Kolana, kręgosłup, a bicie rekordów i ciężkie treningi

Człowiek jest w stanie chwilowo znieść kolosalne przeciążenia, jednak jest to kwestia wysoce indywidualna. Podobnie jest z tolerancją np. uranu czy plutonu - inne są dawki przyjęte jednorazowo, a inaczej wygląda kwestia przewlekłego narażenia na oddziaływanie promieniowania jonizującego.

1. Najgroźniejsze dla kręgosłupa – siedzenie przy komputerze?
2. Obciążenie w trakcie ćwiczeń
3. Przeciążenia w trakcie bojów olimpijskich i skoków
4. Ile mogą znieść więzadła?
5. Podsumowanie

Mało kto wie, iż żołnierze amerykańscy byli narażeni na promieniowanie wskutek przypadkowego ostrzału podkalibrowymi pociskami ze zubożonym uranem (np. amunicją APFSDS; M829). Miało to dla wielu z nich wieloletnie konsekwencje zdrowotne. 

Podobnie, niektórzy ludzie znoszą wiele lat palenie tytoniu i picie alkoholu, inni o wiele szybciej zapadają na najróżniejsze choroby związane z kultywowaniem nałogu. Niektórzy strongmani kontynuowali kariery przez kilkanaście lat, inni bardzo szybko wycofywali się z rywalizacji wskutek kontuzji (nawet po 1-2 sezonach startowych).

To samo dotyczy trójboju siłowego, wyciskania leżąc czy podnoszenia ciężarów. Wytrzymałość zależy od gęstości kości, ilości muskulatury, specyficznych dźwigni (proporcji), wytrenowania, wieku, profilu hormonalnego (stężenia estradiolu, testosteronu, kortyzolu, IGF-1), dotychczasowych mikrourazów (historii kontuzji), stosowania dopingu, stanu więzadeł.

Najgroźniejsze dla kręgosłupa – siedzenie przy komputerze?

Często powtarzam, iż ciężkie dźwiganie, gdzie obciążenie występuje krótko, nie jest tak groźne dla kręgosłupa, jak np. błędna pozycja przy komputerze. Ćwiczysz kilka godzin tygodniowo, niektórzy spędzają przed ekranem 8-12 h dziennie. Zdarzały się przypadki śmierci przy komputerze (np. graczy, gdzie rozgrywka toczy się on-line).

„Obliczono, że siedząc z plecami opartymi o krzesło, na 3. krążek międzykręgowy, znajdujący się między 3. a 4. kręgiem lędźwiowym, wywierany jest nacisk rzędu 140 kg. Przy lekkim pochyleniu do przodu nacisk ten zwiększa się do ok. 175 kg, aby w czasie głębszego pochylenia wzrosnąć do 250-275 kg”. 

Ten sam problem dotyczy pracy w pochyleniu, co dotyczy np. pielęgniarek czy górników.

"Winkler i współpracownicy oceniając przy pomocy programu biomechaniki ruchu 3D SSPP sylwetkę pielęgniarki podczas golenia pacjenta (postawa pochylona, gdzie głównym źródłem obciążenia jest własne ciało pielęgniarki), stwierdzają 5-krotnie większą, w porównaniu do pozycji wyprostowanej, wartość siły ściskającej krążek międzykręgowy L4/L5 (1820 [N]) i ponad 7-krotnie większą w krążku międzykręgowym L5/S1 (1777 [N]). "

Obciążenie w trakcie ćwiczeń

Granhed H. i wsp. obliczyli, iż w trakcie ciężkiego dźwigania, obciążenie, na które jest narażony kręg lędźwiowy kręgosłupa (L3), wynosi od 1,9 tony do ~3,7 tony. U wyczynowych trójboistów w trakcie rywalizacji na zawodach obciążenie w odcinku L4/L5 kręgosłupa przeciętnie wynosiło ponad 1,7 tony! Okazało się, iż martwy ciąg sumo redukuje obciążenie kręgosłupa (występujące siły ścinające) o 8%, a obciążenie stawów o 10%.

Cappozzo A. i wsp. podali, iż w trakcie półprzysiadów z ciężarem wynoszącym od 0,8 do 1,6 masy ciała, siły kompresyjne oddziałujące w odcinku L3-L4 kręgosłupa wynoszą 6-10 krotność masy ciała. Czyli osoba ważąca 80 kg, przysiadająca od 64 kg do 128 kg, naraża kręgosłup na przeciążenie wynoszące od 480 kg do 800 kg. I analogicznie, ciężsi zawodnicy są narażeni na o wiele większe przeciążenia.

Al-Angari S. Abdulrahman zwraca uwagę, iż statyczne modele opisujące obciążenie, na jakie jest narażony kręgosłup, są nieprecyzyjne. Różnica w występujących obciążeniach po uwzględnieniu np. szybkości ruchu, może wynosić od 19% do nawet 54%.

W tym samym opracowaniu podano, iż siły działające na kręgosłup (odcinek L4/L5) w trakcie przysiadów wynoszą 5866N (~598 kg), tylko należy dodać, iż we wspomnianym eksperymencie przenoszono różnymi technikami ciężar ważący 15 kg, więc ciężko odnieść te dane do realnego dźwigania. Niemniej tu już powinna pojawić się refleksja, iż nie wszystko, co robimy na siłowni, musi być bezpieczne.

Przeciążenia w trakcie bojów olimpijskich i skoków

W badaniu brytyjskich naukowców wzięło udział 12 wytrenowanych mężczyzn w wieku 27,1 ± 4,3 roku o masie ciała 83,7 ± 9,9 kg. Po rozgrzewce dolnej części ciała (przysiady, wykroki, skoki), każdy z badanych wykonał 5 maksymalnych skoków ze zmianą kierunku ruchu (ang. CMJ). Ćwiczenie zaczyna się z pozycji stojącej, następnie schodzimy do bardzo płytkiego przysiadu – lekkie ugięcie kolan i wybijamy się maksymalnie w górę, pracując także rękoma – ang. countermovement jump).

W badaniu mężczyźni nie mieli wykonywać dodatkowych ruchów rękoma – trzymali dłonie na biodrach. Najwyższy uzyskany skok (0,38 ± 0,05 m) posłużył analizie sił działających na stawy. 9 z mężczyzn, którzy mieli doświadczenie z bojem olimpijskim, wybiciem na unik (ang. push jerk), dodatkowo wykonało 3 powtórzenia wybicia z ciężarem 40 kg.

W wybiciu na unik, w odróżnieniu np. od wyciskania żołnierskiego sztangi, siła pochodzi głównie z pracy dolnej części ciała. Użyto systemu do przechwytywania ruchu (Vicon MX System), dodatkowo mierzono siły działające na podłoże (szwajcarskie urządzenie firmy Kistler, Type 9286AA). Mierniki sił umieszczono na miednicy (5 sztuk), udzie (5 sztuk), łydce (5 sztuk) i stopie (4 sztuki). Pomiarów dokonano z częstotliwością 200 razy na sekundę. Otrzymane dane przefiltrowano.

Wyniki - siły działające w trakcie skoku:

• w fazie wybicia największe siły działały na staw skokowy – obciążenie przekraczało 6-krotność masy ciała (dla osoby ważącej 83,7 kg było to ~ 502 kg),
• staw udowo-piszczelowy (kolano) – również – obciążenie było nieznacznie mniejsze, ale nadal przekraczało 6-krotność masy ciała,
• staw biodrowy – przeciążenia rzędu 4-krotności masy ciała,
• w trakcie lądowania siła działająca na kostkę osiągnęła jeszcze wyższe wartości, sięgając 7-krotności masy ciała!
• podobnie staw udowo-piszczelowy – był narażony na jeszcze większy stres w trakcie lądowania,
• rzepka (staw udowo-rzepkowy) – również pojawiły się przeciążenia sięgające 3-krotności masy ciała badanego.

Znacznie poważniejsze implikacje mogą wynikać z podnoszenia ciężarów.

Oto wyniki, jakie przyniósł jednak bój olimpijski, wybicie na unik (push jerk) ciężaru 40 kg:

• siły działające na staw skokowy 12-krotnie przekraczały masę ciała badanego – ponad tona (!)–w fazie wybicia oraz 14-krotnie masę ciała w trakcie łapania sztangi,
• staw udowo-piszczelowy (kolano)– pojawiło się przeciążenie „tylko” od 6- do 10-krotności masy ciała badanego w trakcie wybicia oraz mniej, niż 9-krotność w trakcie chwytania opuszczanego ciężaru,
• staw biodrowy – pojawiły się przeciążenia od 6- do 10-krotności masy ciała w trakcie wybijania.

Jeśli potraktować dane zbiorczo, przeciążenia kształtowały się następująco:

• staw udowo-piszczelowy (kolano) 6.9- do 9-krotność masy ciała,
• staw skokowy 8,9- do 10-krotność masy ciała,
• staw biodrowy 5,5- do 8,4-krotność masy ciała,
• rzepka (staw udowo-rzepkowy) 2,4- do 4,6-krotności masy ciała.

Najlepsi na świecie wybijają na unik 250-270 kg, więc można sobie tylko wyobrazić, co się dzieje przy takim ciężarze, skoro już 40 kg powoduje przeciążenia liczone w tonach!

https://www.youtube.com/watch?v=65HteMR2_ns

Film: Koklayev i 270 kg zza karku (ten sam zawodnik zaliczył 417.5 kg w martwym ciągu bez sprzętu, przysiadał 360 kg bez sprzętu, rwał 211 kg i podrzucał 250 kg).

Przeciążenia kolan w trakcie przysiadów z ciężarem 147 kg, 250 kg i 382,5 kg

Nisell i Ekholm wykazali, iż:

• przysiady z ciężarem 250 kg generują maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące 815,77 kg przy zgięciu wynoszącym 130 stopni (bardzo duże zgięcie kolana),
• przy zgięciu wynoszącym 60 stopni odnotowano maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące ~560,84 kg (5500 N),
• przy zgięciu wynoszącym 30 stopni odnotowano maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące ~359,6 kg (3500 N),
• w tych samych warunkach (przysiadania 250 kg) siły oddziałujące na staw udowo-rzepkowy wynosiły ok. 6750 N (690, 86 kg),
• siły oddziałujące na więzadło rzepki wynosiły 611,83 kg (6000 N) przy zgięciu wynoszącym 130 stopni, zaś przy zgięciu wynoszącym 30 stopni zmniejszyły się do 203,94 kg (2000 N).

Dodatkowo oszacowano przeciążenia w trakcie przysiadu maksymalnego z ciężarem 382,5 kg (u jednego zawodnika nastąpiło zerwanie ścięgna mięśnia czworogłowego w najniższym punkcie przysiadu ze sztangą). U 3 innych zawodników oszacowano obciążenie działające na więzadło mięśnia czworogłowego, wynosiło ono 12-20 krotność masy ciała, natomiast na ścięgno rzepki 9-14 krotność masy ciała. Siły kompresyjne wynosiły 11-17 krotność masy ciała, z kolei siły ścinające oddziałujące na PCL wynosiły 2-3 krotność masy ciała.

W badaniach Wilk i wsp.: „Największe obciążenie stawów kolanowych w trakcie przysiadów z ciężarem 147 ± 37 kg występowało przy 91-stopniowym zgięciu kolana i wynosiło 6139 +/- 1708 N (~626 kg). 

Ile mogą znieść więzadła?

Wg badań, oszacowana maksymalna wytrzymałość:

• więzadła krzyżowego przedniego (ACL ligamentum cruciatum anterius) wynosi ok. 2 kN (~204 kg),
• więzadła krzyżowego tylnego (PCL - ligamentum cruciatum posterius) wynosi ok. 4,5 kN (458,9 kg), wg innych źródeł do 4 kN u młodych, zdrowych ludzi ma ono ok. 20-50% większy przekrój od ACL, stąd większa wytrzymałość,
• więzadła rzepki wynosi ok. 10-15 kN u młodych, zdrowych ludzi (10 kN = 1019,7 kg). Wartość oszacowano w badaniach Zernicke i wsp. na podstawie kontuzji ciężarowca ważącego 82.2 kg. Wykonywał pierwszą fazę podrzutu z ciężarem 175 kg, gwałtownie podsiadł sztangę i używając mięśni czworogłowych do wyhamowania pędu wywołał obciążenie szacowane na 14,5 kN (~1478,5 kg), co spowodowało kontuzję więzadła rzepki.

Badania ACL prowadzili Chandrashekar i in., 2006 r.; Noyes i Grood, 1976; Woo i in., 1991; a PCL Amis, 2003 r. Wg badania Brytyjczyków siły ścinające w trakcie skoków i wybijania wynosiły 240 do 1150 N dla ACL (od 24.5 do 117.2 kg) oraz 820-2550 N dla PCL (83.6 - 260 kg). Mieściły się w normie tolerancji dla stawu kolanowego, ale należy wziąć pod uwagę znikomy ciężar - 40 kg - używany w eksperymencie!

Podsumowanie

W trakcie ćwiczeń dynamicznych występują obciążenia liczone w tonach, czasem dochodzące do kilkunastokrotności masy ciała. Ćwiczenia dynamiczne powodują kolosalne przeciążenia stawu skokowego, kolanowego czy biodrowego. Z kolei boje charakteryzujące się mniejszą szybkością wykonania ruchu, w porównaniu do podrzutu, wybicia, rwania (np. przysiady), mogą generować przeciążenia w odcinku lędźwiowym wynoszące od kilkuset kg nawet do liczonych w tonach. Dlatego nieprawidłowe dźwiganie bardzo często kończy się kontuzją.

Referencje:

[ medserwis ]

Granhed H, Jonson R, Hansson T. „The loads on the lumbar spine during extreme weight lifting.”https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3589805

Al-Angari S. Abdulrahman „Biomechanics of Lifting (An implication Review)” http://fac.ksu.edu.sa/sites/default/files/lifting_biomechanics.pdf

TIMO P. J. LESKINEN „Comparison of static and dynamic biomechanical models” https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00140138508963135

Daniel J Cleather, Jon E Goodwin and Anthony, MJ Bull “Hip and knee joint loading during vertical jumping and push jerking” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3966561/

dr n. Med. J. Stodolny „Profilaktyka zespołów bólowych kręgosłupa”

Maria Kosińska, Ewa Kułagowska, Teodor Winkler, Joanna Zięba, Ryszard Plinta, Mirosław Kokosz, Lesław Niebrój „Wymuszone pozycje ciała w pracy pielęgniarskiej”. Lublin 2003

NISELL, R., and J. EKHOLM Joint load during the parallel squat in powerlifting and force analysis of in vivo bilateral quadriceps tendon rupture. Scand J. Sports Sci 8(2):63–70, 1986.

WILK ,K.E.,R.F.E, SCAMILLA,G.S.F, LEISIG ,S.W.B, ARRENTINE, J. R. ANDREWS, and M. L. BOYD “A comparison of tibiofemoral joint forces and electromyographic activity during open and closed kinetic chain exercises” Am. J. Sports Med 24:518 –527, 1996

ZERNICKE, R. F., J. GARHAMMER, and F. W. JOBE “Human patellar-tendon rupture: a kinetic analysis”. J. Bone Joint Surg. [Am.] 59A:179 –183, 1977.

Cappozzo A, Felici F, Figura F, Gazzani F. „Lumbar spine loading during half-squat exercises.”https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4068969

Cholewicki J1, McGill SM, Norman RW. „Lumbar spine loads during the lifting of extremely heavy weights.”https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1758295

Gulf War and Health: Updated Literature Review of Depleted Uranium. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK214543/