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。
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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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在運動的你有發現訓練時血壓上升的問題嗎?以平均來說,我們在運動的時後收縮壓與舒張壓都會上升,但兩者的上升幅度並不會相同,一般來說收縮壓會隨著運動的強度增加,而呈現出正向的相關性;反觀舒張壓則只會出現小幅度的上升;例如我們一般人在正常休息的時後收縮壓為120mmHg,但只要開始進行大幅度的運動時收縮壓就有可能會來到200mmHg,而運動員在進行最大強度訓練時,則收縮壓就有可能會達到240mmHg左右。
收縮壓(systolic blood pressure)是指心臟收縮時的血壓,也就是量血壓時,顯示出兩個數字裡比較高的那個,例如,血壓130/80mmHg,其中130就是收縮壓。收縮壓的正常值在90和140之間。小於90偏低,大於140偏高。收縮壓偏高,最常見的情形是緊張、剛運動完等等,如果平靜時有量到收縮壓大於140,需作進一步診斷與治療。
舒張壓(diastolic blood pressure)是指心臟舒張時的血壓,也就是量血壓時,量到兩個數字裡比較低的那個,例如,血壓130/80mmHg,其中80就是舒張壓。舒張壓的正常值在50和90之間。小於50偏低,大於90偏高。舒張壓過低,可能是血管異常、主動脈瓣閉鎖不全、甲狀腺機能亢進、脫水、腹瀉等問題所引起。(資料來源/榮新診所副院長何一成醫師)
這樣上升的狀態會隨著最大強度的穩定後,收縮壓就會呈現持平的狀態不再上升,這點將與心跳相同,加設當呈現這樣的狀態時再將訓練強度增加,我們的收縮壓就會隨之上升;然而,只要我們維持固定訓練強度一段時間之後,收縮壓就會逐漸下降但舒張壓則仍然會維持不變。會有這樣的變化則是因為收縮壓上升的目的是運動時增加的心輸出量,也由於心輸出量與收縮壓的上升,肌肉組織便可以接收更多的血液供給。
由於血壓上升的同時,也會促使增加血漿離開微血管進入肌肉組織內部,這將代表有更多的養分與氧氣進入運動時所需的骨骼肌中,此外,倘若當我們運動時供給骨骼肌養分的小動脈,會受到血管擴張因子的調控而舒張,進而導致總週邊血管阻力(Total peripheral resistance,TPR)的下降,則就會使得持續固定強度的運動時,為何收縮壓會下降的原因。
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舒張壓與收縮壓不同的原因則是,當進行非最大強度訓練時舒張壓變化並不會隨著運動強度上升而增加,當我們進行劇烈運動時,舒張壓則只會出現微幅的上升狀態。這時後運動所造成的骨骼肌以外的器官小動脈會因為交感神經的作用而收縮,另外,骨骼肌將會因為代謝累積物造成血管放鬆,而附蓋過交感神經的作用造成血管舒張,所以,才會造成運動時舒張壓與收縮壓上升幅度的差異性。
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另外,對於血壓上升的問題必須要在說到伐氏操作(Valsalva maneuver)也可稱為努責現象;這是當身體進行阻力訓練時會出現深呼吸後閉氣的行為,通常都發生在我們全身要出力的時候,例如在日常生活當中便秘蹲廁所或提起重物都會發生,而在健身時的深蹲及硬舉,這些需要穩定軀幹做1RM大負荷重量動作也會出現,這時候我們都會自動閉氣,讓身體能全神貫注出力,在臨床醫學上這樣的動作,會增加胸腔內的壓力讓身體核心與脊椎的穩定性更好,但同時也會造成胸腔內的壓力過大、血壓急速上升,導致一系列心臟血管的血液動力變化,進而出現頭暈與低血壓等不適症狀,一般來說,這會造成短暫2-3秒的血壓上升現象,其上升的幅度甚至可高達收縮壓480mmHg/舒張壓350mmHg。
【延伸閱讀】
資料參考/barbend、mensjournal
責任編輯/David