運動生理週訊(第361期)
影響跑步經濟性與跑步表現的技術因素(January.2.2018)
王順正、林玉瓊
跑步技術一直都是影響跑者跑步經濟性 (running economy) 與跑步表現 (running performance) 的重要課題。
Saunders等 (2004) 的文章中指出，影響跑步經濟性的生物力學 (biomechanics) 因素，包刮
人體測量學 ( anthropometry)、
運動學與動力學 (kinematics and kinetics)、
柔軟度 (flexibility)、
地面反作用力 (ground reaction force) 等。Barnes與Kilding (2015) 的文章則指出，影響跑步經濟性的主要生物力學因素，包括
人體測量學特徵 (體重與質量分佈、肢體長度、跟腱腱臂 [Achilles tendon moment arm])、
跑步風格/步態模式 (步長與步頻、垂直振幅 [vertical oscillation]、著地模式 [footstrike patterns])、
運動學 (kinematics)、
動力學 (kintics)、以及
柔軟度等。
Moore (2016) 基於過去研究的證據，分析有利於跑步經濟性的生物力學內在因素 (intrinsic factors)，包括步幅少於最佳步幅3%、較低的垂直振幅、較大的腿部硬度 (stiffness)、較低下肢轉動慣量、腳尖離地時更小的腿部伸展、更大的步幅角度 (stride angle)、推蹬期地面反作用力 (GRF) 方向與腿部軸線對齊、保持手臂擺動、較低的作用拮抗肌共同收縮、以及推蹬時較低肌肉激活等，有利的外在因素 (extrinsic factors)，則包括跑鞋與地面穩定接觸、赤腳或輕量鞋等。不利於跑步經濟性的生物力學內在因素，包刮地面接觸時間、擺動時間、衝擊力、前後作用力、軀幹角度、以及雙關節肌共同收縮等，不利的外在因素則如矯形器等。其他有限或未知的生物力學，包括腳與重心在著地時的水平距離、braking / 減速時間、接觸地面的減速、衝量(impulses)、擺動期、足部著地型態、乳房運動學、以及股內側肌預先活動等 (下表)。盡管影響跑步經濟性的生物力學因素，已經有了明確的有利與不利歸類，對於一般跑步教練與跑者來說，由於考量的變項數量太多、太複雜，要實際應用這些跑步技術的影響因素，確實是相當困難的工作。
影響跑步經濟性的生物力學因素 (Moore, 2016)
| 效果 | 內在因素 | 外在因素 |
| 時間空間 | 動力學 | 運動學 | 神經肌 |
有利
因素 | 自選步長(減3%)
少的垂直振幅 | 較大的腿部硬度
推蹬期GRF與腿部軸線
對齊
低下肢轉動慣量 | 離地時較少腿部伸展
較大步幅角度
保持手臂擺動 | 推蹬時較低肌肉激活
較低的作用拮抗肌共同
收縮 | 跑鞋與地面穩定接觸
赤腳或輕量鞋 (<440g) |
衝突
因素 | 地面接觸時間
擺動時間 | 衝擊力(impact force)
前後作用力 | 軀幹角度 | 雙關節肌共同收縮 | 矯形器 |
有限
或
未知 | 腳與重心在著地時的水
平距離
braking / 減速時間
接觸地面的減速 | 衝量(impulses) | 擺動期
足部著地型態
乳房運動學 | 股內側肌預先活動 | |
為了釐清影響跑步經濟性與跑步表現的技術因素，Folland等 (2017) 以97名 (男性50名、女性47名) 耐力跑者為對象 (受試者29名優秀跑者、68名休閒跑者，其中優秀男女跑者29名，1萬公尺成績在31分鐘與35分鐘以下)，在漸增速度的跑步機上 (10-12 km/h 速度、每個速度4分鐘)，進行五類運動學指標 (垂直擺動、braking、姿勢、步幅參數、下肢角度，共24個變項) 的分析，並且進行能量成本 (locomotory energy cost, LEc) 、乳酸閾值 (velocity of lactate threshold point, vLTP) 的實驗，以及跑步表現 (一萬公尺跑步成績) 的紀錄。
運動學指標的24個變項中，垂直擺動 (vertical oscillation) 的變項，包刮骨盆與重心在著地時的垂直振幅ΔzP
GC,H、ΔzCM
GC,H與整個步伐 (total stride) 的垂直振幅ΔzP
TOT,H、ΔzCM
TOT,H；braking的變項，包刮骨盆與重心在整個步伐的最小水平速度VyP
MIN、VyCM
MIN與著地期間 (during ground contact) 的最小水平速度ΔVyP
GC、ΔVyCM
GC；姿勢 (posture) 的變項，包括軀幹在整個步伐的平均伸展角度xTA
MEAN與角度範圍ΔxTA，以及整個步伐橫軸旋轉角度ΔzPA；步幅參數 (stride parameters) 的變項，包刮標準化的步長SL
H、步頻SR、著地時間GCT、擺動時間SWT、以及著地指數 (duty factor, DF)；下肢角度 (lower limb angles) 的變項 (右圖)，包括著地瞬間矢狀面 (sagillal plane) 的腳著地角度xFA
TD、小腿角度xSA
TD、大腿xTHA
TD，在著地期間 (during ground contact) 膝關節的伸展角度ΔxKA
GC、髖關節的收縮角度ΔxHA
GC、膝關節最小角度xKA
GC,MIN，以及在擺動期的最小膝關節角度xKA
GC,MIN、最大髖關節角度xHA
SW,MAX。
針對一萬公尺平均成績在37分58秒±6分7秒、43分31秒±6分54秒的97位男女跑者來說，研究結果顯示，有19個跑步運動學的變項與跑步經濟性具備顯著相關，有18個跑步運動學的變項與vLTP具備顯著相關，有11個跑步運動學的變項與跑步成績具備顯著相關。透過迴歸分析的方法發現，著地時骨盆的垂直振幅 (ΔzP
GC,H)、著地期間的膝關節最小角度 (xKA
GC,MIN)、以及整個步伐期間骨盆的最小水平速度 (VyP
MIN) 三個變項，可以解釋跑步經濟性變異性 (LEc) 達39.4%。
著地瞬間矢狀面的小腿角度 (xSATD)、整個步伐期間骨盆的最小水平速度 (VyPMIN)、著地指數 (Duty factor, DF)、軀幹伸展角度 (xTAMEAN) 四個變項，可以解釋跑步表現 (SB Time-z) 變異性達30.5%，以及乳酸閾值 (vLTP-z) 變異性達41.8%。
決定跑步經濟性、乳酸閾值、跑步表現的運動學因素(Folland等, 2017)
盡管跑步技術的相關變項，普遍與跑步經濟性、跑步表現顯著相關，但是進一步進行迴歸分析之後發現，影響跑步經濟性與跑步表現的技術因素，似乎會有不同。著地瞬間骨盆的垂直振幅、擺動期的膝關節最小角度與跑步經濟性比較有關聯；著地瞬間的小腿角度，整個步伐期間的骨盆最小水平速度、著地指數 (duty factor)、以及軀幹伸展角度等，則與跑步表現密切關聯。
引用文獻
Barnes, K. R., & Kilding, A. E. (2015). Running economy: measurement, norms, and determining factors. Bames and Kilding Sports Medicine - Open, 1(8), 1-15.
Folland, J. P., Allen, S. J., Black, M. I., Handsaker, J. C., & Forrester, S. E. (2017). Running technique is an important component of running economy and performance. Medicine Science in Sports and Exercise. 49(7), 1412-1423.
Moore, I. S. (2016). Is there an economical running technique? a review of modifiable biomechanical factors affecting running economy. Sport Medicine, 46, 793-807.
Saunders, P. U., Pyne, D. B., Telford, R. D., & Hawley, J. A. (2004). Factors affecting running economy in trained distance runners. Sports Medicine, 34(7), 465-485.
