跑鞋七大項結構 對長跑表現影響有多大

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作者:李國豪、董智尚、陳韋翰、相子元

自人類全馬破二計畫後,諸多廠牌對於跑鞋設計的革新可謂百家爭鳴,例如從跑鞋重量、中底材質、跑鞋厚度、配置碳纖維板等方面來著手,訴求多面向提升跑鞋機能與跑者運動表現。其中中底結構的材料與厚度被大幅的討論,認為有非常重要的影響,並促使國際田徑總會制定出新的競賽規則,規定路跑賽事跑鞋中底厚度不得超過 40 mm。然而影響長跑表現最大的真的是中底厚度嗎?加拿大 University of Calgary 的 Benno Nigg 教授提出不同見解,他根據過去研究證據直接或間接地估計出,跑鞋不同結構對長跑表現的影響幅度。

哪些跑鞋結構設計最能幫助跑者

Nigg 教授將跑鞋各結構的影響區分為七大項,前四項分別是 1.跑鞋重量的影響、2.中底材質的影響、3.足跟厚度對能量回饋的影響以及 4.足跟厚度形成翹翹板效應的影響,後三項則是置入硬板後增加跑鞋彎曲剛性的影響,分別為 5.彎曲剛性在平底形狀跑鞋的影響、6.彎曲剛性在曲形厚底跑鞋結合翹翹板的影響以及 7.彎曲剛性對肌肉動力學機制的影響。該學者認為硬板搭配曲形厚底跑鞋結合蹺蹺板設計是最具影響力的,他估計會有 2-6 % 的效果,其次是彎曲剛性對肌肉動力學以及平底形狀跑鞋的效應,分別為 1-3 % 以及 0-3 %。單純增加足跟厚度搭配蹺蹺板設計有 0-2 % 的影響,鞋子重量與中底材料僅有 0-1 % 的影響,而足跟加厚對於幫助能量回饋的影響,學者認為僅有 0-0.5 % 的影響。顯示硬板搭配曲形厚底與蹺蹺板效應才是影響長跑表現最大的。以下分別介紹各項結構之效應。

Benno Nigg教授綜整跑鞋各結構對長跑表現的影響 圖片來源:Footwear Science, 12(3), 133-138.
Benno Nigg教授綜整跑鞋各結構對長跑表現的影響 圖片來源:Footwear Science, 12(3), 133-138.

曲形硬板與蹺蹺板效應是關鍵

學者認為,曲形硬板所形成的蹺蹺板效應(teeter-totter effect)是促進跑步表現非常有效的設計。如下圖所示,中底中間如湯匙形狀的黑線為硬板,這種形狀使得硬板最底端可產生一個支點,而形成蹺蹺板的效果,並且其前端形狀上揚,能形成滾動的特性。當我們站立重心往前時,前掌會產生向前斜下的力(如左圖黑色箭頭),這時硬板的後端(足跟處)會形成向上的反作用力(紅色箭頭),幫助足跟抬起,而由於鞋底前部有上揚曲面的設計,使前掌能在不彎折的情況下自然前滾,並且延續硬板的蹺蹺板效應,使足跟獲得向前斜上的反彈力量(右圖紅箭頭),進而獲得更多的力量回饋,提升長跑步表現、使下肢更省力。

透過曲形硬板所形成的蹺蹺板效應,估計能提升長跑表現2-6% 圖片來源:Footwear Science, 12(3), 133-138.
透過曲形硬板所形成的蹺蹺板效應,估計能提升長跑表現2-6% 圖片來源:Footwear Science, 12(3), 133-138.

學者認為要達成這樣的效果,有三個要素是必須的:1.曲形硬板的剛性必須能將力量充分地向前回彈;2.曲形硬板的彎折點不應太前(藍色箭頭),使鞋底前部能扮演支點的角色;3.鞋底前部的上揚曲面是重要的,而要達成這樣的設計,足跟的厚度必須相應的增加。由上述可知,Nike 破 2 的 Vaporfly 厚底跑鞋,其影響跑步表現的關鍵因素不單單只是將中底材料增厚,更多的是那曲線中底與碳纖板所搭配產生的蹺蹺板效益。

彎曲剛性的影響

碳纖維板應用於跑鞋,最早是用在釘鞋的短跑跑鞋,其形狀主要為平板式(flat)的設計。過去的研究發現碳纖維板可藉由提升跑鞋彎曲剛性,提升跑步速度 1.3 %。對於長跑而言,學者認為平板式的碳纖板對長跑表現的影響性為 0~3 %。但值得注意的是由於這樣的設計會減少了蹠骨的彎折並增加踝關節的力矩(增加小腿負荷),因此這需要有強壯的小腿肌力才能有效發揮效果,換言之,最佳的彎曲剛性是因人而異的。

彎曲剛性增加會減少蹠骨的彎折,增加回彈力的同時也增加踝關節的力矩(增加小腿負荷) 圖片來源: 運動科學網《跑鞋彈性的革新與改變,仿赤足鞋與競速鞋的碰撞》
彎曲剛性增加會減少蹠骨的彎折,增加回彈力的同時也增加踝關節的力矩(增加小腿負荷) 圖片來源: 運動科學網《跑鞋彈性的革新與改變,仿赤足鞋與競速鞋的碰撞》

跑鞋重量的影響

過去研究已發現跑鞋的重量每增加 100 g,就會增加 1 % 的耗氧量。然而不同馬拉松跑鞋的重量差異大約只有 50 g 左右,因此學者認為跑鞋重量影響跑步表現僅小於1%。

中底材料的影響

吸震回彈的中底材料是各家跑鞋非常著重的領域,無不追求高緩衝與高彈性的中底材料。當中底材料受力壓扁後可儲存能量並藉由恢復原形狀來達到能量回彈的效果。然而學者指出中底材料的回彈時間點是過早的,因為它大約發生在整個著地階段的 10 % 時間點,亦即動作還處在煞車的階段,而還沒進入推蹬的階段。也就是說腳跟剛著地沒多久,中底材料就已經把能量回彈完了,而這樣過早的能量回彈對跑步經濟性的影響是有限。因此,學者認為中底材料對跑步表現的影響性,僅小於 1 %。

足跟厚度的影響

學者認為雖然增加厚度確實可拉長著地的力量與時間的曲線,延長材料回彈的時間點,使之更符合動作所需,但這樣的影響仍非常有限。因此,如果只是單純增厚中底材料,但受限於材料受壓力擠壓的回彈速度仍太快,不能有效利用與跑步動作中,所以認為單純增厚中底對跑步表現的影響性,僅小於 0.5 %,但可提供避震功能,對下肢的保護是有幫助的。

結語

自從厚底跑鞋問世後,許多不同的跑鞋設計概念推層出新,而如何在這 40 mm 厚度的空間內,創造出最佳化的結構設計則是一門大學問。本文提供了 Benno Nigg 教授關於跑鞋各結構對長跑表現影響的見解,期盼能讓大家對跑鞋設計有更深的了解。讀完此篇文章後,不妨感受一下不同跑鞋結構所帶來的改變,進而找到最適合自己的跑鞋吧!

參考文獻:

Nigg, B. M., Cigoja, S., & Nigg, S. R. (2020). Effects of running shoe construction on performance in long distance running. Footwear Science, 12(3), 133-138. DOI:10.1080/19424280.2020.1778799

註解:

  • Benno Nigg是Biomechanigg Sport & Health Research (BSHR) 公司的創始人和首席科學長。BSHR是一家生物力學諮詢公司,過去和現在的研究項目由許多不同的體育用品公司資助,例如adidas、Salomon、On、Li-Ning,Mizuno和Brooks。

內容來源:運動科學網

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