跑步表現預測因子 從身體、步態與疲勞看馬拉松

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馬拉松運動表現的預測因子包含人體測量學、跑步步態的特性、著地模式、疲勞效應,鞋子結構。以跑步運動學或動力學而言,只能強調研究沒有絕對,因為人體結構因人而異,腳跟與腳掌,步頻與步幅,接觸時間的長短,那都是會隨著時間與空間『自然』作出對應的選項,是科學家用來解釋運動表現的現象,不是用來『指導的』。

一)人體測量學(Anthropometrics)

曾有一篇研究根據肯亞的人體工學參數做討論,總共有 14 名肯亞參與測量,平均馬拉松成績是 2 小時 07 分 16 秒,平均周訓練量是 180-220 公里,身體平均是 171.2 正負 6.1 公分,體重平均是 57.7 正負 4.0 公斤。

這些的體型比較大多數是脂肪百分比是 8.87% 正負 0.7%(參考附圖一)。甚至根據原始資料(附圖二),這些人大多數是瘦長缺乏肌肉(ectomorph)的族群。

為什麼一定要探討人體測量學呢?因為科學家認為這是有具體影響的,例如:優秀與非優秀的馬拉松運動員會是

  • 以男性體重而言,58 kg v.s 66 kg 的差異。
  • 以女性體重而言,53 kg v.s 64 kg 的差異
  • 以身體質量指數會是,19.6 v.s 20.3
  • 以身體脂肪含量會是,14.8% 16.4%。

早在 1987 年 Hagan 等研究員,認為女性跑步運動表現跟身體質量指數(BMI)有 0.52 是相關的,跟脂肪含量也有 0.52 是相關的。有趣的是我們可能以為長跑者就必須瘦瘦高高長長,但研究上『骨頭寬度』或者『肢段長度』,在菁英跑者與非菁英跑者之間並沒有特別的顯著差異。

那究竟是哪種人體測量學比較有影響呢?

近幾年的研究 2008 年,Scholz 等研究者發現阿基里斯腱的力臂與跑步經濟效益有關,特別是在高訓練量的跑者身上。較小的力臂相對的會有較少的代謝能量的流失,相關係數來到 0.75。2014 年,更有學者發現肯亞與日本跑者人體測量學上的差異來自於『阿基里斯腱的力臂較長,而足底槓桿原理的組合較短,使得肯亞人產生優勢』。

意思就是當落地時會產生對抗的外力(力乘以力臂),身體必須在體內自動產生內力,以保持瞬間當下力量的平衡,甚至因為多出來的力量可以使得身體有往前進的力量,然而,大多數肯亞的足底結構是足跟較窄且小,相對的阿基里斯腱的長度就可以讓每次準備離開地面時的那一步,用最佳的力氣往前進,但如果足跟是寬且大,相對必須更費力。(想像如果同一根長棍,要去頂的方式搬移兩顆石頭,一顆大,一顆小,按道理小顆我們用長棍可以輕易的搬移。)

可以想見在長時間的表現下,力與力臂不斷影響著我們,所以足底的結構與小腿肌肉肌腱系統的確是一個重要關鍵,當然,畢竟先落地的都是足底,所以它的健康程度不容小覷。

二)跑步步態的特性(Running Stride Characteristics)

早期 1982 年研究人員發現當步幅在運動表現時開始出現變化(長或短)都會曲線線性影響攝氧量消耗量。因此,推論跑者擁有最有效率的速度,也會有較好步幅與步頻。

但近期研究告訴我們這兩者無法完全對在一起討論,理由是因為步幅與步頻跟運動表現的相關性很薄弱,即便操弄步幅與步頻的變項(跨更大步或者頻率加快),影響跑步經濟效益也不顯著,甚至只出現一小群的跑者當中才會影響。

那跑步步態特性在馬拉松運動表現比較重要呢?答案是接觸地面時間!

  • 可以創造更快的速度!
  • 擁有較佳的跑步經濟效益!
  • 避免產生太多的煞車效應!

甚至有研究認為當接觸地面時間縮短時,相對可以讓身體重心的垂直震幅變小,重心的水平移動距離變短,自然可以更有效益的提升跑步能力。

三)著地模式(Strike Pattern)

根據 2007 Hasegawa 等人的數據統計長距離跑者中,75-89% 是腳跟著地,3-24% 是中足著地,1-6% 是前足著地。哈佛大學教授赤腳跑步前驅研究者 Dr. Lieberman 提出了假設前足跑者比較可以功能性提升跑步彈性效能。主要是因為他們提早啟動足部伸展的肌肉也延長他們的效能,相較於足跟跑者依序會是 10% 與 11% 的差異。甚至被認為這優勢有機會吸收彈性能量,產生更好的肌肉收縮效益與運動表現更好的機會。

然而,研究指出腳跟與前腳掌對於馬拉松成績並沒有十足的關聯性,不管是跑步經濟效益,碳水化合物的運用比例,或者是氧氣消耗量都沒有顯著差異。

舉例而言 2014 年馬拉松世界紀錄創造者 Dennis Kimetto 是以腳跟著地,2007 年 Haile Gebrselassiem 與 2013 年 Wilson Kipsang 都是以中足與前足著地而創造世界紀錄,可見著地模式對於馬拉松的運動表現並沒有十足的影響程度。(參閱附著 2014 年柏林馬影片)

四)疲勞效應(Fatigue Effects)

疲勞大多會發生在周邊神經疲勞(請利用維基百科搜尋 Fatigue),影響動作神經元的產生,進而影響中樞疲勞,連帶腦部與脊隨。因此,往往會發生身體的生理與生物力學機制產生變化。有研究統計外在的動力學與運動學參數如果改變著地模式,馬拉松比賽時的跑步經濟效益便會下降 15%。

研究整理出跑步過程為了減緩疲勞影響時,身體會在時間與空間參數做的機制:

  • 提升步幅
  • 降低步頻
  • 增加地面接觸時間
  • 下肢(足踝)與地面的角度變小
  • 增加膝關節的屈曲與伸展角度
  • 讓髖關節在步態準備加速推進的過程中做垂直向上推的努力

卻也可能完全沒有變化,但這些重點都是身體自主性減緩代謝能量的消耗。

這些疲勞效應的發生,可以透過增加『下肢脛度』來強化,下肢脛度對於跑步經濟效益是有幫助的,在跑馬拉松的過程中疲勞的發生,也伴隨著跑步經濟效益與下肢脛度下降,因此,研究建議可以在柔軟或者不同地面跑步,增加下肢脛度,讓身體在支撐期的負荷中儲存更多彈性能量,並且影響跑步效益。

五)鞋子結構(Footwear)

主要分成三大討論(參考附圖三)。

鞋子重量:早在 1986 年 Frederick 等人認為降低 100 公克的鞋子可以減緩 1% 氧氣消耗。後人驗證認為 1% 氧氣消耗降低可以提昇跑者速度 0.049m/s,在馬拉松整體距離來說可以縮短三分鐘的時間!

能量考量重點:鞋子結構工程師為了提升人體動作的做工與能量平衡會強化(1)儲存與回彈能量(2)肌肉效能最佳化(3)減少能量消耗。

關於儲存與回彈能量,由於缺乏足夠科學證據,尤其是在力量與長度以及力量與速度的曲線圖來觀察鞋子與跑步運動表現的關係,很難完全設計出將能量儲存與回彈的鞋子。

關於肌肉效能最佳化,近幾年的鞋子開始往鞋底的製作材質下手,甚至是從中底結構改變開始(本篇作者舉的是 Adidas Boost 鞋款)。

除了製鞋材質的變化,也有科學家認為中底長縱結構硬度可以提高跑步經濟效益提高 1%,甚至 2%(小編以為 Nike 4% 大概就是以此為出發點)。

關於減緩能量消耗,透過跑步肌肉活動時,減緩軟組織振動,因此可以在足底接受落地時的衝擊能量時,減少負向的訊號產生,及軟組織系統的振動頻率下降。然而,目前尚未有其他鞋款朝這方向前進(商機!)。

中底厚度,仿真跑鞋與赤腳跑步:

仿真跑鞋(廣為人知的五趾鞋),主要在考量研究『曾經』發現赤腳跑與穿鞋跑會有 4-5% 的氧氣消耗量的差異而誕生,然而,許多研究仍指出沒有足夠證據證實鞋子重量在加速過程中輕與重或者落地方式,是明顯在馬拉松運動過程中扮演舉足輕重的角色,且大多數運動員與教練是不會接受這種鞋子的刺激,甚至被認為這種鞋款能夠獲得好處的人是少數群體。

關於偏好的移動軌跡,這樣的好處是因為骨骼在身體移動過程中,即便是有給予任務的狀態下,身體會仍在輕微調整後做接近一樣的運動軌跡,但這種過程非常個體化且不是一致性。這種身體偏好的移動軌跡代表著肌肉的效能會朝著理想的運動模式與方向前進,好的鞋子便會在需求肌肉做工變少的狀態下維持偏好的移動軌跡。(小編以為 Nike 4% 應該也是由此出發)。

小編總結:

人體結構究竟適不適合跑步,小編不是『生物學』專家,所以無法給予太多解釋,但可以相信的是規律長期的跑,那麼身型便會有所改變,因此我們會很主觀的看到瘦長型都認為他們全馬跑很快,但殊不知他們跑量與維持這種運動習慣有多久,背後付出多少辛勞。

因此,喜歡哪種運動,自然可以從體型與體態看出來。

以跑步運動學或動力學而言,只能強調研究沒有絕對,因為人體結構因人而異,腳跟與腳掌,步頻與步幅,接觸時間的長短,那都是會隨著時間與空間『自然』作出對應的選項,是科學家用來解釋運動表現的現象,不是用來『指導的』。

以疲勞程度而言,對的事情做,不對的事情不要做,跑步不難,找回初衷。喂!其實是肌力很重要,但不代表一定要做最大重量才是增加跑步效能的證據,不是單純做爆發力訓練就可以提昇運動表現,有時候真的是排列組合的問題,小編以為循序漸進地安排肌力課表或者利用地面材質(草地沙地上下坡),自然會有對抗疲勞的下肢脛度。

至於鞋子,由於沒有人找小編代理,就不刻意說誰好誰壞(咦,小編其實很需要錢,來找我吧),如同人體結構一樣,結構不同,很難完全類推某款鞋適用全人類,不是穿上鞋就如虎添翼,因爲鞋子與人的適才適所,才是重點,所以試穿真的很重要,能夠真實的跑動與觀察足底壓力的差異才可以知道適不適合自己。共勉之!

參考資料:Thomas Stöggl and Tobias Wunsch,Biomechanics of Marathon Running

影片連結:

文獻資料:
Frederick EC (1986) Kinematically mediated effects of sport shoe design: a review. J Sports Sci 4(3):169–184. doi:10.1080/02640418608732116
Hasegawa H, Yamauchi T, Kraemer WJ (2007) Foot strike patterns of runners at the 15-km point
during an elite-level half marathon. J Strength Conditioning Res 21(3):888–893. doi:10.1519/
R-22096.1
Vernillo G, Schena F, Berardelli C, Rosa G, Galvani C, Maggioni M, Agnello L, La Torre A
(2013) Anthropometric characteristics of top-class Kenyan marathon runners. J Sports Med Phys Fitness 53(4):403–408
Hagan RD, Upton SJ, Duncan JJ, Gettman LR (1987) Marathon performance in relation to maximal aerobic power and training indices in female distance runners. Br J Sports Med 21(1):3–7
Scholz MN, Bobbert MF, van Soest AJ, Clark JR, van Heerden J (2008) Running biomechanics: shorter heels, better economy. J Exp Biol 211(Pt 20):3266–3271. doi:10.1242/jeb.018812

文章來源:JRS行動跑步教室

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