Nike Zoom Vaporfly 4%, czyli dlaczego zezwalać na doping mechaniczny?

W bucie Nike Zoom Vaporfly 4% biegł Elioud Kipchoge
podczas próby Nike Breaking 2 w maju br gdzie przebiegł dystans maratonu w czasie 2:00:25. Jeśli przyjrzymy się
największym tegorocznym maratonom na świecie, to rzeczywiście Vapourfly
4% był w czołówce bardzo popularny.

Te 4% w nazwie nie są przypadkowe. Podobno najpierw sami badacze w Nike to policzyli a następnie zdecydowali się na próbę powtórzenia badania przez przynajmniej częściowo niezależnych naukowców.

Badanie sfinansowane przez Nike, przeprowadzała szóstka
naukowców, z których dwójka to etatowi pracownicy: Nike Sport Research
Lab, pozostała czwórka to naukowcy z: Locomotion Lab, Department of
Integrative Physiology, University of Colorado. Nike opłaciło także
otwarty dostęp do badania.

Samo badanie jest bardzo ciekawe i warte przytoczenia obszernych fragmentów z małym komentarzem.

Porównanie energetycznego kosztu biegania w maratońskich butach wyścigowych – wybrane fragmenty

Źródło: https://link.springer.com/article/10.1007/s40279-017-0811-2

1. Wprowadzenie

Masa obuwia, amortyzacja i sztywność wzdłużna zginania wpływają na koszt energetyczny biegu. Lżejsze buty do biegania zmniejszają koszt energetyczny biegu, prawdopodobnie ze względu na zmniejszoną bezwładność nóg. Takie energetyczne oszczędności przekładają się bezpośrednio na szybsze bieganie. Bieganie boso może wydawać się optymalne, ponieważ wiąże się z zerową masą buta, ale bieganie boso nie jest optymalne energetycznie, ponieważ wymaga większego wysiłku mięśniowego w celu amortyzacji uderzenia stopy o ziemię. Eksperymenty wykorzystujące specjalne bieżnie o sprężystych lub miękkich powierzchniach wykazały nawet 12% oszczędności energii można przypisać dwóm czynnikom. Po pierwsze, amortyzacja pozwala osobie biegać z prostszymi nogami w kolanach, a tym samym mniejszym wysiłkiem mięśni. Po drugie, powierzchnie bieżni mogą przechowywać i zwracać energię mechaniczną. (uważam, że to jest przykład tego, że biegacz intuicyjnie wyczuwa jak wykorzystać dobrą bieżnię elektryczną choćby takiej konstrukcji jak Woodway do szybszego biegu – przyp. redakcji).

Praktycznie wszystkie nowoczesne buty do biegania mają podeszwy środkowe wykonane z różnych materiałów piankowych, które w różnym stopniu amortyzują, magazynują i zwracają energię mechaniczną. Ilość energii zmagazynowanej przez materiał piankowy zależy od jej odkształcalności – wielkości kompresji, która występuje przy obciążeniu określoną siłą. Mocno odkształcane  pianki są powszechnie określane jako miękkie. Wszystkie pianki są lepkosprężyste; tj. rozpraszają trochę energii jako ciepło. Procent zmagazynowanej energii mechanicznej, która jest zwracana, nazywa się elastycznością. Niektóre materiały / powierzchnie są mocno odkształcalne, ale mają niską prężność (np. piaszczysta plaża), a tym samym zwiększają koszt energetyczny biegu. Jednak odkształcalność i prężność nie wykluczają się nawzajem, a nowe materiały nadal przyczyniają się do rozwoju technologii obuwia. Ostatnio okazało się, że bardziej podatne i sprężyste podeszwy środkowe obuwia zmniejszają koszt energii o około 1% (badacze z Nike powołują się na badanie o którym pisaliśmy, zrobione w przez czwórkę naukowców z University of Calgary, którzy badali adidas boost: https://bieganie.pl/?show=1&cat=22&id=5909 – przyp. redakcji). Biorąc te obserwacje razem, teoretycznie, najlepsza pianka do butów do biegania byłaby lekka, wysoce odkształcalna i sprężysta.

Obuwie do biegania może również wzmocnić sposób, w jaki ludzka stopa działa jak dźwignia, aby przenosić siłę wywieraną przez mięśnie nóg na ziemię, tak aby ciało było napędzane w górę i do przodu. Aby to zrobić, naukowcy wprowadzili płytki z włókien węglowych do podeszwy środkowej, zwiększając w ten sposób sztywność wzdłużną zginania. Takie płytki mogą obniżyć koszty energetyczne pracy o ~ 1% poprzez zmiany w dźwigni stawu skokowego i stawu skokowo-palcowego.

Ostatnio prototypowe buty do biegania zostały opracowane przez Nike, Inc., które łączą nowy wysoce podatny materiał ze środkowej podeszwy ze sztywną osadzoną płytką. Celem tego badania było sprawdzenie, czy i w jakim stopniu te nowo opracowane buty do biegania zmniejszają koszt energetyczny biegu w porównaniu z uznanymi maratońskimi butami wyścigowymi. Porównaliśmy zarówno energetykę, jak i biomechanikę całkowitą.

Ryc. 1
Rozłożony widok prototypowego buta Nike, który zawiera nowo opracowaną podeszwę środkową i pełnowymiarową płytkę z włókna węglowego z krzywizną przodostopia, osadzoną w podeszwie środkowej

2.1 Warunki dotyczące butów

Porównaliśmy nowe buty prototypowe Nike Zoom Vaporfly (NP) do podstawowych butów do wyścigów maratońskich, Nike Zoom Streak 6 (NS) i buty, które Dennis Kimetto ustanowił aktualny rekord świata w maratonie, adidas adizero Adios BOOST 2 (AB) (ryc. 3 ). Dodaliśmy 51 i 47 g pastylek ołowiowych odpowiednio do butów NP i NS, aby wyrównać do do masy butów AB (250 g dla rozmiaru US10). Zapobiegło to mylącym wpływom masy buta na koszt energetyczny biegu. Aby zapobiec kumulowanie się zużycia butów, użyliśmy trzech par każdego modelu buta w rozmiarze US10 i dwóch dodatkowych par rozmiaru AB US9.5, ponieważ ten model jest trochę większy niż modele Nike. Całkowite zużycie bieżące dla dowolnej pary butów nie przekraczało 50 km.

2.2 Protokół testów mechanicznych

Aby ocenić odpowiednie właściwości podeszwy środkowej, zastosowaliśmy niestandardową metodę testowania mechanicznego opracowaną w Nike Sport Research Lab. Ta metoda pozwala na bardziej realistyczne określenie ilościowego przechowywania i zwrotu energii mechanicznej pod stopami. Po próbach eksploatacyjnych wykonaliśmy mechaniczne testy obuwia w celu uniknięcia ewentualnych niespójności związanych z amortyzacją, które mogą wystąpić podczas początkowego okresu docierania podeszwy środkowej.

Testy mechaniczne wykazały, że NP był około dwukrotnie bardziej odkształcający się niż buty NS i AB, deformując się 11,9 mm w porównaniu z 6,1 i 5,9 mm, odpowiednio. Co więcej, buty NP były bardziej sprężyste (87,0% energii) niż buty AB (75,9%) i NS (65,5%). Tak więc, buty NP mogą zwracać ponad dwukrotnie więcej energii mechanicznej niż inne buty, co wynika głównie z znacznie większej odkształcalości niż większej procentowej sprężystości.

Ryc. 3
Przeprowadziliśmy testy mechaniczne na trzech modelach maratońskich butów wyścigowych. Podeszwa środkowa Nike Zoom Streak 6 (NS) zawiera lekką piankę EVA (octan etylen-octan winylu), poduszkę powietrzną Zoom stop, wysokość obcasa 23 mm i wysokość przodu 15 mm. Podeszwa środkowa Adidas Adizero Adios BOOST 2 (AB) składa się z pianki BOOST wykonanej z TPU (termoplastycznego poliuretanu), wysokości obcasa 23 mm i wysokości przodu 11 mm. Podeszwa środkowa Nike Zoom Vaporfly 4% (NP) zawiera nową piankę ZoomX wykonaną z PEBA (polieterowo-blokowego amidu), osadzoną płytkę z włókna węglowego, wysokość obcasa 31 mm i wysokość przodu 21 mm. (Dół) Krzywe deformacji sił, odkształcenia szczytowe i wskaźniki zwrotu energii dla każdego buta podczas pionowego obciążenia podeszwy środkowej z siłą szczytową ~ 2000 N i czasem kontaktu ~ 185 ms (tabela  2)). Przy zastosowaniu siły pionowej podeszwa środkowa buta odkształca się (górny ślad na każdym wykresie). Następnie, gdy but jest rozładowywany, siła wraca do zera, gdy podeszwa środkowa cofa się (dolny ślad na każdym wykresie). Obszar pomiędzy krzywymi ładowania i rozładowywania wskazuje energię mechaniczną (J) traconą jako ciepło. Obszar poniżej dolnych śladów reprezentuje ilość energii sprężystości (J), która jest zwracana.

2.3. Ludzie

18 mężczyzn (23,7 ± 3,9 lat, masa 64,3 ± 4,7 kg, wzrost 177,8 ± 4,6 cm) biegacze o wysokim poziomie sportowym, noszący obuwie męskie US10 ukończyli protokół badania (VO2maksna wysokości ~ 1655 m: 72,1 ± 3,4 ml O2/kg/min, zakres 66,4-81,4 ml O2/kg/min). Wszyscy niedawno przeprowadzili wyścig na 10km na poziomie morza z wynikiem poniæej 31 minut, poniżej 32-minutowy na lokalnej wysokości (University of Colorado) lub ekwiwalentne osiągi w innym wyścigu długodystansowym. Przed wzięciem udziału w badaniu uczestnicy udzielili świadomej pisemnej zgody.

2.4. Protokół eksperymentalny

Badanie obejmowało cztery wizyty z każdego zawodnika. Wizyta nr 1 wykazała, że ​​badane osoby mogą biec poniżej progu mleczanowego (Bez tego się nie da 😉 – przyp. Adama Kleina) z prędkościami przy 14, 16 i 18 km / h. Podczas wizyt 2, 3 i 4, każdy zawodnik wykonywał sześć 5 minutowych prób na jednej z trzech prędkości, mierzyliśmy współczynniki zużycia energii metabolicznej pacjentów, siły reakcji podłoża przy 14, 16 lub 18 km / h, podczas noszenia każdego z trzech modeli buta.

Przed każdą wizytą badani prezentowali 24-godzinny dziennik diet, snu i treningu. Zdecydowanie zachęcaliśmy badanych do powtarzania ich diety, snu i wzorców treningowych podczas wszystkich wizyt w laboratorium. Jeśli replikacja nie została spełniona, odkładaliśmy testy.

W każdej z sześciu prób (w trakcie wizyt 2,3,4) badani nosili jeden z trzech modeli buta. Pomiędzy próbami badani robili 5-minutową przerwę, podczas gdy zmieniali buty. Badani nosili każdy model obuwia dwa razy na wizytę, w kolejności lustrzanej, która była równoważona i losowo przydzielana. W przypadku trzech stanów buta było sześć możliwych kombinacji i losowo przydzieliliśmy trzech zawodników do każdej kolejności. Jeden z przykładów lustrzanej kolejności to: AB, NS, NP, NP, NS, AB. W przypadku wszystkich danych uśredniano dwie próby dla każdego stanu buta.

3. Wyniki

Prototypowe buty znacznie obniżyły energetyczny koszt pracy, średnio o 4%. Warto zauważyć, że przy wszystkich trzech prędkościach, koszt energetyczny był niższy w NP dla każdego zawodnika w porównaniu zarówno z NS jak i AB (ryc.  4 ). Uśredniony dla wszystkich trzech prędkości, koszt energetyczny biegu w butach NP (16,45 ± 0,89 W / kg, średnia ± SD) był 4,16 i 4,01% niższy niż w butach NS i AB (17,16 ± 0,92 i 17,14 ± 0,97 W / kg odpowiednio, odpowiednio, p  <0,001). Buty NS i AB były podobne ( p  = 0,34). Różnice procentowe między butami były podobne przy trzech prędkościach biegu. Spośród 18 osób średnia różnica w kosztach energii w porównaniu z trzema prędkościami między butami NP i NS wynosiła od -1,59% do 6,26%, a od -1,97 do -6,0% dla NP w porównaniu z AB, co wskazuje na znaczne różnice międzyosobnicze w ilość energii oszczędzającej dostarczone buty NP. Dla porównania, wskaźniki poboru tlenu, energetyczne koszty transportu i koszt tlenu dla transportu dla każdego z trzech modeli obuwia przy wszystkich trzech prędkościach są wymienione w Tabeli  1 .

Ryc. 4
W przypadku trzech badanych prędkości biegacze w butach NP zużywają średnio o 4,16% mniej energii metabolicznej niż buty NS i 4,01% mniej niż buty AB (obie p  <0,001). Buty AB i NS były podobne ( p  = 0,34). Wartości to koszt energetyczny brutto pracy. NS Nike Zoom Streak 6, AB adidas adizero Adios BOOST 2, NP Prototyp Nike