影響下肢肌肉使用比例 碳纖維跑鞋能否延後疲勞

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作者:楊琇甯 相子元

自 2017 年 Nike 發佈 Nike Vaporfly 4%,並於 2019 年打破 2 小時馬拉松大關後,在跑鞋中底置入碳纖維板增加彎曲勁度(Midsole bending stiffness, MBS)的應用越來越多。增加 MBS 的鞋子,已被證實對於跑步的生物力學、生理和運動表現有很大的影響,儘管背後造成影響的潛在機制還不夠清楚 ,但學者已提出幾種機制來解釋其功能:1)減少跑步中的能量消耗、(2)儲存和返回彈性能量、(3)優化踝關節的蹠屈肌能力 、以及(4)通過「蹺蹺板」效應產生更多的回彈能量,藉由減少肌肉的離心來改善運動表現,跑步時當蹠趾關節(Metatarsophalangeal joint, MP joint)被伸展時(即背屈,足尖上移接近脛骨的動作),彈性位能可以儲存在跑鞋中底的硬性結構(如碳纖維板)中,並再將儲存的能量返回給運動員。延伸閱讀《跑鞋各項結構對長跑表現的影響有多少?

調整下肢關節使用比例

過去有學者指出,隨著跑步距離的增加(大約增加至10公里),會導致下肢關節的貢獻度由遠端(即踝關節)到近端(及膝關節)重新比例分配,這概念是基於在長跑過程中,計算出的踝關節力矩比膝關節和髖關節有更高的峰值力矩,學者推測這是因為在長時間的跑步過程中,踝關節會比膝關節或髖關節的肌肉更容易疲勞。但是這種重新分配的現象可能不利於長距離的跑步經濟性,因為相較踝關節周圍的肌腱單位,膝關節的肌腱單位並不具備儲存和返回彈性能量的優勢條件,那麼額外的功就必须由其它軟組織來完成。因此學者推測,若能延遲下肢關節由遠端(即踝關節)到近端(及膝關節)的重新分配,就能減輕長跑過程中的代謝成本,提高跑步的經濟性。延伸閱讀《何謂跑步經濟性?》

最近有研究顯示,穿著增加 MBS 的鞋子跑步時,下肢關節的功會從近端往遠端重新分配(即與長時間跑步造成的重新分配相反)。然而,長時間跑步造成的重新分配是否會因爲穿着增加 MBS的鞋子而延遲,仍然是未知數,另外市面上販售的常見 MBS 鞋類,是否就能達到延遲的效果,也是大家想知道的。

增加 MBS 的跑鞋可以延遲疲勞的發生

在 2021 年,有一篇刊登於 Journal of Sport and Health Science 期刊的實證性文章,招募 15 名優秀的男性跑步選手(10 公里完成時間 <44 分鐘),分為對照组和實驗組(採用個人最佳 MBS:Stiff: 6.46 N/mm ; Stiffer:13.28 N/mm),在乳酸閾值 90% 的個人速度下進 10 公里的跑步,每 500 公尺使用動作分析系統和測力跑步機採集下肢關節運動學和動力學數據。

研究針對四個下肢關節產生的正功與跑步距離進行比較(如下圖),對照組之蹠趾關節和踝關節分別在 9 km 和 5 km 處,關節產生的正功明顯減少(A 圖與 B 圖藍方塊),而在膝關節在 5.5 km 處,關節產生的正功明顯增加(C 圖藍方塊);而實驗組 MBS 之蹠趾關節則是無明顯變化,僅有踝關節在 8 km 處產生的正功明顯減少(B 圖紅菱形),膝關節在 7.5 km 處關節產生的正功明顯增加(C 圖紅菱形);髖關節則是 2 組都沒有明顯差異。

圖片來源:J Sport Health Sci.S2095-2546(20)30171-X. (2021)
圖片來源:J Sport Health Sci.S2095-2546(20)30171-X. (2021)

基於上述結果,學者認為穿著一般跑鞋,踝關節做功減少(-5.14%),而膝關節做功增加(4.76%)的時間比 MBS 跑鞋發生的更早,這說明相較於控制組,當使用增加 MBS 的鞋類跑步時可以有效延遲重新分佈的發生(如下圖)。膝關節伸肌(股四頭肌)擁有比踝關節伸肌(脛前肌)更長的肌束和更大的肌肉橫截面積,使用大的肌肉體積將導致肌肉消耗更多的能量。這些都可能會對長跑成績產生負面影響,因為使用的肌肉體積已被證實是决定跑步代謝成本的主要因素。

圖片來源:J Sport Health Sci.S2095-2546(20)30171-X. (2021)
圖片來源:J Sport Health Sci.S2095-2546(20)30171-X. (2021)

不同 MBS 的跑鞋都可以延遲疲勞的發生

在這項研究中,採用了兩種不同勁度的 MBS(Stiff:6.46 N/mm ; Stiffer:13.28 N/mm),以確定兩種不同的碳纖維板是否會在長時間跑步的過程中對特定關節的正功產生不同的影響。結果顯示,從跑步開始到結束,Stiff 和 Stiffer 之間在下肢關節正功的變化沒有顯著差異,這表明使用市售常見的中等彎曲勁度的碳纖維板,已經可以實現關節重新分布的延遲作用。但要特別注意的是,本研究使用的碳纖維板是直板式的,跟彎曲的碳纖維板可能存在些許差異,中底的彎曲率對運動力學的影響還需進行更詳細的研究。

這篇研究,為 MBS 跑鞋改善長跑性能提供了更完整的理論支持,讓我們在選擇跑鞋時有明確的方向,希望未來 MBS 的背後影響機制能逐漸被釐清,幫助選手可以藉由跑鞋技術的進步,提升跑步的性能使運動成績更卓越。

參考文獻:

Cigoja, S., Fletcher, J. R., & Nigg, B. M. (2021). Can changes in midsole bending stiffness of shoes affect the onset of joint work redistribution during a prolonged run? Journal of Sport and Health Science.

內容來源:運動科學網

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