Obecna moda na aktywność fizyczną, zdrowe odżywianie (egzotyczne „diety”) niesie za sobą wiele różnorakich problemów. Czubek góry lodowej stanowią osoby które z różnych względów nie powinny podejmować ćwiczeń fizycznych np. ze względu na brak przeprowadzonej diagnostyki serca (EKG statyczne, EKG wysiłkowe, echo serca lub inne, zaawansowane badania w rodzaju rezonansu serca czy tomografii), a także lipidogramu czy ciśnienia krwi. Kolejni zapaleńcy szybko przekonują się, iż niepoprawnie wykonywane ćwiczenia owocują bólem, ale stawów – a nie tylko mięśni. Porównam obciążenia stawu kolanowego jakie występują podczas różnych aktywności – w tym biegania i przysiadów ze sztangą.

Obciążenia stawu kolanowego występujące podczas różnych aktywności

Mówi się, że ćwiczenia siłowe stanowią największe zagrożenie zdrowotne, niestety tych tez nie potwierdza rzeczywistość. [12-16] Poniżej przytaczam dane dotyczące różnych aktywności i ich wpływu na obciążenie stawu kolanowego. Dla uproszczenia większość danych jest w postaci KMC (krotności masy ciała, jeżeli KMC = 2, a ważysz 90 kg, to obciążenie wywierane na kolano wynosi 180 kg, jeśli KMC wynosi 10, to obciążenie wynosi 900 kg itd.).

Obciążenie kolana w trakcie różnych aktywności (rosnąco):

  • rowerek, obciążenie 120 W: 1.2 krotność masy ciała (KMC),
  • przysiady z ciężarem własnego ciała, siły działające na staw udowo-rzepkowy: 2.5-7.6 KMC,
  • przysiady z ciężarem własnego ciała, siły działające na staw udowo-piszczelowy: 2.5-7.3 KMC,
  • skok ze zmianą kierunku ruchu - rzepka (staw udowo-rzepkowy) – również pojawiły się przeciążenia sięgające 3-krotności masy ciała badanego (zarówno w fazie wyskoku jak i przy lądowaniu),
  • zjazd na nartach, zaawansowany narciarz, do 3.5 KMC,
  • chodzenie z prędkością 7 km/h: obciążenie 4.3 krotności masy ciała (osoba ważąca 80 kg = 344 kg, osoba ważąca 100 kg = 430 kg itd.), natomiast dla więzadła krzyżowego przedniego (ACL) – 17.2 kg, [6]
  • wchodzenie po schodach 4.3 – 5.0 KMC,
  • faza schodzenia w dół w przysiadzie 5.6 KMC,
  • skok ze zmianą kierunku ruchu (ćwiczenie zaczyna się z pozycji stojącej, następnie schodzimy do bardzo płytkiego przysiadu – lekkie ugięcie kolan i wybijamy się maksymalnie w górę, pracując także rękoma – ang. counter movement jump) – staw udowo-piszczelowy - ponad 6 KMC,
  • schodzenie po schodach 3.8 – 6 KMC ; natomiast dla więzadła krzyżowego przedniego (ACL) – 45.4 kg, [6]
  • przysiady ze sztangą z ciężarem 147 ± 37 kg generowały obciążenie wynoszące 6.8 KMC; „największe obciążenie stawów kolanowych w trakcie przysiadów z ciężarem 147 ± 37 kg występowało przy 91 stopniowym zgięciu kolana i  wynosiło 6139 +/- 1708 N (~626 kg)” [10]
  • wybicie ciężaru 40 kg na unik (ang. push jerk) - staw udowo-piszczelowy (kolano)– pojawiło się przeciążenie od 6 do 10-krotności masy ciała badanego w trakcie wybicia,
  • schodzenie po pochylni 4.5 – 8.5 KMC (wyższe obciążenie dla większej prędkości),
  • bieganie 9 km/h – 8-9 KMC,
  • izokinetyczne prostowanie nogi – do 9 KMC,
  • wybicie ciężaru 40 kg na unik (ang. push jerk) - staw udowo-piszczelowy (kolano)– oddziaływało obciążenie nieco mniej niż 9-krotności masy ciała w trakcie chwytania opuszczanego ciężaru,
  • zjazd na nartach początkujący – do 10 KMC,
  • bieganie 12.6 km/h – 10.3 KMC,
  • skok w dal z lądowaniem na jednej nodze siły działające na rzepkę (staw udowo-rzepkowy) wynoszą 10,4 razy masy ciała,  [3-5]
  • bieganie 16 km/h do 14 KMC,
  • skok w dal z lądowaniem na jednej nodze siły działające na staw udowo-piszczelowy dochodzą aż 16.8 krotności masa ciała (dla osoby ważącej 80 kg jest to 1,34 tony!). [3-5]

Na podstawie: “Sports Medicine: Justs the Facts” [1] oraz [2-10]

Przeciążenia kolan w trakcie przysiadów z ciężarem 147 kg, 250 kg i 382,5 kg

przysiady kolana

Nisell i Ekholm [9] wykazali, iż:

  • przysiady z ciężarem 250 kg generują maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące 815,77 kg przy zgięciu wynoszącym 130 stopni (bardzo duże zgięcie kolana).
  • przy zgięciu wynoszącym 60 stopni odnotowano maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące ~560,84 kg (5500 N),
  • przy zgięciu wynoszącym 30 stopni odnotowano maksymalne siły oddziałujące na kolano (staw udowo-piszczelowy) wynoszące ~359,6 kg (3500 N)
  • w tych samych warunkach (przysiadania 250 kg) siły oddziałujące na staw udowo-rzepkowy wynosiły ok. 6750 N (690, 86 kg).
  • siły oddziałujące na więzadło rzepki wynosiły 611,83 kg  (6000 N) przy zgięciu wynoszącym 130 stopni, zaś przy zgięciu wynoszącym 30 stopni zmniejszyły się do 203,94 kg (2000 N),

Dodatkowo oszacowano przeciążenia w trakcie przysiadu maksymalnego z ciężarem 382,5 kg (u jednego zawodnika nastąpiło zerwanie ścięgna mięśnia czworogłowego w najniższym punkcie przysiadu ze sztangą). U 3 innych zawodników oszacowano obciążenie działające na więzadło mięśnia czworogłowego wynosiło ono 12-20 krotność masy ciała, natomiast na ścięgno rzepki 9-14 krotność masy ciała. Siły kompresyjne wynosiły 11-17 krotność masy ciała, z kolei siły ścinające działające na PCL wynosiły 2-3 krotność masy ciała.

W badaniach Wilk et al. : „największe obciążenie stawów kolanowych w trakcie przysiadów z ciężarem 147 ± 37 kg występowało przy 91 stopniowym zgięciu kolana i  wynosiło 6139 +/- 1708 N (~626 kg). [10]

Ile mogą znieść więzadła?

Wg badań oszacowana maksymalna wytrzymałość:

  • więzadła krzyżowego przedniego (ACL ligamentum cruciatum anterius) wynosi ok. 2 kN (~204 kg),
  • więzadła krzyżowego tylnego (PCL - ligamentum cruciatum posterius) wynosi ok. 4,5 kN (458,9 kg), wg innych źródeł do 4 kN u młodych, zdrowych ludzi, [8]; ma ono ok. 20-50% większy przekrój od ACL, stąd większa wytrzymałość,
  • więzadła rzepki wynosi ok. 10-15 kN u młodych, zdrowych ludzi (10 kN = 1019,7 kg). Wartość oszacowano w badaniach Zernicke i wsp. na podstawie kontuzji ciężarowca, ważącego 82.2 kg. Wykonywał pierwszą fazę podrzutu z ciężarem 175 kg, gwałtownie podniósł sztangę i używając mięśni czworogłowych do wyhamowania pędu wywołał obciążenie szacowane na 14,5 kN (~1478,5 kg) co spowodowało kontuzję więzadła rzepki. [11]

Badania ACL prowadzili Chandrashekar i in., 2006 r.; Noyes i Grood, 1976; Woo i in., 1991, a PCL Amis, 2003 r. Wg badania Brytyjczyków [2] siły ścinające w trakcie skoków i wybijania wynosiły 240 do 1150 N – dla ACL (od 24.5 do 117.2 kg) oraz 820-2550 N dla PCL (83.6 - 260 kg) . Mieściły się w normie tolerancji dla stawu kolanowego, ale należy wziąć pod uwagę znikomy ciężar – 40 kg używany w eksperymencie!

Chciałbym zaznaczyć ważny fakt, dotychczas podnoszenie ciężarów było najbardziej nasyconą farmakologią dyscypliną, co miało wiadome konsekwencje dla stanu stawów, ścięgien i więzadeł ciężarowców. Istnieją silne przesłanki, iż nandrolone powoduje zmianę struktury i osłabienie włókien kolagenowych co ma niebagatelne znacznie dla odnoszenia kontuzji (szczególnie w dyscyplinach siłowo-szybkościowych). Podobnie wysokie ryzyko związane jest ze stosowaniem innych SAA (szczególnie pochodnych DHT np. winstrolu, masteronu). Więzadła zawierają głównie fibrylarny kolagen typu I (podobnie jak skóra, kości, ścięgna, rogówka). Z kolei ścięgna także kolagen niefibrylarny (typ XII i XIV). [17]

Podsumowanie: jak widać, ćwiczenia siłowe wcale nie stanowią aż tak wielkiego zagrożenia. Dlaczego? Gdyż łączny czas pracy stawu pod obciążeniem jest związany z rodzajem wysiłku oraz jego objętością. Z tego powodu obciążenia w treningu siłowym mimo, iż mogą być znaczne, to występują przez bardzo krótki okres czasu. Dla porównania w bieganiu obciążenie występuje przez cały czas i może dochodzić do 14-krotności masy ciała (w zależności od techniki biegu, jego tempa, twardości nawierzchni, doświadczenia biegacza, poprzednich kontuzji, rodzaju obuwia itd.) Z tego samego powodu w górnictwie urazy kolana stanowią 17% ogólnych kosztów zdrowotnych (wymuszona postawa przy pracy w kopalni). [7] Dodatkowo praca w kopalni wymuszająca przebywanie na wysokości 1.1 m lub niższej powoduje 10 razy więcej urazów, w porównaniu do kopalni o normalnej wysokości.

Z pewnością  niebezpieczne dla zdrowia jest ekstremalne podnoszenie ciężarów, trójbój siłowy czy strongman – co potwierdzono w licznych opracowaniach naukowych. Tylko w normalnych warunkach, nie u wyczynowców -  nie spotyka się tego typu przeciążeń. Dodać należy iż na poziomie amatorskim podnoszenia ciężarów, kulturystyki, ani trójbóju nie powiązano ze znaczącym ryzykiem. [12-16] Mimo, iż często z rosnącą głębokością przysiadów wiąże się większe obciążenie, to mało kto wie, iż np. pochylenie się (typowe dla trójboju) znacząco odciąża więzadło krzyżowe przednie (pracę przejmuje grupa tylnych mięśni uda np. dwugłowy, półścięgnisty, półbłoniasty itd.) Dodatkowo stwierdzono, iż głęboki przysiad powoduje rozpraszanie energii ścinających i kompresyjnych na większą powierzchnię, co zabezpiecza kolano. Łąkotki, ścięgna, chrząstki oraz kości – są podatne na procesy metaboliczne – adaptują się do rosnącego obciążenia. Obawy o zmiany zwyrodnieniowe stawu kolanowego, chondromalację czy zapalenie kostno-stawowe związane z wykonywaniem głębokich przysiadów są bezpodstawne. Przysiady ćwierć i pół-zakresowe wykonywane z tym samym ciężarem będą sprzyjać zmianom zwyrodnieniowym stawu kolanowego. Pełny przysiad zabezpiecza stawy kolanowe oraz kręgosłup [18]

Referencje:

  • 1. Francis G. O'Connor ,Robert Sallis, Robert Wilder “Sports Medicine: Justs the Facts”
  • 2.Daniel J Cleather, Jon E Goodwin and Anthony, MJ Bull “Hip and knee joint loading during vertical jumping and push jerking”  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3966561/
  • 3.Simpson KJ, Jameson EG, Odum S. Estimated patellofemoral compressive forces and contact pressures during dance landings. Journal of Applied Biomechanics. 1996;12:1–14
  • 4.Simpson KJ, Kanter L “Jump distance of dance landings influencing internal joint forces: I. Axial forces” Med Sci Sports Exerc. 1997 Jul; 29(7):916-27
  • 5.Simpson KJ, Pettit M Jump distance of dance landings influencing internal joint forces: II. Shear forces. Med Sci Sports Exerc. 1997 Jul; 29(7):928-36.
  • 6.J. Dargel,corresponding author1 M. Gotter,2 K. Mader,1 D. Pennig,1 J. Koebke,3 and R. Schmidt-Wiethoff “Biomechanics of the anterior cruciate ligament and implications for surgical reconstruction”  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2321720/
  • 7. Jonisha P. Pollard, William L. Porter, Mark S. Redfern “Forces and Moments on the  Knee During Kneeling and Squatting” https://www.cdc.gov/niosh/mining/userfiles/works/pdfs/famot.pdf
  • 8. RAFAEL F. ESCAMILLA “Knee biomechanics of the dynamic squat exercise” https://www.wingate.org.il/_Uploads/358253%D7%A1%D7%A7%D7%99%D7%A8%D7%AA%20%D7%A1%D7%A4%D7%A8%D7%95%D7%AA%20%D7%A2%D7%9C%20%D7%A1%D7%A7%D7%95%D7%95%D7%90%D7%98.pdf
  • 9. NISELL, R., and J. EKHOLM Joint load during the parallel squat in powerlifting and force analysis of in vivo bilateral quadriceps tendon rupture. Scand J. Sports Sci 8(2):63–70, 1986.
  • 10.WILK ,K.E.,R.F.E, SCAMILLA,G.S.F, LEISIG ,S.W.B, ARRENTINE, J. R. ANDREWS, and M. L. BOYD “A comparison of tibiofemoral joint forces and electromyographic activity during open and closed kinetic chain exercises” Am. J. Sports Med 24:518 –527, 1996
  • 11.ZERNICKE, R. F., J. GARHAMMER, and F. W. JOBE “Human patellar-tendon rupture: a kinetic analysis”. J. Bone Joint Surg. [Am.] 59A:179 –183, 1977.
  • 12.Gregg Calhoon, MS, ATC and Andrew C. Fry, PhD, CSCS J Athl Train. 1999 Jul-Sep; 34(3): 232–238. “Injury Rates and Profiles of Elite Competitive Weightlifters”
  • 13.Justin W L Keogh i wsp. "Retrospective injury epidemiology of one hundred one competitive Oceania power lifters: the effects of age, body mass, competitive standard, and gender"
  • 14. Siewe J1, Rudat J, Röllinghoff M, Schlegel UJ, Eysel P, Michael JW. “Injuries and overuse syndromes in powerlifting” http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21590644
  • 15.Winwood PW1, Hume PA, Cronin JB, Keogh JW. “Retrospective injury epidemiology of strongman athletes.” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23669816
  • 16.Alicia M. Montalvo1,, Hilary Shaefer1, Belinda Rodriguez1, Tan Li1, Katrina Epnere1, Gregory D. Myer2 “Retrospective Injury Epidemiology and Risk Factors for Injury in CrossFit” http://jssm.org/research.php?id=jssm-16-53.xml
  • 17.http://annales.sum.edu.pl/archiwum_publikacje/2014_68_4_9.pdf
  • 18.Hartmann H1, Wirth K, Klusemann “Analysis of the load on the knee joint and vertebral column with changes in squatting depth and weight load”. M Sports Med. 2013 Oct;43(10):993-1008. doi: 10.1007/s40279-013-0073-6.  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23821469