肌肉、力量傳導與跑步週期 跑步研究探底了沒

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跑步的運動科學,不只是『庶民跑者』該懂,連『經濟跑者』也該懂。首先,小編想問自己『跑步研究的探底了沒?』應該還沒。然而,在這之前,總得先了解這些研究者有哪些共同點能夠整合,讓我們更知道研究背後的秘密。

重點摘要:

A.每一塊肌肉的形狀會影響力量傳導,因此,善用它的功能,對肌肉的功能做訓練。

B.力量的傳導即是接受地面反作用力,用何種方式承受反作用力很重要,是有剛性的還是有彈性,重點在你想怎麼施力。

C.跑步週期是時間序列與空間序列的幾何排列,找出對應關係,自然解決技術問題。

第一:肌肉的組合形狀會影響肌肉收縮模式與擔任的角色。

例如:附圖一可以明顯看出來每條肌肉的形狀不同,這可以說明的是隨著跑步過程中,地面反作用力由下往上傳遞的過程中,會自然分散或者同時擠壓在某個區塊上,因此,腿部的肌肉像是大腿前側的股四頭肌群,屬於Bi-Pennate,反作用力便會在一推一拉的狀態下產生張力,則與腿後腱肌群的Parallel的方式不同,單純在拉力狀態,所附屬的功能也不同。亦就是說:為何多數研究都發現『腿後腱肌群是衝刺或者速度的關鍵』,因為在落地過程中,肌肉形狀的不同加上為了輔助骨盆抬高與旋轉的功能,使得腿後腱肌群在肌肉電位訊號與電腦模擬跑步模組都佔了相當重要的腳色。

在小編參加愛爾蘭跑步研討會時,Dr. Bosch提到『muscle deformation』與『shear force』,剛開始還真的很難懂,於是在經過一番解釋後,大致上的定義是『肌肉在重疊的過程中,由於不同的形狀排列,使得產生的推力與拉力結構不同,它們會自然找到合理的運動模組,再透過肌肉筋膜的分散與整合之間壓力,然而在重疊區會有剪力出現,這會使得受傷機制提高,但假設共同收縮效益提高,剪力便會下降』。

即便這概念無法回答完所有問題,畢竟筋膜研究來自屍體,很難在完整結構上看出彼此之間的整合。

小結

當然,我們不能說單一條肌肉就負責全部執行能力,因為人體機制不是光靠某塊肌肉特別強,就能夠特別執行甚麼運動。重點是『協調』每一塊肌肉的使用比例,『整合』每一塊肌肉的發展。

第二:地面反作用力的力量分佈趨勢。

無論是Dr. Morin認為地面反作用力的水平分力是衝刺加速的關鍵,亦或Dr. Weyand認為衝刺能力與給予地面的垂直反作用力是重要的。因為不管在腳給地面施力的狀態下,反作用力是給與身體的回饋,身體必須利用肌肉肌腱系統來儲存與釋放這些力量,再者肌肉肌腱系統會帶領著關節活動來執行適當的運動角度,直到能量耗竭或者抵達終點為止,反作用力與地面反作用力的關係才會接近是平衡狀態,處於不動的靜止狀態。

換句話說:當我們執著於推蹬,就非常有可能使得水平作用力提高,因為『這股水平力量控制的是前後方向』,因此,Dr. Morin曾經在一篇研究討論過當推進力提高,煞車力減少時,就能夠使得跑步速度提升,這代表著『接觸時間下降』,減少過多的『肌肉肌腱系統』耗損,或者保持『下肢的剛性』。

附圖三
附圖三

然而Dr. Weyand的觀點也可以說服很多人,因為身體體重所能夠產生相對比例的力量是重要的,間單來說,他認為衝刺選手之所以強壯,是因為他們的質量可以產生更多力量,如同四肢動物奔跑一般(附圖三),他們的重量足夠讓他們產生對應的速度。垂直作用力正是關乎我們所我踩下去的每一步『上下』的關鍵,但這代表著『如果身體少了快速往前移動的動作,即便我們給予地面更多向下的力量,獲得更多向上的反作用力,可能效益上還有些許不足』。當然,這只是小編的觀點,不代表博士講的。

而Dr. Weyand也在小編參加愛爾蘭的研討會中提到,重點在於『接觸時間』以及『身體給予地面的相對垂直力量』,耐力選手與衝刺選手的差異便在於體重與體型上的差異,因此,在訓練過程中,會自然出現差異性出來。

什麼意思?亦就說經過不同的訓練法則,人體會隨著訓練,改變自己給予地面反作用力的狀態,而人體的形體隨之改變,是因為為了維持自己在比賽項目中的優勢。

小結:

他們的觀點放在跑步速度上,基本上都是合理的,關乎於『指導者在乎被指導者利用什麼形式完成比賽』。

第三:跑步的肌肉使用順序與週期

使用順序之所以難以探討,是因為多數而言,要嘛找的受試者不是最關鍵的跑者,要嘛肌肉電位訊號的研究無法達到百分之百精準,要嘛就是透過電腦模擬去找到速度變快時,電腦模組可能出現的『人體運動中的問題』。

但其實也不難,只要學著整理『時間序列』『空間序列』的關係。肌肉在跑步動作中的時間與空間序列,先讓我們將跑步動作拆分為『支撐期』與『擺動期』。(跑步步態週期是100%,同時兩隻腳各自完成一次支撐與擺動的組合)。

『支撐期』:約佔跑步週期的30-40%。
『擺動期』:約佔跑步週期的60-70%。

然而,究竟何者比較重要?

基本上,已經花了接近四篇『投影片製作』,討論跑步技術圖像化的概念,相信大家也可能聽膩了。
小編只想補充幾件事(參考附圖四與五):

附圖四
附圖四

a.初支撐期(完整跑步週期的0-10%之間):這代表著在雙腳騰空後落下的瞬間,因此『肌肉擺動後的狀態往往會影響落地後身體用何種排列組合承受地面反作用力』,亦就是說『如果騰空期,身體的旋轉與扭轉在不對稱的狀態下,都可能影響下腳之後的支撐時間與力量』。

b.支撐中期(完整跑步週期的10-20%):如果根據地面反作用力的階段,這應該是接近力量出現最高峰的時刻,也會是下肢所有參與跑步的肌肉在同時間點都有出現輸出力量的狀態(亦就是不像進入擺動中期的肌肉出現明顯的訊號有開與關的現象),因此,就以Dr. Weyand與Dr. Morin的研究來觀察地面反作用力可能的影響,支撐中期會是一個觀察重點。因為這裡關乎於承受力量的身體姿勢,假設臀部周邊肌群真的無力,也許可以看出動作上的補償,假設髂脛束出現緊蹦,也許可以找到膝蓋周圍的轉動,因為這裡涉入了『力』對於肌肉的儲存與釋放能量的議題,當然,如果又套入Dr. Bosch曾在書中提到『當我們以單腳支撐,擺動腿呈現彎曲90度靠近支撐腿內側與臀下方時,就可以明顯感覺支撐腳骨盆的後傾與旋轉』,亦就是說『支撐中期』影響了身體接下來如何利用所承受到的力量,同時間又可以在這時期觀察是否有任何明顯代償與不對稱狀態。

c.支撐末期(離地準備進入擺動初期,約是在完整跑步週期的30-40%):在這階段,由於身體即將離地,在肌肉電位訊號上,尤其是下肢多數屬於力量下降的狀態,維持負責『脊椎周邊穩定的肌肉』仍在出力。這告訴我們,如果多數跑者在支撐末期,還想用推地板的話,會使得重心反而更為下降與往後傾(即便肉眼觀察看不出來)。

d.擺動中期(完整跑步週期的60-70%):這代表著在擺動腳剛好來到身體後方的位置,可以想像一隻腳的腿後側準備成為支撐腳(而肌電圖訊號告訴我們,落地前腿後腱肌群的電位訊號會變大)假設後方擺動腿腳跟太高,那麼代表前腳在瞬間落下的過程中,反倒會阻礙身體向前的動力,因為擺動距離太長。然而,如果擺動中期,腳跟是在順著髖屈與膝屈的連貫性,擺動腿的移動距離反而會減少,自然會有所謂的移動效率出現。

附圖五
附圖五

然而,支撐期的重點在於哪一塊肌肉在保持身體穩定,根據電腦模擬的研究(分別依據為Darryl G. Thelen,2011年以及Samuel R.Hamner, 2010年),請參考附圖四與五。他們都提到由於建立模型時,使用實際人體跑步參數樣本太少,在做推論時,務必要小心,然而,這兩篇研究提醒了我們跑步過程中的肌肉使用的時間序列的重要性!

但也可以看到重點,當速度提高時,明顯得知『小腿的肌肉群會是參與的重點』,搭配小編最近看的研究,耐力運動員的生物力學以及Dr. Weyand的跑步力學兩質量特性,小編以為『教育與訓練小腿的擺動機制與落地方式會是技術突破的關鍵』。

小編心得語:

花了五篇幅(包含四篇投影片製作),希望粉專對於如何運用力學原理與數據的解讀,讓大家有更深的體悟,不管看不看得懂,至少『千萬不要再被簡化的概念』給困惑,科學的批判性思考很重要,小編不是要大家全部信所講出口的,做這些的過程中,難免會有『思考上的謬誤』『太快進入重點』『偏執的想法』,在這過程中,小編也會反思『一定是如此嗎』?還有沒有更精準的說法?或許以後還有更深入的研究可以協助解惑。

小編的老婆,最近頻頻問,寫這麼多,背後總該會有什麼目的?第一:當然還是讓『力學可以不要被簡化』,第二:希望可以成立一個教育系統,結合『肌力,力學,傷害預防,體能訓練』,第三:建立資料庫,讓運動科學可以更普及化。

當然,有時候會擔心有人以為『小編寫這麼多文字,大概不太會訓練』,其實『訓練方法』才是這幾年悟出來的道理,大原則不變,只要偶爾加入原料即可。這就是小編在行的事了。哈哈哈哈哈,但只有第一點,目前還行有餘力,畢竟這背後需要有錢有人脈有關係,剩下的就交給『天』了。

共勉之!

文獻參考:
1.Running performance has a structural basis. Peter G. Weyand and J. Adam Davis

2.Accelerationcapabilityinelitesprintersandgroundimpulse: Push more,brakeless?
Jean-Benoît Morin, JeanSlawinski, SylvainDorel, Eduardo Saezdevillareal,
Antoine Couturier, Pierre Samozino, Matt Brughelli, Giuseppe Rabita

3.Muscle contributions to propulsion and support during running
Samuel R.Hamner, AjaySeth, ScottL.Delp

4. Hamstring Musculotendon Dynamics during Stance and Swing Phases of High Speed Running
Elizabeth S. Chumanov, Bryan C. Heiderscheit, and Darryl G. Thelen

內容來源:Jogging Running Sprinting行動跑步教室