氧氣乳酸臨界速度 缺一不可的馬拉松訓練

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你對於時間點夠精準嗎?馬拉松跑者想知道的歷史數據與訓練數據在這裡說分明!

在2005年IAAF世界國際田徑協會亦就是現在的World Athletics協會,發布了一篇重要的馬拉松文獻,同時也是我最喜歡的最大攝氧量與乳酸閾值研究運動生理學學者Dr. Billat所整理的。裡面關於一些數字與資訊,想在這裡跟大家分享!我也必須很主觀的說:我喜歡這篇文章,因為它真確的討論哪些數據是會影響馬拉松表現,畢竟也15年之久了,所以同時會佐以近幾年的資料,讓文章內容可以扎扎實實(以前研究所時期最常聽到如是說)。而它的架構脈絡是這樣的,先是討論馬拉松運動的全球化,女子馬拉松成績的演進,能量系統與訓練模式的最佳化。每章節都有很多重點,這裡我只能快速做整理,有興趣可以自己花時間搜尋文獻,趁這段防疫期間好好閱讀一下好文章。

一,馬拉松關鍵歷史與時間數字:

例如:在1956年以前,歐美國家仍主宰馬拉松運動,在衣索比雅的Abebe Bikila以2:15:16贏得羅馬奧運金牌後,馬拉松世界開始由白轉黑。

例如:1982年後,Bikila的成功改革讓世界國際田徑協會在大型賽會贏得獎賞是合法的。

例如:1984年是個女生馬拉松崛起的分水嶺(剛好是我出生的那年),北美出生的Joan Benoit在洛杉磯奧運跑出2:24:52,當時的成績在現今女子總排名仍是119名(如同我說的這是2005年的文獻,排名應該有所變動),甚至在那年之後,1984年女子參與馬拉松人口從1%進入到2003年已經是15%。

例如:1992年時,生理學認為女生在馬拉松項目中將有機會跑贏男生(如圖)。

例如:在2003年時,Paula Radcliffe以2:15:25打破女子馬拉松世界紀錄,只比男生世界紀錄慢了7.8%(相較於當時的世界紀錄Paul Tergat2:04:55),也只比Bikila慢了9秒,同時Paula也是少數女性可以馬拉松跑進2:18分三次的人。

例如:數據顯示(如圖),在1999年後,女子長距離項目開始越來越多人參與,且成績突飛猛進,然而,就以目前男女所有成績排名來看,前900名成績男生是在2:10:27,前900名成績女生是在2:29:45。且在女生前900名中,光是『四位女性』成績就佔了前900名的40位,簡單來說,女生在成績的突破相對幅度來得慢。

例如:Paula Radcliffe之所以令人津津樂道,在於它本身的中長距離項目也跑得很好,也因此回推到前幾周寫的文章,無氧閾值速度與乳酸耐受度在中長距離選手的生理素質,經年累月後其他選手無法比擬的能力,像她就在這三項目中3000m, 5000m and 10,000m 分別跑出8:22,14:31與30:01。

這些數據,告訴我們馬拉松世界還有許多未知等待我們打開眼界。

你可以質疑最大攝氧量有基因限制

但馬拉松『最大攝氧量,呼吸效率,低耗能狀態』缺一不可

二,馬拉松成績換算公式:vMarathon = F VO2max /Cr

首先,文章提到馬拉松跑者最重要的三大元素是『高效能的有氧能量(亦就是我們所謂的最大攝氧量)』『長時間運動時氧氣進入身體後的分解與運用』『執行馬拉松配速的低耗能狀態』。

Dr. Billat以另外一位Di PRAMPERO博士的公式討論馬拉松運動表現之間的差異,vMarathon = F VO2max /Cr。Cr代表著跑步所產生的能量消耗,測量方式主要借助氧氣消耗量,平均每一公里每一公斤消耗多少毫升的氧氣,以能量推估每一公升氧氣的消耗大約是21焦耳(kJoules),呼吸效率大約是在0.96。

VO2max則是大家不陌生的,每一分鐘每一公斤所消耗多少毫升的氧氣,是最大氧氣消耗(攝取),F代表著最大攝氧量維持的過程中,一場比賽中氧氣與二氧化碳的分解狀態分數,通常會小於1。在這公式裡頭,在1985年到1990年之間曾經有兩位學者都認為如果最大攝氧量(84 ml/kg-1/min-1)與對應於最大攝氧量的85%乳酸閾值,所產生的氧氣消耗在199.6 ml/km-1/min-1都有相當程度的能力,那麼馬拉松所跑出來的成績應該會在1:48:25-36之間,然而,1998年另外一位學者Joyner則相對保守的認為2000年的世界馬拉松紀錄應該是2:05:23,在當時最佳成績是衣索比亞的Belayneh Dinsamo的2:06:50。

可見『氣體交換』扮演著重大的角色,尤其是耐力選手。

Dr. Billat舉了例在馬拉松菁英跑者(男生<2:11,女生<2:31)與次菁英跑者(男生 2:11:00-2:16:00,女生2:31:00-2:38:00),兩個群組的比較,他認為次菁英跑者可能有很高的F值(氣體交換效率比值),卻可能因為相對較低的最大攝氧量導致,成績的差異無法被補償。因此,在這20年來,最大攝氧量的訓練一直是被關注的。然而,總是會有例外的,一名澳洲選手Derek Clayton,本身最大攝氧量是70 ml/kg-1/min-1,F值高達0.86,Cr是183 ml/kg-1/min-1,這條件讓他可以馬拉松成績跑進2:08:33。

除此之外,Dr. Billat發現這F值在人種與膚色的關係是當馬拉松成績來到2:45:00,黑人可以在相對低的F值用比平常較高的最大攝氧量完成賽事(76 ± 8 vs. 68 ± 5 %),然而,馬拉松速度上的落差可能會來到2 km/h-1(14.2 v. 16.9 km/h-1),這也告訴我們F值是個關鍵所在,這關鍵所在也同時啟動了能量系統的變化,當最大攝氧量超過50%之後,有氧系統的能量攝取從脂質開始轉換成碳水化合物,相較於以乳酸堆積最大穩定狀態來看。

另外一個重點在於公式分母的Cr.跑步時能量消耗的狀態,菁英馬拉松男子選手的Cr. 0.195,菁英馬拉松女子選手Cr. 0.205。如果以Paula Radcliffe的成績來分析,2:15:25,代表著平均每分鐘跑了311.59 m/min-1,在這場比賽中,她最佳3000公尺成績是8:22:20,因此平均每分鐘跑了358.4 m/min-1,跑出女子馬拉松破紀錄成績過程中都維持在3000公尺最佳的86.9%。而她的最大攝氧量最佳在73.5 ml/kg/min-1,因此,上述提到的vMarathon = F VO2max /Cr,套進公式可以發現完全滿足需求,311.59 m/min-1=0.869*73.5/0.195,這也代表著以3000公尺為基底配速與換算,對於馬拉松選手成績換算很重要,卻也同時代表著以男性而言,由於最大攝氧量會比女生來得高,再加上女生本身脂肪儲存量較高,慢速收縮肌肉纖維的基因組成天生也比較高,使得能量系統在剛剛提到超過最大攝氧量50%時,碳水化合物的能量消耗便開始提高,使得女生在能量消耗上便無法像男生太早提快,以男生而言,再次套用公式vMarathon = F VO2max /Cr,如果是76 ml/kg-1.min-1的最大攝氧量,Cr.是0.195,男生平均馬拉松每分鐘移動距離會來到350.07 m/min-1。光是這樣的距離差異,就足以發現何以當今馬拉松男子成績已經進入到2:01:39,但別忘了我之前曾經發過的圖片,女生平均馬拉松速度變化率相對較低,以效率而言,脂肪儲存量與肌肉纖維組成,還是讓能量系統運用上得到『耐力運動』應有的優勢。

然而,Dr. Billat提到雖然這三者在公式裡頭似乎是扮演舉足輕重的角色,卻只是提供我們作為參考,不代表獨立因子會影響馬拉松成績,例如:最大攝氧量就是重點?!乳酸閾值是關鍵?!呼吸閾值強化是王道?!用這樣的方式就太過偏頗了。用一張圖來參考會更明瞭!

這張圖來自另外一群學者針對了近兩年破兩小時馬拉松背後的科學依據。
這張圖來自另外一群學者針對了近兩年破兩小時馬拉松背後的科學依據。

圖片裡頭,可以清楚發現基因圖譜,戰略目標,生理因素,生物理學因素,都足以影響馬拉松成績,也同時回到Di PRAMPERO公式考量,都只是我們所選擇觀察『事物』的角度問題,生理學家當然會以自己發現到的優先為主,生物力學家會認為發展跑步技巧與動作效率優化才是突破成績的不二法門,但這些似乎都沒有辦法明確定義『馬拉松』的應該跑出的成績。

三,馬拉松跑者的訓練趨勢:最大乳酸堆積穩定狀態速度(MLSSv)與臨界速度訓練

Dr. Billat早在2000年左右開始投入乳酸閾值的研究,他認為曾經以研究提出只要跑者能夠以最大乳酸堆積穩定狀態速度跑10-20分鐘,跑三到五趟,每趟中間休息3-5分鐘,便可以改善F值,且必須連續六週,每週做兩次。同時在這篇文獻,他也提到菁英選手除了跑量可以平均落在200-240公里外,在v10000公尺跑步的總距離也會多過於次菁英或者業餘跑者,這都足以代表著最大乳酸堆積穩定狀態的訓練是會帶來身體上的差異的,Dr. Billat也用了一段話描述『我們應該發展MLSSv與最大攝氧量,替代於高F值而低最大攝氧量的狀態』。儘管如此,他也提到訓練MLSSv的過程中,難免會開始大量消耗碳水化合物,使得身體出現血液酸鹼性改變,造成肌肉受損與效率下降,當然,剛開始可以降低到v10000公尺的95%(亦就是說如果一萬公尺成績是30分鐘,v10000平均速度是3分速,3分速是100%,可以下修到95%),讓身體先不大量消耗碳水化合物,減輕這種訓練過後的身體負擔。此外,在此她舉了兩位歐洲兩位著名的跑者為例,葡萄牙跑者Carlos Lopes與Antonio Pinto,Carlos習慣在每週操作兩次速度間歇依照3000公尺配速的15 x 400m and依照一萬公尺配速 6 x 2000m,而且幾乎整年都維持著同樣訓練,至於Antonio則本身在一千五百公尺,三千公尺與五千公尺都有不錯的成績3:38 , 7:38, 13:02。因此,他都能維持以vMarathon 120%的狀態跑間歇或者節奏跑。當然,這兩位大概就超過Dr. Billat認定的MLSSv,甚至她認為務必做到針對族群,性別,跑步生理特性設定MLSSv,如果本身無氧閾值速度較好,便可以維持或提高MLSSv(v10000)。

t = AWC / (P – CP)或者t = AWC / (P – CV) – AWC / (Vmax – CV)

此外,博士也認為這兩個公式所提到的數據影響著馬拉松跑者的成績,AWC代表的是無氧工作效能,P代表的是功率輸出,t代表的是在功率輸出過程中在多久時間開始感到耗竭。一個二元一次方程式,另外一個是三元一次方程式,亦就是說隨著變項增加,需要考量的要素也變多,因此,研究者認為臨界速度的維持與個人的最高速度展現仍是一個運動表現的差異,這也是為什麼越來越多學者認為『中長距離跑者將主宰馬拉松戰場』。接著在討論一下Critical Velocity與Critical Power的運用,根據Dr. Billat的整理,她認為CP扮演馬拉松比賽最後十公里重要的角色,特別是針對著地過程的膝蓋伸直角色,在擺動階段的膝蓋最大角色增加以及最後30分鐘的平均步幅開始下降。

Critical Velocity是在可以統稱為1500-21000公尺配速,根據每個選手的無氧閾值速度決定,例如:以30-60秒平均移動距離來看,總共有兩位跑者,一位在這兩種秒數可以移動250-500公尺,另外一位在這兩種秒數移動距離則是150-350公尺,那麼可以簡單推論第一位跑者以1500公尺配速作為臨界速度訓練是較為恰當的,另外一位則可能比較適合10000-21000公尺配速作為臨界速度訓練。Dr. Billat在本篇文獻提到馬拉松配速是比MLSSv的少10%,相對MLSSv又比臨界速度低10-12%,所以,我們可以得到一個初估區間,馬拉松配速如果是82-85%vVo2max,MLSSv會是在85-88%vVo2max,平均的訓練時間可以拉到40-60(上一篇馬拉松跑者之追隨心中火影提到節奏跑可以做40-70分鐘)分鐘,CV會是90-93%vVo2max,平均的訓練時間可以拉到30分鐘,博士同時也提到平均跑完馬拉松的乳酸累積濃度會是在5加減2 mM。此外,搭配上圖,可以發現27-30公里的過程中,除了身體大量脫水導致心率下降,跑動過程中感覺到沈重與肌肉效能下降,因此,可以推測的是『臨界速度越高的跑者,相對在心跳率同樣27-30公里時,遇到劇烈撞牆時,身體如果得以維持速度,那麼並不會明確影響馬拉松成績』。

四,馬拉松其他關鍵數據:

在馬拉松跑完之後,我們都可以清楚知道會鐵腿,然而這對於科學家而言,他們認為這是Critical Power的訓練不足,也因為神經肌肉疲勞導致能量消耗增加,舉例而言,當一位跑者完成最佳成績2:43:48正負2:12時,在跑完馬的15-20分鐘與三天,甚至是七天,他的大腿在等速肌力測驗與大腿前側肌肉的力矩都會下降。

另外一篇研究則指出,當完成馬拉松後,跑者在操作股外側肌與股內側肌等長肌力收縮測試時,肌肉電位訊號的釋放會下降30-35%。在肌肉效能與氧氣輸送效能開始下降並且低於正常水準的20%,被科學家歸類為『中樞主導假說』,亦就是說當身體能量消耗到達極限,為了避免造成身體受損,大腦會主動關閉其他肌肉氧氣需求,維持大腦運轉正常。

此外,呼吸肌肉的數據也值得觀察,研究者利用可攜帶式攝氧量儀器,發現人體在超過2.5小時的持續跑動後,呼吸肌肉效能會開始下降,進而下肢肌力的維持能力跟著下降。在馬拉松過程中,換氣頻率會增加,然而氧氣脈衝卻是下降的,亦就是說隨著攝氧量達到穩定平衡水準,心跳率卻是增加的。科學家解釋這種現象稱之為『心肌因為收縮擴散面積較小,所以它擁有較好的作工效率與呼吸肌因為相較於下肢肌肉有高實質性的作工效率』,因此,不管馬拉松運動如此煎熬,中樞主導假說啟動,這兩塊肌肉都可以2.5小時的運動之後持續提供良好的服務。

JRS行動跑步教室結語:

透過這一篇文章後,可以清楚知道『氧氣消耗』『最大攝氧量』『臨界速度』『最大乳酸堆積穩定狀態的速度』都是馬拉松選手的關鍵,只要記得節奏跑與乳酸閾值強度控制好,勢必會讓自己相對跑起來更綽綽有餘。

邏輯上是這樣的『最大攝氧量影響氣體交換效率,氣體交換效率影響能量消耗多寡』,每分鐘每公斤帶穩定的氧氣進入身體,氣體交換會透過最大攝氧量的快速組成與慢速組成,影響身體能量的啟動,優秀跑者往往可以讓氣體交換達到穩定狀態,而氣體的交換與肌肉使用,血紅素濃度,以及血液酸鹼值有關,以上關鍵都影響著每移動距離所耗掉的氧氣,然而,都不是『特定因子』!!剛開始我們從事馬拉松訓練,可以用跑量補足最大攝氧量,因為我們持續三年的長跑,但後來越不越覺得跑最大攝氧量的課表速度沒有突破,於是開始認為它不重要,跑亞索800也開始沒感覺,喔,不!

其實,是該換個想法了!就以最大攝氧量的概念而言,並不是單純提升它先天的基因限制,而是學會如何在先天限制中得到良好的氣體交換效率,然而『長間歇』或者『亞索800』有時候會失效,是因為長間歇的操作時間太長,使得每一趟除了啟動最大攝氧量,卻也無形中提高了乳酸閾值濃度與肌肉纖維破壞,累積性的疲勞反而更容易影響其他課表的操作,此外2000-2003年的研究認定短間歇10-15-30的比例,才是最大攝氧量在高強度維持的關鍵,即便訓練時間只有20分鐘,但身體的氣體交換與最大攝氧量維持卻是跑馬拉松跑者所需要的,文獻中也提到某些跑者能夠在馬拉松比賽中維持80 ml/min-1,這代表著是重點應該放在你的最大攝氧量有沒有『真正』在訓練過程中維持,因此,抓對『訓練強度比例』很重要,而不是每一趟都跑到神經肌肉疲勞,每一趟速度都啟動快速收縮肌肉(二型肌肉纖維),跑到爆掉,卻不見自己有進步,認為衝刺與長間歇無效。間歇怎麼練,我想我曾經放過一本圖片檔,有空可以參考看看。

至於如何抓相關數據,我想身為跑者必須熟知每一週期過程中的3000-3200公尺的測驗數據與速度,因為多數在這跑動距離都會在8-15分鐘完成,那麼最大攝氧量勢必在接近100%的狀態,接著再去換算百分比,讓自己在每個週期都做速度的調整,例如:MLSSv大概是85-88%最大攝氧量速度,臨界速度在90-93%最大攝氧量速度,馬拉松配速(MP)則是落在82-85%最大攝氧量速度,分別在這三種跑量做精細的調整,MLSSv可以跑到40-70分鐘,CV可以跑30分鐘,MP則可以維持1.5-2.5小時,每週根據自己的週跑量做控制,頻率只要抓在CV跑1次,MLSSv跑2次,MP跑2-3次(不一定都要拉到2.5小時,記得用跑量去衡量自己的能耐),接著配合短間歇一週1次,那麼我想就是一套很棒的訓練計畫。

此外我想提『中長距離選手可以稱霸馬拉松世界』這概念至今仍適用,因為臨界速度的概念與文獻中提到Paula與西班牙選手在中長距離的表現,都足以證明良好的無氧閾值速度影響到馬拉松最後十公里的運動表現是否能夠維持(根據自己的能力做調整,不要害怕跑快,肌力要同時強化),綜觀Kipchoge與Bekele,他們本身在中長距離表現不凡,因此,我們指日可待挪威小子如果1500公尺進入到生涯巔峰時,他或許是下一位擊倒非洲大軍的馬拉松選手!

共勉之!多讀書,專家經驗與跑者經驗有時候很重要,有時候不重要,選擇權在於你,不要太早下定論,或許哪天換我自己寫文章打自己的臉。畢竟我除了喜歡研究訓練課表,生物力學,還喜歡研究肌力體能訓練概念,但我不覺得自己特別厲害,因為還有太多東西我不知道了,現在能做的就是持續寫,直到腦海中的邏輯架構已經完整。

備註:文獻的末段有配速策略,但礙於內容太多,我的大腦無法一時消耗,待下週『如果』有空再重新整理一篇。

文獻參考:
Current perspectives on performance improvement in the marathon: From universalisation to training optimisation. 作者: Véronique Billat
How much further for the sub-2-hour marathon? 作者:Sousa CV, Sales MM, Nikolaidis PT, Rosemann T, Knechtle B
Will women soon outrun men? 作者:Brian J. Whipp and Susan A. Ward

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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