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運動生理週訊運動生理週訊電子報
Online ISSN : 1814-7712
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主題:跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)
發言 : scwang 時間 : 18/04/18(00:01:09) From : 220.143.171.152 分類 : 訓練概論
運動生理週訊(第367期)

跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)(April.18.2018)

王順正、林玉瓊、王頌方

  具備較大的腿部硬度 (leg stiffness) 是提升跑步經濟性 (running economy) 的重要因素 (王順正、林玉瓊,2018;Moore, 2016)。一般來說,直接在跑步時進行垂直硬度 (vertical stiffness, kvert) 與腿部硬度 (leg stiffness, kleg) 評量,是探討腿部硬度的簡單方法 (Morin等,2005)。

運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)  人體在慢速度與快速度跑步腳著地過程中,地面垂直反作用力與身體垂直位移呈現線性關係 (右圖。Brughelli & Cronin, 2008)。透過彈簧質量模型 (spring-mass model) 說明人體跑步著地時,地面垂直作用力與身體重心垂直位移 (∆y) 或腿部垂直位移 (∆L) 特徵,並且使用彈性係數 (k) 來呈現垂直硬度 (kvert) 與腿部硬度(kleg) (McMahon & Cheng, 1990;Brughelli & Cronin, 2008)。上圖呈現跑步著地時的彈簧質量模型,透過彈簧的力量位移線性公式 (F=kX),垂直硬度 (kvert) 可以採用跑步時的最大地面反作用力(Fmax) 與身體重心垂直位移 (∆y) 計算 (Fmax/∆y),腿部硬度 (kleg) 可以採用Fmax與腿長垂直位移 (∆L) 計算 (Fmax/∆L)。∆L等於∆y + L (1 - cosθ),θ等於sin (v tc / 2L) (v為跑步速度、tc為著地時間、L為腿長)。

運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)  由於彈簧質量模型在實際進行實驗時,需要測力板與高速攝影系統的協助,取得Fmax、∆y、∆L等實驗數據,增加實驗上的難度與限制。Morin等 (2005) 提出正弦波方法 (sine-wave method),透過體重 (m)、跑步速度 (v)、腿長 (L)、騰空時間 (tf)、著地時間 (tc) 等參數,來估計垂直硬度 (kvert)、腿部硬度 (kleg) (公式如右圖)。研究結果發現,不管是在跑步機或實際地面跑步時,這種計算硬度值的結果,比傳統測力板+攝影分析系統計算的數值僅低0.67%至6.93% (沒有顯著差異),而且相關程度極高 (kvert 的R2為0.98、kleg 的R2為0.89)。研究同時發現,kvert會隨著跑步速度的增加逐漸增加 (4 m/s至7 m/s速度、及最大速度由30 kN/m增加到90 kN/m),kleg在4 m/s至7 m/s 速度幾乎是一個常數 (< 15.0 kN/m)。透過正弦波方法評量的kvert、kleg,提供簡易、正確、迅速的跑步時著地彈性係數評量結果,非常值得廣泛推廣與應用。

運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)  kvert、kleg在5000公尺的跑步過程中會有什麼變化呢?Girard等 (2013) 針對12名鐵人三項選手,在200公尺室內跑道中進行5000公尺跑步測驗,透過室內跑道中的5公尺長測力板系統以及彈簧質量模型方法進行評量;研究發現跑步到最後400-600公尺的速度比最初開始跑步速度顯著-11.6%、步長顯著-7.4%、步頻顯著-4.1%、地面最大垂直反作用力顯著-2.0%、腿長垂直位移 (∆L) 顯著-4.3%,但是身體重心垂直位移 (∆y) 沒有顯著改變(+3.2%),kvert顯著-6.0%、kleg則沒有顯著改變 (+1.3%);研究發現地面垂直反作用力的減少可能是造成kvert顯著減少的原因。由於研究同時發現5000公尺跑步測驗過程的跑步速度顯著降低,因此造成kvert顯著減少的原因是否來自跑步速度減少、或者是彈性質量模型的變化所影響,仍然有需要進一步確認。

運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)  在24小時的超級馬拉松比賽過程時、kvert、kleg有什麼變化呢?Morin等 (2011) 針對10名超級馬拉松比賽的選手,進行每2小時1次的測驗(測驗時是在跑步機上進行60秒的10 km/hour固定速度跑步),研究發現24小時的超級馬拉松跑步狀況下,固定速度 (10 km/hour) 跑步的步頻提高4.9%、著地時間減少4.4%、腿長垂直位移 (∆L) 減少13.0%、kvert增加8.6%、kleg增加9.9%。研究者指出這些變化主要出現在跑步第4-6小時,透過增加步頻、降低著地時間、減少地面垂直反作用力、增加kvert與kleg,減少跑步過程的離心收縮負載。由於研究讓受試者每兩小時進行一次10 km/hour速度跑步60秒,因此相關的依變項都是以固定速度跑步為基礎,顯然是比較嚴謹的研究結果,相當值得後續研究參考。

  Pappas等 (2015) 的研究則以22名體育學系男學生為受試者,在跑步機上進行4.44 m/s速度跑步時,慣用腳與非慣用腳在評量kvert與kleg的差異程度。研究發現慣用腳與非慣用腳的騰空時間顯著差異3.98%、地面垂直反作用力顯著差異1.75%,但是kvert、kleg並沒有慣用側的差異。對於經常在田徑場進行固定方向訓練的長跑選手來說,跑步時以慣用腳與非慣用腳推算kvert、kleg是否也不會有顯著不同?仍然值得進一步探討。

運動生理週訊第367期 跑步的垂直與腿部硬度 (stiffness)  跑步時改變步頻是否會改變kvert、kleg呢? Monte等 (2017) 針對40名受試者 (20名男性、20名女性,其中各10名優秀跑者) ,進行最大速度的跑步測驗,並且依據測驗的自選步頻進行±15%與±30%步頻的最大努力跑步測驗 (共5次最大速度測驗)。研究發現最大跑步速度出現在自選步頻時,kvert會隨著步頻的增加而提高,kleg則在自選步頻時出現最低值。在最大跑步速度的條件下,增加步頻可以提高kvert、kleg,顯然有助於跑步經濟性,但是在最大速度反而下降的狀況下,顯示出提升運動經濟性與跑步表現的明顯差異。

  跑步時進行kvert、kleg評量,有助於了解跑者跑步時腳著地的生物力學特徵。通常,跑步時速度越快kvert越高、kleg則沒有顯著變化;慣用腳與非慣用腳雖然會造成跑步時騰空時間、地面垂直反作用力顯著差異,是但是並不會影響kvert、kleg評量結果。優秀的長距離跑者,具備更大kvert、kleg的原因是因為跑速較快?還是具備優異茼a反彈能力?相當值得進一步研究。

  隨著跑步距離的增加,當跑步時間超過4小時之後,kvert、kleg皆會有越來越高趨勢。增加最大努力跑步時的步頻,具有提高kvert、kleg的效果,至於在臨界速度或乳酸閾值速度下進行長距離跑步時,提高步頻是否可以提高kvert、kleg?仍然有待後續研究釐清。

引用文獻

王順正、林玉瓊 (2018)。影響跑步經濟性與跑步表現的技術因素。運動生理週訊,361。http://www.epsport.net/epsport/week/ show.asp?repno=361

Brughelli, M., & Cronin, J. (2008). Influence of running velocity on vertical, leg and joint stiffness - Modelling and Recommendations for Future Research. Sports Medicine, 38(8), 647-657.

Girard, O., Millet, G. P., Slawinski, J., Racinais, S., & Micallef, J. P. (2013). Changes in running mechanics and spring-mass behaviour during a 5-km time trial. International Journal of Sports Medicine, 34, 832-840 .

McMahon, T. A., & Cheng, G. C. (1990). The mechanics of running: how does stiffness couple with speed? Journal of Biomechanics, 23(S1), 65-78.

Monte, A., Muollo, V., Nardello, F., & Zamparo, P. (2017). Sprint running: how changes in step frequency affect running mechanics and leg spring behaviour at maximal speed. Journal of Sports Science, 35(4), 339-345.

Moore, I. S. (2016). Is there an economical running technique? a review of modifiable biomechanical factors affecting running economy. Sport Medicine, 46, 793-807.

Morin, J. -B., Dalleau, G., Kyrolainen, H., Jeannin, T., & Belli, A. (2005). A simple method for measuring stiffness during running. Journal of Applied Biomechancis, 21, 167-180.

Morin, J. -B., Samozino, P., & Millet, G. Y. (2011). Changes in running kinematics, kinetics, and spring–mass behavior over a 24-h run. Medicine and Science in Sports and Exercise, 43(5), 829-836.

Pappas, P., Paradisis, G., & Vagenas, G. (2015). Leg and vertical stiffness (a)symmetry between dominant and non-dominant legs in young male runners. Human Movement Science, 40, 273-283.

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