體重、推進、腿擺動 生物力學如何影響跑步

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說來話長,這篇網誌總共擬了三次草稿,但總是消失不見。大概就是葛索媽媽綁架了樂佩一樣,讓我再也找不到!然而,長話短說,我今天其實想要說的是:一位博士來自美國科羅拉多大學Rodger Kram,他將支撐體重與身體推進以及擺臂與擺動腿,做了很詳細的見解!他們認為這些能量消耗總共佔了87%的比例,造成我們在跑步過程中需要消耗這麼多氧氣!

照片來源:mapmyrun.
照片來源:mapmyrun.

這樣的整理更讓我了解到「體重是影響我們熱量消耗多少的主因,推進造就了往前進,然而,煞車卻佔有更重要的角色,擺動腿曾經被認為消耗熱量高達20%,慢慢被修正為7%,最後不忘記手擺動的目的,其實是為了肩與寬左右對稱的旋轉平衡接下來,如果有興趣再慢慢往下看,最近會開始精簡寫文章(上述講的熱量消耗都是每公斤肌肉在每分鐘消耗多少毫升氧氣)

支撐體重

如同上圖,可以清楚看見支撐體重是人體最消耗氧氣與最耗能量的主因,佔了將近65-74%,研究者試著利用研究設備減輕跑步過程中體重的負擔,卻發現讓地面反作用力完全跟體重一樣時,我們仍需要消耗接近26%的氧氣消耗,跟走路最大的不同點在於:「跑步屬於單腳支撐體重,走路屬於雙腳支撐體重」,我們可能都以為單腳支撐體重最費力?!其實根據研究發現「雙腳支撐體重在能量消耗佔的百分比反倒比單腳支撐體重來得高」,這大概能夠解釋為什麼競走會比跑步來的辛苦的原因!此外,當體重支撐越來越少時,科學家認為「接觸時間的長短」則扮演著其中一個重要的氧氣消耗角色,因為接觸時間都代表著肌肉施加多力量給予地面,太長的時間點施加力量自然會消耗更多氧氣!

推進

推進與煞車一直是都稱兄道弟,特別在運動的過程中,研究者曾經認為如果輔佐以推進的力道,可以減少氧氣的消耗,當實驗儀器將推進力小於體重的6%,那麼煞車衝量會減少52%,推進衝量會增加48%,所消耗的氧氣會增加37%,當實驗儀器將推進力大於15%,那麼煞車衝量會增加137%,推進衝量會減少70%,所消耗的氧氣會減少38%。因此,可以證明好的煞車效應才能夠減少氧氣消耗狀況

腿擺動

在早期研究發現「擺動是兩隻腳的哺乳類動物能夠維持速度的關鍵,身體肢段越長的動作因為肌肉越長,反倒消耗多氧氣在移動過程,因此,四肢稍短的動物反而藉由更快地擺動維持效率,卻也發現他們需要跳動更快的心跳」。也因此,人類的移動,當支撐腳掌準備離地進入到下一個擺動階段時,力矩的產生與力臂的長短決定了移動能量的關鍵。

科學家用1-4%的擺動狀態研究究竟氧氣消耗的變化,發現當擺動助力放置於小腿時,約是體重的4%,氧氣的消耗會減少高達20%!也就是說原來擺動可能消耗這麼能量,儘管不如支撐體重得多,卻也是相當可觀的數字。

手臂擺動

神奇的是「手臂擺動研究」,雙手放置於頭頂的動作與正常擺臂狀態對於身體能量耗損基本上是沒有太大差異的,然而如果以悠閒放置於背後與雙手交叉於胸前卻可以影響肩與髖之間旋轉平衡,因此,能量耗損便會提高!

這也無形中提醒著「正常擺動的重要性」,當身體擺動超過「胸前」,髖與肩對稱選轉關係便會影響到呼吸能量,長久下來並無法有效提升跑步成績,至於縮手臂的擺動也同樣限制了本來的肩髖對稱旋轉,值得我們思考維持良好擺臂的重要性!

如果體重支撐與推進以及擺動腿的效率通通放進去,會不會比較好呢?

Dr. Kram曾經試著將上述三種能量消耗的要素透過「一加一」會不會影響更明確的狀態下做研究,發現答案其實微乎其微!

當往前推進力分別提升到體重的10%、7.5%、5.0% 與 2.5% 佐以體重減輕依序為100%、75%、 50%與25%,分別所消耗的代謝能量會每公斤減少3.5、3.3、2.6、and 1.8 W。

當腳擺動的助力參與跑步過程時,在體重減輕與推進力提升的同樣的比例下100/10%、75/7.5%、 50/5.0% and 25/2.5% ,每公斤所消耗的代謝能量會來到0.7、0.6、0.7 and 0.7 W/kg。

簡單來說「當三者作為整合時」,並沒有辦法單純決定哪一項是可以被剔除的或者哪一項是能量消耗的決定因素。

結語:

我認為跑步很有趣,也同時認為「生物力學扮演的角色超乎我們想像」,每一項科學都很重要,當我特別研究擺動過程中,我發現肌肉協調的重要性以及肌腱儲存力氣才是跑步關鍵,體重/擺手/腳擺動/推進都是生物力學所探討的,當力量產生機制是穩定的,自然會是最省能的狀態,從不會有單一因子決定「能量消耗」的優劣,因此,學會怎麼正確的跑很重要,歡迎來參加我的跑步課,因為,我已經找到致勝的關鍵(蛤,誰准你下廣告了)。

文獻來源:

Partitioning the Metabolic Cost of Human Running: A Task-by-Task Approach。作者:Rodger Kram

The metabolic cost of human running: is swinging the arms worth it?作者:Christopher J. Arellano and Rodger Kram

內容來源:JOGGING RUNNING SPRINTING行動跑步教室

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