2013年5月13日 星期一

步行或跑步時,腳跟觸地與腳掌著地 (作用肌肉) 的不同


不管跑步還是走路,該用腳跟還是腳掌觸地,一直是愛好者爭論不休的問題。

腳跟觸地是人類演化幾百萬年下來的結果、而腳掌觸地是為了跑步效率的考量。

註:這邊說的效率指的是速度上的效率,而非能量消耗觀點的效率。

跑步時,該用哪一種跑法必須考慮當下速度,再搭配零動量點(ZMP, Zero Moment Point)的位置,在此先不談這麼多,畢竟優秀跑者並不會邊跑邊想著物理。

今天要談的,是兩種跑法都有相關肌肉可吸收來自地面的衝擊,我用樂高說明如下:

下圖是樂高組成的簡易模型,模擬人類的腿與足。

綠色橡皮筋代表脛骨前肌,力臂1為其施力的施力臂。

黃色橡皮筋代表腿後肌群,力臂2為其施力的施力臂。

解剖學告訴我們:力臂1的長度約等於力臂2。


當腳跟觸地時,地板給腳跟的反作用力,透過抗力臂1,對踝關節形成一逆時針轉動的力矩(足底屈)

此時脛骨前肌(綠色橡皮筋)做離心收縮(用力方向與動作方向相反)

註:離心收縮:比腕力時,弱的一方做離心收縮


下圖可發現脛骨前肌被拉長,就是藉由脛骨前肌的離心收縮,延長了觸地的作用時間,於是衝力減小

註:衝力=動量的變化量/作用時間


下圖:當腳掌觸地時(因為本模型缺少腳趾關節,所以用腳尖觸地的狀況來近似),地板給腳掌的反作用力,透過抗力臂2,對踝關節形成一順時針轉動的力矩(足背屈)


此時腿後肌群(黃色橡皮筋)做離心收縮。

與前例同,此離心收縮的時間愈長,衝力愈小



討論:

1. 比較抗力臂1(腳跟到踝關節的水平距離)與抗力臂2(腳掌到踝關節的水平距離),可知抗力臂2大於抗力臂1,所以地板給人的反作用力,在腳掌著地的狀況下,有較大的抗力矩,需要更強的力量來吸收衝擊。

2. 另外,為了腳掌著地,上半身重心位置會更靠近前腳(從一些網路影片看來,腳掌觸地時,腳後踢程度較高,其實是上半身位置較靠近前腳),上面幾張圖的姿態雖然較誇張,但也有利於發現腳掌觸地時,上半身會更靠近前腳的上方。

由上述兩點可知,腳掌著地時,小腿必須承受更大的負荷(相較於腳跟觸地時,脛骨前肌所承受的負荷)

所以不少人會發現,跑步時以腳掌著地,小腿的負擔相當大、滑滑步機時,腳掌、小腿容易麻...

跑步時,腳掌著地是因為效率考量,而非安全性。

到底該如何根據速度選擇跑法?說好了不提惱人的ZMP,你會發現在某個速度以下以腳跟觸地、超過那個速度改用腳掌著地,這樣跑起來會超級順的,那就對了!