FASTER: 鐵人三項的科學解密-跑步篇

書名: FASTER: Demystifying the Science of Triathlon Speed - Chapter 5: The Run

作者: Jim Gourley

先說結論：

1. 配速的重要：因為當你累了的時候，你會用更耗能量的方式前進，變成一個惡性循環。
   
2. 有效率的步頻在180~190，可以減少垂直力量的浪費、煞車力量、觸地時間，以及對身體關節的衝擊。
   
3. 減去多餘的體重除了減少跑步時一路上的負重，同時也改善身體產熱與散熱的能力，讓你跑得更快。
   
4. 2公尺內跟跑可以有空氣力學的優勢，風洞測試建議最佳的跟跑距離是1公尺，相較於破風手你的風阻只有他的37%(但只對3:20/km配速以上有明顯差異)。
   
5. 輕量與重的跑鞋(+112g)影響約1%的有氧能力(同樣是對世界級的跑者而言)。
   
6. 鞋子的緩衝與能量回彈能力每320-480km約衰退3-5%
   
7. 跑步機是比較省力的，要達到與一般跑步的強度要設定為1%坡度以上。

跑步的機制

跑步的動作如同一個大質量的物體坐在兩隻多關節的彈簧推進器上。
雙腳的功能包含：

1. 堅實的支撐
2. 彈性的衝擊吸收
3. 產生力量的槓桿系統

跑步三階段：

1. 推進與騰空期：離開地面。
2. 回復期：抬腿並延伸。
3. 衝擊與煞車期：當重力帶你回到與地面接觸，摩擦力阻止你往前動作。

跑步的受力分析：

• 垂直方向：

第一個垂直力量：推進期時，地球施反作用力，相當於我們腿部下推的力道，對我們的身體加速，給予足夠動能讓我們短暫的騰空。

第二個垂直力量：當我們落地的時候的反作用力，這股力量相等於重力對我們身體質量所產生的加速力。

平均而言，跑者在施加2.5倍的體重推進離開地面，落地時承受1.6倍體重的衝擊。

當跑者每一步踏上地面時，腿部會承受125~300公斤的作用力，這將會對我們的關節有顯著的影響。

• 水平方向：

如果只對垂直方向施力是無法向前移動的，所以跑步的時候我們必須對水平方向施力－也就是"踢"的動作。

踢腿時，在水平的方向：地面透過摩擦力的機制抵抗我們腳掌向後的移動，這股抵抗前進的摩擦力大概是體重的30%，一般稱為煞車的力量，沒有這煞車的力量，我們將在落地時滑倒。

跑步的經濟性

以pogo stick(彈跳桿)分析跑步的經濟性

往前跳時，彈跳桿的上半部先行，騰空，接著桿子底部往前擺動，落地，彈簧壓縮吸收衝擊，準備下一次的彈跳前進。

當桿子過於前傾或後傾，我們就會變成臉或是屁股著地，而著地最佳的點，大約在身體重心往地面投影的前方。

以上的動作主要可分為 1.彈簧般的撞擊/推進 與2.鐘擺般搖擺：1需要大部分的能量，2相較之下太小，故大部分的研究根本不考慮，因此，跑步時主要的力量發生在垂直方向而不是側向。科學上告訴我們：跑步主要是靠上下移動勝於往前移動。

提升跑步效率三要素 (跟Garmin 量測的垂直比例等跑步關鍵數據相似)

1. 減少垂直移動量：別跳太高，別用力落地。
2. 最佳化步距
3. 減少觸地時間：減少花費時間在落地、減速、加速、重新躍起上。

強壯的肌肉=強壯的彈簧

想像一顆皮球與一顆黏土同時落地，黏土無法彈起因為材質強度不足-在落地的時候變形；而皮球只有些微的變形。彈簧也是一樣的情況，強度越高表示變形越小、回彈越好。

失效的彈簧：觀察比賽中末段跑者的姿勢：拖著腳步，很長的觸地時間，虛弱的推進，勉強跨著步伐，屁股過度上下移動，疲勞的腿無法應付地面的衝擊力，導致看起來像是屁股坐著跑。

當你累了的時候，你就會用更耗能量的方式前進，變成一個惡性循環，所以配速很重要。

而任何好的技巧都都必須建立在能讓你一整路維持跑步的經濟性直到終點。

最佳化垂直與水平距離

離地過高與跨步過遠都會浪費能量。

科學上的最佳解：縮短步距，保持180-190的步頻。可減少垂直力量的浪費、煞車力量、觸地時間。 

研究指出增快步頻的好處(*但沒有寫出是增快多少%的步頻)

觸地時間：減少32%
垂直位移：減少76%
彈簧強度(腿部)增加100%

更重要的是，在人體的關節影響的量測研究發現，當步頻增加10%，腳踝、膝蓋、臀部的衝擊力大幅降低。

人類的體型與跑步經濟性

科學家認為在完成相同的距離下，無論運動員的速度為何，所消耗的能量是一樣的。人類的效率約在0.85~1.0 kcal/kg/km。

跑得快消耗較多的能量，但同時跑步的時間也縮短。

根據能量消耗率E=1 kcal/kg/km計算，59kg的肯亞人燃燒59kcal，68kg的一般跑者燃燒68kcal；以全馬來說會相差378kcal=15%。

E(run) = m^(-0.33) 

E(run): 移動1kg的體重1km所需的耗氧量，m=體重

當物體的邊長增加2倍，表面積變為4倍，質量卻成長到8倍；而動物的重量對骨骼強度比，跑步的能量消耗都跟體型正相關。

人類的跑步效率比地球上其他小生物高，而由於體重的關係，我們所需功耗比大型動物低。

E(vert) = mgh 

E(vert): 移動一個垂直距離所需的能量
m=mass, g=gravity, h=vertical distance(height)

E(L)=0.75 J/kg 
E(L): 移動一個身體長度所需能量

根據以上代數的計算，跑者必須躍起7.5cm以前進一個身高的距離。

一個訓練有素的跑者步距在身高的75-90%，這表示我們所需的最小垂直高度=7.5cm*0.75~0.9。(可當作垂直振幅最佳化的參考)

跑者的體型與散熱

以3:45min/km  速度比較三種不同體型的跑者(一般跑者耗熱多36%但表面積只多了22%)。

更嚴重的是增加速度時，體重較重的相較輕的跑者，產熱速度較快。

同時考慮製造熱與散熱的速度，在35度高溫，濕度60的情況，55kg的跑者可以用6min/mile的配速維持熱平衡，但75kg的跑者卻在9min/mile的配速就爆了。

跟跑的優勢

只在世界級的跑者上較為明顯。以3:20 /min的破風手完美配速來說，10km的距離跟跑"理論上"可以省下一分鐘。

數學上的模型預測在2公尺內跟跑可以有空氣力學的優勢，風洞測試建議最佳的跟跑距離是1公尺，相較於破風手你的風阻只有他的37%。以1500公尺的比賽來說：等於4秒的優勢。更接近的話風阻的好處會急遽減少，而且會惹毛你的跑友。

並排跑的時候風阻會增加25%，跑者彼此的表面積合併起來會同時對兩人增加作用，再次強調，以上都是發生在非常高速的狀態，即使以3:45/km的配速來說也不完全適用。

爬坡

每增加1%坡度，跑者增加2.6 mL/kg/min的VO2(攝氧量) 或降低0.82k的時速。

爬坡時提早減速避免心跳過高，參考坡度與配速的影響：

跑鞋的重量與材質

在膝蓋以下每增加一公斤的重量，耗氧會增加5~10%。然而，實驗並沒有說明負重是放在腿上還是腳掌上，而且一公斤的鞋子並不符合現實。實際上一雙重的與超輕量的鞋子比較，可以省下略大於1%的有氧能力。

鞋子的結構與材質同樣的重要。

當鞋子失去緩衝能力，最大的落下衝擊力明顯增加，鞋子的緩衝與能量回彈能力每320-480km約衰退3-5%。

建議將最愛的鞋款做為比賽用(4%?)，平常練習用穿起來舒服的鞋款，經常更換便宜的鞋子來避免受傷，保持良好的訓練狀態。

跑步機，越野林道，沙灘不同表面對VO2的影響

跑步機是比較省力的，要達到與一般跑步的強度至少要設定為1%坡度以上。

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分析個人的兩次16k tempo run數據： 配速/步頻/步距/垂直震幅/觸地時間
100.6s(14.31kmh)/178spm/1.38m/9.7cm/232ms
97.88s(14.71kmh)/181spm/1.40m/9.1cm/230ms
得到=> +1.1% 步頻 -6.2%震幅  -0.9%觸地時間
但兩次的配速不同，所以也可能因果倒置。