【跑步二三事】跑步不需要推蹬?從運科實驗來看推蹬這件事

發表於 2020/10/08 14,879 次點閱 0 人收藏 4 人給讚
給讚
收藏

九月份的專欄文章,我們依序介紹了概念版的走路以及跑步的步態週期,本文將延續跑步步態週期來講「推蹬」這件事,並結合 1990 年所發表的「伸肌悖論」來敘述。

廣義的「步態推蹬」(push-off)通常 起於腳跟離地(heel-off)止於腳掌趾離地(toe-off)。在這過程裡,小腿肌群(比目魚肌、腓腸肌)會發揮一定的作用。推蹬的動作,如果是自然站立來嘗試,就會像是墊起腳尖,此時便能感覺到小腿肌群正在作用。


 (圖片來源:Candra Winata


話說 1990 年,McClay、Lake 與 Cavanagh 三位學者利用肌電訊號感測器,以每秒 500Hz 的擷取頻率,研究在中長跑的跑步步態週期中,肌肉的活化程度,主要研究探討的是下肢主要的伸肌-股四頭肌在推進期之肌肉徵召程度(14.4kph)

研究結果發現,在推進期的站立終期時,下肢的伸肌並沒有被啟動,藉此說明向前奔跑未必需要主動推蹬,這個研究發現後來被稱為「伸肌悖論」(Extensor’s Paradox),並且成為某些跑步流派擁護的核心理論之一。

伸肌悖論的的肌電活化圖暨關節角度圖(McClay et al., 1990)


然而,這並不足以說明股四頭肌在未作用的情況之下(圖2),跑者就無須借助其他肌群的輔助,便能自然以前傾角度所產生的轉動慣量向前推進。至少,當我們靜態站著時,若有外力由後往前使我們身體失去平衡,我們下意識會往前跨,以保持平衡狀態,在腳掌離開地面那一瞬間,要能超越最大靜摩擦力才有辦法移動。

 

2 股四頭肌肌電訊號圖


*補充:原始伸肌悖論的第 80 毫秒處是站立中期,而實驗表示 100 毫秒是推進期,但是典型的推進期比較像從 120 毫秒的明顯腳跟離(heel-off),到大約 200 毫秒的掌趾即將離地(toe-off)。典型的推蹬,應該是 160~200 毫秒之間。由此可知將第 100 毫秒稱為推進期的開始,進而表示沒有推蹬,有些奇怪。

     

(圖片來源:bruce mars


看完伸肌悖論用來解釋推蹬之後,筆者產生 3 個疑問:

  1. 實驗結果是 1990 年發表的,當時的肌電訊號技術不如現代成熟。實驗的採樣頻率只有 500Hz(每秒五百筆資料),而依據「奈奎斯特採樣定理」(Nyquist Theorem),實際有效的頻率是採樣頻率的一半,也就是當你想要在每秒鐘收取 500 筆的有效資料,採樣頻率應該要設定為每秒鐘 1000 筆 ,而高通濾波 75Hz 的設計有些奇怪,正常步態的實驗濾波並不會把高通濾波設在 75Hz,這樣的設計會不會因此而掩蓋掉一些真正重要的訊號?

2. 伸肌悖論的實驗結果並沒有特別指出並定義各動作分期,而是以 圖1肌電活化圖暨關節角度圖 來搭配解釋股四頭肌沒有活化這件事,進而推論出跑步無須推蹬。

3. 伸肌悖論的實驗結果將站立中期(mid-stance phase)之後的 20 毫秒(milliseconds)稱作「推進期」,並說明這 20 毫秒之內股四頭肌並未啟動,但有沒有推蹬並不曉得,畢竟實驗並沒有同時收取腓腸肌的肌電訊號。

 

3 實際跑步的實驗圖

本專欄實際透過國立臺灣師範大學運動生物力學實驗室的 Vicon 紅外線攝影機搭配反光球,且搭配肌肉電位訊號系統(2000Hz)來收集資料。請一位跑者以 15kph(km per hour)的速度在跑步上面跑,發現從站立中期(mid-stance phase)到腳掌趾離地(toe-off)前一刻需要30毫秒(見圖3),所以伸肌悖論實驗中以 4m/s(14.4kph) 的設計,不太可能在 20 毫秒就完成推蹬。

另一方面,本專欄所收取的肌電訊號資料,經過資料處理後發現,無論是股四頭肌或腓腸肌在腳掌推蹬離地時都有一定的活化程度,而並非全然沒有(圖4)。 


4 肌肉電位圖訊號


  結語與後記:

伸肌悖論的研究收錄於《中長距離跑步的生物力學》(Biomechanics of distance running,此為筆者翻譯),因網路上資料有限,且研究年份距今已有 30 年,能找到的資訊不是太多,於是本專欄特別搜尋全臺各地有該本館藏的圖書館,想了解原始的實驗是怎麼設計的,經一番尋覓後,發現國立臺東大學圖書館有該本書,於是前往借閱。在閱讀、綜整以及實驗實驗後,發現過往的研究可能受儀器或環境所限制,也可能是實驗設計的方式差異,而造成不同的結果,但透過現代科學儀器的更新,並實際透過實驗測試,可以確定的是跑步是需要推蹬的

 

圖5 《Biomechanics of distance running》


作者:小智

責任編輯:Joanna


*跑步知識,盡在運動筆記

往下滑看下一篇

抵達終點!沒有更多文章了!

請在此留下訊息,我們會盡快回覆您的問題

跑步足跡 + 30