從力學特性看速度與耐力型跑者的差異

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速度代表著快速移動,爆發力十足,肌肉可以瞬間從零到一的能力,是驚為天人的!耐力代表著穩定執著,耐受度強大,肌肉可以運轉直到能量波耗盡,是浩瀚無垠的!

從運動項目可以很清楚明白百米衝刺選手與一萬公尺耐力選手,他們之間距離不同與生理特性不同(簡單來說就是富含爆發力與抗疲勞的肌肉纖維分佈不同),但光就字詞『速度』與『耐力』而言,就必須要討論到『力學特性』。

然而,以力學特性而言,卻很值得我深入討論。在粉專上,花了一些時間討論力矩與肌肉電位訊號,但這些似乎都無法打動人心(咦),對於跑者而言,科學文章跟訓練之間本來就有段差距,因此,我本身致力於希望建立跑步科學的資料庫,希望可以透過不斷的整理資料,讓大家在思考訓練過程中,有科學邏輯。

接下來,讓我們一起抽絲剝繭!

首先如開始的破題一樣,速度與耐力無法兼備,因為他們關心的重點不一樣。衝刺選手關心的永遠都是如何更快速地抵達終點,耐力選手關心的永遠都是如何以更穩定持久的速度抵達終點。

我們在網路上或者很多書籍都會討論『速度』,也清楚『速度等於步頻乘上步幅』。以Dr. Peter Weyand(如果你長期關注JRS粉專的話,應該會知道這位力學大師)的邏輯來說,他將這個公式轉換成另外一種形式解讀(參考下方圖例),每步移動的頻率時所產生的平均力氣,以及運動員所擁有的體重與所跨出的距離,前者做分子,後者做分母,兩者相除。在兩個體重相當的運動員身上,如果頻率越快的跑者,施加的力量很平均,如果所產生的平均速度越高,那麼就有機會獲勝,因此,就以短距離比賽來觀察,致勝的關鍵因子跟頻率快慢就是重點,我們假定步幅在優秀選手身上的穩定的,而體重在比賽過程中不變,只要維持每一步的平均出力,那麼,衝刺選手所獲得的速度就會很一致,然而,在統計比賽百公尺的步頻與步幅的研究中,最後的20公尺通常改變甚鉅的會是步頻的品質,這通常也代表平均出力的下降,即便多數選手在步幅可以加大,體重仍在,速度卻開始拖慢。

原則上每位頂尖衝刺選手的移動步數都是38-41大步(1 Stride=left step+right step)之間,2013有研究顯示數據Usain Bolt在2008北京奧運是41.1步,且在2009年世界田徑錦標賽時,Bolt在拿下冠軍的過程中,他則是39步,其餘選手則是41步,驚人的是由於Bolt本身的步頻並不如其他選手快,卻也創造出均速每秒12公尺的移動速度,代表的是他每公斤在每一步所產生的力道比起其他選手來得大,才有可能達成。

這樣的公式套在耐力選手做使用,則可能要考量到『如何以節省的能量完成特定的距離』,因此,往往在討論耐力選手時,都會以肌腱黏彈性與肌腱位能儲存為主(備註1),甚至也必須關心他們的關節角度如何影響長距離選手的出力狀態。

就以速度的效應端看動作表現,會清楚做什麼訓練應該能夠維持。就以速度的快慢呢?

2004年有一篇研究討論過耐力選手與衝刺選手在最高速的力學狀態,此團隊利用5.81 m/s(約是跑完一英哩4:37秒的速度)以及全力衝刺,兩種速度皆是以60公尺為目標,同時在40-50公尺會以燈號引導選手,希望他們速度能夠達到預期目標,此外,也利用一組對照組(完全沒有任何經驗的受試者)參與兩種速度的測驗。結果呈現如下:

各組別最高速的力學參數
各組別最高速的力學參數

從最高速表現的表格我們可以看出,衝刺選手從接觸時間,步幅,最小的髖關節角度,在腳趾離地前的膝蓋伸直角度以及在腳掌完全著地時擺動腳的彎曲角度與耐力選手與控制組受試者中,呈現顯著差異。

各組別穩定配速力學參數
各組別穩定配速力學參數

然而,由固定配速來測得衝刺選手與耐力選手之間的跑步動作力學效應來觀察,可以發現最小的髖關節角度,接觸時間,完全著地的身體重心與完全著地的擺動腳膝蓋角度仍有顯著差異存在。

這兩張表格可以解釋成為:

研究中所測量的髖關節角度示意圖
研究中所測量的髖關節角度示意圖

衝刺選手在髖關節啟動上多數來自於髖屈曲角度變化,當他們想要把速度提高時,它們所呈現的角度都是明顯略小於耐力選手,就以表格二固定配速的60公尺跑步,仍可以明顯看見衝刺選手的髖屈曲角度小於耐力選手的髖屈曲角度達11度。當然,用另外一個角度想就是『動作的慣性是存在的』,當你習慣什麼樣的運動機制,那麼就會影響到身體對動作的判斷,即便可以感覺到自己再調整與放慢。

而步幅的差異,儘管衝刺選手在最高速時與其他兩組有明顯的差異,文獻中指出當選手的高速抬腿頻率可以減少地面反作用力的煞車效應,同時達到腳掌對地板加速效應,亦就是說相較於耐力選手的跑步方式,他們往往會希望緩衝反作用力,穩定的前進,卻也導致他們在衝刺過程中,產生更明確的膝蓋彎曲角度與更明確的重心落下機制,導致速度因此產生落差,因為對耐力選手來說『下肢“穩定”出力的效率是他們考量重點』,因此他們不會犧牲太多力量在抬腿與收腿,反倒是穩定的緩衝地面反作用力。

研究中所測量的離地時的膝蓋角度
研究中所測量的離地時的膝蓋角度

在腳掌完全著地時擺動腳的膝蓋彎曲角度,也同樣影響著衝刺選手的狀態,根據文獻指出衝刺選手如果完成推蹬(Push-off)動作時,膝蓋呈現完全伸直狀態,會讓身體有明確的跳動感,然而這樣的效應並無法讓身體呈現穩定的對地施力,因此,支撐腳與擺動腳的對應關係就是在完全著地到推蹬過程中,擺動腿膝蓋屈曲角度越小,支撐腳膝蓋伸直角度越小,相對產生的力量就會越大,相反的,擺動腿膝蓋屈曲角度越大,支撐腳膝蓋伸直角度越大,想對產生的力量就會越小。甚至研究者舉出其他研究指出當跑步速度增加時,膝蓋伸直角度會自動減少。因此,好的衝刺選手的力學效應反倒是利用擺動腿與支撐腿之間的轉換來產生力量,而非單純專注於如何對地施力,施力方式是果(因為執著於推與伸直,反倒會像是一個彈弓完全拉緊後發射,儘管有力,卻不是將身體最有效率進行跑步,除非執行的目標是為了跳或者投擲),真正的因來自這些動作效應的轉換。

JRS行動跑步教室心得語:

推蹬的定義到底是什麼?我想可以解釋成為『是動作過程的週期與循環』,並不代表三關節伸展是一定有助於跑步速度,當然,科學本來就是不斷的驗證,這裡只是提出想法,沒有白紙黑字(喂)說我曾經說過什麼。的確在2014年有篇研究在討論stride angle與跑步經濟性的關係,膝蓋與小腿之間在落地的夾角關乎於推蹬的力道與施力方向,但改變不了的事實是,在我的觀點,如何Coaching給選手或者學生才是關鍵,因為科學做不到的事,就是藝術的部分了!(當然,我的觀點並不是最重要的,重要的是各位怎麼看與怎麼運用,每個對於科學的解釋與定義會有一套邏輯,甚至數字也有自己的邏輯出現,如果只是單純就單一數字討論也太狹隘了!)

從上述的研究,以我們所熟知的狀態最不一樣的是衝刺選手在速度的表現上,會是以較多的髖關節屈曲完成速度表現,然而,到達最高速時髖關節伸展會呈現些微的角度下降,且跟著作The Mechanics of Sprinting and Hurdling的Dr. Ralph Mann有著同樣的意見與想法,然而,耐力選手則在速度的表現上,會明顯呈現髖關節伸展角度上升,然而,帶著更多膝蓋恢復的動作參與,白話一點就是『快速抬腿與減緩反作用力的差異』。

這篇文章的重點在於,世界的解讀可以有各種面向,可以用生理學的角度探討衝刺與耐力選手的能量差異,可以用力學的角度探討衝刺與耐力選手的力學效應差異,可以用哲學的角度探討衝刺與耐力選手比較快交到女朋友(咦,參考備註)。

經過不斷地研讀與實作,我慢慢說服自己相信的是『力學效應』的解讀會確實影響到動作行為的改變,甚至讓身體對於動作控制的提升。

備註1:並不是指衝刺不需要肌腱黏彈性,只是相較之下,多數研究趨近於討論耐力選手的肌腱彈性位能亦就是說『下肢脛度』。

備註2:根據大學生生活經驗,往往耐力選手在自我表達與勇於追求這件事情,是處於被動的,如果在交往過程中,又必須要長時間消磨在跑道上,實屬讓女方空等,除非對方也喜歡跑步。

文獻來源:
A Kinematics Analysis Of Three Best 100 M Performances Ever 作者:Maćkała Krzysztof and Antti Mero
A Biomechanical Analysis of Sprinters vs. Distance Runners at Equal and Maximal Speeds 作者:Tyler D. Bushnell
Faster top running speeds are achieved with greater ground forces not more rapid leg movements. 作者:Peter G. Weyand, Deborah B. Sternlight, Matthew J. Bellizzi and Seth Wright
Stride Angle as a Novel Indicator of Running Economy in Well-Trained Runners. 作者:Santos-Concejero, Jordan, Tam, Nicholas, Granados, Cristina; Irazusta, Jon, Bidaurrazaga-Letona, Iraia, Zabala-Lili, Jon, and Gil, Susana M

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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