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跑步时的弹簧效应

发布时间:2019-08-24 11:25 来源:未知 编辑:admin

  如果你是个疯狂热爱跑步并且没事就钻研一下跑步知识的跑者,如果你恰巧也很爱看国外的跑步网站的话,你一定看过这个词,叫做leg stiffness,但是,如果你只是滑一滑网站快速浏览文章的话,对这个词很可能似懂又非懂,知其然又不知其所以然,因为leg stiffness照字面上看起来是「下肢僵硬」,但事实上却不全然是这么单纯的负面指标,所以,这次就让我们借着好好钻研leg stiffness这个词的机会,来了解许多相关的研究与跑步运动伤害的关系,因为,这是许多跑步生物力学的研究都会使用到的参数,在这里姑且让我将leg stiffness翻译成“下肢弹性系数”或者”下肢刚性”。

  首先跑步这个运动呢,并非只是单纯的向前移动,像车子一样只需要考虑引擎的推动力跟地面的摩擦力,因为跑步的时候身体除了前进之外,其实还会上下移动(如下图)

  图中的CoM为centre of mass指的是身体的质量中心,从这个图可以看到在跑步的过程中CoM有微小的上下移动,因此,学者们想到一个很聪明的方法来简化这个过程,那就是把下肢想像成一个弹簧,这就是所谓跑步时的弹簧效应(spring mechnism),从步态周期来分析,脚刚刚触地时(下肢的长度为Lo)到中站立期(下肢的长度被压缩变成Lmin),而Lo减去Lmin就等于跑步过程中下肢被压缩的长度,称为leg compression(leg compression = Lo - Lmin)。

  而这个下肢压缩长度跟下肢刚性有什么关系呢,让我们来回到国中物理,请看下图,弹簧挂在天花板上,加上一个重量之后,弹簧就会被拉长,而有人发现加上去的重量跟弹簧被拉长的长度有一个比例关系,而这个比例就是弹性系数,因此,弹性系数(k)=重量(F)/长度变化(x=L-Lo),看到这里不觉得这跟我们的脚很像吗,你只要把下图180度颠倒,天花板变成地板,弹簧想像成下肢,还没触地之前下肢比较长,触地之后下肢因为身体的重量而被压缩,弹簧因为重量而拉长,或者因为重量压缩是相同的,而身体压在下肢的重量等于地面反作用力,因此,下肢的弹性系数k(也就是leg stiffness)=地面反作用力(ground reaction force)/下肢压缩程度( leg compression)。

  好吧,能看到这边表示你绝对是物理很棒觉得很简单,不然就是真的爱死跑步,超级想知道这跟跑步有什么关系的,首先来讲一下基本观念,在跑步的过程中,我们的身体会尽量维持CoM的位移不要太大,因为这样跑起来才能有效率,节省能源,才能跑的更快更久更远,所以,这就是一个很重要的前提,如果没有这个背景知识,那么看研究结论时就容易误解。好,那么让我们来进入关于leg stiffness与跑步的相关研究结论。

  当你路况改变的时候,下肢刚性就会随着改变,例如,从石砖地跑到草地,从PU跑道跑到水泥地,当接触的地面软硬度改变的时候,下肢的刚性就会随之改变,简单来说,当你从坚硬地面跑到柔软地面时,下肢的刚性会提高,也就是说下肢的弹性会变得比较差,这样身体才不会陷下去太多,反之当你从柔软地面跑到坚硬地面时,下肢刚性会降低,也就是说下肢的弹性会变得比较好。这样一来才能确保身体得质量中心不会因为路况变化而上下移动太多

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