liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A simulation study on the necessity of muscle contraction dynamics in cross-country skiing
Linköping University, Department of Management and Engineering, Mechanics. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0002-6267-3847
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

Competitive cross-country skiing is considered to be a fast and powerful dynamic movement. It is unknown what level of complexity that is needed in a musculoskeletal model of a skiing movement, e.g. double-poling. Therefore, a simulation study is carried out to explore the influence of muscle model choice. The theoretical framework of two types of muscle models and their respective implementations are given. These models are a Hill-type model with contraction dynamics and a constant force model, respectively. Results show that it is necessary to incorporate muscle contraction dynamics to estimate individual muscle behaviour in double-poling. Moreover, it may be bad practice to model different body parts with different muscle models; the musculoskeletal system is not a collection of discrete uncoupled body parts and kinetic effects will propagate through the system.

Keyword [en]
Double-poling, fast movements, Hill-type muscle, musculoskeletal model
National Category
Applied Mechanics Sport and Fitness Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-75335OAI: oai:DiVA.org:liu-75335DiVA: diva2:505850
Projects
Beräkningsbaserad biomekanik inom längdskidåkningen - möjligheter och begränsningar
Available from: 2012-02-26 Created: 2012-02-26 Last updated: 2015-01-14Bibliographically approved
In thesis
1. Musculoskeletal Biomechanics in Cross-country Skiing
Open this publication in new window or tab >>Musculoskeletal Biomechanics in Cross-country Skiing
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Why copy the best athletes? When you finally learn their technique, they may have already moved on. Using muscluloskeletal biomechanics you might be able to add the "know-why" so that you can lead, instead of being left in the swells.

This dissertation presents the theoretical framework of musculoskeletal modeling using inverse dynamics with static optimization. It explores some of the possibilities and limitations of musculoskeletal biomechanics in cross-country skiing, especially double-poling. The basic path of the implementation is shown and discussed, e.g. the issue of muscle model choice. From that discussion it is concluded that muscle contraction dynamics is needed to estimate individual muscle function in double-poling. Several computer simulation models, using The Anybody Modeling System™, have been created to study different cross-country skiing applications. One of the applied studies showed that the musculoskeletal system is not a collection of discrete uncoupled parts because kinematic differences in the lower leg region caused kinetic differences in the other end of the body. An implication of the results is that the kinematics and kinetics of the whole body probably are important when studying skill and performance in sports. Another one of the applied studies showed how leg utilisation may affect skiing efficiency and performance in double-poling ergometry. Skiing efficiency was defined as skiing work divided by metabolic muscle work, performance was defined as forward impulse. A higher utilization of the lower-body increased the performance, but decreased the skiing efficiency. The results display the potential of musculoskeletal biomechanics for skiing efficiency estimations. The subject of muscle decomposition is also studied. It is shown both analytically and with numerical simulations that muscle force estimates may be affected by muscle decomposition depending on the muscle recruitment criteria. Moreover, it is shown that proper choices of force normalization factors may overcome this issue. Such factors are presented for two types of muscle recruitment criteria.

To sum up, there are still much to do regarding both the theoretical aspects as well as the practical implementations before predictions on one individual skier can be made with any certainty. But hopefully, this disseration somewhat furthers the fundamental mechanistic understanding of cross-country skiing, and shows that musculoskeletal biomechanics will be a useful complement to existing experimental methods in sports biomechanics.

Abstract [sv]

Varför ska man kopiera de som är bäst inom sin idrottsgren? När man väl har lärt sig deras teknik så har de antagligen redan gått vidare. Vore det inte bättre att öka sin förståelse så att man kan ligga i framkant, istället för i svallvågorna? Med biomekaniska simuleringar som ett komplement till traditionella experimentella metoder finns möjligheten att få veta varför prestationen ökar, inte bara hur man ska göra för att öka sin prestation.

Längdskidåkning innehåller snabba och kraftfulla helkroppsrörelser och därför behövs en beräkningsmetod som kan hantera helkroppsmodeller med många muskler. Avhandlingen presenterar flera muskeloskelettära simuleringsmodeller skapade i The AnyBody Modeling System™ och är baserade på inversdynamik och statisk optimering. Denna metod tillåter helkroppsmodeller med hundratals muskler och stelkroppssegment av de flesta kroppsdelarna.

Avhandlingen visar att biomekaniska simuleringar kan användas som komplement till mer traditionella experimentella metoder vid biomekaniska studier av längdskidåkning. Exempelvis går det att förutsäga muskelaktiviteten för en viss rörelse och belastning på kroppen. Detta nyttjas för att studera verkningsgrad och prestation inom dubbelstakning. Utifrån experiment skapas olika simuleringsmodeller. Dessa modeller beskriver olika varianter (eller stilar) av dubbelstakning, alltifrån klassisk stil med relativt raka ben och kraftig fällning av överkroppen till en mer modern stil där åkaren går upp på tå och använder sig av en kraftig knäböj. Resultaten visar först och främst att ur verkningsgradsynpunkt är den klassiska stilen att föredra då den ger mest framåtdrivande arbete per utfört kroppsarbete, dvs den är energisnål. Men ska en längdlöpare komma så fort fram som möjligt (utan att bry sig om energiåtgång) verkar det som en mer modern stil är att föredra. Denna studie visar också att för att kunna jämföra kroppens energiåtgång för skelettmusklernas arbete mellan olika rörelser så krävs det en modell där muskler ingår. Andra studier som presenteras är hur muskelantagonister kan hittas, hur lastfördelningen mellan muskler eller muskelgrupper förändras när rörelsen förändras samt effekter av benproteser på energiåtgång.

Några aspekter av metoden presenteras också. Två muskelmodeller och dess inverkan på olika simuleringsresultat visas. En annan aspekt är hur muskeldekomposition och muskelrekryteringskriterium påverkar beräkningarna. Normaliseringsfaktorer för olika muskelrekryteringskriterium presenteras.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping University Electronic Press, 2012. 42 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1437
National Category
Applied Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-76148 (URN)978-91-7519-931-3 (ISBN)
Public defence
2012-05-04, C3, C-building ent. 16, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Projects
Beräkningsbaserad biomekanik inom längdskidåkningen - möjligheter och begränsningar
Available from: 2012-03-30 Created: 2012-03-29 Last updated: 2017-05-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Authority records BETA

Holmberg, L. Joakim

Search in DiVA

By author/editor
Holmberg, L. Joakim
By organisation
MechanicsThe Institute of Technology
Applied MechanicsSport and Fitness Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 176 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf