解構時間與空間 四個重點看跑步效率

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老實說,我差不多快把腦袋可以寫的東西寫完了(咦)。可是又意猶未盡,總覺得少一味。後來想想這部電影的重點,讓我更有想法。例如:空間與時間的對應關係,以時間上來講,我們可能在42.195公里完成時間是2小時30分50秒,卻可能在空間概念裡頭實際上我們的位移是零(因為只是回到原點),儘管我們確實移動的距離是馬拉松標準距離。也可能在移動距離過程中,因為時間改變的過程中,你會在原來的路線不小心多跑了幾步路,而浪費了一點點時間,使得比起原本的成績多了一分鐘,且會不會你在另外一時空,實際上用2小時跑完全馬(誤)。

圖片來源:nytimes
圖片來源:nytimes

聽起來好玄,但我真確想表達的是跑者的時間與空間序列是會影響『動作效率』的。

動作效率就像是人體動作的關節與肌肉在相對時間與空間關係,因為人類的跑步方式是『週期循環』動作,並不如像是蟑螂般的有效率,且他們的速度可以到每小時200英哩,一部分是結構關係,一部份他們腳移動的方式像是trotting,靈活且快速的位移身體。

(參考國家地理頻道影片)

然而,這是昆蟲在空間裡頭產生的位移方式。

人體的位移方式可以利用『時間』與『空間』的相對概念,找到『關鍵要素』,就像是電影裡頭所遺留下的『線索』,讓我們得知自己在對應時間下所產生的狀態是否符合跑步的需求。

我把這過程結合研究分成四大方向討論『關節位置』、『訓練與未訓練者』、『不同等級與項目』、『動作分期』。

一,關節位置的時間空間序列

可以利用下圖所示:

其實我也很會舉老子的名言,道德經說『合抱之木,生於毫末。九層之台,起於累土。千里之行,始於足下。』(喂)我想說的是從足下觀察排列狀況,可以看到動作在時間與空間序列的端倪。試想反作用力是由下往上傳遞的,因此,足踝的功能便有可能影響其他關節在當下狀態的受力狀態!

舉例來說:以矢狀面(Sagittal Plane)當跑者的左腳著地,呈現支撐階段(Stance Phase),當左腳踝正準備進入足背屈時,膝蓋正準備伸直,髖關節進入伸直,骨盆進入到下降,內旋與伸直。右腳擺動(Swing Phase),相對於右腳踝經由腳趾離地的足蹠屈,膝蓋正準備屈曲,髖關節也即將進入屈曲狀態,骨盆進入抬升,外旋與屈曲。這是以側面的觀察,卻可立即抓出哪一關節位置不在預期狀態或者過度做工。

儘管如此,跑步的過程依舊是三種不一樣的平面同時運作,因此,觀察的面向務必全面性,不是光從側面。所以從正面(Frontal Plane)觀察膝蓋則是著地完全腳掌支持狀態下的膝蓋會內收,髖關節則呈現外展,骨盆則會往對稱邊移動,骨盆也會與相對側下降少許角度。

當然,以上這些判斷就是由您的教練或者物理治療師或者傷害防護員處理。

而這樣的判斷可以釐清『跑者是否真的對稱』,也可以清楚知道當兩邊動作出現不對稱時,通常是出現疲勞或者代償,又或者身體的骨頭與關節在先天的排列位置就比較容易出現這樣的『時間與空間序列的不對稱』。舉例來說:當跑者在經過30公里(兩小時半到四十五分之間)的穩定速度前進之後,開始遇到了撞牆期,能量系統在碳水化合物的運用來到臨界點,脂肪代謝速度平緩,於是動作效率開始下降,本來雙腳膝蓋抬高角度是平均的,卻可能因為天生長短腳與骨盆歪斜或者脊椎側彎,使得下肢在著地位置本來也是穩定的,因為上述的狀況發生,而產生效率下降的問題。這時候通常是抓出自己『為何疼痛最佳的時間標記點』。

為何這樣說?如果是特定距離與時間點發生的『部位疼痛點』,是判斷動作出現受傷狀態最好的時機。因為假設是膝蓋周圍產生疼痛,便可以推測『腳踝足背屈與蹠屈的角度是否下降』,『膝蓋在對應狀態的內旋與外旋以及伸直與屈曲是否穩定』,『髖關節的在著地狀態的伸直與屈曲是否夠力』,這些都能夠透過跑者回憶當下,『及時』『某特定時間點在什麼狀態下』評估出什麼原因使得受傷狀態加劇,像是突如其來的長距離的過程,偶然的上下坡往往會容易大意,導致關節排列位置與平常跑步習慣不同而產生累積的疲勞。

二,訓練與未訓練的跑者時間空間序列

(參考上圖)研究者認為經過訓練的跑者在時間空間序列下所展現出來的『狀態』也不同,受試者分成健康族群每週從事兩天運動,但都不是從事特定跑步項目,經過訓練者則是半馬成績都能夠跑進70-86分鐘,兩族群年紀相仿。研究者利用不一樣的跑速,並且透過影像判定所有跑者都為足跟著地模式,同時規定跑者都以300g左右的鞋子進行測試,結果發現訓練過的跑者與未訓練過的跑者,在執行不同速度的時間空間序列策略是透過兩者相對的增加4%步頻,減少7%步幅,維持跑步效率,然而在經過強度(例如:執行乳酸閾值速度或者次最大攝氧量速度時)增加後,訓練過的跑者與未經過訓練的跑者會已相對應的數值增加7%步頻,減少11%步幅將跑速提高。亦就是說經過訓練者往往在選擇策略上多半是步頻,步幅會因為長年累積的訓練模式開始下降,相較於未訓練者,會在跑步速度提高時,加大步幅。

因此,就以步頻乘上步幅的概念,明顯可以清楚訓練者與未訓練者在每小時10公里的時候(六分速),未訓練者會比較傾向拖慢頻率,拉大步幅,即便到了每小時17公里的時速(3分半速),而訓練者之所以有效率是因為頻率的加快對他們來說是一種自然反射行為,科學家認定這樣的過程是為了第一是減緩地面衝擊力,第二是氧氣消耗率下降,第三是步頻乘上步幅是組合關係,訓練者的步幅依然有相對提升,卻以統計比率上來說,步頻加快是訓練者在速度改變時,時間空間序列所做的應對策略。

以生理基本條件觀察兩組受試者時,並沒有太大的顯著差異。研究者建議根據初學者可以儘量以步頻提快降低受傷風險,因為步幅的增加與步頻的下降,反倒使得支撐在地面的過程中,壓力容易過大,受傷風險增加。

三,不同項目或等級選手的時間空間序列

研究者認為110公尺跨欄選手與百米選手的起跑動作在『時間與空間序列』的過程中,從First Movement(啟動動作)-Rear Foot Block Exit(後腳推蹬)-Front Foot Block Exit(前腳推蹬)-Ground Contact Touch Town-Ground Contact Toe Off(總共四步),除了在後腳與前腳準備推蹬起跑架以及第二步的觸地與離地有明顯差異,相對的時間空間位置基本上水平位移與垂直位移都是屬於相同的運動表現效應(參考下圖)。

而研究者認為在起跑過後的連續兩步推蹬地面動作的肩膀抬起(垂直位移)是明確影響起跑策略的,然而在動作表現特徵上相似程度是高的。

上一段,有研究者利用未訓練與訓練者的時間空間序列差異,另外一群研究者則是不同等級的半馬跑者觀察,分成四組,第一組是小於70分鐘,第二組70-80分鐘,第三組80-90分鐘,第四組90-105分鐘。然而,在這群半馬選手中,不同速度測試過程中,四組受試者除了『步幅與地面接觸時間』是最重要的顯著變化,頻率與著地模式並沒有顯著差異,本篇研究最重要的發現就是『當固定著地模式時,會讓觸地時間,步頻,步幅,在同一速度的呈現模式一致化』,白話一點就是『當速度快時,跑者都容易呈現前足或者中足著地,觸地時間與步頻與步幅的顯著差異並不明顯,甚至可以說非常的穩定』。這可以說明『著地模式』會影響跑者時間與空間序列的排列組合,在白話一點就是『前足跑者的著地時間其實相距不遠,步幅也沒有太大差異性,相對的如果是腳跟著地也有同樣的因果關係』,卻會因為訓練量,訓練年齡,跑步速度而出現明顯差異!!亦就是說同年齡層與等級跑者,跑者的生物力學機制應該是接近對等的!

四,動作分期的時間與空間序列

根據Altis Kinogram Method,Dr. Frans Bosch擺動期的描述,腿後側肌群的速度機制,可以整理出一套有趣的邏輯。

透過分期動作判斷身體來到最高速時應該出現的相對位置。

  1. 腳趾離地的空間狀態,代表對稱邊的腳進入到Mid-Swing(擺動中期),根據上一篇腿後側肌群的啟動,髖屈與膝屈的力矩,會讓腳趾離地與推蹬產生的水平分力更加明確,然而,如果腳趾離地時,擺手位置並未及時跟上,便會使得『完全騰空』的效益變差。
  2. 完全騰空的空間狀態,在這狀態我們必須清楚地前導腳的腹部肌群與腿後側肌群,會使得骨盆產生自然後傾,移動腳的腰大肌則會讓骨盆自然前傾,在這時候,往往會讓雙腳更容易產生『剪刀』的動作,所以『擺動末期』更有效率。
  3. 擺動末期的空間狀態,由於骨盆與腿後側肌群的狀態類似『剪刀』模式,甚至根據腿後側肌群的肌肉電位訊號分析,腿後側肌群會預先收縮,拉伸長度比靜態站姿的長度多10-12%,肌肉接近等長狀態收縮,肌腱得以在接觸地面時完整延展,吸收地面衝擊力,釋放彈性位能。

這三個狀態的空間關係,可以觀察到選手的速度保持是否擁有優勢!根據Dr. Ralph Mann提出衝刺選手的黃金比例,腳趾離地的動作如果夠標準『前臂與後腿屈曲擺動都來到最大時』,這樣前移的速度可以自然保持在每秒鐘移動12.5公尺(參考上圖)!根據完全騰空狀態,如果動作夠標準,肩膀與骨盆旋轉狀態是屬於對稱平衡的,因此,觀察完全騰空可以知道是否肌群有不對稱!根據擺動末期的剪刀狀態則可以清楚知道兩隻腳腿後側肌群的使用效益,當剪刀效益不明顯,便可以看出身體更容易前傾,煞車機制更明顯。

JRS行動跑步教室結語:

時間空間序列,可以觀察排列也可以觀察步頻與步幅對應關係,生物力學家總是可以找到線索,並且加以解決。

在對應的時間點,身體在空間維度裡會有自然的反射行為與肌肉對策,我們都應該學著思考,擺動與支撐,垂直與水平,煞車與推進,都是力學專有的特性,也並不是它複雜,純粹是因為太少人談論它,而忘了它的重要性。

從2018年,我開始觀察短跑選手的跑步動作,儘管這是事後話,但光看動作範圍,清楚時間與空間序列的觀察,可以明確知道選手當下的狀態如何,當然,我並不是說這樣的觀察一定百分之百正確,可是就像田徑大師Dan Pfaff曾說他曾經反覆觀察短跑選手的影片,仔細端詳選手的力學效應。也因為如此,我也喜歡利用這樣的觀察,找出真正該關心姿勢。

究竟誰有Dr. Mann指的『最大屈曲黃金衝刺姿勢』?
究竟誰有Dr. Mann指的『最大屈曲黃金衝刺姿勢』?

我喜歡研究跑步,從研究所開始到出社會十年,我學著觀察,不斷學習,還有更深的知識等待我去探索。從時間序列找肌肉對應動作,從空間序列找關節排列狀態,從力學大師身上找到什麼才是真正該關注的。在這十年間,台灣對於跑步的概念發展成什麼程度,我想大家有目共睹,會不會前進呢?我不知道,但會持續努力寫這種大家不見得喜歡看,卻值得討論的文章,因為當大家開始知道我Bullshit的時候,那就是大家都懂了。

共勉之!

參考文獻:
Differences in Spatiotemporal Parameters Between Trained Runners and Untrained Participants。作者:Josue Gomez, Ana Ogueta-Alday, Christopher D Stickley, Jesús Tobalina, Jon Cabrejas-Ugartondo, Juan Garcia-Lopez

World-Class Male Sprinters and High Hurdlers Have Similar Start and Initial Acceleration Techniques。作者:Ian N. Bezodis, Adam Brazil, Hans C. von Lieres und Wilkau, Matthew A. Wood, Giorgios P. Paradisis, Brian Hanley, Catherine B. Tucker, Lysander Pollitt, Stéphane Merlino, Pierre-Jean Vazel, Josh Walker and Athanassios Bissas

Similarities and differences among half-marathon runners according to their performance level。作者:Ana Ogueta-Alday, Juan Carlos Morante, Josue GoÂmez-Molina, Juan GarcõÂa-LoÂpez

Biomechanics and Analysis of Running Gait。作者:Sheila A. Dugan, Krishna P. Bhat

The Mechanics of Sprinting and Hurdling (English) 2018 Editionth。作者 Ralph V. Mann Ph.D., Amber Murphy M.S.

The ALTIS Kinogram Method。作者:Stuart McMillan & Dan Pfaff

文章來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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