有些人可能認為跑步是腳掌從地面上 「推開」、向前跑動的過程，但實際上，跑步是一種協調的上下彈跳動作。 人在跑步時，肌肉、肌腱和韌帶會協調相互作用，物理力學上就像一根”彈簧桿”，稱為”彈簧-品質（spring-mass）”系統，即所謂的”彈簧效應（spring mechnism）”。

近日，在一項新研究中，來自密西根大學（University of Michigan）的研究人員比較了表現卓越的「精英」級男性中長跑運動員，與同樣訓練有素的普通運動員，在跑步時的「彈簧-品質」系統，發現了一些有趣的差異，解釋了為什麼「精英」運動員跑得更快。 這篇論文發表在頂級學術期刊《自然》旗下的同行評議期刊Scientific Reports上。

試驗中，受試者在一個帶壓力板的跑步機上，以四個平常訓練的跑步速度分別跑四分鐘，中間有30-45秒的休息時間。 精英組的4個速度為12km/h、14Km/h、16km/h、18km/h，普通訓練組的4個速度為10km/h、12km/h、14km/h、16km/h。

研究人員可以觀察他們的腿部擺動時間、在空中的「飛行」時間、與地面的接觸時間，以及步幅和步頻（每分鐘步數）等其他因素。

▲跑步過程中的「彈簧-品質」系統模型（圖片來源：參考資料[1]）

研究人員發現，通常情況下，「精英」跑者像一根腿部剛度（leg stiffness）更強、身體垂直剛度更高（vertical stiffness）的”彈簧桿”。 腿部剛度指的是跑步過程中的最大垂直力與腿部被壓縮的長度之比，即腳掌剛落地的腿長，減去中站立（彎曲）時腿長的長度。 而身體垂直剛度則是最大垂直力與”彈簧杆”質心的絕對位移之比，更高就更偏向直立。

雖然「精英」跑者的步幅和步頻與普通訓練組相似，但他們在空中呆得更長（飛行時間比普通組平均高11%），與地面接觸的時間更少。

從物理角度看，這是由於他們的「彈簧-品質」系統通過壓縮有效彈簧，能夠更有效地回收動能，以快速高效地彈跳。

並且，與此同時，他們的速度依賴性更小，即步幅、步頻、衝擊角度、垂直位移等運動變數隨速度的變化較小，保持相對一致的質心軌跡，這也有助於維持他們的高速度。

換句話說，優秀的「精英」中長跑運動員具有更加嚴格的「生理機械系統」，能根據速度變化迅速調整身體的肌肉骨骼狀態，更好地利用身體的「彈簧-品質」系統動力學。

▲相比普通訓練組（Trained組），精英組（Elite組）的腿部剛度和身體垂直剛度更高

研究人員表示，這種卓越的”彈性”機械系統可能是通過先天基因和後天訓練的共同相互作用形成的，讓”精英”跑者擁有更強的生理機能、與更靈敏穩健的神經肌肉系統協調模式。

▲Geoffrey T. Burns博士（圖片來源：密西根大學官網）

針對想提高速度的普通跑者，本身也是一位優秀運動員的論文第一作者Geoffrey T. Burns博士建議，不要直接模仿「精英」跑者，想著”我要用更垂直的身體角度跑步”，或”我要盡量減少與地面接觸的時間”，因為我們的身體會選擇對我們來說最有效和最安全的運動模式，強行進行有意識的控制會造成不必要的損傷。 而是可以通過一些增強式訓練，逐步提高肌肉骨骼力量和肌腱系統，與增強神經肌肉的協調模式。

在未來的研究中，研究團隊打算嘗試在女性跑者中進行相似的研究，以探索性別差異的影響。

參考資料：

[1] Burns, G. T., et, al. (2021). Bouncing behavior of sub-four minute milers. Scientific Reports, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41598-021-89858-1

[2] Elite runners spend more time in air, less on ground, than highly trained but nonelite peers. Retrieved July 20, 2021, from https://news.umich.edu/elite-runners-spend-more-time-in-air-less-on-ground-than-highly-trained-but-nonelite-peers/