Biomechanics in cross-country skiing skating technique and measurement techniques of force production
Requirements of a successful skier have changed during last decades due to e.g.
changes in race forms and developments of equipment. The purpose of this thesis
was to clarify in four Articles (I-IV) what are the requests modern skate skiing
sets for the athletes in a biomechanical point of view. Firstly, it was explained
how skiers control speed from low to maximal speeds (I). Secondly, the
effects of long simulated ski race were determined with traditional force measurement
methods (III) as well as with novel propulsion methods (IV). During
the work process a need for updated multi-dimensional leg force sensor appeared
and it was materialized (II). During the thesis 16 national level athletes
participated in the different experiments of the study. Measurements for controlling
speed were carried out with 3D force sensor for legs and pole force sensor
for arms. Conventional cycle, force and joint kinematic parameters were
analysed (I). After, a need for reliable force sensor appeared especially for anterior-
posterior forces. Two 2D force binding sensors (Skate binding: vertical and
medio-lateral directions and Classic binding: vertical and anterior-posterior directions)
were designed and built. Validation was done in different temperatures
and mechanical stress situations as well as in diverse normal and sport
specific jumping situations and skiing with both techniques (II). Effects of simulated
ski skating race (20 km) on athletes’ performance were analysed by direct
force measurements from legs with updated force binding and from arms with
pole force sensors. In addition, EMG and cycle definitions were conducted (III).
Novel analysing method for propulsion was tested on the same data using additional
3D movement analysis (IV). Skiers control their speed during V2-
skating with cycle length and cycle rate while length is dominant with lower
speeds and rate governs with higher speeds. Force production of the arms and
legs with increasing speeds is aided by vertical oscillation of COM (I). New
force binding system was verified to be valid for skate skiing while some improvements
were needed for classic binding (II). Effects of long simulated race
were detected with slower skiing speed at the end of race caused by lower EMG
activity and force production as indications of fatigue (III). Propulsion analyses
gave new insights on athlete diagnostics by revealing the decrement of force
production especially with legs which was overlooked with traditional analysing
methods (IV).
Keywords: cross-country skiing, speed adaptation, force measurement, fatigue,
propulsion
...
Menestyksekkään hiihtäjän vaatimukset ovat muuttuneet viime aikoina merkittävästi
esimerkiksi uusien kilpailumuotojen ja välinekehityksen myötä. Tämän
tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää neljässä artikkelissa (I-IV), mitä vaatimuksia
nykyaikainen luisteluhiihto asettaa hiihtäjälle biomekaanisesta näkökulmasta.
Ensiksi selvitettiin kuinka hiihtäjät kontrolloivat nopeutta hitaasta
maksimaaliseen vauhtiin (I). Toiseksi tutkittiin pitkän simuloidun luisteluhiihtokilpailun
vaikutuksia hiihtäjään perinteisillä voiman analysointimenetelmillä
(III), sekä uudella propulsiovoimamenetelmällä (IV). Työprosessin aikana todettiin
tarve uudelle voimanmittausmenetelmälle ja se toteutettiin (II). Tämän
tutkielman aikana 16 kansallisen tason hiihtäjää osallistui tutkimuksen eri osiin.
Nopeuskontrollitutkimuksessa käytettiin 3D voima-anturia jaloille ja sauvavoima-
anturia käsille. Lisäksi mitattiin sykli- ja nivelkulmamuuttujia. Tämän
työ-osion aikana todettiin tarve tarkemmalle jalkojen voimanmittausmenetelmälle,
erityisesti pitkittäiseen suuntaan (I). Kaksi 2D voima-anturia (pysty- ja
poikittaisvoima luisteluun sekä pysty- ja pitkittäisvoima perinteiseen) suunniteltiin,
rakennettiin ja validoitiin. Validointi toteutettiin eri lämpötiloissa ja mekaanisissa
kuormituksissa, sekä erilaisissa lajinomaisissa hypyissä. Lisäksi anturit
testattiin referenssimenetelmiä vastaan lumella hiihdettäessä molemmilla
tekniikoilla (II). Simuloidun luisteluhiihtokilpailun (20 km) vaikutuksia urheilijoiden
voimantuottoihin tutkittiin uudella 2D voimanmittauslaitteistolla jaloista
ja sauvavoima-anturilla käsistä. Lisäksi tutkittiin lihasaktiivisuutta ja syklimuuttujia
(III). Uutta propulsiovoimamenetelmää testattiin samalla datalla 3D
liikeanalyysin kanssa (IV). Hiihtäjät kontrolloivat nopeutta hiihtosyklillä ja –
frekvenssillä, joista syklin mitan kasvattaminen on hallitsevampi matalammilla
nopeuksilla, ja frekvenssin nostaminen kovilla nopeuksilla. Massakeskipisteen
lisääntynyt pystysuuntainen liike edesauttaa voimantuottojen kasvua hiihtonopeuden
kasvaessa (I). Uusi voimanmittausmenetelmä osoitettiin luotettavaksi
luisteluhiihtoon, mutta perinteisen hiihdon anturiin tarvitaan parannuksia (II).
Pitkä luisteluhiihtokilpailu aiheutti väsymystä, mikä nähtiin hidastuneena loppukirivauhtina.
Tämä johtui heikentyneestä lihasaktiivisuudesta ja sitä kautta
madaltuneista voimantuotoista (III). Propulsiovoima-analyysi paljasti suuremman
voimien laskun jaloissa, mitä ei pystytty todentamaan perinteisillä voiman
analysointimenetelmillä (IV).
Avainsanat: maastohiihto, nopeusmuutokset, voimanmittaukset, väsymys,
propulsio
...




ISBN
978-951-39-7797-9Contains publications
- Artikkeli I: Ohtonen, O., Linnamo, V., & Lindinger, S. J. (2016). Speed control of the V2 skating technique in elite cross-country skiers. International Journal of Sports Science and Coaching, 11 (2), 219-230. DOI: 10.1177/1747954116637156
- Artikkeli II: Ohtonen, O., Lindinger, S., Lemmettylä, T., Seppälä, S., & Linnamo, V. (2013). Validation of portable 2D force binding systems for cross-country skiing. Sports Engineering, 16 (4), 281-296. DOI: 10.1007/s12283-013-0136-9
- Artikkeli III: Ohtonen, O., Lindinger, S. J., Göpfert, C., Rapp, W., & Linnamo, V. (2018). Changes in biomechanics of skiing at maximal velocity caused by simulated 20 km skiing race using V2 skating technique. Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports, 28 (2), 479-486. DOI: 10.1111/sms.12913
- Artikkeli IV: Ohtonen, O., Linnamo, V., Göpfert, C., & Lindinger, S.J. Effect of 20 km simulated race load on propulsive forces during ski skating. Submitted to International Journal of Performance Analysis in Sport 29.4.2019
Metadata
Show full item recordCollections
- JYU Dissertations [127]
- Väitöskirjat [3032]
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Methodological Guidelines Designed to Improve the Quality of Research on Cross-Country Skiing
Pellegrini, Barbara; Sandbakk, Øyvind; Stöggl, Thomas; Supej, Matej; Ørtenblad, Niels; Schürer, Axel; Steiner, Thomas; Lunina, Angelica; Manhard, Chris; Liu, Hui; Ohtonen, Olli; Zoppirolli, Chiara; Holmberg, Hans-Christer (Springer Science and Business Media LLC, 2021)Cross-country (XC) ski races involve a variety of formats, two different techniques and tracks with highly variable topography and environmental conditions. In addition, XC skiing is a major component of both Nordic combined ... -
Assessment of Heart Rate Variability Thresholds from Incremental Treadmill Tests in Five Cross-Country Skiing Techniques
Mendia-Iztueta, Ibai; Monahan, Kristen; Kyröläinen, Heikki; Hynynen, Esa (Public Library of Science, 2016)The assessment of heart rate variability (HRV) thresholds (HRVTs) as an alternative of Ventilatory thresholds (VTs) is a relatively new approach with increasing popularity which has not been conducted in cross-country ... -
Comparison of Exclusive Double Poling to Classic Techniques of Cross-country Skiing
Stöggl, Thomas; Ohtonen, Olli; Takeda, Masaki; Miyamoto, Naoto; Snyder, Cory; Lemmettylä, Teemu; Linnamo, Vesa; Lindinger, Stefan Josef (Lippincott Williams & Wilkins; American College of Sports Medicine, 2019)Introduction: This study aimed to 1) determine basic physiological demands during a simulated on-snow cross-country skiing (XCS) race when using grip-waxed skis (all classic XCS techniques [CLASSIC]), versus glide-waxed ... -
Cross-Country Skiing Analysis and Ski Technique Detection by High-Precision Kinematic Global Navigation Satellite System
Takeda, Masaki; Miyamoto, Naoto; Endo, Takaaki; Ohtonen, Olli; Lindinger, Stefan; Linnamo, Vesa; Stöggl, Thomas (MDPI AG, 2019)Cross-country skiing (XCS) embraces a broad variety of techniques applied like a gear system according to external conditions, slope topography, and skier-related factors. The continuous detection of applied skiing techniques ... -
Balance Perturbations as a Measurement Tool for Trunk Impairment in Cross-Country Sit Skiing
Rosso, Valeria; Gastaldi, Laura; Rapp, Walter; Lindinger, Stefan; Vanlandewijck, Yves; Äyrämö, Sami; Linnamo, Vesa (Human Kinetics, Inc., 2019)In cross-country sit-skiing, the trunk plays a crucial role in propulsion generation and balance maintenance. Trunk stability is evaluated by automatic responses to unpredictable perturbations; however, electromyography ...