跑得快比跑得慢受到的累积性冲击力更大吗?用数据给你解答

2021-02-22 11:15:44 31点赞 285收藏 35评论

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本文经微信公众号“慧跑”授权转载,原标题《跑得快比跑得慢受到的累积性冲击力更大吗?用数据颠覆传统认知》作者:慧跑,文章内容仅代表作者观点,与本站立场无关,未经允许请勿转载关注慧跑,助您轻如羽、跑无伤

跑步是双脚交替向前,整个身体不断腾空落地的周期性运动(所谓周期性运动就是指动作不断重复的运动),腾空落地时人体会给予地面一个比较大的作用力。

牛顿第三定律指出,当我们对某物施加一个力的同时,必定会受到大小相同、方向相反的力,称之为反作用力,这个力就是我们通常所说的冲击力。

这个冲击力如果过大或者不断积累,就可能就会给骨骼、关节带来损伤。

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换句话说,虽然导致伤痛的原因有很多,跑姿问题、体重较大、跑量过多增长过快、缺乏力量、不重视恢复等等不一而足,其实这些都是导致伤痛的诱因。

最终这些因素都会以力学的形式呈现出来,上述因素最终可能导致应力在身体局部比如膝关节过于集中的现象,并且超出身体自身修复能力和承受能力,从而导致慢性劳损。

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跑步着地时受力基本特征

认真细致地研究大众跑者跑步过程中的受力,特别是着地阶段的受力特征,对于大众科学跑步很有价值。

首先给大众跑者介绍跑步着地时地面反作用力基本特征,跑步时,地面垂直方向反作用力的经典曲线一般是这样的。

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在脚刚着地时,会有一个陡然上升的力,随后会有轻微下降,我们把这个力称为第一峰值力,第一峰值力对于跑步指导最有意义,它代表跑步腾空落地时所受到的地面冲击力的大小以及产生的快慢,如果第一峰值力越大,曲线上升越陡,代表着地冲击越大,当然这个力也代表缓冲能力,上升相对越缓,幅度越小,则代表缓冲能力越好。

第一峰值力在跑步生物力学中是最重要的指标之一,因为这个指标跟伤痛密切相关,受伤主要跟第一峰值力和第一峰值力的加载率(斜率)有关。

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在第一峰值力之后,力的曲线会短暂下降或者不下降,然后再次上升,此时会比第一峰值力更大,称之为第二峰值力,第二峰值力代表着地由缓冲阶段变成蹬伸阶段,第二峰值力通常表示蹬伸用力的程度。

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这项研究是如何做的?

南京体育学院运动健康学院戴剑松副教授团队对于大众跑者跑姿进行了深入研究。

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戴老师研究小组从南京本地跑团招募了一批不同水平跑者,最终有16名高级跑者,19名中级跑者、23名初级跑者加入本次研究。此外,我们还测试了40名平时不跑步的普通人。

实验测试在南京体育学院步态实验室进行,该实验室拥有价值120万的美国产Bertec力台跑步机、价值100万的瑞典产Qualisys三维动作捕捉系统,可以精确测量人体在跑步的动力学、运动学参数以及时空参数,是测量跑步技术的金标准方法,精度高于现有所有运动手表。

所有志愿者完成了10个速度的测试,也即测试了800、730、700、630、600、530、500、430、400、330共计 10个配速下的跑姿(没有跑步经验的40名普通人以及少量跑者由于能力有限,未进行400以及330两个速度测试),每个速度测试大约15-20秒左右。后期处理分析时,截取受试者各速度下稳态跑姿进行步频和步幅计算分析。

一名跑者在进行测力台跑步机上进行着地受力测试和动作分析

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大众跑者着地时受力分析

图1显示了大众跑者在10个速度下的着地受力曲线,很明显随着速度加快,受力逐渐增大,曲线逐渐抬高。

图1 不同速度下着地受力曲线

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由于着地时受力大小与体重有关,体重越大,腾空落地时动量越大,自然第一峰值力也越大,所以需要将受力除以体重,下表显示了不同配速下第一峰值力相当于体重的倍数,从最慢的800配速到最快的330配速,第一峰值力从1.5倍体重增加至2-3倍体重;

由此可见,随着速度加快,第一峰值力基本呈现线性增加,这个道理很容易理解,动量等于质量乘以速度,跑步时人体质量不变,但随着速度加快,动量增加,在腾空落地时脚与地面发生撞击,这时动量就会以力的方式传导给人体,产生所谓冲击力。

第一峰值力相当于体重的倍数

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同等距离下

速度慢和速度快哪个总的受力更大?

速度越快,第一峰值力越大,这个道理比较容易理解,而第一峰值力大小是预测伤痛的重要指标,速度快时由于受到的冲击力越大(第一峰值力就是冲击力),受伤风险也相对越大,但我们还需要注意另外一个重要变量——那就是时间。

跑步是一种积累性的负荷,没有人是慢跑100米受伤的,都是跑得距离逐渐延长后,每一步的冲击力不断积累,超出人体承受能力或者修复能力所引发伤痛。

所以评估受伤风险不能仅仅看速度,还要看速度作用的时间,也即强度乘以时间等于负荷量。

在步频不变的情况下,如果跑步的时间不变,比如都是跑10分钟,显然500配速时所受到的总的冲击力大于700配速时受到的总冲击力。

但如果都是跑10公里,速度慢和速度快谁受到的总的积累性冲击力更大呢?

你也许会脱口而出,那肯定是跑得快时冲击力大呀,但你有没有考虑过,同样跑10公里,500配速只需要50分钟完成,而600配速需要1小时才能完成;

也即速度快虽然每一步冲击力大,但时间短,速度慢时虽然每一步冲击力小,但时间长,谁到最后受到的总冲击力更大呢?我们进行了一次模拟计算。

同时我们还要考虑速度不同,步频也不相同,本研究取将近100名受试者不同速度下平均步频作为研究变量。总体而言,速度慢时步频相对较慢,而速度加快时步频则加快。

不同速度下受试者步频不同

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如果假定一名受试者体重是65公斤,从800配速到330配速,受到的总的冲击力如下表达到1000多吨,总冲击力单位为吨,可见跑步伤痛是一种积累性伤痛,因为受力累计起来总吨位相当了得!

不同速度下跑步10公里受到的总的冲击力

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我们将不同速度下受到的总的冲击力作图,结果相当令我们吃惊,反倒是速度越慢,虽然每一步受到的冲击力较小,但架不住配速慢时跑10公里用时长,反而导致受到的总的冲击力其实更大。

从下图可见,800配速时,总冲击力达到1377吨,而随着速度加快,虽然每一步受到的冲击力有所增加,但跑步时间压缩,总的累积性冲击力反而减少,当速度加快到530以后,一直到330配速,这时总的冲击力基本保持不变,大约为1100多吨。

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本研究用数据证明了,每一步受力虽然只有体重的1.5-2倍左右,看上去不多,但不断累积就会产生天文数字。当配速较慢时,完成某个固定距离,由于耗时长反而可能产生更大的累积性冲击力,而配速快时,完成某个固定距离由于用时短,其所受到的冲击力则较小。

而配速慢的跑者往往以初中级跑者为主,他们承受负荷能力更弱,反之配速快的跑者往往则是中高级跑者,他们承受负荷能力更强。

这就解释了为什么初中级跑者跑的距离不长就会抱怨膝痛,因为完成同样距离,小白跑者用时长导致受到的中的冲击力并不小,而高级跑者完成相同距离耗时短,看上去受到的冲击力没有小白跑者多,但这部分跑者往往每次跑步跑量大,动辄15-18公里,这样也会导致其受到的总的冲击力相当大,时间越长受力越大风险也越大。

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由此也给我们一个重要提示:跑者在跑步时似乎不应当过度关注距离,不一定设定自己一定跑多少公里,不同速度下完成相同距离用时不同,速度慢时产生的积累性冲击力反而可能比速度快时更大;

而你用时间来约束自己更为合理,比如跑30分钟,显然在相同时间情况下,配速慢距离短,受到的积累性冲击力就比较小,速度快时跑步距离长,受到的积累性冲击力就比较大。

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无论如何,跑者的配速和跑量一定要与自己的能力匹配,加快配速加大跑量一定要以自身能力作为基础,通过循序渐进地训练,逐步提高身体对于负荷的耐受能力,不考虑自身能力边界,盲目追求配速和跑量,容易导致积累性负荷过大,从而超过身体承受能力以及恢复修复能力引发伤痛。

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成也靠力败也是力

无伤跑者如何将受力最大程度合理化

跑步通常被认为是心肺耐力运动,但心肺工作目的是将氧气运输到肌肉,为肌肉收缩提供能量,而肌肉收缩产生的力量才是推动人体跑步的原动力。

肌肉通过收缩以及合理的技术缓冲腾空落地时地面冲击力,也通过肌肉收缩产生蹬伸力量。

换句话说,跑得快是靠肌肉收缩提供动能,跑步不受伤也得靠学会缓冲作用在人体上的冲击力。

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本研究发现从慢到快,跑步腾空落地时受到的第一峰值力达到1.5倍到3倍体重,且随着速度加快,第一峰值力上升迅速,跑者想要跑得更快需要更强的心肺耐力和肌肉力量这点毋庸置疑,但也要具备更强的承受和缓冲第一峰值力的能力。

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以下是最为重要的四条建议

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1、科学合理的跑步技术

好的跑步技术可以最大程度缓冲受力,这些技术包括:

● 着地时着地点距离重心不是太远,膝关节保持适度弯曲,弯曲的骨骼排列才有利于缓冲;

● 着地好膝关节积极下压,从而实现缓冲受力;

● 在同等速度(配速不是太快的情况下)下更推荐快步频,这样有助于减少腾空高度,一方面更省力,一方面也减少落地时的动量,还能避免着地点距离重心过远;

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2、强化肌肉力量

力量是产生动作的源泉,良好的肌肉力量一方面提供足够动力,一方面也能够充分缓冲受力,女性跑者第一峰值力大于男性很大程度上跟女性力量较弱有关;

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3、循序渐进地跑步,逐步提高身体承受能力

再强大的肌肉力量,再合理的跑步技术也经不起超出自身能力的损耗和折腾,循序渐进地跑步本质就是要逐步提高身体承受应力的能力。

本研究证实了随着速度加快,第一峰值力上升迅速,所以你想跑得更快,就要具备更强的身体承受应力的能力,罗马不是一天建成的,循序渐进的跑步,为一场马拉松比赛进行充分准备就是逐步提高身体承受能力的过程;

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4、给予身体足够的修复和恢复

身体在承受应力之后,可能会造成局部负荷积累,这种负荷积累对于身体而言是一种刺激,身体只有通过休息和恢复才能适应刺激,并且变得更强大,这就是所谓超量恢复。

过量运动造成的身体损耗,加之不给身体足够修复和恢复时间,很容易导致身体透支和衰竭,这就是所谓没有疲劳就没有训练,没有恢复就没有提高。

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总结

通过对于大众跑者不同速度着地受力的分析,我们可以清楚地看到,随着速度加快,每一步人体所承受的应力也同步增加,除了考虑每一步的受力,还要考虑力的作用时长。

完成相同距离,速度慢相比速度快时,反而有可能受到更大的冲击力,而速度慢的跑者恰恰是能力较弱的跑者,所以跑步时完成一定时间可能比完成一定距离更加合理。

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当然本研究只是研究了第一峰值力积累问题,没有考虑力的加载率,也即缓冲效果。

如果你学会缓冲技术,比如着地膝关节积极下压,着地点靠近重心,你也可以有效化解地面冲击力。

无论如何,跑者在通过跑步强化心肺功能同时,还需要加强肌肉力量训练,目的是提高肌肉承受、化解、吸收负荷的能力,肌肉能力不足更多冲击力就会直接作用在关节,导致关节劳损。

跑得快慢是由心肺决定,而是否受伤则更多由你的肌肉能力决定,强化肌肉,控制跑量和配速,避免过大负荷连续积累在人体身上,才是科学跑步的王道。


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