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2018/12/23

跑步時的彈簧效應-什麼是leg stiffness?(上)

如果你是個瘋狂熱愛跑步並且沒事就鑽研一下跑步知識的跑者,如果你恰巧也很愛看國外的跑步網站的話,你一定看過這個詞,叫做leg stiffness,但是,如果你只是滑一滑網站快速瀏覽文章的話,對這個詞很可...

作者:凃俐雯

如果你是個瘋狂熱愛跑步並且沒事就鑽研一下跑步知識的跑者,如果你恰巧也很愛看國外的跑步網站的話,你一定看過這個詞,叫做leg stiffness,但是,如果你只是滑一滑網站快速瀏覽文章的話,對這個詞很可能似懂又非懂,知其然又不知其所以然,因為leg stiffness照字面上看起來是「下肢僵硬」,但事實上卻不全然是這麼單純的負面指標,所以,這次就讓我們藉著好好鑽研leg stiffness這個詞的機會,來了解許多相關的研究與跑步運動傷害的關係,因為,這是許多跑步生物力學的研究都會使用到的參數,在這裏姑且讓我將leg stiffness翻譯成“下肢彈性係數”或者”下肢剛性”。

首先跑步這個運動呢,並非只是單純的向前移動,像車子一樣只需要考慮引擎的推動力跟地面的摩擦力,因為跑步的時候身體除了前進之外,其實還會上下移動(如下圖)

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(下圖引用自“Running in highly cushioned shoes increases leg stiffness and amplifies impact loading”)

圖中的CoM為centre of mass指的是身體的質量中心,從這個圖可以看到在跑步的過程中CoM有微小的上下移動,因此,學者們想到一個很聰明的方法來簡化這個過程,那就是把下肢想像成一個彈簧,這就是所謂跑步時的彈簧效應(spring mechnism),從步態週期來分析,腳剛剛觸地時(下肢的長度為Lo)到中站立期(下肢的長度被壓縮變成Lmin),而Lo減去Lmin就等於跑步過程中下肢被壓縮的長度,稱為leg compression(leg compression = Lo - Lmin)。

而這個下肢壓縮長度跟下肢剛性有什麼關係呢,讓我們來回到國中物理,請看下圖,彈簧掛在天花板上,加上一個重量之後,彈簧就會被拉長,而有人發現加上去的重量跟彈簧被拉長的長度有一個比例關係,而這個比例就是彈性係數,因此,彈性係數(k)=重量(F)/長度變化(x=L-Lo),看到這裡不覺得這跟我們的腳很像嗎,你只要把下圖180度顛倒,天花板變成地板,彈簧想像成下肢,還沒觸地之前下肢比較長,觸地之後下肢因為身體的重量而被壓縮,彈簧因為重量而拉長,或者因為重量壓縮是相同的,而身體壓在下肢的重量等於地面反作用力,因此,下肢的彈性係數k(也就是leg stiffness)=地面反作用力(ground reaction force)/下肢壓縮程度(leg compression)。

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(下圖引用自 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=46708)

好吧,能看到這邊表示你絕對是物理很棒覺得很簡單,不然就是真的愛死跑步,超級想知道這跟跑步有什麼關係的,首先來講一下基本觀念,在跑步的過程中,我們的身體會儘量維持CoM的位移不要太大,因為這樣跑起來才能有效率,節省能源,才能跑的更快更久更遠,所以,這就是一個很重要的前提,如果沒有這個背景知識,那麼看研究結論時就容易誤解。好,那麼讓我們來進入關於leg stiffness與跑步的相關研究結論。

1.下肢剛性什麼情況下會改變?

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當你路況改變的時候,下肢剛性就會隨著改變,例如,從石磚地跑到草地,從PU跑道跑到水泥地,當接觸的地面軟硬度改變的時候,下肢的剛性就會隨之改變,簡單來說,當你從堅硬地面跑到柔軟地面時,下肢的剛性會提高,也就是說下肢的彈性會變得比較差,這樣身體才不會陷下去太多,反之當你從柔軟地面跑到堅硬地面時,下肢剛性會降低,也就是說下肢的彈性會變得比較好。這樣一來才能確保身體得質量中心不會因為路況變化而上下移動太多,所以說,下肢剛性的改變是一種很自然很正常的適應反應。所以這樣看來,越野跑真的會讓人特別累啊,因為下肢要不斷的因應地形去改變剛性,跑完不止是身體,精神上應該也是非常疲累啊~

(“Running in the real world: adjusting leg stiffness for different surfaces”)

2.下肢剛性改變需要多少時間?

改變的速度非常的快,快到不可思議,因為在第一步踩下去的瞬間下肢剛性就改變了。研究發現讓跑者從橡膠地面跑到沒彈性的硬地,然後測試下肢剛性的變化,結果發現在軟地面的最後一步與硬第面的第一步,這兩步之間下肢剛性就降低了高達29%之多,也因為下肢剛性的快速改變,因此身體的質量中心並沒有因為地面改變而變化很多,簡單來說,如果下肢剛性沒有快速變化的話,在硬地上的壓縮程度會是0.25cm,而在橡膠地面的壓縮程度高達6cm。

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