那些數據很重要 從生物力學看馬拉松

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跑步可以討論的參數非常多,然而什麼是重點?又或者我們應該關注什麼?

照片來源:NYtimes
照片來源:NYtimes

訓練其實很單純,數據只是告訴你當下發生的狀態,卻不代表你明天無法克服它,只要做對的訓練,數據就會如你所願,聽起來好像很容易辦到,但小編會說先讓我們知道哪些數據在跑步是重要,才可以去判斷哪些訓練會影響數據。

馬拉松的歷史力學數據

(附圖一)
(附圖一)

男生與女生參與馬拉松的比例一直在1960-70年代才有大幅度縮短差距,甚至為人所知的『女生跑馬拉松』曾經在奧運史上不被接受的 (參考資料) 從一張附圖可以看得更清楚(附圖一),但這似乎也代表著『女子馬拉松成績大幅度的提升是個趨勢』,甚至也有運動科學研究人員以為『在耐力表現運動上,以平均趨勢而言,女生不輸於男生運動員的表現』(The rate of improvements in marathon performance of women has been much faster than of men cited from Burfoot, 2007)。在2011年Olsen甚至提出假設女生馬拉松成績將會跨越男生的鴻溝,甚至超越男生。然而,卻在2015年男生馬拉松紀錄大幅突破到2小時02分,才又再次讓男生與女生的紀錄相差10.1%。

從速度數據看馬拉松

從最早的紀錄來看,男生馬拉松紀錄是1908年的2小時55分18秒到2015年2小時02分57秒,女生馬拉松紀錄是1926年3小時40分22秒到2003年的2小時15分25秒。
以速度記錄來看,男生跑馬拉松的速度進步幅度是43%,女生跑馬拉松的速度進步幅度是63%<14.44 and 11.49 km/h對比20.59 and 18.70 km/h>。(備註:本篇研究是2017年完成,資料是2015年以前的紀錄所統計,因此並未納入馬拉松破二之神Kichoque)。

以步頻與步幅來觀察馬拉松成績

(附圖二)
(附圖二)

Nigg(2010)指出完成馬拉松的平均步數是20,000大步(一個stride等於兩個step,左腳落地與右腳落地),而範圍會落在11,400-20,000大步。根據未發表的數據顯示,平均步頻會落在1.54 Hz(附圖二),代表每秒移動1.54大步,平均步幅會落在3.71公尺,因此,算起來最完美的數據會是11,400大步。

跟馬拉松成績運動表現相關的力學因子:

跑步週期(附圖三)
跑步週期(附圖三)

一)支撐佔40%。落地的瞬間會產生『身體體重』以及『身體重心』支撐在落地腳的離心力量,股四頭肌(大腿前側)進而將力量轉換到上半身各部位,然而落地腳支撐過程中,踝,膝以及髖關節都是呈現彎曲的狀態,另外,2001年有生物力學專家認為跑步週期的mid-Stance(支撐中期)時30-50度的膝蓋是減緩反作用力的角度。

二)擺動則是佔60%,代表的是腳趾頭離地瞬間到下一次腳跟或腳趾落地所花的時間比例,科學家認為擺動的過程中,膝蓋會『自然找到合適的角度』,利用髖屈肌群向心力氣向前。

(附圖四)
(附圖四)

腳掌觸地模式(附圖四)

一)前腳掌:落地時腳踝,與地面所呈現的角度小於0度。
二)中足:落地時腳踝,與地面所呈現的角度等於0度。
三)腳跟:落地時腳踝,與地面所呈現的角度大於0度。

在這裏,本篇研究並沒有特別闡述哪一種觸地方式比較有優勢。

(附圖五)
(附圖五)

地面反作用力

一)垂直:這個力量扮演著重要的角色,因為是三種地面反作用力中最大的,也是所謂的跑步時需要承受三倍體重的重量的關鍵反作用力。

在運動科學裡頭,垂直反作用力可以細分成高頻(衝擊力,大於8赫茲)跟低頻(制動力,小於8赫茲),低頻的部分跟跑步時的力量分佈最有關係,取決於下踩時會有煞車動作,如果是習慣腳跟著地的跑者,低頻制動力大約會是5-15公斤的重量,然而是習慣腳趾著地的跑者,低頻制動力大約會小於1-2公斤,亦就是4-14或3-13公斤。這也是為什麼多數科學家會認為腳趾先著地會有優勢的原因。

至於為什麼會有5-15公斤這麼大的落差,可以解釋為當落地瞬間時膝蓋伸直程度越大,垂直低頻制動力就越大,落地瞬間時膝蓋屈曲程度越大,垂直低頻制動力就越小。

二)水平:煞車是必然發生的現象,科學家認為煞車應該發生的時間點越短越好,煞車所產生的反作用力應該越小越好。從附圖五可以看出來,落地後前三分之一的時間點(落地瞬間到支撐中期),力量值都屬於負值,經過之稱中期後,開始看到水平力量曲線圖往上升,這可以稱之為水平推進力的開始。早期在1999年有科學家認為維持跑步經濟效益的來源就是在身體質量重心的移動過程中,降低煞車作用力,同時也必須伴隨著降低水平推進力。更進一步的討論,為了維持一定的速度,水平推進力必須補足煞車效應所耗費的生物能量,這樣才可能保持穩定的速度。

三)左右:這力量對於跑者而言就是一個剪力,同時也是上述兩種力量最小的。科學家認為左右的反作用力很容易因人而異,因此,大多數對於這個力量的討論是很少的。

(附圖六)
(附圖六)

關節力矩

力矩分成內與外力的對等關係。關節移動的過程中,藉由槓桿原理力乘以力臂獲得力矩,讓身體可以穩定的移動。就以附圖而言,身體自然會有外力,因為我們會有往前移動的意圖,乘以腳尖到踝關節的槓桿位置(較遠),那麼身體就必須肌肉所使用的內力,甚至必須大於外力,然而因為肌肉連結處與踝關節的槓桿位置(較近),也因此肌肉相對負擔就會比較大。

聽起來好像很辛苦,但人體就是這樣奇妙,肌肉可以不斷的承受接近三倍體重,且在長時間(兩小時以上的跑動)的狀況下,克服外力力矩的影響。

(附圖七)
(附圖七)

脛度

這個小編以為大家應該都不陌生,亦就是把身體下肢比喻成彈簧移動的距離變化,變化越少代表脛度越強,然而科學家會把這分成三種方式討論:

一)垂直脛度是把利用反作用力出現最大值的力量除以身體質量重心的垂直變化程度。

二)下肢脛度是利用反作用力出現最大值的力量除以下肢長度的變化程度(在落地瞬間到準備離地過程)。

三)關節脛度是利用關節移動時的力矩除以煞車階段所產生關節角度的變化程度,通常這數據可以討論受傷的風險來源。

(附圖八)
(附圖八)

關節功率與角速度

上述的關節力矩有息息相關,因為當科學家乘以關節移動的角速度便會獲得功率。它同時也會有正負值存在,亦就是說在地面反作用力水平煞車的過程中,因為力量是負的,即便關節角度是變化的,乘積卻是負的,但並不代表不好,這叫做吸收能量(功率),當乘積轉成正的,這叫做產生能量(功率)。然而,多數這些力量都發生在支撐過程,因此也可以從『吸收能量』到『乘積負值』到肌肉在落地瞬間是『離心收縮』來看,這似乎都是在耗能,這耗能代表著是一個重要角色,那就是肌肉與肌腱系統的關鍵,如果我們無法讓肌腱吸收這些力量或負值,單純透過肌肉,身體應該很快就罷工!肌腱卻可以透過拉伸與吸收,得以讓肌肉穩定的產生力量,持續跑動!

跑步經濟效益:

跑步經濟效益代表的是在非最大努力跑步時身體消耗最少的氧氣與能量的跑者越好。然而跑步經濟效益也是最複雜的,因為影響因素太多,舉凡步頻與步幅,地面接觸時間,地面反作用力,肌肉活動,身體質量重心的垂直震幅,甚至是身體彈性組織在吸收與釋放的組成都會影響跑步經濟效益,然而近幾年,有科學家認為肌肉力量的產生(速度與力量曲線)是真正會影響跑步經濟效益的關鍵。

講了很多哩哩摳摳的事,小編整理一些訓練重點了:

第一:

既然我們清楚知道支撐的重要性,代表了單腳平衡與單腳產生力量的訓練是必要的,像是單腳硬舉,單腳站姿啞鈴划船或者單腳跳箱可以分成往上或往下功用不同,往上專注產生力量跟平衡機制,往下專注吸收力量跟肌肉肌腱系統煞車效應學習。

第二:

既然我們知道水平推進力的重要性,代表了弓箭步(Lunge)訓練是必要的,像是弓箭步加上往前跨步動作,可以強化移動腳的同側骨盆與髖關節的共同移動效應,同時產生支撐腳的水平推進力。

第三:

既然我們清楚關節角速度與功率產生的重要性,代表的是關節移動的協調機制是必要的,像是分腿四分之一站姿啞鈴上搏動作,便可以強化參與的關節在力矩產生過程中的配合與朝向『動作連貫性』機制訓練。

第四:

既然脛度有不同的解釋空間,儘管熟知的都是『下肢脛度』,我們可以透過不同身體重心高低位置落差去強化身體對於脛度改變的機制,例如:半蹲跳,可以從不同角度著手,在高低變化過程中,都非常有機會產生垂直變化與不同位置下關節承受張力的訓練。

第五:

既然跑步經濟效益真正的重點沒這麼單純,卻直指速度與力量曲線,那麼代表的是移動過程的跳躍訓練(跳欄架或者雙腳三次連續跳),又或者跳躍時在不同地面材質也會產生速度與力量曲線的刺激,例如:從跳遠場地目標雙腳跳五步,往前跳三在跳遠的跑道上,最後兩步跳進沙坑,便可以讓肌肉突然在力量曲線上有不同的刺激。

這篇文章的後半部有個預言也是蠻準的

在2003年Haile Gebrselassie在柏林馬跑步2小時3分59秒,記者提問時你有機會跑近兩小時內嗎?他說他太老去打破人類極限了。然而,許多記者都預言這記錄打破會來自東非25歲左右甚至更年輕,並且提早進入特殊訓練階段的。Joyner等多位研究員在2011年利用電腦模式計算最佳化狀態,應該會發生在2021或2022年,但如果利用天候訓練等其他狀況較不利於突破紀錄的模式計算,破二馬拉松應該會發生在2035年。

資料來源:
Biomechanics of Marathon Running 作者:Thomas Stöggl and Tobias Wunsch

文章來源:Jogging Running Sprinting行動跑步教室