Jakie są biomechaniczne oznaki zmęczenia w trakcie biegu?

Oczywistą konsekwencją zmęczenia jest spowolnienie tempa. Dlaczego tak się dzieje? Powód jest prosty - to mechanizm obronny naszego organizmu. Zwolnienie następuje w momencie, gdy znacznie przekraczamy homeostazę, czyli stan równowagi, do której dąży nasze ciało. Gdybyśmy zbyt mocno odeszli od tej równowagi, mogłoby to prowadzić do poważnych konsekwencji. Zmęczenie jest więc formą ochrony.

Nie potrzebujemy naukowych dowodów, by wiedzieć, że zwalniamy, ale co dokładnie się wtedy dzieje? Bieg można uprościć do serii sprężystych odbić od podłoża. Aby się poruszać, biegacz musi wygenerować odpowiednią siłę, która popchnie go do przodu. Im szybsze tempo, tym większej siły wymaga ten ruch. Siła ta powstaje głównie dzięki skurczom mięśni.

Mówiąc najprościej, biegacz może utrzymać tempo tak długo, jak długo jest w stanie wytwarzać odpowiednią siłę odbicia. Gdy przestaje jej wystarczać, tempo spada, ponieważ nie może już pokonywać tej samej odległości z taką samą częstotliwością kroków. Ale co powoduje spadek siły?

Zmęczenie mięśniowe

Badania biomechaniczne zmian zachodzących podczas biegu na 5 km wyraźnie pokazują wpływ zmęczenia. Naukowcy analizowali zmiany w mechanice biegu oraz sile reakcji podłoża podczas wyścigu na tym dystansie. Jak można się spodziewać, zaobserwowano stopniowy spadek maksymalnej siły pionowej, wydłużenie czasu kontaktu z podłożem oraz zmniejszenie częstotliwości i długości kroków w miarę zwalniania.

Wraz z narastającym zmęczeniem tracimy zdolność do szybkiego generowania siły, co prowadzi do zmiany techniki biegu. Ale co dokładnie dzieje się na poziomie mięśni, by wywołać te zmiany?

Mechanizmy zmęczenia mięśniowego: perspektywa siły i energetyki

Po pierwsze, analizując całkowitą generowaną siłę, możemy rozpatrywać ją z dwóch perspektyw:

• pojedynczego skurczu mięśnia
• zintegrowanej pracy wielu jednostek motorycznych

Mówiąc o zmianach w wytwarzaniu siły, bierzemy pod uwagę cały proces - od wysłania sygnału przez mózg, aż po sam skurcz mięśnia. Zmęczenie może wystąpić na każdym etapie tego procesu, jednak najwięcej uwagi poświęca się zwykle dostarczaniu energii niezbędnej do skurczu.

1. Pojedynczy skurcz, a zmęczenie

Kluczowym elementem w kontekście zmęczenia jest końcowa faza skurczu mięśnia. Wiele teorii zakłada, że ponieważ ostatni etap skurczu zależy od dostępności ATP ¹, to właśnie podaż energii jest głównym czynnikiem limitującym wydolność. Innymi słowy, aby opóźnić zmęczenie, regeneracja ATP musi nadążać za zapotrzebowaniem mięśni. Gdy podaż ATP staje się niewystarczająca, pojawia się zmęczenie. Jak wiadomo, organizm dysponuje kilkoma systemami energetycznymi odpowiedzialnymi za odtwarzanie ATP - na tej zasadzie opiera się energetyczna teoria zmęczenia. Jeśli tempo regeneracji ATP jest zbyt wolne, dochodzi do spadku wydolności. Stąd właśnie wynika kluczowa rola systemów energetycznych.

2. Integracja jednostek motorycznych

Choć pojedyncze włókno mięśniowe generuje siłę w izolacji, w rzeczywistości całkowita siła jest wynikiem współdziałania wielu aktywnych jednostek motorycznych. Drugim czynnikiem decydującym o sile jest zatem liczba jednostek motorycznych zaangażowanych w pracę. Jak wspomniano wcześniej, to ośrodkowy układ nerwowy (OUN)² wysyła sygnał do mięśni, inicjując ich rekrutację.

Regulacja siły mięśniowej przez ośrodkowy układ nerwowy

Ośrodkowy układ nerwowy precyzyjnie reguluje generowanie siły mięśniowej na kilka kluczowych sposobów. Przede wszystkim znaczenie ma typ rekrutowanych jednostek motorycznych oraz ich indywidualne właściwości. Choć włókna mięśniowe często dzieli się na odrębne kategorie, lepiej postrzegać je jako spektrum rozciągające się między czysto szybkokurczliwymi, a czysto wolnokurczliwymi. Im bardziej włókno zbliża się do typu szybkokurczliwego, tym większą siłę jest w stanie wygenerować, ale jednocześnie wykazuje mniejszą odporność na zmęczenie. To właśnie dlatego układ nerwowy zwykle w pierwszej kolejności aktywuje włókna wolnokurczliwe, rezerwując włókna szybkokurczliwe na późniejsze fazy wysiłku lub sytuacje wymagające nagłej, maksymalnej siły, takie jak chociażby sprint.

Kolejnym czynnikiem jest całkowita liczba zrekrutowanych jednostek motorycznych. Im więcej takich jednostek zostanie zaangażowanych, tym więcej włókien mięśniowych bierze udział w pracy, co naturalnie przekłada się na większą generowaną siłę. Oczywiście skład typów włókien nadal odgrywa istotną rolę, jednak sama liczba aktywowanych jednostek pozostaje fundamentalnym wyznacznikiem potencjału siłowego.

Wreszcie, istotny jest sposób, w jaki następuje rekrutacja mięśni. Może ona przebiegać synchronicznie lub asynchronicznie. W przypadku wysiłków wytrzymałościowych przeważa ten drugi wzorzec, polegający na rotacyjnej pracy jednostek motorycznych - gdy część z nich kurczy się, inne pozostają w stanie spoczynku. Taki mechanizm pozwala na efektywne rozłożenie obciążenia i długotrwałe utrzymanie aktywności mięśniowej.

Choć to nie jedyne mechanizmy regulacji siły przez organizm, w kontekście zmęczenia są one najistotniejsze.

Biomechaniczne aspekty ruchu

Kolejnym czynnikiem wpływającym na generowaną siłę są aspekty biomechaniczne ruchu. Istnieją specyficzne zjawiska biomechaniczne wspomagające produkcję siły, wśród których kluczową rolę odgrywa wykorzystanie energii sprężystej. Najbardziej znanym przykładem jest cykl rozciągnięcie-skurcz (ang. Stretch-Shortening Cycle, SSC), występujący gdy mięsień jest najpierw rozciągany, a następnie natychmiast kurczony. W takich warunkach generowana siła znacznie przewyższa tę wytwarzaną podczas skurczu z pozycji spoczynkowej - podobnie jak w przypadku rozciągania gumy recepturki.

Energia sprężysta jest magazynowana i wykorzystywana nie tylko przez mięśnie, ale także przez ścięgna. Kolejna forma jej akumulacji i uwalniania następuje podczas kontaktu z podłożem. W momencie zetknięcia stopy z ziemią, przez ciało przenoszona jest znaczna ilość energii, która może zostać zmagazynowana i później wykorzystana do odbicia. Szczególną rolę odgrywają tu dwa elementy: ścięgno Achillesa oraz łuk stopy³. Choć nie chcę w tym artykule zagłębiać się wyjątkowo mocno w anatomię, warto już teraz zrozumieć, że magazynowanie i uwalnianie energii sprężystej znacząco wpływa na całkowitą generowaną siłę.

Należy również pamiętać, że ten system również podlega procesowi zmęczenia. Jednym ze sposobów zmniejszenia zdolności magazynowania i wykorzystywania energii sprężystej są uszkodzenia mięśni lub ścięgien. Co więcej, w miarę narastania zmęczenia pogarsza się nasza zdolność do absorbowania drgań mięśniowych powstających przy każdym kontakcie z podłożem. W praktyce oznacza to stopniową utratę możliwości wykorzystania tej swoistej ‘darmowej energii’.