近年運動市場的新穎跑鞋如雨後春筍般出現,無論是外觀上繽紛色彩或是特殊的結構設計,不知道身為跑者的你是否有觀察到一個趨勢:「跑鞋鞋頭上揚的趨勢日益明顯,尤其在厚底的跑鞋之中特為突出!」這對跑步會有什麼影響呢?厚底跑鞋上揚的鞋頭結構,真的對跑步時的順暢性有幫助?該結構會對跑步姿態有什麼影響?本文將透過科學的方式,解析跑鞋設計對前足順暢性的影響。
為了揭開順暢性相關的疑惑,首先我們必須了解跑步著地的過程,可比擬為一個滾動的動作。從腳跟著地到離地,可分為三個滾動機制,腳跟滾動 (Heel Rocker)、腳踝滾動 (Ankle Rocker) 以及前足滾動 (Forefoot Rocker)。腳跟滾動 (Heel Rocker) 指腳跟初著地到全腳掌踩平;腳踝滾動 (Ankle Rocker) 指全腳掌貼平到腳跟抬起之前;前足滾動 (Forefoot Rocker) 則指腳跟抬起到腳掌完全離地。
下圖由左至右依序是:腳跟滾動 (Heel Rocker)、腳踝滾動 (Ankle Rocker)、前足滾動 (Forefoot Rocker)
著地時,若是腳掌的滾動過程不流暢,則會產生「卡卡」的感覺,使整體滾動動作的速度不平順,而有不佳的順暢感。其中較容易受跑鞋影響的滾動為腳跟滾動及前足滾動,在此我們稱為「後足順暢」與「前足順暢」。本文將著重在前足順暢的部分。
或許你能直接感受到有些跑鞋順暢性的差異,但透過科學儀器量測,將能更清楚地看到差異,即量測前後方向足底壓力中心 (Center of Pressure, COP) 移動的速度變化。2018 年 Lam 等學者研究認為,良好的順暢感,COP 前後方向速度變化應該是漸進式地增加,而並非突然地遽增,換言之,當前後方向 COP 移動速度的變化越平緩,表示滾動過程較不會突然大幅加速,而是平順的滾動。
延伸閱讀:慢跑鞋的順暢感
下圖透過量測足底各部位的壓力大小,可計算出壓力中心(COP,即圖中的圓點);隨著跑步的滾動機制 COP 會由後至前移動,形成不同的速度變化,藉此可分析跑鞋的順暢性。
本文選定 6 雙市售跑鞋,分為一般跑鞋組以及鞋頭上揚組。所謂一般跑鞋組是指無特別設計鞋頭上揚的結構,鞋內也無設計幫助滾動的硬板之鞋款;而鞋頭上揚組,即該跑鞋設計底部較厚,且鞋頭有特別上揚,試圖引導跑者在前足滾動時保持順暢感受,如同蹺蹺板一般。
量測由一名跑步經驗豐富的測試員輪流穿著 6 雙市售跑鞋,並於鞋墊處使用 Pedar 足底壓力系統,且於跑步機上以每小時 10 公里的時速 (10KPH) 跑步,每一雙鞋至少跑 3 分鐘以上,擷取穩定的足底壓力訊號並匯出數據,以分析完整步態週期為主。
量測結果出爐,對比一般跑鞋組(虛線)與鞋頭上揚組(實線),在腳跟開始離地的階段,尤其是 60-85% 的時間軸,鞋頭上揚組的 COP 移動速度曲線變化較為平緩,COP 移動速度峰值約落在 0.8-1.2m/s 之間;而一般跑鞋組的 COP 移動速度曲線變化遽增,COP 移動速度峰值約在1.2-1.6m/s之間。綜上所述,COP 移動速度變化較平緩的鞋頭上揚組,有較佳的前足順暢性。
為了呈現跑步著地時的鞋底滾動變化,我們於操場拍攝慢動作影片,以利了解跑鞋結構改變對動作的影響。由下圖動畫可以清楚看出,鞋頭上揚組有較順暢的滾動過程,這也呼應了上述所分析 COP 移動速度較平順的結果。
ASICS MetaRun, NIKE free RN 5.0, MIZUNO Wave Sky 3 Waveknit:
ASICS MetaRide, NIKE Air Vaporfly Next%, HOKA ONE ONE Carbon X:
我們從一般跑鞋組(黑,ASICS MetaRun)與鞋頭上揚組(白,ASICS MetaRide)各挑出一款鞋,並搭配定格的截圖來做更詳細的解釋。
ASICS MetaRun(一般跑鞋組)與 MetaRide(鞋頭上揚組)的分解動作變化:
從全掌貼平到腳跟離地的過程中,一般跑鞋組在啟動前足滾動機制 (Forefoot Rocker) 時,需較大程度地彎折蹠骨關節;而鞋頭上揚組則是像蹺蹺板般,順應著跑鞋的結構與上揚弧度向前。從黃、紅、藍色點的相對位置便能清楚知道,當一般跑鞋組向前時,黃點位置幾乎是不動的;相對地鞋頭上揚組向前時,黃點位置則是向下,同時間藍點上升,代表鞋頭向下貼平地面,而鞋跟隨之揚升。
從最大彎折到離地瞬間的過程中,前腳掌與掌趾會推蹬地面,我們可觀察到一般跑鞋組推蹬的位移較大,伸展的幅度亦大;反之,鞋頭上揚組的位移較平緩,伸展的幅度小。對比紅點與藍點的軌跡線就能明顯看到一般跑鞋組上升幅度較大;反之,鞋頭上揚組則上升幅度較小。顯示一般跑鞋組在推蹬時會有較大的蹠骨關節彎折動作,而鞋頭上揚組則會受限於鞋子的結構,不須做出較大的延展動作;這樣的動作變化,可降低蹠骨關節推蹬的出力,但會使跑者感受到「推不到的感覺」,形成一種「還沒推蹬就離地」的感受。
本文比較鞋頭上揚組與一般跑鞋組,希望利用足底壓力中心(COP)的移動速度變化探討著地與離地時的現象,並試著解析其中的過程,這並不代表跑鞋的優劣。
跑鞋的結構設計百百種,鞋頭上揚設計的跑鞋並不一定適合每位跑者。有些跑者偏愛一般跑鞋推蹬時腳掌彎折的感受;而有些跑者則偏愛順暢的過渡感。挑選適合自己的跑鞋才是最重要,而透過科學的驗證方式可以提供客觀的數據分析,並排除主觀感受錯誤的可能。
參考文獻:
Lam, C. K. Y., Mohr, M., Nigg, S., & Nigg, B. (2018). Definition and quantification of ‘ride’ during running. Footwear Science, 10(2), 77-82.
撰文/董智尚、陳韋翰、相子元
*文章授權轉載自《運動科學》網站
原文:厚底跑鞋鞋頭上揚對前足順暢性的影響
在國立台灣師範大學的實驗室裡,一群由相子元教授帶領的研究團隊正全心投入運動科學研究,和你一樣對未知的領域充滿探索熱忱。
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無論你是要開始健身或是運動的人,一定都要知道人體的三大基本肌力-推力、拉力與起身的力量,這也是所有訓練動作的基石。但你知道何謂推力與拉力?它們分別由哪些肌群來作動?該用哪些基本訓練動作來加強它們呢?這篇將針對上半身的推力與拉力來跟大家解說。
在日常生活中有哪些時候會用到「推」這個動作?往往都是在我們身體往前跌的時候,伸出手去對抗的力量。一般來說推的動作可分為兩種:使出全身力量去推壓的方式;例如相撲比賽時用手去作推擠的動作,這時候將會用到全身的肌群,包含臀部、大腿前後側肌群、核心肌群、手臂與胸部肌群,並運用大關節周圍的肌肉合力發揮作用,便可穩定身體將力量傳達出去。
另一個就是只用上半身與手臂力量的動作;最具代表性的就是伏地挺身與臥推,它的關鍵點則是肩關節的動作,基本上手臂動作可視為肩關節以下動作,因此,推物時可將肩關節動作有關的胸大肌作為主動肌群,並將手肘屈伸的肱三頭肌作為協動肌群,若使雙手間距與肩同寬時,我們的肩關節力矩將不會產生太大的作用,就會變成以肱三頭肌為主要出力肌群,反之,雙手間距比肩寬時將可啟動肩關節的胸大肌及肱三頭肌均衡的出力,根據一份研究報告指出,雙手間距約比肩寬1.6倍時,將產生最大的推力。
日常生活中的「拉」看起來只是一個簡單的動詞,但它卻包含著將正面拉向自己、由上往下拉或由下往上拉等各種動作,這些動作我們除了能用「拉(pulling)」來解釋之外,還能用「划(rowing)」來稱呼它。不管你使用這兩種方式的哪一種動作,都並非只仰賴肱二頭肌的力量而已;最重要的關鍵在於背部的肌群,尤其又以闊背肌與斜方肌等肌群更為重要,因此,不單仰賴臂力而伸直後背才是促進拉力的關鍵點。
可是出乎意料的來說,利用背肌的力量來拉東西必沒有我們想像中的簡單,在背肌肌群的控制上有著一定的困難度,所以,我們在拉東西時為了不讓身體依賴手臂的力量,因此,需要避免手肘彎曲,而改成拉動整個手肘的伸展肩關節動作。例如引體向上這個訓練動作;基本上我們看似不靠手臂力量是不行的,但我們可以透過夾緊腋下的技巧,讓手肘盡量的靠近身體中線,讓背肌可以發揮較大的力量把身體往上抬。反過來看,如果你一開始就彎曲手臂,就會讓上臂肌肉受到過大的力量負荷,這樣就會讓肱二頭肌便成主要施力肌群,反而讓這個訓練動作變的困難。
了解完上述所說的「推」與「拉」之後,接著我們就必須要針對肩部與手臂的動作各別來進行整合。首先,你要知道我們的肩部主要肌肉是三角肌,它又可分為前束、中束與後束這三塊肌肉,它們分別各自影響著我們的肩膀往哪個方向運動。當我們手臂往前舉起時,三角肌前束會與胸大肌(Pectoralis major)、喙肱肌(Coracobrachialis muscle)一同收縮;而手臂向身體左右兩側打開時;則會運用到三角肌中束與棘上肌(supraspinatus muscle)等同時作動,三角肌後束則是手臂往後抬起或後上舉時與背闊肌(latissimus dorsi) 、大圓肌(Teres Major Muscle)等一起作用,另外,手臂上則有前方的肱二頭肌與後方的肱三頭肌,連貫於肩胛骨上並與胸部及背部肌群連動而產生動作,因此,我們在訓練時必須要將「推」與「拉」這兩個動作,平均的安排在訓練課表內,才能使得身體肌肉獲得均衡的發展。
資料來源/bodybuilding、muscleandfitness
責任編輯/David