2020/01/18

速度與耐力選手之間的力學特性,在運動科學數字背後的邏輯!

在不同跑步運動項目中,總是可以發現一些科學上的差異,而這些差異往往造就了運動表現上的關鍵,透過力學數據的參考,我們可以更快瞭解什麼訓練有幫助,以及如何有效地整理自己對於跑步的邏輯概念。

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速度代表著快速移動,爆發力十足,肌肉可以瞬間從零到一的能力,是驚為天人的!

耐力代表著穩定執著,耐受度強大,肌肉可以運轉直到能量波耗盡,是浩瀚無垠的!

從運動項目可以很清楚明白百米衝刺選手與一萬公尺耐力選手,他們之間距離不同與生理特性不同(簡單來說就是富含爆發力與抗疲勞的肌肉纖維分佈不同),但光就字詞『速度』與『耐力』而言,就必須要討論到『力學特性』。

然而,以力學特性而言,卻很值得我深入討論。在粉專上,花了一些時間討論力矩與肌肉電位訊號,但這些似乎都無法打動人心(咦),對於跑者而言,科學文章跟訓練之間本來就有段差距,因此,我本身致力於希望建立跑步科學的資料庫,希望可以透過不斷的整理資料,讓大家在思考訓練過程中,有科學邏輯。

衝刺選手關心的永遠都是如何更快速地抵達終點,耐力選手關心的永遠都是如何以更穩定持久的速度抵達終點。我們在網路上或者很多書籍都會討論『速度』,也清楚『速度等於步頻乘上步幅』。以Dr. Peter Weyand(如果你長期關注JRS粉專的話,應該會知道這位力學大師)的邏輯來說,他將這個公式轉換成另外一種形式解讀(參考下方圖例),每步移動的頻率時所產生的平均力氣,以及運動員所擁有的體重與所跨出的距離,前者做分子,後者做分母,兩者相除。

在兩個體重相當的運動員身上,如果頻率越快的跑者,施加的力量很平均,如果所產生的平均速度越高,那麼就有機會獲勝,因此,就以短距離比賽來觀察,致勝的關鍵因子跟頻率快慢就是重點,我們假定步幅在優秀選手身上的穩定的,而體重在比賽過程中不變,只要維持每一步的平均出力,那麼,衝刺選手所獲得的速度就會很一致,然而,在統計比賽百公尺的步頻與步幅的研究中,最後的20公尺通常改變甚鉅的會是步頻的品質,這通常也代表平均出力的下降,即便多數選手在步幅可以加大,體重仍在,速度卻開始拖慢。

原則上每位頂尖衝刺選手的移動步數都是38-41大步(1 Stride=left step+right step)之間,2013有研究顯示數據Usain Bolt在2008北京奧運是41.1步,且在2009年世界田徑錦標賽時,Bolt在拿下冠軍的過程中,他則是39步,其餘選手則是41步,驚人的是由於Bolt本身的步頻並不如其他選手快,卻也創造出均速每秒12公尺的移動速度,代表的是他每公斤在每一步所產生的力道比起其他選手來得大,才有可能達成。

這樣的公式套在耐力選手做使用,則可能要考量到『如何以節省的能量完成特定的距離』,因此,往往在討論耐力選手時,都會以肌腱黏彈性與肌腱位能儲存為主(備註1),甚至也必須關心他們的關節角度如何影響長距離選手的出力狀態。

2004年有一篇研究討論過耐力選手與衝刺選手在最高速的力學狀態,此團隊利用5.81 m/s(約是跑完一英哩4:37秒的速度)以及全力衝刺,兩種速度皆是以60公尺為目標,同時在40-50公尺會以燈號引導選手,希望他們速度能夠達到預期目標,此外,也利用一組對照組(完全沒有任何經驗的受試者)參與兩種速度的測驗。結果呈現如下:

從最高速表現的表格我們可以看出,衝刺選手從接觸時間,步幅,最小的髖關節角度,在腳趾離地前的膝蓋伸直角度以及在腳掌完全著地時擺動腳的彎曲角度與耐力選手與控制組受試者中,呈現顯著差異。

然而,由固定配速來測得衝刺選手與耐力選手之間的跑步動作力學效應來觀察,可以發現最小的髖關節角度,接觸時間,完全著地的身體重心與完全著地的擺動腳膝蓋角度仍有顯著差異存在。
這兩張表格可以解釋成為:

1.衝刺選手在髖關節啟動上多數來自於髖屈曲角度變化,當他們想要把速度提高時,它們所呈現的角度都是明顯略小於耐力選手,就以表格二固定配速的60公尺跑步,仍可以明顯看見衝刺選手的髖屈曲角度小於耐力選手的髖屈曲角度達11度。當然,用另外一個角度想就是『動作的慣性是存在的』,當你習慣什麼樣的運動機制,那麼就會影響到身體對動作的判斷,即便可以感覺到自己再調整與放慢。​

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