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【跑步二三事】跑在全馬 2 小時完賽的比賽配速,需要有什麼樣的生理條件?

發表於 2020/12/04 13,699 次點閱 2 人收藏 3 人給讚
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(圖片來源:路透社)


2019 年 10 月,Eliud Kipchoge 在 INEOS 1:59 Challenge 如願破二是為跑步歷史上嶄新的一頁,相關的報導與行銷,多數把焦點放在跑鞋上,對於跑鞋設計的相關研究與報導,可謂十分豐富,而跑進 2 小時內需具備怎麼樣的生理條件?

註:Eliud Kipchoge INEOS 1:59 Challenge 的完成時間為 1 小時 59 分 40.2 秒,換算成速度為每秒 5.88 公尺;每 100 公尺 17 秒;配速≒ 2 分 51 秒/公里。


  研究開端

早在 1991 年 2 月,學者 Joyner MJ 曾納入各項生理指標,並透過模型計算、模擬,在假設受試者的攝氧量峰值為 84 ml/kg/min,且乳酸閾值為攝氧量峰值的 85% 的情況下(意即 71.4 ml/kg/min),全程馬拉松的完賽時間為 1 小時 57 分 58 秒(天時、地利、人和俱足時)。不過研究也表明,理論上的生理條件或許做得到,但是實際上的耐力運動之中有諸多因素是較難以控制的,研究模型需要透過實際測試,再逐步修正後才能趨於完善。


2020 年 11 月,以英國艾希特大學(University of Exeter)的 Andrew Jones 教授為首的研究團隊,與NIKE 運動研究實驗室、美國岡薩加大學(Gonzaga University)共同發表了一篇名為《Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace》的研究論文,旨在探討馬拉松跑進二小時需具備的生理條件。


研究徵募了 16 位世界級長跑運動員(年齡 29±4 歲;身高 1.72±0.04 公尺;體重 58.9±3.3 公斤;半程馬拉松平均成績為 59 53 秒,而全程馬拉松平均成績為 小時 06 53 秒),且於運動科學實驗器裡透過跑步機以及跑道進行比賽配速測試,初始速度從 17km/h(≒3:32/km) ,逐漸遞增至最終速度為 21.1 km/h(≒2:51/km)


註:這些男性受試者參與了NIKE Breaking 2 Project(BK2)某些部分的測試環節,而最終站上 BK2 起跑線的三位是 Zersenay Tadese(厄利垂亞)、Eliud Kipchoge(肯亞)、Lelisa Desisa(衣索比亞)。


跑步機測試時,所收集的參數包含氧氣消耗量(跑步經濟性之中的攝氧成本)、攝氧量峰值、乳酸閾值(此指第一乳酸閾值)、乳酸轉折點(此指第二乳酸閾值),除了之外,該研究亦進行了跑道測試(室外)、生物力學測試。


其中,跑步機測試屬於 遞增式增加速度(incremental),初始速度從 17km/h,逐漸遞增至最終速度為 21.1 km/h;跑道測試(室外)則是屬於將速度固定在 21.1km/h。在測試的過程中,隨時間的發展,依該強度繪製相對應的圖表。


在遞增式的強度中,身體將逐漸接近極限,我們可以預期的是:

  1. 當強度越高,血液之中的乳酸濃度(血乳酸濃度)也會升高,且預期菁英選手在乳酸轉折點(第二乳酸閾值)時,速度可能會接近 20km/h
  2. 在遞增的速度之下,攝氧量占攝氧量峰值的百分比會隨之上升。假設,菁英選手完全精疲力竭是攝氧量峰值的 100% (21.1km/h);當跑在 17km/h 時,攝氧量可能落在峰值的 70%,當速度提升為 18km/h時,攝氧量可能落在峰值的 80%
  3. 在遞增的速度之下,氧氣消耗量亦隨之提升。

(圖片來源:NIKE)


  全馬破二的生理條件

荷蘭運動科學家 Asker Jeukendrup 教授(運動營養學專業)針對全馬跑進 2 小時歸納出 4 大生理學構面

  • 個人攝氧量峰值
  • 乳酸轉折點較高或臨界速度較高
  • 能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步
  • 較低的氧氣消耗量(跑步經濟性佳)

筆者將順著 Asker Jeukendrup 教授提出的構面,且結合 Andrew Jones 教授團隊的研究成果來敘述。


一、個人攝氧量峰值

該研究 16 位的受試者平均攝氧量峰值為 71 ml/kg/min(如研究圖A),但是範疇從 62~84 ml /kg/min,故推測攝氧量峰值可能不是決定性的影響因素,但並非不重要。

 

研究圖 A


備註:攝氧量峰值(VO2peak)是最大攝氧量(VO2max)的另一種表示方法,它是指受試者接受一次運科測試的過程中,隨著遞增的運動強度,測量氧氣攝取量時所出現的最大值,但不一定是的受試者可以達到的最大值。本文依循研究脈絡,皆以攝氧量峰值表示。


以下第二、三點必須一起探討、解釋。

二、乳酸閾值較高或臨界速度較高

三、能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步


乳酸閾值可再分為 第一乳酸閾值(LT, lactate threshold)第二乳酸閾值(乳酸轉折點;LTP, lactate turn-point)。第一乳酸閾值通常是指 有氧閾值(aerobic threshold)或血乳酸濃度約 2 mmol/L(2 毫莫耳/公升);第二乳酸閾值通常是指 無氧閾值(anaerobic threshold)或血乳酸濃度約 4 mmol/L


以馬拉松訓練而言,跑者熟悉的門檻跑、節奏跑、乳酸閾值跑、T,是指第二乳酸閾值,在此閾值之下的速度稱為 臨界速度(CV, critical velocity) ,當超過此臨界點,會感到非常辛苦,速度將難以維持穩定的狀態。


引述學者 Jan Olbrecht 博士針對第二乳酸閾值之下的速度圖可知(如下圖),休閒跑者(藍線)世界級馬拉松的冠軍選手(黑線),其臨界速度分別約為 4.1 m/s 與 6 m/s,換成時速約莫為 14.76 km/h(≒ 4:04/km)與 21.6 km/h(≒ 2:47/km),其中休閒跑者接近於四分速,世界級馬拉松的冠軍選手則接近本文探討該研究的實驗速度 21.1 km/h(≒ 2:51/km),換句話說,對休閒跑者而言,跑在四分速的速度可能無法維持太久。

 

Jan Olbrecht 談第二乳酸閾值與臨界速度

(圖片來源:lactate.com


註:乳酸閾值可參考本站許文彥醫師所撰之【跑步訓練】乳酸閾值到底是什麼?或本專欄之《跑者不能不知的 LTHR 乳酸閾值心率》,有概略性地介紹。


回到本文探討的研究論文,經過實測後,16 位受試者的第一乳酸閾值與第二乳酸閾值之下的血乳酸濃度分別為 2.2±0.8mmol/L 與 4.6±1.3mmol/L(如研究圖C),代表受試者相較於前述的血乳酸濃度更高(第一:2mmol/L;第二:4mmol/L),而且其第一乳酸閾值與第二乳酸閾值之下的跑步速度分別為 18.9 km/h 與 20.2 km/h,根據前述休閒跑者在第二乳酸閾值的臨界速度(約莫四分速;接近15 km/h),這些菁英選手們跑在相同速度之下,都還摸不到第一乳酸閾值,更殘酷的是研究的起始速度是17km/h。 

研究圖C


再者,受試者能長時間維持在高百分比的攝氧量峰值之下進行跑步,代表其大部分時間都還是使用有氧能量系統(Oxidative System),且實驗所測得之第一乳酸閾值和第二乳酸閾值(乳酸轉折點)分別發生在18.9 km/h 與 20.2 km/h,分別對應到 83% 與 92% 的攝氧量峰值(如研究圖B),第二乳酸閾值為 92% 攝氧量峰值,代表其有氧能力的天花板很高,因此可以持續利用有氧系統供給身體能量並維持跑步。


 研究圖B


四、較低的氧氣消耗量(跑步經濟性佳)

氧氣消耗量(攝氧成本)是指跑在特定的速度之下所需的氧氣量。假設跑者 A 與 B 都可以用每公里 4 分整的速度奔跑,但 A 消耗的氧氣量更少(節能的概念),那麼 A 的跑步經濟性會高於 B。

該研究特別提到有 7 名受試者在跑道(室外)以 21.1 km/h(≒ 2:51/km)的速度跑步時能夠維持穩定狀態的氧氣消耗量約為攝氧量峰值的 94 ± 3 %,而其他 9 位受試者以 21.1 km/h 的速度跑步時的攝氧量無法維持在穩定狀態,其氧氣消耗量為攝氧量峰值的 97 ± 9 %。(穩定維持的 7 人相較於無法穩定維持的 9 人,在平均數與標準差較小)

註:所有受試者都是穿著薄底競賽跑鞋(俗稱 racing flat)進行測試

Eliud Kipchoge 與 Andrew Jones 教授(該研究第一作者)

(圖片來源:University of Exeter)


研究綜整:對比 1991 年的模型模擬,乳酸閾值為攝氧量峰值的 85% 的情況下(意即71.4 ml/kg/min),全程馬拉松的完賽時間為 1 小時 57 分 58 秒。2020 年 11 月的研究,16 位受試者以 21.1 km/h(≒ 2:51/km)的速度跑步時的平均氧氣消耗量為 191 ml/kg/km,在此狀態下跑步,每分鐘需要消耗將近 4 公升的氧氣,意即 94% 的攝氧量峰值,若以所有受試者平均體重約 59 公斤來說,全馬跑進二小時需維持約每分鐘 公升的氧氣消耗量或約 67 ml/kg/min 的攝氧量。 

註:67 ml/kg/min是測試後得出可以達到破二的水準,而模型模擬的人類極限是 71 ml/kg/min 。


  文末補充運動生物力學(Sports Biomechanics)相關指標:

因研究著重探討運動生理學相關的參數,在運動生物力學方面敘述的篇幅相形之下較少,故在此列舉出跑者較常探討的運動生物力學參數供讀者們參考:


運動生物力學參數

平均數±標準差

觸地時間

160±10毫秒

垂直力峰值

2.92±0.26倍體重

垂直震幅

4±0.6公分

步幅長(Stride Length)

174±6公分

相對步幅長度(身高百分比)

100.4±3.6%

註:步幅長並不是步長,相關人體步態介紹,可參考本專欄《人體走路步態大解析》《跑步人體步態分析》


從步幅長對比身高來看,受試者跑在 21.1km/h(≒ 2:51/km)的速度時,平均步幅長 174 公分已經超越了平均身高,然而垂直震幅僅有 4 公分,代表身體質心(center of mass, COM)垂直方向的位移很小,而水平位移很大。


最後,筆者認為該研究的價值在於:

  1. 該實驗設計對於跑步研究具有革命性的影響,且將 1991 年的研究模型實際體現出來 (實現破二)。
  2. 徵募世界級的長跑選手,受試者具有獨特的代表性,畢竟一般跑者很難跑在該研究嚴苛的速度條件之下,讀者亦能一窺世界級的長跑選手優秀的秘密。
  3. 除了實驗室測試外,亦在室外跑道測試頂尖選手的生理指標,因室外環境的干擾因素較多,收集數據非常不容易。


  後記:

原始研究論文《Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace》僅有研究摘要置於學術網路,筆者自費購買全文閱讀(共42頁),並自行彙整後撰寫本文。

(圖片來源:筆者)

 

  參考文獻:

  • [1] Joyner MJ. Modeling: optimal marathon performance on the basis of physiological factors. J Appl Physiol (1985). 1991 Feb;70(2):683-7. doi:10.1152/jappl.1991.70.2.683. PMID: 2022559.
  • [2] Jones, A. M., Kirby, B. S., Clark, I. E., Rice, H. M., Fulkerson, E., Wylie, L. J., Wilkerson, D. P., Vanhatalo, A., & Wilkins, B. W. (2020). Physiological demands of running at 2-hour marathon race pace. Journal of applied physiology, 10.1152/japplphysiol.00647.2020. Advance online publication. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00647.2020


👉🏻延伸閱讀:

[1]《跑鞋各項結構對長跑表現的影響有多少?》

[2]《跑鞋置入碳纖維板就能提升跑步經濟性嗎?》

[3]《加入碳纖維板的跑鞋「可能不會」改善跑步經濟性!》

[4]《跑鞋彈性的革新與改變:仿赤足鞋與競速鞋的碰撞》

[5]《厚底跑鞋鞋頭上揚對前足順暢性的影響》


作者:小智
責任編輯:Joanna


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