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。
面對運動科學興起的熱潮,許多人想瞭解正確的運動資訊卻不知道從何下手? 運動科學網持續更新經過科學驗證的運動知識與運動觀點。不論是創新產品、研究結果,甚至是專業理論,我們都會轉譯成簡單易懂的文字,讓讀者利用最短的時間瞭解運動的最新趨勢。
為了讓健康的運動觀念進入日常生活,我們創立了運動科學網;為了讓正確的運動知識提升生活品質,我們創立了運動科學網,我們致力於運動科學的研究,希望這些努力不僅僅侷限於學術領域中,而是讓熱愛運動的普羅大眾更健康快樂地運動。
有跑步習慣的人,應該對「跑步經濟性 Running Economy」這個詞不陌生,因為這是一個很常在跑步訓練時提到的概念。但實際上,跑步經濟性在運動科學上的定義與影響的因素到底是甚麼呢?是體重胖瘦?跑力高低?配備輕重?還是...或許對大多數的跑者而言,這個問題並沒有很清晰的解答。
跑步經濟性代表的意義是跑步效率,它的概念是:固定速度下,穩定跑步消耗的攝氧量,攝氧量越少表示跑步經濟性越好。其中,攝氧量會除以體重,表示人體每公斤所消耗的攝氧量,這個動作稱之為體重標準化,目的是避免不同體重影響到攝氧量的絕對數值。會使用攝氧量是因為人體在生產能量的過程大部分都需要消耗氧氣,攝氧量越大表示能量消耗得越多。舉例來說,如果相同速度下跑者A 的攝氧量消耗比跑者B 還要大,表示他需要比較多的能量才能跑到相同的速度,這意味著在跑步的過程中,跑者A 跑步效率較差,浪費了較多的能量。
知道了跑步經濟性之後,對我們有甚麼好處呢?對於長距離跑步而言,擁有好的跑步經濟性非常重要,因為長距離的跑步幾乎會耗盡人體儲存的能量,所以要盡可能節省能量的浪費。理論上,兩個體能條件相近的跑者,跑步效率較好的跑者能用較短的時間完成同樣的距離。這點可以從一些相關的研究中證明,例如下圖,研究結果顯示跑步經濟性越差的跑者,跑完10公里的時間越久。因此,增加跑步經濟性是很重要的跑步訓練。
但跑步經濟性要如何增加呢?許多研究嘗試回答這個問題,國際的運動醫學期刊發表了一篇研究整理了相關的結果,發現觸地時間較少、垂直震幅較低、下肢剛性較大、下肢轉動慣量較低,以及較堅硬的鞋子有助於提高跑步經濟性。不過這篇研究是針對新手或是業餘選手受短期訓練(小於13周)造成的影響,作者也提到未來的研究需要更進一步觀察長期訓練造成的效果。
跑步經濟性代表跑步效率,但是要如何在長期訓練下提高跑步經濟性,仍是一個研究中的課題。除此之外,由於量測攝氧量的機器通常十分昂貴,且無法在室外使用,一般大眾較難直接得知自己的跑步經濟性,對非菁英跑者的應用性不高。近年來,許多研究嘗試用更簡單的參數取代跑步經濟性,但仍無一個確切的共識,期待後續的研究可以在跑步經濟性的應用上有突破性的進展。
參考文獻:
Conley, D. L., & Krahenbuhl, G. S. (1980). Running economy and distance running performance of highly trained athletes. Medicine and Science in Sports and Exercise, 12(5), 357-360.
Moore, I. S. (2016). Is there an economical running technique? A review of modifiable biomechanical factors affecting running economy. Sports Medicine, 46(6), 793-807.
撰文/王恩慈、相子元
*文章授權轉載自《運動科學》網站,原文:何謂跑步經濟性?
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。
面對運動科學興起的熱潮,許多人想瞭解正確的運動資訊卻不知道從何下手? 運動科學網持續更新經過科學驗證的運動知識與運動觀點。不論是創新產品、研究結果,甚至是專業理論,我們都會轉譯成簡單易懂的文字,讓讀者利用最短的時間瞭解運動的最新趨勢。
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