Resumo Introdução: As evidências são limitadas quanto às formas de otimização do arranjo mecânico das máquinas a fim de minimizar as forças na articulação do joelho. Objetivo: O presente estudo comparou seis modelos de extensão de joelhos realizados em cadeia cinética aberta sob a pressão aplicada nas articulações patelofemoral e tibiofemoral. Métodos: Um modelo do sistema musculo-esquelético do membro inferior foi desenvolvido utilizando seis desenhos de roldana com o objetivo de alterar as forças resistivas. Uma máquina referência foi utilizada, uma com uma roldana concêntrica, um modelo baseado na relação torque-ângulo dos extensores do joelho, um modelo de peso livre e dois modelos otimizando a aplicação de cargas foram simulados. A otimização foi aplicada visando reduzir o raio da roldana excêntrica e minimizar as forças aplicadas no joelho. O raio da roldana, a força produzida pelo executante, as forças compressivas e de cisalhamento nas articulações tibiofemoral e a pressão na articulação patelofemoral foram comparadas para os seis modelos de máquina utilizando cinco ângulos de flexão do joelho. Resultados: Reduções no raio da roldana foram observadas comparando o modelo de peso livre com os demais modelos (73-180%). Maior força produzida foi observada para o modelo de roldana constante comparado aos demais modelos (9-36%). Maior força produzida foi estimada para realizar a extensão do joelho utilizando a roldana constante comparada com os demais modelos (13-36%) sem efeitos sobre as forças no joelho. Conclusão: O arranjo mecânico das máquinas alterou a força produzida pelo executante sem afetar as forças aplicadas no joelho.

Abstract Introduction: Limited evidence has been shown on ways to optimize the mechanical design of machines in order to minimize knee loads. Objective: This study compared six computer simulated models of open kinetic knee extension exercises for patellofemoral pressure and tibiofemoral forces. Methods: A musculoskeletal model of the lower limb was developed using six different cam radius to change resistive forces. A default machine, a constant cam radius, a torque-angle model, a free-weight model and two optimized models were simulated. Optimized models reduced cam radius at target knee flexion angles to minimize knee forces. Cam radius, human force, tibiofemoral compressive and shear force, and patellofemoral pressure were compared for the six models using data from five knee flexion angles. Results: Large reductions in cam radius comparing the free-weight model to other models (73-180%) were limited to the large human force for the constant cam model to other models (9-36%). Larger human force (13 -36%) was estimated to perform knee extension using a constant cam radius compared other models without large effects in knee joint forces. Conclusion: Changes in cam design effected human without a potential impact in knee loads.

A energia mecânica necessária para a pedalada no ciclismo depende de ações musculares concêntricas e excêntricas. Contudo, até o momento não se tem conhecimento de como variações na cadência de pedalada podem influenciar o tipo de ação muscular utilizada. O presente estudo investigou os efeitos de alterações na cadência nas ações musculares concêntricas e excêntricas durante a pedalada. A absorção e a produção de potência pelas articulações foram calculadas para monitorar possíveis repercussões das mudanças na cadência sobre a cinética articular. Vinte e um ciclistas participaram do estudo (VO2pico: 64,1 ± 5.0 ml/kg/min; volume de treinamento: 368,2 ± 69,5 km/semana). Na primeira sessão de avaliação, a potência máxima (POMAX) e a potência produzida relativa ao segundo limiar ventilatório (POLV2) foram determinadas durante teste incremental até a exaustão. Na segunda sessão, os ciclistas realizaram dois testes de dois minutos de duração a 70 e 90 rpm e carga constante (POLV2). A ativação de seis músculos, a força aplicada no pedal e a cinemática do membro inferior direito foram avaliadas. Um maior tempo de ativação foi observado em fase excêntrica para os músculos vasto medial (8%; p < 0,01) e bíceps femoral (20%; p = 0,04) a 70 rpm em relação a 90 rpm, além de maior tempo de ativação em fase concêntrica para o músculo vasto medial (10%; p = 0,04) a 90 rpm em relação a 70 rpm. Não se observou diferença nas potências articulares entre as cadências testadas. A não alteração da potência articular sugere uma tendência de conservação do padrão do movimento com a alteração da cadência de pedalada. A ativação excêntrica de músculos da articulação do joelho pode estar relacionada com o controle articular, transmissão de força e redução do custo energético.

The mechanical energy required to propel the crank may depend on eccentric and concentric muscle actions. However, it is uncertain whether pedaling cadence would elicit changes in concentric and eccentric contributions. Therefore, the purpose of the present study was to investigate the effects of alterations in pedaling cadence on the eccentric and concentric muscle actions. Joint power production and absorption were calculated to assess potential effects from variations in pedaling cadence on joint kinetics. Twenty-one cyclists participated in this study (VO2pico: 64.1 ± 5.0 ml/kg/min; training volume: 368.2 ± 69.5 km/week). In their first session, maximal power output (POMAX) and power output related to the second ventilation threshold (POVT2) were determined during an incremental maximal cycling test to exhaustion. In their second session, cyclists performed two 2-min trials with workload from their POVT2at two different cadences (70 and 90 rpm). Muscle activation of six muscles, pedal forces and lower limb joint kinematics were evaluated. Longer eccentric contraction at 70 rpm for vastus medialis (8%; p < 0.01) and biceps femoris (20%; p = 0.04) were observed compared to 90 rpm. Longer concentric contraction for vastus medialis muscle (10%; p = 0.04) at 90 rpm was observed compared to 70 rpm. There were no differences in joint power production and absorption among pedaling cadences. No alterations in joint power could indicate maintenance of movement when pedaling cadence is changed. Eccentric contractions from knee muscles could be related to joint control, force transmission and reduced energy cost.

O objetivo deste estudo foi verificar a influência da fadiga na técnica de pedalada durante teste de ciclismo máximo até a exaustão. Oito ciclistas treinados realizaram um teste incremental máximo e um teste de carga constante até a exaustão com 48 horas de intervalo. As forças resultante (FR) e efetiva (FE) aplicadas no pedal foram calculadas para a determinação do índice de efetividade (IE). A FE apresentou aumento entre o início e fim do teste (de 125 ± 16 para 169 ± 52 N, p=0,03), enquanto o IE e a FR não apresentaram alterações (de 0,55 ± 0,10 para 0,59 ± 0,08, p=0,14; de 230 ± 33 para 284 ± 72 N, p=0,08, respectivamente). O tornozelo apresentou aumento na amplitude de movimento (de 19º ± 4,69 para 28 ± 7,29º, p<0,01). Os resultados sugerem que, durante teste de carga constante até a exaustão, ciclistas treinados mantêm a técnica de pedalada e que esta pode ser uma estratégia para manter a potência.

The aim of this study was to investigate the effects of fatigue on the pedaling technique during maximal cycling test until exhaustion. Eight well-trained cyclists completed an incremental test and a constant workload cycling test until exhaustion with 48 hours of rest. The resultant (FR) and effective (FE) forces were calculated to obtain the index of effectiveness (IE). FE increased from the start to the end of the test (from 125 ± 16 to 169 ± 52 N, p=0.03), whereas no differences were observed for IE and FR (from 0.55 ± 0.10 to 0.59 ± 0.08, p=0.14; from 230 ± 33 to 284 ± 72 N, p=0.08, respectively). Increases in ankle joint range of motion were observed (from 19º ± 4.69 to 28 ± 7.29º, p<0.01). Results suggest that during cycling until exhaustion well-trained cyclists are able to sustain the pedaling technique, which can be an important strategy in order to sustain the power output.

A ativação dos músculos do membro inferior foi avaliada durante a pedalada até a exaustão utilizando bandas de frequência. Nove ciclistas foram avaliados em dois dias. No primeiro dia, os ciclistas realizaram um teste de carga incremental para a determinação da máxima potência aeróbia, sendo esta utilizada como carga de trabalho para o teste de carga constante até a exaustão durante o segundo dia de avaliações. Foi adquirida durante o teste de carga constante a ativação dos músculos vastus lateralis (VL), porção longa do biceps femoris (BF), porção lateral do gastrocnemius (GL), e tibialis anterior (TA) do membro inferior direito. Uma série de nove filtros digitais do tipo passa-banda Butterworth foi utilizada para a determinação da amplitude do sinal obtido de cada banda de frequência. As ativações musculares oriundas das nove bandas, das bandas de alta frequência e das bandas de baixa frequência foram definidas para a análise dos efeitos da fadiga muscular por meio da magnitude das alterações. O padrão da ativação global das nove bandas durante o teste de carga constante foi determinado utilizando um polinômio de segunda ordem, enquanto a variabilidade da ativação foi avaliada por meio do coeficiente de variação. Reduções substanciais nas bandas de alta frequência foram observadas para os músculos VL e BF ao longo do teste. A ativação das nove bandas e das bandas de baixa frequência apresentou alterações triviais. Uma elevada capacidade preditiva do padrão de ativação muscular foi observada utilizando o polinômio de segunda ordem (R² > 0,89). Uma elevada variabilidade (~25%) foi observada para a ativação muscular ao longo do teste. Alterações substanciais nas características da ativação muscular foram observadas apenas quando mudanças extremas no estado de fadiga muscular foram induzidas.

Lower limb muscles activation was assessed during cycling to exhaustion using frequency band analysis. Nine cyclists were evaluated in two days. On the first day, cyclists performed a maximal incremental cycling exercise to measure peak power output, which was used on the second day to define the workload for a constant load time to exhaustion cycling exercise (maximal aerobic power output from day 1). Muscle activation of vastus lateralis (VL), long head of biceps femoris (BF), lateral head of gastrocnemius (GL), and tibialis anterior (TA) from the right lower limb was recorded during the time to exhaustion cycling exercise. A series of nine band-pass Butterworth digital filters was used to analyze muscle activity amplitude for each band. The overall amplitude of activation and the high and low frequency components were defined to assess the magnitude of fatigue effects on muscle activity via effect sizes. The profile of the overall muscle activation during the test was analyzed using a second order polynomial, and the variability of the overall bands was analyzed by the coefficient of variation for each muscle in each instant of the test. Substantial reduction in the high frequency components of VL and BF activation was observed. The overall and low frequency bands presented trivial to small changes for all muscles. High relationship between the second order polynomial fitting and muscle activity was found (R² > 0.89) for all muscles. High variability (~25%) was found for muscle activation at the four instants of the fatigue test. Changes in the spectral properties of the EMG signal were only substantial when extreme changes in fatigue state were induced.

A mudança da posição do corpo sobre a bicicleta tem sido relacionada a alterações na ativação dos músculos do membro inferior. Desta forma, o objetivo do presente estudo foi comparar a ativação dos músculos "Tibialis Anterior", "Gastrocnemius Medialis", "Biceps Femoris", "Rectus Femoris", "Vastus Lateralis", "Adductor Longus" e "Gluteus Maximus" nas seguintes situações: 1) posição de referência (posição preferida); 2) posição de adução (joelhos tangenciando o quadro da bicicleta); 3) posição de abdução (joelhos afastados do quadro da bicicleta). Seis atletas com experiência competitiva em ciclismo foram avaliados por meio da eletromiografia de superfície (EMG). Todos pedalaram em suas próprias bicicletas montadas em um ciclosimulador, com carga de trabalho normalizada pelo VO2 de forma que a taxa de troca respiratória se mantivesse entre 0,8 e 1,0. A ativação muscular foi analisada por meio da comparação da média do envelope RMS e do período de ativação para cada um dos músculos, nas três posições avaliadas. Não foram observadas diferenças significativas para a média do envelope RMS e para o período de ativação dos músculos nas três posições avaliadas, à exceção do "Adductor Longus". Observou-se maior ativação (36 ± 6%) deste músculo na posição de adução comparado a posição de abdução (25 ± 11%) para um valor de significância de p = 0,02, sem diferenças em relação a posição de referência (27 ± 7%). Estes resultados sugerem que não ocorrem alterações substanciais na ativação dos principais músculos do membro inferior quando a posição dos joelhos no plano frontal é alterada e a carga de trabalho é mantida, à exceção do aumento da participação do "Adductor Longus".

Cyclist's body position on the bike has been related to changes in muscle activation. Therefore, the aim of the present study was to compare the activation of Tibialis Anterior, Gastrocnemius Medialis, Biceps Femoris, Rectus Femoris, Vastus Lateralis, Adductor Longus e Gluteus Maximus muscles in three conditions: 1) reference position (preferred position); 2) adduction position (knees almost touching the bicycle frame); 3) abduction position (knees away from the bicycle frame). Six athletes with competitive experience in cycling were evaluated using surface electromyography. They pedalled using their own bicycles mounted on a wind-trainer, with a workload relative to the second ventilatory threshold. Muscle activation was defined by the mean value of the RMS envelope and by the activation period for the three evaluated positions. There were no significant differences in muscles' RMS or activation period between the three positions, except for the Adductor Longus muscle. In adduction position, this muscle was more activated (36 ± 6%), compared to the abduction position (25 ± 11%) for a significance level of p = 0.02, without significant differences for the reference position (27 ± 7%). These results indicate that there is no substantial difference in the activation of the most important muscles of the lower limb when the position of the knee is changed in the frontal plane for the same workload level, with the Adductor Longus as an exception.

No estudo da biomecânica do ciclismo diversas técnicas têm sido utilizadas para descrever e compreender o movimento da pedalada. O objetivo deste estudo é propor uma metodologia para a avaliação de ciclistas sob o ponto de vista das forças aplicadas no pedal. Um ciclista de elite foi avaliado por meio de um protocolo que consistiu em alterar o selim em quatro diferentes posições (deslocado para cima, para baixo, para frente e para trás) a partir da posição de referência, especificamente, aquela adotada para treinamento pelo ciclista. A mudança no ajuste do selim foi de 1 cm. A bicicleta do atleta foi acoplada a um ciclossimulador magnético. A carga do teste foi normalizada por um critério fisiológico (segundo limiar ventilatório), simulando o ritmo de prova do atleta. O pedal direito foi substituído por um pedal bidimensional instrumentado para registrar as forças normal e tangencial. A média do impulso angular da força efetiva foi calculada a partir de dez ciclos consecutivos de pedalada. As mudanças na posição do selim modificaram o impulso da força efetiva em relação à posição de referência. Sendo assim, o protocolo é eficaz e pode ser aplicado em diferentes situações.

Many techniques have been used in biomechanics to describe the cycling movement. The purpose of this study is to proposal a specific methodology to evaluation the forces applied on the pedal. An experienced elite cyclist was submitted to a protocol which consisted of four different saddle positions (upward, downward, forward, and backward) assuming as reference position the one used by the cyclist in training and competition. The displacement of the saddle was of 1cm in all tests. The individual's bicycle was connected to a magnetic cycle simulator. The load was normalized by a physiological criterion (ventilatory threshold), to simulate the cyclist's race rhythm. The right regular pedal was replaced by a 2D instrumented pedal to record the force normal and tangential components applied on it. Mean impulse of the angular effective force was calculated from ten consecutive pedaling cycles. The four different saddle positions have modified the effective angular pedaling impulse comparing with the reference position. Relatively small saddle adjustments may affect the effective angular pedaling impulse and supposedly cycling performance.