從生理的角度,來一窺跑步經濟性的點滴

發表於2019/08/08
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透過前面的文章,已經知道菁英選手在攝氧量沒有顯著提升的情況下成績仍不斷往前推進,最主要是來自跑步經濟性(Running Economy, RE)的提升,目前普遍接受跑步經濟性的定義為在相同速度跑指定距離消耗了多少能量(也可以換算成攝入了多少氧氣),消耗越少的能量(氧氣),表示該選手越節能,跑步經濟性也較高。

延伸閱讀:那些年,被攝氧量耽誤的我們

其實,跑步經濟性是被討論到爛的課題,在這裡會以生理學的角度切入,將影響跑步經濟性的三大要素:生物力學、神經肌肉效率和能量代謝效率三個面向去逐步討論。


生物力學效率

生物力學效率主要是指在跑步中被動的力學能量消耗,比方說下意識抬起腿跨步後到下一次抬起腿跨步的這個過程,中間損失的能量越小,表示越有效率,影響生物力學效率的因素包含彈性能的利用、步伐模式、著地和身體構造等。

彈性能的利用

還記得國中物理課時,將彈簧或者橡皮筋拉長後放開會有一股力量,這個就是彈力位能的轉換,在我的腿部肌肉和足弓其實也是有類似的效果。當我們的肌肉被伸長時,會發生牽張縮短循環(Stretch Shortening Cycle, SSC),被拉長的肌肉或者延伸的足弓如同橡皮筋被拉緊一樣儲存彈力能,並且在下次收縮時釋放,而反彈的程度,又受到肌肉延伸的長度、肌肉剛性、肌肉伸展和後續收縮的間隔時間(也可以理解成發力率)。

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大致上,剛性較高的肌肉相比鬆垮的肌肉儲存更多的能量,可以想像要用橡皮筋射人時,從原本就稍緊的橡皮筋拉緊再放開,比很鬆的那條飛的還更遠,另外,拉緊和放開的間隔時間愈長,浪費的能量也越多,也就是說,理想的情形為緊繃的肌肉迅速的拉長然後只等一下就收縮,當然,肌肉剛性也不是無限上綱,要不然很容易受傷。

腿部肌肉和足弓在伸展拉長到收縮期間,如同橡皮筋般會儲存彈力能(圖片來源)


目前發現,腳踝和膝蓋週邊的肌肉可以產生較強的牽張縮短循環,另外我們的肌肉其實調節能力很好,可以在不同材質的地面快速調整小腿肌肉的剛性。不過,不同類型的跑者還是有其發揮最好的肌肉剛性狀態,也許身邊有朋友參加路跑表現不怎麼樣,但是一到土路或者草地就健步如飛,主要是後者的地面較柔軟,雖然可以有較好的緩衝,但也有較多的能量消散而不會反彈,因此太依賴能量反彈的跑者在柔軟地面上反而跑不出應有的表現。

較依賴反彈的跑者,在柔軟的地形因為反彈力量減低導致表現的下滑,最經典的案例就是日本的跑者在公路和田徑場非常出色,至越草地就相形沒那麼出色(圖片來源)


步伐模式

大家都知道,配速為步頻和步輻的乘積,而在比賽後段覺得非常艱辛時,經濟性下降大多是來自於步輻的下降,有趣的是,其實身體非常聰明,會隨當下的疲勞程度去調節,進而在該條件下找到最有效率的前進方法,所以在後段的各種跑姿的改變,其實是身體不斷溝通調整下的結果,這樣想好像後段掉速的罪惡感因此減少了呢(逃)

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再來看看垂直振幅,這也是談到跑步經濟性大家很關注的數據,關於垂直振幅有兩個重點需要注意:第一,過大的垂直振幅才會降低跑步經濟性,而不是垂直振幅本身;第二,跑步一定要有基本的垂直振幅,我們才可以充分的利用彈性位能,如果都在一個平面能利用的彈力位能將會減少。個人認為不應該一昧的追求低的垂直振幅,而是找到自己適合的垂直振幅,好比以前物理課一定有算過一題加農砲的角度該用什麼的角度才能夠飛的最遠,角度過大和過小都沒辦法達到最遠的射程,跑步也是相同,在適合垂直振幅區間才能展現最大的步幅,另外我也很推薦用手錶記錄下自己的數據,透過垂直振幅/步幅,算出來的數值可以作為一個階段跑步經濟性紀錄。


可以透過移動參數(垂直震幅/步頻)以及觸地時間等參數作為經濟性的一個紀錄指標


落地方式

如同先前所提,前腳掌著地能更有效利用阿基里斯腱和足弓的彈性能,觸地時間和加速時間較短,有著更好的發力率,但也提到貿然修改跑姿不一定會因此一飛衝天,可能甚至使原本的表現下滑。

延伸閱讀:改變跑姿,成績不升反降?


有趣的是,並不是前足落地的跑者在跑所有速度都是採取一樣的落地方式,比賽的前段和中後段也會有變化,在一篇觀察1500公尺競賽的研究中,跑者在最後一圈要加速時,有趣的是足跟著地的人增加了,而我在全馬賽事的後段也有觀察到類似的現象,極度疲勞讓我們的步幅下滑,跑者嘗試拉長他們的步頻,不是用推蹬的方式,而是本能的延伸他們的小腿,當身體越疲勞時,大腦會自動忽略相對不重要的功能,也讓足跟著地的感覺回饋被過濾掉;另外,我也有看到一個很有趣的說法,後段足跟著地的方式其實是我們的潛意識使然,潛意識知道足跟著地會讓我們減速,如果慢下來可以緩解疲勞,因此足跟著地可能是大腦調控的自我保護機制。

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身體構造

最後一個影響生物力學的因素就是我們的身體構造,這就是一個傷感情的話題,同樣的訓練,有人就是能夠有更大的進步空間,世界頂尖選手除了勤奮練習,在身體構造上更有獨到之處。非洲跑者的小腿纖細,已經被公認跑步經濟性優異的原因之一,較輕的骨骼和肌肉重量可以減少小腿的能量損耗,同時他們有著更有彈性的阿基里斯腱,可以有效利用彈力能,另外骨盆稍微狹窄和腳小也佔有一定地位,不過身體構造大多是先天註定,後天的改變非常有限。不過也不需要擔心的是,在菁英選手中各式身材的都有,最經典的例子莫過於Allie Kieffer,她在女子菁英算是重量級的選手,先前的既定觀念困擾她很久,過度減肥換來疲勞性骨折的下場,沉寂一陣子重新調整後,在2018年紐約馬跑出個人目前PB 2:28:12。


Allie Kieffer (圖片來源)


神經肌肉效率

探討神經肌肉效率的時候,可以主要分為兩個項目,分別為改善神經訊號傳遞和增進肌肉發力完整程度,相比於棒球打擊或者高爾夫球揮桿,我們常常認為跑步只要輪流跨出雙腿,是再簡單不過且不需要學習的運動,但是其實研究顯示,跑步可以透過不斷練習,學習正確徵召需要的肌肉,讓動作變得更協調且有效率,因此應該將跑步視為一種需要不斷練習的技能。


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地面反作用力和觸地時間

地面反作用力和觸地時間在生物力學和神經肌肉效率扮演了重要的角色,地面反作用力顧名思義就是腳接觸地面產生的力量,而觸地時間就是指著地後腳與地面接觸的時間,厲害的跑者不只要對地面給予強大的推蹬,也需要在很短的時間內施力。


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一篇2010的研究針對跑步、跳躍和倒退跑地面的反作用力,發現跳躍和倒退跑對於地面的反作用力較高,但是觸地時間長,需要較長的時間才能達成該力量;然而跑步時力量並沒有那麼大,但是觸地時間短,可在很短的時間內產生需要的力量,他們得知對地面施力的速度和活化的肌肉量明顯的影響跑步經濟性。另外一篇研究也有提到,有38%的受試者的跑步經濟性,隨著改變對於地面施予的反作用力和發力時間而有變化,可以看出它們對於跑步經濟性的影響。


肌纖維特性

肌肉本身特性也會影響跑步效率,慢縮肌纖維的粒線體、肌紅蛋白和相關酵素較多,可以更有效率利用氧氣;此外也有發現不同肌纖維有其最佳收縮速度,比方說有的肌纖維在最大收縮速度1/3時效率最高,在耐力訓練時慢縮肌纖維會接近他們的最高收縮效率,可以見得慢縮肌比例較高的運動員在耐力運動領域確實比較吃香。儘管快縮肌和慢縮肌的比例是生來註定,但是目前普遍認為,透過長時間的有氧訓練,有機會可以逐步改變不同種類的肌纖維比例。

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代謝效率

代謝效率主要取決能量產生的過程,包括肌肉的需氧量、氧氣輸送、利用效率和粒線體基質利用的程度,皆佔有一席之地。


粒線體基質利用

我們都知道在跑馬拉松的過程中,肝醣很重要且儲備量有限,如何有效率利用肝醣,在特定速度下降低肝醣的使用率,便是日常訓練應該注意的課題。在跑馬的中後段,我們容易因為肝醣耗盡而疲勞撞牆,先前的文章有討論過,疲勞的產生主要是大腦調節後的結果,在賽事中我們並不會完全耗盡肝醣,但身體會因為偵測肝醣下降誘發減速,降低肝醣消耗的速度。

延伸閱讀:是敵人還是朋友?-操控疲勞的藝術


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透過訓練,可以更懂得綜合利用不同的能量來源。若要延遲肝醣消耗而掉速,需要增加肝醣總儲備量,或者在馬拉松的配速下轉而利用更多脂肪作為能量來源,長跑和高里程的訓練已知會增加肌肉總肝醣存量,而長距離跑和節奏跑也會改變能量來源的比例;同時也有研究指出空腹狀態下訓練可以增加脂肪的利用率,但是否對於運動表現有正向的效果,目前有待商榷。

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此外,高比例的輕鬆跑至馬拉松節奏跑以下配速可使大量脂肪作為能量來源,主要原因為增加的粒線體數量、大小和粒線體酶為主,有助於緩解長跑的肝醣儲存負擔。

前面都在討論馬拉松為主,那距離較短的賽事中,會發生肝醣耗盡引發的疲勞嗎? 令人出乎意料,答案是肯定的,只是這類的耗盡多發生在局部的肌肉而非總肝醣,每條肌肉纖維都會發生肝醣降解,除非轉換成乳酸才可以重新轉換成肝醣,當肌纖維的肝醣大量降解,可運作的肌纖維總量逐漸減少,接著產生疲勞。有趣的是,不同類型的肌纖維對於肝醣耗盡的反應不同,慢縮肌耗盡時會明顯影響肌耐力,而快縮肌則是影響最大肌力。


可以發現,其實影響跑步經濟性的因子很多,並不僅限於幾個簡單的數據可以一言蔽之,但是換個角度想,好比角色養成一般,在跑步的路上有非常多可以努力增進的面向,是不是令人充滿鬥志呢?


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