跑姿的好與壞 來自跑者對稱不對稱

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在閱讀此文前,請記得我是以非常主觀地在看跑姿,你也可以認為我在帶風向。聽起來很像要吵架?!畢竟剛結束的東京馬,讓人意猶未盡,偏偏自己喜歡分析『姿勢』,所以早期粉專一直對於姿勢跑法有很深入的探討,甚至非常佩服『姿勢』跑法的博大精深,甚至認為與作者有一些中心哲學類似,我們都在找『正確跑姿』,而跑姿的好與壞,好像來自於『對稱與不對稱』。

跑步時地面反作用力與關節力矩的對應
跑步時地面反作用力與關節力矩的對應

對稱的跑姿就像是件藝術品,我們可以說人體運動是在所擁有的骨架結構中執行,看似跑步是『直線運動』,卻也包含了『曲線運動』,透過完善的關節力矩使得動作得以完成。簡單來說,腳踝的轉動會影響到膝蓋,膝蓋的轉動會影響到臀部(如右圖),也可以說因為每個關節力矩的互相配合,並不會因為單一肌肉群的不對稱來影響動作上的執行能力,卻以『人體主觀標準』,會有好與壞的分別。例如:你絕對不會認為Usain Bolt的跑姿不好看。然而,他是百米公尺中跑姿與力量不對稱的一位,但這有影響他的成績嗎?

左右兩側對地出力不對稱

當然沒有,因為重點還是力矩造就了他的動作穩定,進而讓看似不對稱中找到適當的對稱。但真正的重點在於動作?或者配速策略?或者支撐時間與擺動時間?

本篇的文章重點在於,透過研究者的整理找到馬拉松跑者在時間序列的不對稱,也透過其他文獻比對跑者在跑者週期的支撐時間(Contact time)與擺動時間(Flight time)之間的差異性,再利用跑步過程的鐘擺效應解釋對稱與不對稱是否重要。

第一:馬拉松跑者時間序列下的不對稱

我們都會以為穩定配速很重要,但實際在一場比賽中,在速度與時間的競賽過程中,人體能量會有變化,地形起伏會有變化,環境因素會有變化,都可能造成某幾段的時間產生變動。研究者從Strava擷取每位跑者的時間序列,在樣本數273中,他們認為所有跑者54%是屬於不對稱狀態的,然後再根據性別,時間與地點總共六組進行比對。數據的比較是利用統計方式肯德爾式分析(備註)用以反映兩組變數之間關係密切程度的統計指標。根據研究結果顯示,有將近七成的跑者,在時間序列過程中是不對稱的,在跑者的每段距離的分時是很難平均的,不論性別或者運動表現的能力高低,且不對稱的狀態與馬拉松跑完的平均時間越長是呈現負相關,亦就是說超過三小時的馬拉松跑者,基本上在體能與時間的穩定性,本身就不穩定,在分段時間控制是不對稱的。因此,研究者在時間序列下不對稱的配速策略中給了兩個建議,第一個叫做Even principle,當風速與地形變化不明顯時,減少平均時間的損耗,第二個叫做parallel principle,當風速與地形產生變化時,使用0-10%的能量輸出(或速度改變)是平行於環境變化,讓整場賽事得以維持分段時間(使用心率監控或者功率監控)。

因此,小結是跑者在時間序列的不對稱,跟能量系統穩定有關,我們在比賽過程中的確很想配速,但是否更應該關注順應能量系統與環境因素做微調,跟力學效應究竟有沒有關係,是不是優秀跑者的支撐時間越短,穩定性就越高?讓我們繼續讀下去!(撐著,不要睡著)

第二:支撐時間與擺動時間的對稱性

在日常生活中,我們都會很關心手錶上的數據『支撐時間』與『擺動時間』,然而,數據告訴我們,實際上這些數據跟『跑步經濟效益』的相關性是很低的,沒有顯著相關的,普遍這樣的研究『樣本數』都偏低,即便有研究數據顯示的,無法推論到全體人類中是否依然有明確的顯著差異,所以不要花時間執著在兩腳觸地時間為何不一樣。在研究中,2013年的一篇文獻特別以肯亞跑者與歐洲跑者的跑步力學效應與跑步經濟效益做比較,在不同速度下(如下圖),唯獨出現21公里時速的相關性,是擺動時間的負相關,亦就是說當肯亞跑者速度越快時,相對擺動時間越長,支撐時間越短,這樣的過程造就他們跑步的經濟效益才會高。為什麼觸地時間不是完全主宰『跑步經濟效益』呢?這要解釋成一件事,當全身在參與運動過程中,支撐時間與擺動時間是不可控制因素,因為它們的組合是果,造成它們改變的是關節移動的方式與施力狀態,這才是因。

就以深度討論而言,我們也必須了解『接觸時間越短往往會影響動作表現』,但不代表身為跑者我們必須追求,因為文獻不會完全認定『支撐時間短跟跑步經濟效益是有直接或有一定程度的關聯性』,倒是可以清楚知道肯亞跑者的支撐時間短,是可以歸因於肌肉肌腱系統的彈性與吸收地面反作用力,造就他們可以跑起來如此有彈性,因為同一篇作者也對北美跑者做了不同速度與支撐時間的研究,非洲跑者在暖身12公里時速與20公里時速,支撐時間分別是約略0.24與0.18秒,北美跑者在暖身13.0公里時速與19.5公里時速,支撐時間分別是約略0.27與0.20秒,相差了接近10%,當然,研究者也認為在『同質性族群』(同一特性跑者)中,支撐時間的確是有互相影響的特質,因為無形中影響氧氣消耗狀態,支撐時間長,相對消耗氧氣越多。

小結,支撐時間與擺動時間的對稱性,『支撐時間一定要短,擺動時間一定要長』,這是人體動作優雅的展現,他們的只是人體運動表現的一小分子,我們改變了支撐時間,相對也會改變身體的其他條件因素,造成我們無形與無意識中花更多時間去作補償,我們也可以說當刻意『拉長』右腳支撐時間時,左腳的支撐時間會為了配合身體移動的效率而『變短』,以人體而言這是一種反射行為,Stumble Reflex當一直腳越主動往前時,另外一隻在地面的腳自然對地出力,但是如果我們很刻意拉長前腳著地時間,會發現後腳的支撐時間反而變得更敏銳。或者我們也可以這樣想每一步組成時間是支撐時間(X)加上擺動時間(Y),X+Y=1,所以,不管怎麼變動,它的目的還是會產生完整的一步所花的時間,並不影響跑步週期變化,因為其他關節會“補償與強化”我們的移動效率。換句話說,當跑步速度快,以時間的變率而言,腳掌在地面停留時間本身就無法拉長,支撐時間變短是務必發生的事,但我們必須思考的是那過程中,支撐時間的變短,會有什麼跑步形式上的變化?因為從時間序列來看,能量系統無法在3-4小時之間,維持超級穩定的配速,支撐與擺動只是果,那代表有更明確的機制會影響動作效應與對稱性。

第三:下肢鐘擺效應的對稱性

關節移動的型態應該是關鍵要素,怎麼說?因為肌肉與能量始終在幫助我們穩定做工,即便偶爾會有罷工疲憊的狀態,人的意志力卻會幫助自己堅持下去!然而,關節移動,卻是整個重點結構工程,因為它代表力走的方向與位置,肌肉會順著我們所擺放的關節位置施力,不管主動或被動狀態,這才是姿勢是否產生對稱的關鍵要素,因為『時間』是我們無法控制,透過上述的兩個因素,在長時間運動過程中,我們無法穩定分段時間,在不同速度狀態下,我們無法控制支撐與擺動時間,這都代表著關節移動模式是關鍵。因此,我們可以透過下列圖示來觀察!

上圖告訴我們,重心的轉移會讓跑者的動作自然產生,並不是我們刻意或者主動控制它。尤其是在單腳承重的過程中,腰椎-骨盆-髖關節複合帶(Lumbo-pelvic-hip complex, LPHC)扮演著至關重大的角色,當移動產生時,正確的擺放位置會讓移動效率提高,例如:當身體重心很低或者年長者走路容易出現腳拖地板,在單腳承重中,因為LPHC並不是在人體運動狀態中有利的狀態(試試看自己腳拖地走路),就有機會造成單側反向鐘擺效率被犧牲,進而腳趾離地功能與髖關節正確用力機制也被犧牲。

上圖告訴我們,單側正確的施力機制在步態週期接近50%左右腳踝會自然產生立即性的做功機制。並不代表著我們能完全控制它,或者完全推蹬,不要誤會英文詞彙的原意,Push-Off是因為重心明確轉移與從負向做工轉為正向做工的說明機制。

為什麼說鐘擺效應很重要,理由在於骨盆的旋轉會影響到重心的擺放與力量的施加位置,試著在閱讀文章時,用這姿勢站立(拜託不要以為是姿勢跑法的收腳跟PULL),會發現只要兩邊膝蓋靠近在一起骨盆除了旋轉還會有一股力量將身體往前推,如上圖B位置所示。姿勢跑法會要求跑者腳跟接近屁股,我會說這縮短了股二頭肌肌腱的功能,反倒讓骨盆沒有正確的旋轉功能,怎麼跑都像在原地跑。因為犧牲了LPHC的正確擺放位置與單側反向鐘擺效應。

接下來,我用2020年東京馬拉松比賽兩位跑者在接近36-38公里的跑步影像,作對稱性與不對稱性的講解。

從上圖可以發現,因為截圖的關係,但我盡力在看似『完全腳掌支撐狀態(Pre-loading)』下做兩人的比對,可以看出大迫傑的非支撐腳骨盆明顯低於支撐腳,代表骨盆可能沒有出現正確旋轉。

角度選擇都在完全騰空狀態,因為肌肉正在順著作用力與反作用力的機制調整關節擺動位置。COM trajectory when push-off推蹬後的重心轉移與投射,從第一張圖判斷,使得右腳在下一次換步時,身體出現偏態,肩膀出現旋轉,亦就是說當左側擺動腳骨盆未出現旋轉時,當右腳瞬間從支撐轉換擺動時,左邊肩膀會自然產生代償效應。

左側腳依然選擇位置在看似『完全腳掌支撐狀態(Pre-loading)』,可以明顯看出兩者的擺動腳的骨盆都有顯明在左側鐘擺效應中產生旋轉。

角度選擇都在完全騰空狀態,因為肌肉正在順著作用力與反作用力的機制調整關節擺動位置。進而在COM trajectory when push-off推蹬後的重心轉移與投射,兩邊的肩膀用肉眼觀察,便沒有出現明顯地扭轉現象。然而,我們可以看見大迫傑在右腳重心投射角過程中,頭部明顯歪一邊,這明確可以告訴我們,身體的偏態是有機會發生的,尤其是頭部重量會明顯影響身體的煞車機制,不信的話,你下次衝刺時,頭往右邊偏。(喂)

JRS行動跑步教室總結:

跑者的對稱與不對稱,從時間看來似乎不太是我們能控制的,從配速狀態到支撐時間,我們都只能經由研究結果間接證實它們會影響動作表現,像是配速的策略或者氧氣消耗,但真正影響的應該另有其人(媽祖會保佑你跑得好)。

關節移動效益,可能是我們觀察對稱與不對稱的重點,但實驗數據無法告訴我們太多,我只是試圖按照邏輯去推斷『好的跑者應該出現的狀態』,並不代表『這就是結果』,因為我們在東京馬拉松的比賽過程中,觀望著大迫傑的表現,讓人有望塵莫及的是大迫傑用精神與毅力克服身體的一切,如同他的書摘所云『跑馬拉松體能占六十意志占四十』,從撿水壺到搓揉跑步過程中產生不適的身體,馬拉松億元男當之無愧,甚至我認為訓練才是讓我們真正變強的追求的根本,假設沒有訓練,怎麼克服時間對我們的限制,聽起來很玄,但值得思考。

當然,我並不認為我的思考邏輯與脈絡是完全正確的,我只是希望整理我所理解與讀到的文獻分享出來,也許往後有朋友或者科學家用不同的角度來剖析,但目前的我相信,所以我重新解釋一次關節移動效益,『關節角度會影響施力方向,進而帶動正確的肌肉運用模式,骨骼的結構每個人都相同(成人都擁有206塊骨頭),差別在於長與短,寬與窄,力的大小,接著這些力量的反饋,影響了我們肌肉肌腱系統與能量系統的對應,尤其是在耐力運動中,這些因素更甚明顯。這些力包含了牛頓腦中解釋的力與大迫傑所展現的力』。當然,我們可以訓練肌肉的力輔助關節移動的效益,以人體運動而言,能量系統與肌肉骨骼系統如何正確搭配,才是重點,甚至如何讓跑者的協調性提升,是關鍵,早期在閱讀體能訓練書籍看見『速度,耐力,爆發力,肌力,敏捷,協調』,基本上只要是人體參與運動,缺一不可,沒有人的訓練百分之百完美,適才適所而已,偏偏就是適才適所最難達成。

對稱與不對稱,觀察的永遠在於人的眼睛,實驗數據會告訴我們線索,偏偏可以克服對稱與不對稱也在於人,共勉之!

該喝杯茶了,怎麼越寫越感慨,<May the Force be with You>

備註:
https://en.wikipedia.org/wiki/Kendall%27s_W

文獻參考:
Are gait characteristics and ground reaction forces related to energy cost of running in elite Kenyan runners? 作者:J. Santos-Concejero N. Tam. R. Coetzee, J. Oliván, T. D. Noakes and R. Tucker

Gait-Cycle Characteristics and Running Economy in Elite Eritrean and European。作者:Runners Jordan Santos-Concejero, Jesús Oliván, José L. Maté-Muñoz, Carlos Muniesa, Marta Montil, Ross Tucker, and Alejandro Lucia

Detecting the marathon asymmetry with a statistical signature。作者:VéroniqueBillat, Thomas Carbillet, Matthieu Correa and Jean-Renaud Pycke.

Running: Biomechanics and Exercise Physiology in Practice (English) 1st。作者Frans Bosch and Ronald Klomp

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室