Relationship between Orbital Stability and Efficiency in Running

Abstract

For marathoners, efficient energy utilization is crucial in order to maintain optimal performance. Marathoners implement an optimal pacing strategy to maintain homeostasis by minimizing the segmental variability throughout the run. Although it is important, the relationship between the physiological, the mechanical energy efficiency indices, and running stability is unknown. Therefore, the purpose of this study is to examine the relationship between orbital stability (maximum Floquet multipliers (max FM)) and efficiency (cost of transport and normalized mechanical energy) during running. It was hypothesized that the physiological and mechanical energy efficiency for the elite athletes would be higher than the non-athletes. Further, the orbital stability that was assessed with the Max FM would be stronger for the elite athletes than the non-athletes. Sixteen participants (eight elite marathon runners and eight healthy non-athletes) were recruited for this study. Each group ran on the treadmill for 30 min at their preferred running speed. Their kinematics were captured with a motion capture system, and the oxygen consumption was assessed with a wireless indirect calorimetry system. The physiological and biomechanical variables (e.g., stride time, stride length variability, joint angles, respiratory exchange ratio, cost of transport, fuel oxidation rate, mechanical energy, and max FM) were computed from the data. The results that were obtained partly supported the initial hypotheses. First, this study confirmed that the elite athletes had a significantly higher physiological efficiency and they utilized a lower normalized mechanical energy than the non-athletes (Hypothesis – I: Accepted). Second, this study hypothesized that the elite athletes would have lower max FM values that correspond to a stronger orbital stability than the non-athletes. However, the inverse was observed, which indicates a larger max FM value in the elite athletes than the non-athletes (Hypothesis – II: Rejected). Finally, this study hypothesized that the performance indices of running (i.e., orbital stability (max FM), physiological efficiency (COT), and mechanical energy (Emech)) would be positively correlated. The complete dataset results indicate a negative linear relationship between orbital stability (max FM) and mechanical energy (Emech). No significant relationship existed between the indices of the orbital stability (max FM) and the physiological efficiency (COT) in the complete dataset. However, the non-athlete data subset revealed a significant positive correlation between the max FM and COT (Hypothesis – III: Partially Accepted). In conclusion, the marathon athletes show much higher efficiency, or lower COT than non-athletes. The results suggest that at least some portion of this high efficiency results from efficient use of inertia and minimal use of the limb motions other than the translation of the center of mass.

마라토너의 최적의 운동 수행력을 유지하기 위해서는 효율적인 에너지 활용이 중요하다. 마라토너들은 달리는 동안 신체 분절의 변동성을 최소화함으로써 수행력을 안정적으로 유지시기키 위한 최적의 페이싱 전략을 사용한다. 분절의 변동성이 중요성으로 제기되고 있지만 이들의 생리학적, 기계적 에너지 효율 지수, 가동 안정성 등의 관계는 알려지지 않았다. 따라서 본 연구의 목적은 달리는 중 orbital stability (maximum Floquet multipliers: 최대 FM)) 과 효율성 (이동 시 필요한 생리학적 에너지 (cost of transport : COT) 및 기계적 에너지 (mechanical energy: Emech)) 사이의 관계를 조사하는 것이다. 엘리트 선수들의 생리적, 기계적 에너지 효율이 비선수 보다 높을 것으로 가정할 수 있다. 또한, 최대 FM으로 평가된 orbital stability은 비선수들보다 엘리트 선수들에게서 더 강하게 관찰될 것이다. 본 연구에는 16명(정예 마라톤 선수 8명, 건강한 비선수 8명)이 참가했다. 연구 참여 개인이 선호하는 달리기 속도로 30분 동안 트래드밀 위에서 달렸다. 달리기 동작의 운동학적 분석을 위해 3차원 모션캡쳐시스템 (motion capture system)을 사용하여 자료를 수집하였고, 산소 소비량은 무선 간접 열량 측정 시스템 (wireless indirect calorimetry system)으로 평가되었다. 수집한 생리학적 및 생체역학적 자료를 바탕으로 보폭 시간, 보폭 길이 변동성, 관절 각도, 호흡 교환비, COT, 연료 산화율, Emech 및 최대 FM를 산출하였다. 얻어진 결과를 바탕으로 초기 가설을 평가했다. 첫째, 이 연구는 엘리트 선수들이 비선수들보다 훨씬 더 높은 생리적 효율성 와 더 낮은 Emech를 사용한다는 것을 확인했다 (가설-I: 채택). 둘째, 엘리트 선수들이 비선수들보다 더 강한 orbital stability와 낮은 최대 FM 값을 가질 것이라는 가설을 세웠다. 그러나 본 연구에서는 비선수보다 엘리트 선수의 최대 FM 값이 더 크다는 반대의 결과가 관찰되었다 (가설-II: 기각). 마지막 가설은 최대 FM, COT, Emech의 지표들 간에 양의 상관관계가 있다는 것이다. 실험 결과최대 FM 와 Emech는 음의 선형 관계를 나타냈다. 선수들의 경우 최대 FM와 COT 지수 사이에는 유의미한 관계가 존재하지 않았다. 그러나, 비선수 집단의 경우는 최대 FM과 COT 사이의 유의한 양의 상관관계를 보여주었다 (가설-III: 부분적 채택). 결론적으로, 마라톤 선수들은 비선수들보다 훨씬 더 높은 효율성 혹은 더 낮은 COT를 보여준다. 본 연구의 결과는 이러한 선수들의 고효율의 일부분은 관성의 효율적인 사용과 질량 중심 변환 이외의 사지 움직임의 최소 사용에서 비롯된다는 것을 시사한다.