跑步力学步态的综观:步频与步幅

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在力学研究里头,最基础的研究主题非步态研究莫属,然而,最博大精深的知识也是从步态而来。

探讨的过程中,可以讨论一般人步态重心的分布,髋膝踝下肢关节的移动与实验室座标的相对位置(参考附图一,如果是使用3D动态摄影捕捉系统就必须了解个体在一个空间里头的位置,这样才有办法计算人体“所位於”空间的位置,究竟移动了多少距离,产生多少角度变化,而不是单纯使用app测量,因为app很难去描述当下空间与人体相对的对应关系),步频与步幅的对应关系。

例如:老年人与年轻人的身体重心分布可能会不同,差异可能来自足底肌肉的使用与平衡能力变差。老年人在使用髋膝踝的模式容易出现代偿,好让他们可以稳定的行走,如果是研究跑步的话,那就很有可能看见两组群之间,跑步的频率与幅度的差异性。『亦就是说,影响因素是很多的!』

因此,一篇研究整理出步态会改变来自於几个逻辑重点(附图二),例如:能量系统会影响到肌肉的工作效益,而肌肉的效益又跟个体的肌肉属性偏快缩肌或慢缩肌有关。

肌肉的使用状况则会跟当下如果某块肌肉过度使力,肌肉感受的负荷或力量产生差异,地面反作用力的临界值而有影响。在这过程中,就得考量到肌肉所进行的时间与认知到使用了多少能力。

举例:

小明训练自己成为马拉松选手已经长达十年,最近参加了一个高级长跑训练中心,集训时,经过仪器检测後,身上富含了较多的『耐力性慢缩肌群』,於是兴高采烈地开始练习为了达标东京奥运『马拉松』项目,期望可以当上台湾二哥(因为一哥已经是真男人了)

当身体在用『三分十秒』的速度跑『一公里』时,完成了『五趟』的训练。由於当天练习过程中,『股四头肌(大腿前侧)』很酸,教练发现小明很用力的『推地板』是主因,训练完後,小明觉得这份课表应该有自我努力量表约有『七分』累,但还可以跑个一趟。

从举例来看『耐力性慢缩肌群』,『马拉松』,『一公里』,『五趟』,『股四头肌』,『推地板』,『七分』,符号中的字眼都会是关键性影响步频与步幅,假设一个跑过马拉松五年的选手,相较於参加第一场马拉松赛事的选手,如果我们用同样的标准去审视步频180才标准,那麽,我们就很有可能在操弄他的频率与步幅。这样好吗?来看下一段VCR。(什麽时候有youtube频道?)

当研究导向是希望比较受试者的跑步频率,一个是自我感觉,一个是快於5%,一个是快於10%,肌肉使用上便有不同的差异性(附图三)。尽管研究结果导向在肌肉的使用状况在步频差异时,没有显着差异,却也带出两个议题。

当跑步速度快时,大腿後侧肌群(腿後腱肌群),会在摆动期的中段(如果将跑步的移动设定为100%,从落地到离地到腾空到下一次落地为顺序,摆动的中段会在70-80%,参考附图四)会有明显收缩机制上升的状态,目的是为了增加地面反作用力的吸收,使用膝关节在承受压力时的力矩(落地时膝关节角度越大,相对力矩越大)。

另外,也会影响腓肠肌(小腿後侧)为了提升频率,而使得它在落地时提早的将脚踝呈现足部外翻(pronation)的机制提高,以便降低胫骨前侧肌的作用。

研究看起来频率加快是好事,但千万要记得“影响频率的因子会有很多面向”,个体本身的肌肉适不适宜太快提高频率?有没有可能产生单一肌肉过度负荷?即便当下可以应付,长期下来都可能是压力的累积。

从研究设计方向来看,跑者在实验过程中平均移动速度是2.9 m/s, 平均每分钟移动的步频是172 step/min,这平均速度的来由是利用跑步机跑动五分钟去推算的,接着会根据跑者本身的速度增加5%或10%频率,每次撷取肌肉电位讯号资料是15秒,最少限度是一分钟,避免资料撷取遗漏。

为什麽不急着看到实验数据就推断步频快就是会对跑步表现是有好处的?

第一:实验过程是短暂的,跑马拉松是相对时间拉长的,代表的是,实验数据是15秒-60秒,马拉松相对是10800秒(以三小时完成全马来看)。数据显示腿後腱肌群与腓肠肌在频率快可以帮助跑者的效率提高,如果跑者本身的肌力与肌耐力不足,那麽他可以维持多久呢?又或者长期状态下,肌肉紧绷的张力会不会大到影响关节动作?都是思考点。

第二:大多数研究的背後都会发现『步频在长距离训练过後,本身的频率是会增加(参考附图五),降低的反倒是步幅』。亦就是说速度的维持是步频与步幅的乘积,而跑者本身会为了维持速度,找到合适的方法,步频的维持来自大量的神经传导,然而步幅却可以透过本身的肌肉力量与关节本体摆动来维持,小编最近刚好读到一段话『人体速度来源不全然来自肌肉,而是关节“力矩”的组合,使得人体速度能够维持』。

第三:或许重点不是步频,而是地面接触时间与地面反作用力的效益,步频与步幅是人体生物系统的自然产物,很难打破,可曾想过为什麽大多数跑快的人频率都接近180 spm(stride per minute)?而不是都是在200spm起跳?

因为关键的来源不一定是步频,那只是我们看到的现象,真正的要素或许是地面接触时间,当接触时间越短,代表的是身体体重在落地支撑时,下肢肌肉的反应程度是立即的,可以快速在肌肉传导与释放的,当接触时间越长,代表的是身体体重在落地支撑时,下肢肌肉的反应程度是延长的,可以在肌肉产生吸收与对抗。简单的例子:原地跳,当接触时间的长短受到改变,自然会影响跳动的力量与传导。

总结:

小编想说的是『步态的改变』是多元的,研究背後的架构很重要,探索後面的意涵需要多方面思考。步频改变不是三言两语或者一簇可及,步频可能只是步态的一小部分,能量系统会改变步态,关节动作差异会改变步态,肌肉比例与能力会影响步态。

内容来源:Jogging Running Sprinting行动跑步教室

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