藥明康德內容團隊編輯
有些人可能認為跑步是腳掌從地面上 “推開”、向前跑動的過程,但實際上,
跑步是一種協調的上下彈跳動作。
人在跑步時,肌肉、肌腱和韌帶會協調相互作用,
物理力學上就像一根“彈簧杆”
,稱為“彈簧-質量(spring-mass)”系統,即所謂的“彈簧效應(spring mechnism)”。
近日,在一項新研究中,來自密西根大學(University of Michigan)的研究人員比較了表現卓越的“精英”級男性中長跑運動員,與同樣訓練有素的普通運動員,在跑步時的“彈簧-質量”系統,發現了一些有趣的差異,
解釋了為什麼“精英”運動員跑得更快。
這篇論文發表在頂級學術期刊《自然》旗下的同行評議期刊
Scientific Reports
上。
試驗中,受試者在一個帶壓力板的跑步機上,以四個平常訓練的跑步速度分別跑四分鐘,中間有30-45秒的休息時間。精英組的4個速度為12km/h、14km/h、16km/h、18km/h,普通訓練組的4個速度為10km/h、12km/h、14km/h、16km/h。
研究人員可以觀察他們的腿部擺動時間、在空中的“飛行”時間、與地面的接觸時間,以及步幅和步頻(每分鐘步數)等其他因素。
▲跑步過程中的“彈簧-質量”系統模型 | 參考資料[1]
研究人員發現,通常情況下,
“精英”跑者像一根腿部剛度(leg stiffness)更強、身體垂直剛度更高(vertical stiffness)的“彈簧杆”。
腿部剛度指的是跑步過程中的最大垂直力與腿部被壓縮的長度之比,即腳掌剛落地的腿長,減去中站立(彎曲)時腿長的長度。而身體垂直剛度則是最大垂直力與“彈簧杆”質心的絕對位移之比,更高就更偏向直立。
雖然“精英”跑者的步幅和步頻與普通訓練組相似,
但他們在空中呆得更長(飛行時間比普通組平均高11%),與地面接觸的時間更少。
從物理角度看,
這是由於他們的“彈簧-質量”系統透過壓縮有效彈簧,能夠更有效地回收動能,以快速高效地彈跳。
並且,與此同時,
他們的速度依賴性更小
,即步幅、步頻、衝擊角度、垂直位移等運動變數隨速度的變化較小,保持相對一致的質心軌跡,這也有助於維持他們的高速度。
換句話說,優秀的“精英”中長跑運動員具有更加嚴格的“生理機械系統”,
能根據速度變化迅速調整身體的肌肉骨骼狀態,更好地利用身體的“彈簧-質量”系統動力學。
▲相比普通訓練組(Trained組),精英組(Elite組)的腿部剛度和身體垂直剛度更高
研究人員表示,這種卓越的“彈性”機械系統可能是透過
先天基因和後天訓練的共同相互作用
形成的,讓“精英”跑者擁有更強的生理機能、與更靈敏穩健的神經肌肉系統協調模式。
▲Geoffrey T。 Burns博士 | 密西根大學官網
針對想提高速度的普通跑者,本身也是一位優秀運動員的論文第一作者Geoffrey T。 Burns博士建議,不要直接模仿“精英”跑者,想著“我要用更垂直的身體角度跑步”,或“我要儘量減少與地面接觸的時間”,因為我們的身體會選擇對我們來說最有效和最安全的運動模式,
強行進行有意識的控制會造成不必要的損傷
。而是可以透過一些增強式訓練,
逐步提高肌肉骨骼力量和肌腱系統,與增強神經肌肉的協調模式。
在未來的研究中,研究團隊打算嘗試在女性跑者中進行相似的研究,
以探索性別差異的影響。
參考文獻
[1] Burns, G。 T。, et, al。 (2021)。 Bouncing behavior of sub-four minute milers。 Scientific Reports, 11(1)。 https://doi。org/10。1038/s41598-021-89858-1
[2] Elite runners spend more time in air, less on ground, than highly trained but nonelite peers。 Retrieved July 20, 2021, from https://news。umich。edu/elite-runners-spend-more-time-in-air-less-on-ground-than-highly-trained-but-nonelite-peers/
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