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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美國運動員Zach Bitter剛在去年一天雙破兩項100英里以上世界紀錄,堪稱超馬界神級人物。疫情下只能待在家的他也沒閒著,5月16日,他以12小時9分鐘15秒,也就是每公里配速4分31秒的時間打破跑步機100英里(160.934公里)世界紀錄,將原紀錄推進超過20分鐘。更強大的是,這麼長的時間一般人都需要許多固態補給解嘴饞,他卻除了最後嗑一盒洋芋片之外,其他全部只喝液體補給,神人簡直是羽化成仙!
2020年跑步機上的爭霸戰打得火熱,光是50公里跑步機世界紀錄,從一月至今就已三度被刷新,而現年33歲的美國運動員Zach Bitter選擇挑戰自己擅長的100英里(160.934公里)。事實上,他在2019年8月底甫以平均配速每公里4分13秒、共11:19:13跑完室內操場100英里,成功打破100英里世界紀錄,更同時繼續以12小時跑104.8英里(168..6公里)打破自己在2013年創下的世界紀錄。因此,這次對他而言是距離相同,但「賽道」不同的挑戰。
Bitter在完跑受訪時告訴外媒Runner’s World,他在挑戰過程中最重要的是不斷重振精神。「在跑步機上如果停下來就像浪費時間,而我會因此感到焦慮,在跑步機上幾乎必須斷斷續續,即使只是為了切換跑步機(他以同時兩台跑步機做挑戰)。」
為了這次挑戰,Bitter在自家安裝了兩台NordicTrack X22i跑步機,在比賽前他並沒有做太多測試,因為他知道機器會在幾個小時後超時,所以他直接規劃切換兩台,以防萬一發生故障。「我們有大約4星期的計畫時間,有很多可能出錯的地方,但幸運的是沒有重大問題發生。」
不過,挑戰途中仍有意外小插曲,例如房間內放兩台跑步機、兩台攝影機、一台電風扇和一台冷氣,總耗電量爆表,使其中一台跑步機的螢幕突然變黑,雖然仍在運行且能計算距離,但他們不得不多接一條延長線,以減輕房內電器的功率輸出。又一次,跑步機短暫地停止計數,幸好他們有注意到且立刻解決問題。
補給對於馬拉松、超馬選手都是至關重要的環節。Bitter制定了一套類似去年8月跑100英里室內操場的補給策略,但出現了一些問題:去年的室內賽道溫度約華氏15.5℃,是個跑起來相當舒適的溫度;但儘管試了再試,空調、電扇通通出動,Bitter家中的溫度都在21-24℃之間,更讓他驚訝的是,過熱的溫度並不是來自外部環境,而是跑步機本身散發的熱量。
過熱的溫度讓Bitter在挑戰一開始的幾個小時就感到脫水,於是他試著只靠液態的能量飲做補給;接下來幾個小時,跟時間賽跑的他消耗更多能量,於是他把1小時內的液體攝入量增加到約1700cc;再過幾個小時,他的胃感覺恢復了正常。
為了在無趣的跑步機上擠出一點樂趣,Bitter跟跑步機的配速玩上上下下遊戲,不過通常在每公里4分20秒上下。「我只想讓思慮遠離跑步機與距離,如果想太多,可能會一次『失分太多』,隨著一天的時間,我在1英里內換了3-4個不同的速度,而這些配速幫助我更接近目標。
同時,Bitter也忙著收聽廣播、音樂,以及現場直播,讓他最驚喜的是喜劇演員伯特·克萊歇爾(Bert Kreischer)的出現,伯特花了許多時間和三位超馬女運動員聊天,Bitter的妻子妮可也加入其中,他們甚至聊到一起培訓伯特達成100英里。Bitter認真地看待伯特想跑超馬的意願,他說:「伯特對24小時在跑步機上跑50英里很感興趣,我認為他在跳到100英里之前,會先跑個50公里或50英里。」而這些有趣的話題,也陪伴Bitter度過了第11公里後的數小時。
即使分散注意力,跑步機上的時間仍然度日如年。在87英里(約140公里)處,Bitter跑進浴室裡休息兩分鐘,吃了一盒橄欖油加海鹽洋芋片,這是他唯一吃的固體食物,而最終他總共吃了12包能量飲、洋芋片和226cc的蘇打水。
Bitter從去年8月至今,9個月內摘下第二項100英里的世界紀錄。當他終於完賽後,他立刻大啖牛肉碎末、奶酪和海鹽等鹹食來補充。打破世界紀錄幾天後,Bitter恢復不少,不過他暫時不想在跑步機上長時間跑步了,他估計需要花6星期去讓雙腳完整恢復。
新冠病毒疫情下,Bitter有不少賽事取消、延賽或是懸而未決,不過他只要保持健康,就會追求自己設定的紀錄。他說:「我一直將紀錄視為有趣的目標,在每項大計畫中,我享受跑步的樂趣,即便曾有過糟糕的日子,仍然在訓練和準備上得到許多樂趣。在過去兩年,我過的好日子多過糟日子,所以這些事對我可能很有趣。」
如果要做下一次挑戰,Bitter計畫每英里加快10秒鐘,大約用每公里4分07秒的配速完成100英里。
資料來源/Runner's World, @zbitter
責任編輯/Dama