Biomechanical differences in flywheel squat vs barbell back squat

Abstract

JOHDANTO. Perinteinen painovoimaan perustuva lihasvoima harjoittelu on ollut olemassa jo vuosikausia. Tangolla tehtävä takakyykky on yksi perinteisimmistä ja tunnetuimmista alaraajoihin kohdistuvista liikkeistä ja se kuvastaa erinomaisesti alaraajojen voimantuottoa. Yksi huono puoli perinteisessä painovoimaa vasten tehtävässä harjoittelussa on se, että vastus pysyy muuttumattomana liikkeen aikana ja toistojen välillä. Hitausmomenttiin (kg m2) perustuva vauhtipyörä harjoittelu on voimaharjoittelu metodi, jonka vastus mukautuu liikkeen aikana ja toistojen välissä käytetyn lihasvoiman perusteella painovoiman sijaan. Tämän tutkimuksen tarkoitus on verrata yhden toiston maksimi takakyykkyä samaiseen vauhtipyörällä tehtävään kyykkyyn lihasaktiivisuuden, voimantuoton ja kinematiikan perusteella. MENETELMÄT. 14 atleettista voimaharjoittelutaustaista miestä osallistui tähän tutkimukseen. Tutkittavat suorittivat yhden toiston maksimin takakyykyssä ja vauhtipyöräkyykyssä. Huippu- ja keskiarvovoimat mitattiin voimalevyllä takakyykyssä ja rengasanturilla vauhtipyöräkyykyssä. 2D kinematiikka -analyysit tehtiin suurnopeuskameralla polvi- ja lonkkakulmista ja niiden kulmanopeuksista. Lihasaktiivisuutta mitattiin pinta EMG- elektrodeilla viidestä alaraajan lihaksesta (RF, VM, VL, BF, ja GM). Maksimaalinen isometrinen jalkaprässi suoritetiin myös ennen ja jälkeen mittausten. Kaikki mittaukset suoritettiin yhden istunnon aikana. TULOKSET. Kyykky liike jaettiin eksentriseen ja konsentriseen vaiheeseen viidellä alakohdalla (Ecc 1 – Ecc 5 ja Con 1 – Con 5). Vauhtipyöräkyykky suorituksia verrattiin maksimi takakyykkyyn sekä toiston keston, että keskivoiman perusteella. Takakyykyssä nähtiin suuremmat keskiarvo- ja huippuvoimat sekä eksentrisessä että konsentrisessa vaiheessa. Tilastollisesti merkittäviä löytöjä esiintyi eksentrisessä työssä, jossa nähtiin 28.3 % vähemmän voimantuottoa vauhtipyöräkyykyssä (p < 0.001). Suurempia eksentrisiä voimia nähtiin takakyykyssä kaikissa alakohdissa, mutta kahdessa viimeisessä konsentrisessa vaiheessa nähtiin merkittävästi suurempia voimia vauhtipyöräkyykyssä 19,6 % - 42.7 % (p < 0.05–0.001). Polvi ja lonkkakulmissa ei nähty merkittäviä eroja. Kulmanopeuksissa nähtiin merkittävästi hitaampia nopeuksia vauhtipyöräkyykyssä Ecc 5 – Con 1 (11.0 % - 68.5 %) ja Con 5 (33.3 % - 34.1 %). Merkittävästi suurempia nopeuksia nähtiin vauhtipyöräkyykyssä Con 2 – Con 4 (37.3 % - 246.1 %) (p < 0.05–0.001). Eksentrisen vaiheen lihasaktiivisuus oli suurempaa vauhtipyöräkyykyssä RF (14.8 % - 101.8 %), VL (4.6 % - 45.6 %), VM (2.5 % - 54.4 %) ja BF (16.2 % - 48.4 %), joista RF osoitti myös suurempaa aktiivisuutta konsentrisessa vaiheessa (21.3 % - 54.8 %) (p < 0.05). GM lihaksen aktiivisuus oli merkittävästi pienempää vauhtipyöräkyykyssä sekä eksentrisessä (14.3 % - 40.0 %) että konsentrisessa (11.9 % - 58.6 %) vaiheessa (p < 0.05–0.001). POHDINTA. Vauhtipyöräkyykky tuotti vähemmän voimaa mutta suurempaa lihasaktiivisuutta verrattuna takakyykkyyn. Vastustyyppi (vauhtipyörä vs. painovoima) ei välttämättä ole ainoa tekijä, joka on vaikuttanut tämän tutkimuksen tuloksiin. Kinemaattisesti nämä kyykyt eroavat toisistaan painovoiman painopisteen perusteella sillä takakyykyssä käytetään tankoa ja vauhtipyöräkyykyssä käytetään haarniskaa. Tällaista vertailevaa tutkimusta, myös muilla liikkeillä, tarvitaan lisää, jotta tiedetään kuinka vauhtipyörälaite soveltuu maksimaaliseen voimaharjoitteluun.

INTRODUCTION. Conventional gravity-based strength training methods have been around for centuries. Barbell back squat is considered as the golden standard for lower extremity strength training. A major disadvantage of conventional strength training is that the resistance stays constant throughout the movement and between repetitions. Flywheel training is a strength training method that uses moment of inertia (kg m2) as resistance instead, which varies the external load accordingly throughout the movement and between repetitions based on applied muscle force. The purpose of this study is to compare 1 repetition maximum barbell BS to 1 RM FW squat in terms of muscle activity, force production and kinematics. METHODS. 14 athletic men participated in the study with previous strength training background. Subjects performed 1RM barbell BS and 1RM FW squat. Peak and average forces were measured with a force plate in BS and with a pulling force meter in FW squat. 2D kinematic analyses were done with a highspeed camera for knee and hip angles and their angular velocities. Muscle activity was measured with sEMG electrodes from RF, VM, VL, BF, and GM muscles. Pre- and post-isometric leg press MVC measurements were also done. All measurements were done in a single session. RESULTS. Squat movement was divided into eccentric and concentric parts with 5 subsections each (Ecc 1 – Ecc 5 and Con 1 – Con 5). FW squats were compared to BS in two conditions: squat duration and average force. Greater average and peak forces were seen in BS in eccentric and concentric actions. Significant findings were seen in the eccentric actions with 28.3 % greater force in BS (p < 0.001). Greater eccentric forces were seen throughout the eccentric subsections in BS, but significantly greater forces were seen in FW squat in the last two sections of the concentric phase by 19,6 % - 42.7 % (p < 0.05 – 0.001). No significant differences were seen in knee and hip angles. Knee and hip angular velocities showed significant differences between the two methods. Concentric sections showed lower velocities in FW from Ecc 5 – Con 1 (11.0 % - 68.5 %) and Con 5 (33.3 % - 34.1 %), but greater velocities in FW from Con 2 – Con 4 (37.3 % - 246.1 %) (p < 0.05 – 0.001). Muscle activity was significantly greater in FW squats in RF (14.8 % - 101.8 %), VL (4.6 % - 45.6 %), VM (2.5 % - 54.4 %), and BF (16.2 % - 48.4 %) in eccentric sections, with RF showing also significantly greater activity in concentric sections (21.3 % - 54.8 %) (p < 0.05). GM activity was significantly lower in FW in eccentric (14.3 % - 40.0 %) and concentric (11.9 % - 58.6 %) sections (p < 0.05–0.001). DISCUSSION. FW squats showed less force, but greater muscle activity compared to barbell BS. Resistance type (moment of inertia vs. gravity) might not be the only factor that influenced the results. Kinematically the squats differ from each other in terms of center of gravity of the barbell in BS vs. harness used in FW squats. Further comparative research like this and with other exercises is needed to determine how FW devices suit for maximal strength training.