سرعت برخورد مهم‌تر از نیروی ضربه: چرا نرخ بارگذاری عمودی بهتر از حداکثر فشار، شکستگی‌های استرسی را پیش‌بینی می‌کند؟

دوندگانی که به ریتم گام‌برداری کمی بالاتر روی می‌آورند، بلافاصله استرس مکانیکی وارد شده به ساق پای خود را تغییر می‌دهند و دیگر نیازی به کفش‌های دارای بالشتک ضخیم برای جلوگیری از آسیب‌های استخوانی ندارند. فرض اینکه برخورد با زمین با نیروی کل بیشتر باعث شکستگی‌های استرسی می‌شود، سال‌هاست که طراحی کفش‌های دویدن را هدایت کرده است. اما بیومکانیک بالینی محرک مکانیکی واقعی را جدا کرده است: این بزرگی ضربه نیست که اهمیت دارد، بلکه سرعت وقوع آن ضربه است.[10]

وقتی پای یک دونده به آسفالت برخورد می‌کند، بدن نیرویی معادل تقریباً ۲.۵ برابر وزن خود را جذب می‌کند. این معیار به عنوان حداکثر نیروی واکنش عمودی زمین (vGRF) شناخته می‌شود. با این حال، یک بررسی سیستماتیک برجسته که در مجله Clinical Biomechanics منتشر شد، گروه‌های متعددی را تجزیه و تحلیل کرد و هیچ تفاوت معناداری در حداکثر vGRF بین دوندگان با سابقه شکستگی استرسی و دوندگان بدون این سابقه پیدا نکرد. وزن کل جذب‌شده پیش‌بینی نمی‌کرد که چه کسی در نهایت مجبور به استفاده از چکمه‌های طبی (واکینگ بوت) می‌شود.[1]

در عوض، متغیر حیاتی، نرخ بارگذاری برخورد عمودی (VILR) است؛ معیاری که نشان می‌دهد این نیرو با چه سرعتی در ۵۰ میلی‌ثانیه اول گام اعمال می‌شود. همان بررسی مجله Clinical Biomechanics تأیید کرد که نرخ بارگذاری در گروه‌های آسیب‌دیده به طور قابل‌توجهی بالاتر بود. این ناگهانی بودن شوک است، نه وزن کل آن، که از توانایی استخوان درشت‌نی (تیبیا) برای بازسازی و ترمیم خود فراتر می‌رود.[1]

اسکلت انسان یک ساختار ثابت نیست؛ بلکه در پاسخ به استرس دائماً در حال تخریب و بازسازی خود است. وقتی یک دونده تمرین می‌کند، سلول‌های تخصصی به نام استئوکلاست‌ها استخوان‌های دارای آسیب‌های میکروسکوپی را پاکسازی می‌کنند، در حالی که استئوبلاست‌ها بافت جدید و قوی‌تری می‌سازند. این فرآیند بازسازی به زمان نیاز دارد. وقتی نرخ بارگذاری عمودی بیش از حد بالا باشد، خستگی مکانیکی از توانایی استئوبلاست‌ها برای ترمیم ترک‌های میکروسکوپی پیشی می‌گیرد و منجر به واکنش استرسی و در نهایت، شکستگی کامل استرسی درشت‌نی می‌شود.[1][3]

این تمایز، نحوه رویکرد فیزیوتراپیست‌ها و پزشکان ورزشی به پیشگیری از آسیب را تغییر می‌دهد. مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۰ که در مجله Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy (JOSPT) منتشر شد، نشان داد که دوندگان می‌توانند با استفاده از بازخورد بصری در لحظه روی تردمیل، بارگذاری برخورد خود را به طور فعال بین ۱۵ تا ۳۰ درصد کاهش دهند. با دیدن منحنی‌های نیروی خود روی یک صفحه نمایش، شرکت‌کنندگان به طور طبیعی مکانیک دویدن خود را برای نرم‌تر کردن ضربه تنظیم کردند.[2]

مکانیک این نرم کردن معمولاً به موقعیت پا برمی‌گردد. وقتی یک دونده گام‌های بیش از حد بلند برمی‌دارد، پاشنه پا بسیار جلوتر از مرکز جرم بدن به زمین برخورد می‌کند. این امر باعث ایجاد یک جهش تیز و فوری روی صفحه نیرو می‌شود که به عنوان شوک برخورد شناخته می‌شود. مطالعه دویدن هاروارد در سال ۲۰۲۰، سال‌ها داده‌های تکاملی و بیومکانیکی را ترکیب کرد تا نشان دهد که کاهش این نرخ‌های بارگذاری عمودی مستقیماً با کاهش خطر آسیب مرتبط است.[9]

محققانی که در سال ۱۹۹۹ در مجله Medicine & Science in Sports & Exercise مقاله می‌نوشتند، از قبل شروع به نقشه‌برداری از رابطه بین این نیروهای واکنش زمین و شکستگی‌های استرسی درشت‌نی در دوندگان مرد کرده بودند. آن‌ها دریافتند که ویژگی‌های استخوانی درشت‌نی به استرس با سرعت بالا واکنش ضعیفی نشان می‌دهد. استخوان یک ماده ویسکوالاستیک است؛ اگر بارهای عظیم به تدریج اعمال شوند، می‌تواند آن‌ها را تحمل کند، اما وقتی در معرض برخوردهای با سرعت بالا قرار می‌گیرد، شکننده می‌شود.[4]

تا سال ۲۰۱۶، مطالعه‌ای در مجله Bone این موضوع را بسط داد و نشان داد که تخمین‌های مقاومت استخوان نسبت به نیروی واکنش عمودی زمین می‌تواند با موفقیت زنان دونده با سابقه شکستگی استرسی را از افراد سالم متمایز کند. دوندگان زنی که دچار شکستگی شده بودند لزوماً با نیروی کل بیشتری فرود نمی‌آمدند، بلکه معماری اسکلتی آن‌ها بار را خیلی سریع جذب می‌کرد.[3]

خستگی این نقص مکانیکی را تشدید می‌کند. مطالعه‌ای که در مجله Journal of Science and Medicine in Sport منتشر شد، اثرات خستگی بر مکانیک دویدن مرتبط با خطر شکستگی استرسی درشت‌نی را بررسی کرد. با خسته شدن دوندگان، ثبات مرکزی بدن آن‌ها کاهش می‌یابد و طول گام‌هایشان اغلب بلندتر می‌شود، که باعث می‌شود پا محکم‌تر و سریع‌تر به زمین کوبیده شود. نرخ بارگذاری دقیقاً زمانی به اوج می‌رسد که عضلات تثبیت‌کننده کمترین آمادگی را برای جذب آن دارند.[7]

انجمن بین‌المللی بیومکانیک در ورزش (ISBS) در سال ۲۰۰۹ این مکانیک‌های خاص گام‌برداری را برجسته کرد و خاطرنشان ساخت که سینماتیک زانو و مچ پا نقش عظیمی در کاهش شوک ایفا می‌کند. یک زانوی خشک و یک مچ پای سفت، سرعت برخورد را مستقیماً به استخوان ساق پا منتقل می‌کنند.[5]

برای یک دونده معمولی، مداخله باید ساختاری باشد نه مبتنی بر تجهیزات. تحلیل سال ۲۰۱۱ سایت Runblogger از نرخ‌های بارگذاری برخورد عمودی تأکید کرد که صرفاً خرید یک کفش با کفی میانی ضخیم‌تر، به طور قابل‌اعتمادی نرخ بارگذاری را کاهش نمی‌دهد. در برخی موارد، کفش‌های ماکسیمالیست به دلیل اینکه دونده نمی‌تواند زمین را احساس کند، فرود سخت‌تر روی پاشنه را تشویق می‌کنند و ناخواسته نرخ بارگذاری را بالا نگه می‌دارند.[8]

تولیدکنندگان کفش چهل سال است که تلاش می‌کنند با فوم‌ها و کیسه‌های هوای پیچیده‌تر، این شوک برخورد را از نظر مهندسی برطرف کنند. با این حال، داده‌های بیومکانیکی به طور مداوم نشان می‌دهند که دوندگان به طور ناخودآگاه سفتی پای خود را بر اساس سطحی که روی آن می‌دوند تنظیم می‌کنند. وقتی یک کفش با بالشتک زیاد به سیستم عصبی ارائه می‌شود، اغلب به پا اجازه می‌دهد تا قبل از برخورد سفت‌تر بماند تا ثبات را جستجو کند. این پدیده توضیح می‌دهد که چرا با وجود پیشرفت‌های عظیم در فناوری بالشتک کفش، نرخ آسیب‌دیدگی برای شکستگی‌های استرسی در چهار دهه گذشته نسبتاً ثابت مانده است.[8][10]

مطمئن‌ترین مداخله بالینی، همان‌طور که در تحلیل بیومکانیک و گام‌برداری Musculoskeletal Key در سال ۲۰۱۶ بیان شده است، دستکاری ریتم گام‌برداری است. افزایش ۵ تا ۱۰ درصدی کادنس، دونده را مجبور می‌کند گام‌های کوتاه‌تری بردارد. پا نزدیک‌تر به مرکز جرم فرود می‌آید و اغلب نقطه برخورد را از انتهای پاشنه به قسمت میانی پا تغییر می‌دهد. این تغییر، منحنی نیرو را مسطح می‌کند، شوک تیز برخورد را از بین می‌برد و از درشت‌نی در برابر استرس با سرعت بالا که باعث شکستگی می‌شود محافظت می‌کند.[6]

گذار به کادنس بالاتر نیازمند صبر عصبی-عضلانی است. دونده‌ای که به ریتم ۱۵۰ گام در دقیقه عادت دارد، در ابتدا ۱۶۵ گام در دقیقه را از نظر متابولیکی طاقت‌فرسا خواهد یافت، زیرا سیستم قلبی عروقی باید با ریتم جدید سازگار شود. با این حال، این افزایش موقت در ضربان قلب، یک مبادله ضروری برای کاهش دائمی نرخ بارگذاری مکانیکی روی سیستم اسکلتی است. در طی یک دوره چهار تا شش هفته‌ای، الگوی حرکتی جدید خودکار می‌شود و جریمه قلبی عروقی از بین می‌رود و دونده را با یک گام‌برداری از نظر ساختاری ایمن‌تر به جا می‌گذارد.[6][10]