跑步力學步態的綜觀:步頻與步幅

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在力學研究裡頭,最基礎的研究主題非步態研究莫屬,然而,最博大精深的知識也是從步態而來。

探討的過程中,可以討論一般人步態重心的分佈,髖膝踝下肢關節的移動與實驗室座標的相對位置(參考附圖一,如果是使用3D動態攝影捕捉系統就必須了解個體在一個空間裡頭的位置,這樣才有辦法計算人體“所位於”空間的位置,究竟移動了多少距離,產生多少角度變化,而不是單純使用app測量,因為app很難去描述當下空間與人體相對的對應關係),步頻與步幅的對應關係。

例如:老年人與年輕人的身體重心分佈可能會不同,差異可能來自足底肌肉的使用與平衡能力變差。老年人在使用髖膝踝的模式容易出現代償,好讓他們可以穩定的行走,如果是研究跑步的話,那就很有可能看見兩組群之間,跑步的頻率與幅度的差異性。『亦就是說,影響因素是很多的!』

因此,一篇研究整理出步態會改變來自於幾個邏輯重點(附圖二),例如:能量系統會影響到肌肉的工作效益,而肌肉的效益又跟個體的肌肉屬性偏快縮肌或慢縮肌有關。

肌肉的使用狀況則會跟當下如果某塊肌肉過度使力,肌肉感受的負荷或力量產生差異,地面反作用力的臨界值而有影響。在這過程中,就得考量到肌肉所進行的時間與認知到使用了多少能力。

舉例:

小明訓練自己成為馬拉松選手已經長達十年,最近參加了一個高級長跑訓練中心,集訓時,經過儀器檢測後,身上富含了較多的『耐力性慢縮肌群』,於是興高采烈地開始練習為了達標東京奧運『馬拉松』項目,期望可以當上台灣二哥(因為一哥已經是真男人了)

當身體在用『三分十秒』的速度跑『一公里』時,完成了『五趟』的訓練。由於當天練習過程中,『股四頭肌(大腿前側)』很痠,教練發現小明很用力的『推地板』是主因,訓練完後,小明覺得這份課表應該有自我努力量表約有『七分』累,但還可以跑個一趟。

從舉例來看『耐力性慢縮肌群』,『馬拉松』,『一公里』,『五趟』,『股四頭肌』,『推地板』,『七分』,符號中的字眼都會是關鍵性影響步頻與步幅,假設一個跑過馬拉松五年的選手,相較於參加第一場馬拉松賽事的選手,如果我們用同樣的標準去審視步頻180才標準,那麼,我們就很有可能在操弄他的頻率與步幅。這樣好嗎?來看下一段VCR。(什麼時候有youtube頻道?)

當研究導向是希望比較受試者的跑步頻率,一個是自我感覺,一個是快於5%,一個是快於10%,肌肉使用上便有不同的差異性(附圖三)。儘管研究結果導向在肌肉的使用狀況在步頻差異時,沒有顯著差異,卻也帶出兩個議題。

當跑步速度快時,大腿後側肌群(腿後腱肌群),會在擺動期的中段(如果將跑步的移動設定為100%,從落地到離地到騰空到下一次落地為順序,擺動的中段會在70-80%,參考附圖四)會有明顯收縮機制上升的狀態,目的是為了增加地面反作用力的吸收,使用膝關節在承受壓力時的力矩(落地時膝關節角度越大,相對力矩越大)。

另外,也會影響腓腸肌(小腿後側)為了提升頻率,而使得它在落地時提早的將腳踝呈現足部外翻(pronation)的機制提高,以便降低脛骨前側肌的作用。

研究看起來頻率加快是好事,但千萬要記得“影響頻率的因子會有很多面向”,個體本身的肌肉適不適宜太快提高頻率?有沒有可能產生單一肌肉過度負荷?即便當下可以應付,長期下來都可能是壓力的累積。

從研究設計方向來看,跑者在實驗過程中平均移動速度是2.9 m/s, 平均每分鐘移動的步頻是172 step/min,這平均速度的來由是利用跑步機跑動五分鐘去推算的,接著會根據跑者本身的速度增加5%或10%頻率,每次擷取肌肉電位訊號資料是15秒,最少限度是一分鐘,避免資料擷取遺漏。

為什麼不急著看到實驗數據就推斷步頻快就是會對跑步表現是有好處的?

第一:實驗過程是短暫的,跑馬拉松是相對時間拉長的,代表的是,實驗數據是15秒-60秒,馬拉松相對是10800秒(以三小時完成全馬來看)。數據顯示腿後腱肌群與腓腸肌在頻率快可以幫助跑者的效率提高,如果跑者本身的肌力與肌耐力不足,那麼他可以維持多久呢?又或者長期狀態下,肌肉緊繃的張力會不會大到影響關節動作?都是思考點。

第二:大多數研究的背後都會發現『步頻在長距離訓練過後,本身的頻率是會增加(參考附圖五),降低的反倒是步幅』。亦就是說速度的維持是步頻與步幅的乘積,而跑者本身會為了維持速度,找到合適的方法,步頻的維持來自大量的神經傳導,然而步幅卻可以透過本身的肌肉力量與關節本體擺動來維持,小編最近剛好讀到一段話『人體速度來源不全然來自肌肉,而是關節“力矩”的組合,使得人體速度能夠維持』。

第三:或許重點不是步頻,而是地面接觸時間與地面反作用力的效益,步頻與步幅是人體生物系統的自然產物,很難打破,可曾想過為什麼大多數跑快的人頻率都接近180 spm(stride per minute)?而不是都是在200spm起跳?

因為關鍵的來源不一定是步頻,那只是我們看到的現象,真正的要素或許是地面接觸時間,當接觸時間越短,代表的是身體體重在落地支撐時,下肢肌肉的反應程度是立即的,可以快速在肌肉傳導與釋放的,當接觸時間越長,代表的是身體體重在落地支撐時,下肢肌肉的反應程度是延長的,可以在肌肉產生吸收與對抗。簡單的例子:原地跳,當接觸時間的長短受到改變,自然會影響跳動的力量與傳導。

總結:

小編想說的是『步態的改變』是多元的,研究背後的架構很重要,探索後面的意涵需要多方面思考。步頻改變不是三言兩語或者一簇可及,步頻可能只是步態的一小部分,能量系統會改變步態,關節動作差異會改變步態,肌肉比例與能力會影響步態。

內容來源:Jogging Running Sprinting行動跑步教室

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