擺動是關鍵 腿後側肌群是移動速度的關鍵

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這大概是我2020這一年寫『最長最長』的文章了,畢竟語重心長。

照片來源:muscleandstrength
照片來源:muscleandstrength

在寫這篇之前,一樣先談談電影,雖然這幾次下來,大概只有決戰終點線是我比較對劇情有印象的,其他的看過一遍都需要重新複習才能想起在演什麼。但哥吉拉,我就不陌生了,畢竟小時候最常看的電影就是哥吉拉,拜我叔公之賜,他家裡有一整套關於哥吉拉的電影。因此,我內心狹小的內心世界相信地球是有怪物!哥吉拉是保衛地球的救世主,它對付與攻擊來自地球以外的生物,因為它們攫取地球的資源甚至想霸佔地球,而哥吉拉在受傷後,也是依賴地球的核心溫度與地磁能量修復自己,但為了讓他快速醒來,博士放了顆核彈,讓他更快醒來,繼續拯救這個我們都守護的地球。

在跑步世界中,也有怪物,舉凡最早出現在我田徑生命裡的Michael Johnson, Maurice Greene, Marion Jones甚至到後來出現了Usain Bolt, Justin Galtin以及Wayde Van Niekerk,當然可能有人心想『你不是研究長跑的嗎?』顆顆,國中時代,我曾經幻想我能夠像短距離選手一樣坐在道次箱上,帥氣舉手,可惜『以前只要沒速度就會被歸類到中長距離組』,連大隊接力候補都沒有。這些短跑怪物,究竟是如何利用自己的身體達到如此驚人的速度呢?讓我今天來一一說分明。因為了解跑步的步態週期,『擺動與支撐』,才可能知道如何跑快的要訣!

邏輯是這樣的,雞生蛋,蛋生雞。跑步的邏輯應該是先擺動後支撐,還是先支撐後擺動?!這就是文字遊戲一般,沒有對錯,只是在爭辯何者的優先順序,好讓自己得知『真相』。

文章標題就寫得很直白-『跑步該專注擺動與支撐』,擺動與支撐是生物力學家根據跑步所做的動作分期,當試圖了解每個動作分期(想像一個跑者慢動作『回放』在你腦海),自然可以清楚知道哪一個動作是重點,然而,這樣的邏輯很直觀,畢竟『每個動作分期』囊括了身體每一塊肌肉施力重點與關節在時間序列下不同的排列組合狀態。但我的重點在於強調『當了解什麼力學分析後,動作概念化會更容易操作訓練』,甚至會很清楚為什麼馬克操(跑步技巧演練)很重要,為什麼某些訓練不一定會幫助跑步動作優化,反倒破壞本來關節構造的優勢。

開始主題前,先讓我舉得幾個網路上常見的例子,在現實世界中,我們很常聽到『臀部是幫助我們跑快的重點』!(谷歌搜尋關鍵字『臀部 跑快』如下)。得到的答案如下:

還在用「腳」跑步? 蕭昱的跑步秘密武器:臀部

文章內容擷取:

我爸以前常常說:「跑快的人屁股都很大,因為那裡是所有力量的來源。」但我從小不管是騎車還是跑步,最累、最酸的肌肉永遠是大腿。

為什麼膝蓋會受壓力?因為我發力主要靠大腿,而正確的方式是使用臀部的肌肉,因為臀部關節比膝蓋大且強壯很多,也更接近核心肌肉,能讓你比較好出力。

【知識】我跑不快是因為臀部力量不夠嗎?

文章內容擷取:

不管是圖上所示,還是縱觀跑圈,尤其是短跑者,臀部肌肉非常發達;而在長跑比賽中,運動員的身形相比短跑運動員,雖然看起來非常瘦,但是他們全身的力量包括臀部的力量並不弱。

臀大肌是跑步蹬地發力最重要的一塊肌肉,就像是一個「馬達」裝在人體後面,給人體提供向前的動力,驅動人體向前。

以上說的完全沒問題,可是臀部的扮演的角色是不是確實在輔助我們跑快,這需要不斷的追根究底才知道。以研究而言,必須透過三個方向回推到哪一個關鍵會影響我們跑步的速度,接下來一一介紹這三個方向:跑步的步態週期,腿後腱肌群的功能與肌肉電位訊號分析來觀察!

跑步的步態週期

依照跑步的步態來觀察,走路與跑步最大的不同點在於:

  • 走路的支撐時間(Stance Phase)與擺動時間(Swing Phase)所加總的時間是100%,那麼他們分別的時間會是60%:40%。
  • 跑步的支撐時間(Stance Phase)與擺動時間(Swing Phase)所加總的時間是100%,然而他們分別的時間會是40%:60%。

步態研究專家認為速度越快,擺動時間會延長到70% 『During faster-paced running, the stance to swing ratio changes to approximately 30:70. Shod runners spend approximately 33% more time airborne (float) while running at a fast pace as compared to shod running at a slower running pace (備註:Pink et al., 1994).』。亦就是說,整個移動的效率來觀察跑步動作,擺動佔了跑步步態週期的大半時間,可以推斷的是擺動的效率越高,自然會影響跑步的效率與速度,當然,支撐是作用力與反作用力的過程,因此,在支撐的過程中,關節在承受力量時所擺放的位置,自然會影響到如何將接收到的地面衝擊,回推給身體肌肉做使用,這之中包含了肌肉肌腱系統myotendinous junction (MTJ)的彈性與強度,下肢脛度,地面反作用力的垂直,水平,左右三面向的分力等關鍵要素,應該會有人好奇,上述所講的不就是跑快的原因嗎?因為施加給地板的力量越大,代表著反作用力越大,肌肉肌腱系統MTJ能夠儲存的力量越多,移動的效率與速度越快,這些關於本來的推測都算是合理範圍,真正的重點在於動作週期過程中,肌肉的反應狀態。(這待會兒討論!)

回到步態週期,為何擺動如此重要?理由在於當人體在跑步過程中,下肢準備Mid-Stance到Toe-off,往前進的動能會明顯提升,且多數來自於髖關節與膝關節移動效率提升,因此,支撐相對代表著是『肌肉承受力量時的穩定性』,擺動相對代表著是『肌肉借助力量時的移動性』,因此,文獻中也提到從Mid-Stance到Toe-off,是我們稱之為Propulsion,俗稱『Push off』,我們並非是利用腳踝離開的過程中,得到更多移動力量,反倒是擺動,但研究者也提到『不要誤會我的意思』,支撐的過程中,儲存的肌腱位能與下肢脛度的距離變化,仍是跑步過程中所必須使用到的,實際上就是必須有這些變化,才有可能造成更多移動速度的變化,然而,我的推論是擺動速度越快,自然下一步的支撐力氣就需要越大,地面反作用力的效益就要越高,然而,藉助肌肉的效能,使得人體移動速度提高,這是相輔相成的(關於每一塊肌肉在支撐與擺動的功能,最後一節會討論更多細節)。在討論步態週期佔跑步過程的比例後,擺動佔了多數時間,這過程中,運動生物力學專家則認為『腿後側肌群是擺動時速度產生的主要關鍵』!

腿後側肌群的是移動速度的關鍵

何以強調腿後側肌群是關鍵呢?記得上一段敘述中的擺動嗎?擺動是跑步步態週期的主要比例成分,從支撐到擺動往前的動能來自髖關節與膝關節移動效率(傳說中的力矩效應,如果看過之前我寫的力矩文章,可能略知一二),另外一個移動擺動效率的就是腿後側肌群了!有幾個重要研究佐證了這個事實!(但由於是擷取重點,抱持半信半疑的心情看以下三小節吧。)

第一:腿後側肌群在移動過程中,由於肌肉實際支撐與擺動時間比例100ms與300ms,然而,腿後側肌肉卻是在進入到擺動初期會有一個slack狀態,這對於關節移動效率是重要的,因為相對於另外一側的骨盆就必須產生對應的旋轉,接著透過即將落地時的肌肉延長的觸發效應(腿後側啟動時間比支撐過程中提早誘發,步態過程中相對反應時間是120-140ms),反倒讓腿後側肌群以等速與等長狀態產生明確的力量,幫助身體做反向鐘擺的效應,亦就是說『腿後側肌群如果是在明確的離心與向心收縮狀態,或者準備提早推蹬發力,通常是拉傷的關鍵時期』,換句話說『落地機制如果膝蓋關節角度過大,便有機會使得股四頭肌與腿後側肌群共同收所效益提高,使得移動速度變慢』,也因此,反向鐘擺的動作效率跟著下降,腿後側肌群必須被動地產生離心收縮,好讓身體可以進行下一步抬腿(簡單來說:想像坐著跑,臀部與膝蓋一直彎曲)。此外,該篇研究者本身提出的想法是『當移動速度越快時,肌肉伸長的機制必須減少,肌腱的伸長機制必須增加,如此才能增加肌肉的強度與脛度,肌腱也才能夠儲存與回彈力量,特別是在腿後側肌群』。

第二:腿後側肌群在執行衝刺能力時,與臀大肌共同合作成為最有效率的搭檔,然而,當臀大肌在擺動末期開始無力之後,腿後側肌群越有力的跑者,仍可以維持速度。進行衝刺過程中,臀部與腿後側肌群的關係就像是戀愛蜜月期前後的情侶關係般,當爭吵(疲勞變多)時,臀大肌與腿後側肌群的就必須拆開來看,臀大肌會很想要補償腿後側所感受到的不適感,當感情回溫時(疲勞下降)時,臀大肌與腿後側在擺動期的最後階段如膠似漆的結合在一起輔助下之移動效率。相對來說,當身體嘗試徵招更多身體近端肌肉(臀大肌)輔助跑步速度的維持時,就是腿後側肌群疲勞的關鍵時間點,亦就是往往會出現拉傷的關鍵時間點。此外,該篇研究者也認為臀大肌與腿後側肌群同時扮演著地面反作用力的水平分力重要元素,當兩者同時施加於地板的效益下降,自然會使得速度無法提升,因此,關鍵在於擺動末期,兩塊肌肉群同時產生力量的能力要提升,又或者在傳統裡,我們時常聽到Paw耙地動作,也是來自腿後側肌群在擺動末期所產生的效應,當腿後側肌群單獨疲勞,無法快速將膝蓋伸直的狀態作出減速判斷,那麼也會是受傷的關鍵。然而,重點依然放在『臀部與腿後側肌群』是一起的。

第三:腿後側肌群的半腱肌,半膜肌與股二頭肌長頭以及短頭,在衝刺過程中,各司其職的做好自己的工作。例如:在擺動末期時,股二頭肌短頭與半膜肌在力量吸收(負功)依序為-2.60正負 1.90W*kg-1 以及-22.39正負5.40W*kg-1,在力量產生(正功)1.12 正負 0.69 W*kg-1 以及 7.66 正負1.14 W*kg-1。當然,可能會有人好奇真的有差這麼多嗎?該篇研究者提到半腱肌與半膜肌以及股二頭肌長頭這三者之間,最大肌肉肌腱系統所產生的力量在擺動階段會是支撐階段的7.2-fold, 1.5-fold, and 5.7-fold。該篇文獻提到自己的研究雖然是以電腦模型去計算肌肉肌腱系統所承受的力量,但由於該篇研究也同時使用了Vicon(動態攝影捕捉系統,一般用在動畫製作或者動作研究),EMG(肌肉電位訊號),也用了ForcePlate(測力板),除了樣本數少,同樣研究的佐證數少,肌肉在Peak Stance時,難以估計的股四頭肌與腿後側肌群之間共同收縮的比例等等,都可能讓計算肌肉肌腱系統所承受與產生的力量錯估,但也由於研究者本身確認每個受試者的關節肢段參數與逆動力學的計算,它相信腿後側肌群在跑步速度增加的過程中,擺動狀態依然得藉助腿後側肌群的力量,維持跑速的穩定性。研究者也做了腿後側肌群四條肌群的在衝刺時的主要功能,股二頭肌長頭在擁有最大的肌肉肌腱系統的張力(它的肌肉長度可以在擺動初端到末端,與完全站立狀態的肌肉長度,有12%長度比例的變化),半腱肌呈現最大的肌肉肌腱系統『長度與速度曲線』,半膜肌擁有最大肌肉肌腱系統的力量產生與吸收,並且做出最大的正功與負功。

小結:腿後側肌群在擺動的過程中,肌肉的伸長是離心收縮,甚至會比原本站姿肌肉深長的長度多20%,而著地瞬間的等長收縮,讓肌腱儲存更多力氣釋放,肌肉效能維持,腿後側肌群在著地瞬間需要與臀大肌扮演協同角色,當臀大肌扮演角色開始吃重,反倒讓腿後側肌群有在擺動末期有拉傷的風險,腿後側肌群在電腦模擬數據中,每秒移動九公尺的狀態下(等於100公尺約11秒完成的速度,夠快了吧!)腿後側肌群扮演的角色不能忽視。

跑步時的肌肉電位訊號

這張圖,我想大家可能在上週看到過後一點都不陌生,研究者一樣在跑步步態週期拆成『擺動與支撐』,然而又更細分成為『煞車與推進,回復與預先收縮』,簡單來推論就是每次落地過程中,當我們的人體重量從A點準備移動到B點,首先發生的是觸地的反作用力,Dr. JB Morin在研究上曾經提過『讓煞車力量少一點,推進力量多一點』,這點說得很有道理。接下來透過這張圖繼續用文字玩跑步遊戲!

從支撐狀態觀察肌肉用力,就以下肢肌肉用力序列觀察,小腿肌肉在煞車反作用利的制動效果是最大的(上圖中的比目魚肌Soleus),因為腳踝是最早觸地的人體部位,為了快速離地,我們會啟動所有的肌肉幫助我們做到這一點,像是膝蓋的周遭肌肉(上圖中的Vastus Laterralis股外側肌肉與Hamsrting腿後側肌群)就必須以平衡膝蓋力矩的機制穩定落地狀態,臀部(上圖的Gulteus Maximus卻不需要使用這麼多力氣)則必須更快的收緊,讓下一步可以提早發生。

從擺動狀態觀察肌肉用力,就以更明確地看到脛前肌(Tibialis Anterior)在擺動腿回復已經在啟動腳踝,腿後側肌群與臀大肌則是以從『髖屈到髖伸』的協同機制,輔助下肢接觸地面,股直肌為什麼都沒有作用呢?可以這樣解釋因為腳踝落地時,是從Pronation(旋外)進到Supination(旋內),接著膝蓋從External rotation(外轉)到Internal rotation(內轉),臀部是Abduction(外展)到Adduction(內收),我最近喜歡說『關節擺放位置影響肌肉用力機制』,從以上兩個關節的動作可以說明『為何比目魚肌與股外側肌需要負擔這麼多支撐與擺動,因為這是他們需要負責的功能之一』,那何以臀部周遭肌肉好像輔助效應不大?別忘了,力量是由下往上傳遞,多數的力量已經被稀釋掉。

再搭配腿後側肌群在擺動末期的動作機制(髖關節屈曲與膝關節伸直的力矩相互作用,在研究來說,它們影響擺動的能力),當人體試圖以更快速度從A點移動移動到B點(從一公尺移動到兩公尺)距離固定,速度變化,肌肉內在的力量會明顯產生變化。做個反證,如果先接觸地面的腳踝移動速度慢,自然影響身體施加給地板的反作用力,進而改變垂直與水平作用力,再影響到每一個關節所應該承受的張力,因此,如果腳踝移動速度變快,髖屈與膝伸同時參與,勢必讓地面反作用力產生更多水平作用力(基本Dr. Morin認為不應該出現太多耙地Paw,因為這樣的煞車力量反而更大)。

小結:擺動速度越快,地面反作用力應該會隨之改變,腿後側肌群的效應則會使得儲存的力量不斷的重複釋放,直到疲勞為止,徵招更多臀大肌,然而,近端肌肉在短期內可以負擔的時間偏少,不像遠端肌肉有這麼好的耐力與移動效率,因此,擺動應該會比支撐重要,然而,支撐則需要藉由更好的腳踝周遭肌肉的輔助!

JRS結語:

進入結語之前,我想利用上禮拜做的推蹬與否的圖,再強化一下觀念。並不是完全污衊臀大肌在人體的功能與重要性,臀大肌依然扮演著承重與支撐的角色,且它搭載著我們的腰-髖-骨盆複合帶,代表的是需要更好的耐力與肌力,讓身體可以保護這至關重大的骨骼系統,因此根據深蹲與硬舉的效應啟動身體後側動力鍊,身體中軸近端關節與多關節合作的肌肉強化仍是必須的。然而,透過正確的肌肉電位訊號解讀,我們可以更快得知『當跑者將其身體與單腳落地動作進入支撐初期,所有下肢的肌肉必須快速反映出如何煞車,並且運動肌肉的狀態,快速轉換成為擺動,使得力量效益並不見得下降,反而在每一次擺動速度提昇時,速度自然上升。』我也必需再強調一次,關節移動的效率會直接影響肌肉承受反作用力的關節位置,因此,正確的支撐階段會自然影響擺動的各個階段,如同常見的單腳平衡是跑者檢測與評估的項目之一,就是為了清楚跑者是否在單腳平衡上出現關節排列或者肌肉用力不對稱的問題。

這樣的擺動與支撐狀態,是快速交換的,是能量循環的來回更迭,並不代表哪個階段特別重要,但跑速的增加,支撐與擺動的時間會自然改變,而擺動的移位速度增加會自然改變肌肉受力的狀態,特別是腿後側肌群的施力與受力狀況,擺動的效益也會影響腳踝自然推蹬狀態,腳踝也會因為雙腳進入擺動初期到末期的過程,讓腳掌停留地面的時間更容易縮短。再者,髖關節移動的效率與速度本身就在擺動過程中做了比較多功(如上圖),正好與踝關節的機制相反,因此,身體怎麼移動才是最有效率的,希望大家可以有更深一層的了解。最後的結語就是

『擺動是關鍵,擺動來自腿後側肌群的參與,支撐是力量回饋,支撐需要透過腳踝正確判斷吸收反作用力的機制,在這兩者之中,取得平衡,跑步速度會很自然地維持』

研究限制:

第一,肌肉電位訊號的研究基本上很難完全信服一些『相信測力板數據』的科學家,畢竟表面肌肉訊號很有可能啟動的過程中失真。

第二,儘管電腦模型建立數據資料庫,是這幾年運動科學家走的趨勢,然而,這幾年做的數據所使用的速度不一致,甚至因為多數的數據測得來自『跑步機』與矢狀面的影像動作擷取,因此,數據仍必須保持著合理懷疑的態度。

第三,樣本數太少,一直是這種運動科學研究的遺憾,是否能推論到每個人跑動的狀態,就值得更多研究樣本。

但,我必須說『科學研究』是在輔助我們找到邏輯,找到真相,這一年我所寫的,可能在五年後再度被推翻,然而,這兩年我所讀到的數據與書籍,都告訴我『擺動的重要性』這邏輯似乎是對的!

懺悔的備註與訓練巧思補充:

其中引用的一段話1994年Pink博士所撰寫的研究,我實在找不到文獻,又覺得特別重要,所以我放進去了,要是寫專業文章,千萬別犯這種錯。畢竟研究擺動與支撐的跑步步態週期的專業文章不多,我必須要借助專家意見來撐場面(咦)。

接著,由於我近幾年特別喜歡研究肌力與協調訓練機制,Dr. Bosch很強調Bottom-Up Self-Organization of muscular training,輔以他的徒兒Bas Van Hooren也在文獻中強調『儘管我們以為離心訓練對於腿後側肌群有所幫助,然而,實際上腿後側肌群更有可能在等長收縮的狀態下接受離心衝擊與離心的肌肉做工』,亦就是說,如果先針對『腳踝觸地機制』,甚至在Dr. Morin也提到一個關鍵多數力矩的測量唯獨站姿最標準,因此,我利用這些概念,組合成一套訓練模組,發現運用之後,可以讓自己的學生,即便不是短跑衝刺選手,也能夠跑起來像衝刺選手一樣有近乎完美的擺動與支撐狀態。
(如連結址 https://www.facebook.com/distancetrainingcenter/videos/534143853955183/

因此,在自主訓練過程中,建議腿後側肌群離心訓練的模式,可以放在受傷復建週期以及非賽季訓練週期,利用腿後側肌群的等長收縮訓練放在賽季中,進入到賽季可以利用腿後側肌群的等長收縮加離心負荷維持能力,例如:北歐腿後側彎曲是離心訓練,俯臥姿腿後側等長收縮對抗30秒或者最大負荷130-140%站姿接近1/4半蹲3-5下是等長收縮,Drop Jump與Stiffness Jump維持腿後側的等長收縮加離心負荷,以跑者而言,操作一週一到兩次,重點在於維持效能,非疲勞刺激,跑量已經夠多的時候,注意肌肉肌腱系統負擔上的疲勞,切勿在長距離跑後操作高強度肌力訓練(自主感覺狀態RPE超過7分以上),可以在間歇訓練過後,利用PAP(活化後增益強化)機制,操作肌力訓練,又或者單獨在一週訓練單元中,放置一個時間點,專心練習訓練技巧,訓練技巧之前的單元可以是間歇訓練(間隔六到八小時)。

共勉之!我相信科學,科學不見得是利用一般人的節構做研究,但至少科學可以輔助在動作設計與力學運用得到解答,這兩年從我心目中的大神Dr. Mike Young,以及這兩年苦讀一些力學書籍後,更清楚知道力學重點應該放在如何正確運用,何不是莫測高深的計算,計算當然重要,但那是數學與物理學家要做的事,身為教練的工作,應該是在數據中找到合理的解釋邏輯,讓訓練符合科學家眼算出來的數據。當然,我也同時相信『真相』永遠也吵不完,至少我目前所得知的概念,幫助我的學生可以跑得更像運動員!LET THEM FIGHT, I WILL KEEP SURVEYING AND BE THE LIGHT!

文獻參考:

Mechanics of the Human Hamstring Muscles during Sprinting。作者ANTHONY G. SCHACHE, TIM W. DORN, PETER D. BLANCH, NICHOLAS A. T. BROWN, and MARCUS G. PANDY

Sprint Acceleration Mechanics in Fatigue Conditions: Compensatory Role of Gluteal Muscles in Horizontal Force Production and Potential Protection of Hamstring Muscles。作者:Pascal Edouard, Jurdan Mendiguchia, Johan Lahti, Pierrick J. Arnal, Philippe Gimenez, Pedro Jiménez-Reyes, Matt Brughelli, Pierre Samozino and Jean-Benoit Morin

Is there really an eccentric action of the hamstrings during the swing phase of high-speed running? part I: A critical review of the literature 作者:Bas Van Hooren & Frans Bosch

A comparison of the spatiotemporal parameters, kinematics, and biomechanics between shod, unshod, and minimally supported running as compared to walking。作者Everett B. Lohman III, Kanikkai Steni Balan Sackiriyas, Wesley Swen

Muscle activity in sprinting: a review. 作者:Róisín M. Howard, Richard Conway & Andrew J. Harrison

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

【延伸閱讀】

肌肉、力量傳導與跑步週期 跑步研究探底了沒

跑步力學步態的綜觀:步頻與步幅