullut nopeampaa ja vaativampaa, joka asettaa suurempia haasteita voimantuotolle. Vastaavasti hiihtotutkimuksessa huomio on viime vuosikymmeninä siirtynyt enemmän biomekaniikan suuntaan. Ensimmäiset ulkoisten suksi- ja sauvavoimien mittaukset suoritettiin yli kolmekymmentä vuotta sitten ja useita yhteyksiä voimantuoton ominaisuuksien ja hiihtosuorituskyvyn välillä on sittemmin tunnistettu. Edelleen on kuitenkin epäselvää mitkä ovat tärkeimmät voimamuuttujat kuvaamaan voimantuoton tehokkuutta, etenkin kolmiulotteista liikettä sisältävien luistelutekniikoiden osalta. Nykyiset voimamittaus-, liikekaappaus- sekä mittausaineiston käsittelyn teknologiat mahdollistavat kuitenkin tähän kysymykseen tarttumisen. Tässä tutkimuksessa on kehitetty ja testattu kolmiulotteista voima- ja liikeaineistoa hyödyntävä malli luisteluhiihdon voimankäytön tehokkuuden tarkasteluun. Mallissa käytetään uutta näkökulmaa, joka tarkastelee hiihtäjän massakeskipisteeseen suuntautuvia translationaalisia suksi- ja sauvavoimia sekä niistä laskettuja erisuuntaisia voimakomponentteja. Esimerkit mallin soveltamisesta kahden luisteluhiihtotutkimuksen aineistoon antavat viitteitä siitä, että mallin tulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa mm. mitattuun kiihtyvyyteen suhteutettuna ja siten käyttökelpoisia luisteluhiihdon voimankäytön tehokkuuden tarkasteluun. Lisätutkimuksia laajemmin aineistoin kuitenkin tarvitaan tämän löydöksen vahvistämiseksi. Myös mallin sovellusta tulee kehittää, jotta se olisi tehokkaammin käytettävissä maastohiihdon, sekä vastaavia liikkeitä sisältävien lajien, tutkimuksen ja valmennuksen apuvälineenä.

Cross-country skiing is a whole body exercise posing significant physiological as well as biomechanical challenges. Due to developments in e.g. track preparation, skiing equipment, skiing techniques, and race types, cross-country skiing has become faster and more demanding with regard to production and application of force. Correspondingly, the emphasis in cross-country skiing research has shifted towards biomechanics during the recent decades. The first measurements of external ski and pole forces were made more than thirty years ago, and several associations between force characteristics and skiing performance have been identified ever since. However, it still remains unclear what are the most important variables characterising effective force application, particularly in the 3-dimensional movements of ski skating techniques? The development of force measurement, motion capture, and data processing technologies nowadays provide possibilities to tackle this question. In this research a model for analysing effectiveness of force application in ski skating using 3-dimensional force and motion data is developed and tested. The model employs a novel approach focusing on the translational ski and pole forces, directed to the skier's centre of mass, to estimating components of the skier generated forces in different dimensions. The examples of applying the model on data from two ski skating studies indicate that the model results are of correct order of magnitude e.g. in comparison to measured acceleration and thus plausible for analysing effectiveness of force application in ski skating. Further studies with more data are needed to confirm this finding. In addition, the model implementation shall be developed towards more efficient applicability in cross-country skiing research and coaching, as well as other sports involving similar movements.