跑鞋彈性的革新與改變 仿赤足鞋與NEXT%的碰撞

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作者:董智尚、陳韋翰、相子元

仿赤足鞋概念的源起

2010年知名國際學術期刊 (Nature) 刊登了一篇名為《Barefoot running strikes back》的文章,發現習慣赤足的肯亞跑者多為前足著地,並且有較低的著地衝擊;而習慣穿鞋的跑者則多為後足著地,但有較大的著地衝擊,引發了穿著運動鞋對人體動作改變的熱議。加上暢銷書籍《Born to Run 天生就會跑》描繪塔拉烏瑪拉人的跑法,並提倡赤足、極簡鞋 (minimalist shoes) 好處後,掀起了一波赤足的訓練風潮。NIKE Free仿赤足鞋也應運而生,許多跑者開始嘗試赤足訓練,並在馬拉松賽事中開始穿著仿赤足鞋、極簡鞋或五趾鞋,延伸閱讀《赤足還是穿鞋好? 著地型態才是關鍵》

革新的競速跑鞋誕生

時隔七年,2017年5月6日[1],由NIKE主導的Breaking 2 Project試圖透過科學與科技打破人類全馬破兩小時的紀錄,從此跑鞋有了嶄新的樣貌。該計畫邀請三位頂尖的非洲長跑選手穿著搭載碳纖維板的厚底跑鞋於義大利的F1蒙札賽道挑戰全馬 (42.195公里) 跑進二小時內的創舉。雖然Eliud Kipchoge最終以2小時0分25秒的些微差距失敗,但2年後的秋天於奧地利維也納捲土重來,並將挑戰命名為1:59 Challenge,在涼爽天氣、配速團隊、跑鞋科技的多重有利因素之下,Eliud Kipchoge成功以1小時59分40.2秒的成績創下世界最佳 (World Best Time),儘管因賽道、專門團隊輪番上陣配速等緣故,不列入正式的世界紀錄 (World Record, WR);但從此碳纖維跑鞋成功的引發熱議,甚至質疑的聲浪也隨之而來,國際田徑總會還為此修訂了新的跑鞋規則。

仿赤足鞋與新一代競速鞋的差異

從2010到2020年,可謂世界跑步風潮的黃金十年,跑鞋的設計從外觀到功能,都有很大的不同。前述2010年流行的是赤足概念,鞋款設計偏扁平、掌跟差 (Drop) 很小,致力讓腳能夠自然發揮原本的功能;而2020年則是採用厚底鞋與材料科技 (如發泡技術、碳纖維技術) 等,試圖提升跑步經濟性與運動表現,延伸閱讀《穿Nike Vaporfly 跑步真的比較省力嗎?》

▲仿赤足鞋與新一代競速鞋在外顯上的差異。Free RN 5.0 (黑鞋) 在推蹬時有很好的彎折性 (黃點虛線);ZoomX Vaporfly Next % (黃鞋),外顯上厚度增加且鞋頭上揚,著地時有明顯的中底擠壓 (黑箭頭),在推蹬時則很少彎折 (黑點虛線)。

單純從實際跑步時的外顯變化可觀察到,當腳跟著地到腳掌貼平時,可以發現Vaporfly Next %中底有明顯的擠壓 (黑箭頭),而Free RN 5.0則變化很小 (黃箭頭),中底泡棉材質的擠壓可提供吸震緩衝的效果;Vaporfly Next %能提供較好的著地緩衝,穿Free RN 5.0則主要仰賴跑者自身姿勢的改變來減緩衝擊,延伸閱讀《跑鞋的避震是如何達成的?》。當重心前傾,腳跟順勢離開地面時,可以發現Free RN 5.0的前腳掌彎折性較佳 (黃點虛線),而Vaporfly Next %彎折性則較差 (黑點虛線)。彎折性變差主要是因置入碳纖維板,導致彎曲剛性增加的緣故,但可藉由碳纖維板來提升跑鞋回彈性,延伸閱讀《何謂運動鞋彈性?何謂彎曲剛性?》《鞋子的彈性可以幫你跑得更快嗎?》。然而由於彎折性變差,會影響腳跟離地時的動作順暢性,因此內置碳纖維板的跑鞋普遍都很厚且鞋頭上揚,藉此使腳跟順勢離地時的順暢性提高,延伸閱讀《厚底跑鞋鞋頭上揚對前足順暢性的影響》

雖然透過直接觀察的方式,可以幫助我們了解仿赤足鞋與競速鞋在著地動作上的差異,但競速鞋革新的中底材質與碳纖維板真的比較有彈性嗎?我們很難用肉眼直接看出差異,即便直接穿著試跑也僅是主觀感受。因此本文將透過科學方式,量化仿赤足鞋與革新的競速鞋在彈性上的差異,以及該變化又為跑者帶來什麼樣的動作改變?

科學量測

一名跑步經驗豐富的跑者,分別穿著赤足概念的跑鞋Free RN 5.0以及碳纖維厚底跑鞋ZoomX Vaporfly Next %,於跑步機上進行測驗。使用鞋內式Pedar足底壓力系統量測跑步過程的地面反作用力。跑步機設定速度為10km/h (6分速);收錄實驗數據時,等跑者穩定跑步1分鐘以後才開始擷取,每一次收取30秒的數據,擷取連續且穩定的足底壓力訊號進行分析[2]。

▲使用Pedar鞋內壓力測量系統,量測穿著Free RN 5.0 (左) 與ZoomX Vaporfly Next % (右) 在跑步機上以10km/h速度跑步時的地面反作用力情形。

量測結果

本文將著地瞬間到離地瞬間的過程稱為著地期,並以此過程的總時長為100%,量化著地期的地面反作用力曲線,地面反作用力的單位為跑者的體重倍數,該跑者的體重為67公斤。從結果的圖可知,Vaporfly Next % 在著地期的10%~100%的地面反作用力都明顯大於Free RN 5.0,並在40%處出現力量峰值 (稱為主動力峰值或推蹬力峰值)。顯示在著地緩衝後,足底持續乘載較大的力量,並且這個力量持續至推蹬離地為止;表示有較大的推蹬力量,即鞋子帶給跑者較大的彈性力。這可能是因為Vaporfly Next %中底材料較佳的吸收了著地的能量,有效回彈給足部,並在過渡到腳跟離地與推蹬時,碳纖維板經彎折後的彈性力促進了推蹬末期的動力 (約80-100%)。

▲ 穿著Free RN 5.0 (藍) 與ZoomX Vaporfly Next % (黃) 在跑步機上以10km/h速度跑步時的地面反作用力情形。ZoomX Vaporfly Next %顯示較大的地面反作用力峰值 (主動力峰值),有較佳的彈性表現。

本文綜合整理NIKE Free RN 5.0與Vaporfly Next%在地面反作用力與動作上的差異。由表中的相關數據可知,地面反作用力峰值Vaporfly Next%大於Free RN 5.0,兩者相差0.3倍體重,約為20公斤。由於彈性導致的推蹬力量改變,進而也影響動作上的變化,相較於Free RN 5.0,Vaporfly Next %減少著地時間 (-5.5毫秒)、增加騰空時間 (+14.8毫秒)、降低步頻 (-3.6步/分)及增加步長 (+2.6公分)。表示穿著Vaporfly Next%時動作較具彈性,接觸地面時間更短,每一步騰空的時間與距離更長。

結語

十年河東,十年河西,科技的日新月異與運動科學研究的進展,造就新一代跑鞋設計上的差異,並為跑步注入新的改變。根據鞋款設計的目的不同,也相應的影響跑者的動作,以赤足概念設計的跑鞋使動作更貼近人類原始腳掌的步態樣貌;而厚底的競速跑鞋則是以促進運動表現為設計理念。本文透過科學的方式展現兩款鞋子對人體步態的影響,期盼更多跑者能夠了解跑鞋的運動科學。

參考文獻:

Lieberman, D. E., Venkadesan, M., Werbel, W. A., Daoud, A. I., D’andrea, S., Davis, I. S., & Pitsiladis, Y. (2010). Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature, 463(7280), 531-535.

註解:

[1] Breaking 2 Project 訂於2017年5月6日是為了致敬1954年5月6日打破當時的1英里世界紀錄的Roger Gilbert Bannister,他是第一個在1英里賽跑中跑進4分鐘的人。

[2]本文僅以一位跑者做示範,不能推論每個人都會有一樣的結果。

內容來源:運動科學網

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