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何謂跑步前傾角度?

文/耐力網/楊志祥

前傾角度為腳掌最後離開地面前的點(此時身體部分體重還留在腳掌上)與臀部連成的直線,這段直線與垂直於地面的鉛直線所形成夾角,即為跑者的「前傾角度」,前傾角度與步幅有直接關係,因為前傾角度愈大,腳掌落得愈遠,步輻因此也愈大。

螢幕截圖 2014-05-02 20.40.34.png

【圖】前傾角度示意圖

如何瞭解自己目前的前傾角度?

判斷跑者的前傾角度,需要從側面拍攝跑者的跑步姿勢,在做著地點的取樣時,必須要在身體重量還在支撐腳上時取得,並非腳尖最後離地時。因為腳尖離地時已經失重,對加速度並無幫助,例如右圖中的跑者的腳尖已經離開地面,因此不能以此時的腳尖位置當作前傾角度的依據;左右中的跑者蹠球部仍支撐在地面上,此時才算是「腳掌最後離開地面前的點」,而非腳尖。

前傾角度對跑步的影響

許多人一聽到「利用地心引力」來跑時,很快就會生出質疑:地心引力是鉛直力,那它是如何創造出水平動力呢?下面我們從《挑戰自我的鐵人三項訓練書》中摘圖來說明。

先從球的滾動來說明移動的原理。當你把一顆球靜止不動地擺在桌面上時,它的重心剛好落在它與桌面的接觸點上,兩點相同,所以保持平衡,但只要你稍微抬高桌子的一邊,球的重心一但超過那原始的接觸點,它就會失去平衡而滾動。也就是說:球滾動的原因是為了尋找新的平衡而不斷地改變支撐點。

球失平衡所以可以往前滾.GIF

【圖】 球之所以能流暢地滾動是因為它有連續平滑的支撐點

球本身並沒有做任何事,它只是順著重力轉換支撐點而已。當你利用重力,使身體重心落在支撐腿的前方,如此身體就會自然地為了尋求新的平衡而前進。身體只是為了尋求新的平衡,不斷換腳以改變支撐點。人類的跑步動作,就是靠著雙腿不斷地轉換支撐點來前進。

當跑者從速度 0 的靜止狀態開始移動,啟動時必須要有加速度,跑步的加速度就需要靠著身體重心前傾時的失衡狀態來產生加速度與步距。

你可以立即在原地試試看,交替把左右腳腳後跟往後向臀部拉起、放下,的確輕鬆省力,但不太容易前進。可是只要你稍稍地把重心(臀部)往前傾,就會發現身體自然地往前移動。沒錯,這就是自然邁步的跑法。你可以發現當你愈往前傾時,因為重心往前移,腳步會自然加快,每一步之間的距離會加長。

 

角度決定加速度.GIF

假設你的體重為 m,前傾角度為α,重力常數為g,因此 「mg˙sinα」即為你前傾時所造成的「力量」(F), 我們假設你前傾的力創造了加速度a,則有ma=mg˙sinα。消去 m,得到:a=g˙sinα,也就是說:前進的加速度和前傾的角度成正比,前傾角度愈大,向前衝的加速度也愈大。

(以上摘自徐國峰:《挑戰自我的鐵人三項訓練書》,台北市:臉譜出版,2014年,頁47~49)

因此,綜合以上關於前傾角度的討論,從物理歸納的結論是:愈大的前傾角度+愈快的步伐=跑得更快

反之,不管你的力量多大、爆發力多強、神經反射多快,只要你的前傾角度等於零,雙腳動得再快都只會是原地跑而已。既然只要速度會跟著前傾角度一起提升,那為什麼許多人還是跑不快呢?因為前傾角度增加時,不但落地的衝擊也會跟著加大,而且未經訓練的步頻也會使你的腳步跟不上前傾所造成的失衡狀態。當腳跟不上,肌肉也負荷不了時,此時身體就會自然要你跨出腳掌,不要前傾那麼多……當然,速度自然就掉下來了。

 

實驗的結果:日月潭鐵人賽中菁英跑者的前傾角度研究

我想要實地瞭解臺灣的菁英鐵人們在跑步時的前傾角度跟速度間的關係,因此今年的日月潭鐵人三項錦標賽,我們利用攝影機紀錄單項跑步時前十名菁英選手的跑步影像。我的做法是利用Garmin Virb運動攝影機,以1/4秒速率的側面角度拍攝選手的跑步動作。

  • 後製使用工具:

    • Movie Maker

    • 小畫家

    • Meazure 螢幕量角器

先使用Movie Maker做定格擷取,以同側腳為主(攝影機在選手左側,圖片擷取以左腳為主),利用小畫家中三角形的圖示拉出鉛直線,在利用Meazure螢幕量角器做測量。如下圖:
C:\Users\GAME_LAB\Desktop\日月潭\角度問題人物\罐頭 LAP-3.png

【圖】使用Garmin VIRB攝影機拍攝,利用小畫家剪裁與Meazure 螢幕量角器丈量。

丈量完角度之後,先將1-10名的跑步成績列表,再將1-10名的前傾角度做排名,發現第一名的跑步成績為36:49:00,前傾角度為18.4度(全部選手第一名),這與實驗分析前的預估一樣(前傾角度越大,速度越快),開始分析後續幾名的跑步成績與前傾角度的關係,如下:

選手路跑成績及前傾角度列表

跑步名次

十公里跑步成績(分:秒)

角度名次

前傾角度

1

36:49

1

18.4

2

37:41

5

16.4

3

37:44

3

16.8

4

38:09

2

17.4

5

39:17

7

15.5

6

40:08

3

16.8

7

42:16

6

16.1

8

42:47

8

14.3

9

43:05

10

13.6

10

44:18

9

13.7

路跑成績2-10名的選手,前傾角度與成績並沒有絕對成正比,不過可以察覺到路跑成績8.9.10名前傾角度確實比較小,為何在2-7名的選手中前傾角度跟他們的成績無法形成正相關呢?後來在影片中發現了幾個關鍵的變數,也是影響跑步速度的關鍵,先列出來,之後希望再仔細一一來討論:

  1. 腳掌拉高的高度:因為腳掌拉起的高度越高,配合前傾的角度,能夠讓往前落下的距離加大,(本研究無法從影象中分析腳掌拉起的高度,於下面限制中解釋其原因)

  2. 步頻(步/分):因為「愈大的前傾角度+愈快的步伐=跑得更快」,因此步頻是跑步速度的另一個關鍵指標,本實驗中並無法知道每位跑者的步頻,因此也成為一項不可控制的變數。

  3. 垂直振幅:有些選手雖然前傾角度大,但跑步時的上下振幅也很大,那反而會降低他的跑速,這也變成無法控制的變數之一。如果兩位跑者前傾角度一樣時,但其中一名跑者的垂直振幅較高,代表此跑者的跑步力量分散到上下的跳動,沒有完全將力量傳導到水平的移動上,所以即使是一樣的前傾角度,但因為力量分散掉了,所以前進的距離也相對較少。

  4. 觸地時間:與上列敘述相同,兩位跑者如果再相同的前傾角度下,但是其中一位觸地時間較長,代表重心轉移的效率較差。舉例:一個正方形體與一個八方形體同樣的速度在滾動,正方形體因為點與點觸地的時間較長,所以在滾動傳導上八方形的效率較佳,由此可知為何現在交通工具上的輪子都是正圓形。

  5. 觸地角度:其中跟跑步技術關係最深即為觸地角度。因為觸地瞬間,腳掌與與身體重心(臀部)的角度大小就與減速度成正相關,觸地的角度愈大,減速度也愈大。

1005010022_1.jpg 

【圖】左:觸地角度的圖示說明/右:前傾角度

 

此次前傾角度研究的限制

從研究中,發現決定跑步速度的原因不只上述所說的5種便因,其中還要考量到「攝影採樣的方式」、「地形的因素」、「擷取畫面的準確性」。做出以下統整:

  • 在拍攝時,應由定點改為跟拍(或是在跑步機上固定角度進行拍攝)

    • 原因:因為在攝影選手時,定點容易受到其他選手影響,畫面取樣遠近及時間長短不好拿捏。改善辦法:先向大會申請在賽道中可使用機車或腳踏車跟拍,增加取樣準確性。

  • 離地點和觸地點準確性需要提高

    • 原因:「觸地點的位置」在實驗中扮演最要的角色,點與點中的角度是本實驗的重點,必須要在高解析度的圖片中取點,才能確保準確性。

    • 作法:同第一問題的解決方式,採用跟拍再將模式改成高畫數(可以不用慢動作拍攝,因為後製可以用慢動作處理),再擷取畫面後,由同一個人來做離地點、髖關節、觸地點的評估。因為同一個人的判斷才會一致,由不同人來判斷會有誤差值。

  • 攝影廣角問題

    • 原因:運動相機屬於廣角(可視角度170度),雖然角度比一般相機的廣,但在遠端近端的距離會不同,容易造成角度判斷的誤差值。

    • 作法:攝影機可以改為一般攝影機或是高速攝影機,可以不需使用運動攝影機。一般攝影機相素較高,拍攝下畫質較佳,取樣時較準確。

  • 無法判斷腳掌拉起高度

    • 原因:因拍攝方法為定點拍攝,拍攝時選手經過攝影機時,遠近距離不一,無法依照比例尺方式計算拉起高度,故無法在本文中判斷「腳掌拉起高度」

    • 作法:如要將腳掌拉起高度帶入研究中,場地應該在跑步機上做採樣,高度遠近的因素將被控制,參考依據則準確度增加。

【圖】此2014年日月潭鐵人三項錦標賽,精英男子組選手魏振展的跑步側面圖,測量前傾角度的方式為,先從髖關節髂骨的位置作為身體中心點,取得前腳掌最後離地點,利用直角三角形的特性,取出與地面垂直的點,再算出前腳掌與垂直點間的角度,取得「前傾角度」。

耐力網LOGO(160象素寬)作者:楊志祥/編輯:徐國峰

圖片來源:楊志祥、《挑戰自我的鐵人三項》、耐力網

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