基于華為運動手環(huán)的跑姿研究

趙一帆 戴劍松 尹曉蕓 李佳壕

(南京體育學院運動健康學院 江蘇南京 210018)

近年來，隨著全民健身意識的提高，越來越多的人更加積極地參與跑步運動，馬拉松也成為當下的熱門運動。跑步姿勢是跑步過程中重要的影響因素，跑步姿勢不正確可能會導致肌力下降、膝蓋受損、腳踝扭傷和韌帶拉傷等。由于大眾跑者未經過專業(yè)性訓練，所以不同的大眾跑者跑步水平不通，其跑步姿勢可能存在差異。另一個影響運動損傷的因素是性別因素。有報告顯示，男性業(yè)余跑者更容易損傷。華為在2018年發(fā)售的一款華為榮耀4running版手環(huán)既可佩戴在手腕，也可佩戴在足部，能在跑步過程中監(jiān)測佩戴者的步頻、步幅、觸地時間、外翻幅度、擺動角度和著地沖擊等參數。該研究基于該手環(huán)根據對大眾跑者慢速、中速和快速三種不同配速的跑步測試，從不同水平和不同性別2個角度研究和評估了對大眾跑者的其跑步姿勢。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

該實驗從南京本地（南京悅跑S戰(zhàn)隊、萊斯跑團和南京某高校非體育專業(yè)學生）招募了共58名不同水平的大眾跑者，根據其跑步經驗或馬拉松比賽成績分為初級組、中級組、高級組。其中，初級組23人（男性11人、女性12人）、中級組19人（男性10人、女性9人）、高級組16人（男性8人、女性8人）。同時，將58名跑者分為男性組（29人）和女性組（29人）進行實驗分析。

高級組跑者定義為具有三年以上的跑步經驗，男子月跑量在150km以上，女子月跑量在100km以上。中級組跑者定義為具有1～3年的跑步經驗，男子月跑量在100～150km；女子月跑量在50～100km。初級組跑者定義為跑者具有不足一年的跑步經驗，男子月跑量在100km以下，女子月跑量在50km以下。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

根據該文研究目的與內容的需要，針對跑姿、大眾跑者和下肢動力學等關鍵詞，通過紙媒資源以及互聯網資源查閱相關文獻50余篇，最終引用6篇，為該文的研究提供了重要的理論基礎與分析思路。

1.2.2 數理統計法

該實驗應用Excel和JMP Pro15對收集到的數據進行分析統計，采用單因素方差分析對實驗采集數據進行統計分析。

1.2.3 運動學與動力學測試

正式測試從2019年5月開始，至2019年9月結束。測試地點為南京某高校體能康復中心與南京某高校中央體育場。實驗測試設備是華為榮耀4running版手環(huán)兩臺、華為手機兩臺。受試者被要求穿著日常跑步運動時的跑鞋，兩只腳上各佩戴一臺華為4running版手環(huán)。每位跑者按照平時自然舒適的跑步姿態(tài)分別完成慢速、中速和快速3個不同速度的跑步測試，配速（每千米所用時間）控制在700、600、500（即7minOS、6minOS、5minOS），每次測試距離為400m。

2 研究結果

2.1 不同水平組間測試結果

從測試結果來看，三組不同水平的跑者的平均步頻與平均步幅都隨著速度的加快而增加，平均觸地時間隨著速度的加快而縮短。在三種配速下，初級組的平均步頻與步幅都顯著小于中級組和高級組（P＜0.05），但中級和高級組之間并無顯著差異；三組不同水平的跑者的平均觸底時間、平均著地沖擊與膝關節(jié)平均擺動角度數據也呈現相似規(guī)律。不同配速下，中級和初級跑者的平均外翻幅度隨著速度的加快而加大，高級組在配速逐漸提高的過程中，達到正常速度后，踝關節(jié)外翻幅度就不再增加。初級跑者在慢速和正常速度時的平均外翻幅度小于中級組和高級組。在快速時，中級組平均外翻幅度大于高級組大于初級組。

2.2 不同性別組間測試結果

不同性別跑者的平均步頻、著地沖擊、外翻幅度隨著速度加快而增加，且在三種配速下，不同性別跑者的數據都不存在統計學差異。不同性別跑者的平均步幅隨著速度加快而增加，且三種配速下男性跑者的平均步幅都顯著高于女性的平均步幅（P＜0.05）。在慢速時，不同性別跑者的平均觸地時間之間沒有明顯差異，但當速度逐漸提高至正常速與快速后，男性跑者觸地時間會短于女性跑者。只有在快速時，男性跑者的平均擺動角度會大于女性跑者的平均擺動角度。

3 分析與討論

3.1 跑者步頻與步幅的差異分析

在步頻與步幅方面，人們普遍認為跑速與步頻和步長高度相關，且小步幅、高步頻的跑步方式會提高跑步效能，提高跑步經濟性。另有研究表明，跑者在跑步過程中會在潛意識或身體本能反應中優(yōu)化自己的跑步的生物力學狀態(tài)，自然地選擇一種最為接近經濟的步幅和步頻，這種行為被稱為自我優(yōu)化（self-optimization）。中級組和高級組在3個不同速度下步幅和步頻的差別不明顯，初級組的步頻較其他兩組較低?？赡苷f明經驗較豐富的跑者會較多地運用小步幅、高步頻的經濟跑步方式。女性跑者的步頻大于男性跑者，可能是由于女性跑者步幅普遍小于男性跑者的原因。

3.2 跑者觸地時間的差異分析

在跑步過程中，其中一只腳從剛剛接觸地面的瞬間到完全離開地面，這個過程所花費的時間為觸地時間。經過統計分析發(fā)現，觸地時間隨速度的加快呈逐漸減小的趨勢；水平較低者的觸地時間較長。在較慢速度時男女組別間差別不大，但在正常和較快速度時男性的觸地時間普遍小于女性。這種現象的出現可能由于男性下肢力量較強。之前有研究者認為較長的觸地時間會導致剎車效應，增加代謝成本，降低跑步效率，所以觸地時間短可能有利于跑步經濟性。

3.3 跑者著地沖擊的差異分析

從力學角度而言,沖擊力源于兩個物體的相互碰撞,同時伴隨兩者之間動量的轉變，理論上延長碰撞的時間能夠減少沖擊力[1]。雖然女性體重普遍較輕，但在對體重進行標準化處理過后，男女組別之間在各個速度下并沒有顯著差異。同時有研究表明[2]，在支撐早期，足弓開始壓縮，將地面反作用力吸收為彈性勢能，而且著地沖擊與跑步的著地方式有關，但具體的著地沖擊力大小還是與著地時重心位置有關[3]，當著地位置過于靠前，超過身體重心，膝蓋被迫伸直，才會導致更大的垂直沖擊速率，迫使身體在短時間內吸收更大的來自地面的反作用力，從而增加損傷的可能性。在跑步時減少身體重心在豎直方向上的位移可以減少著地沖擊。

3.4 跑者踝關節(jié)外翻幅度的差異分析

踝關節(jié)外翻（足外翻）是一個在跑步過程中的自然現象，即先通過前腳掌外側或者腳跟外側著地再變化到腳掌內側的偏轉過程。踝關節(jié)的外翻幅度過大或過小會加大患足底腱膜炎、跟腱炎、膝關節(jié)炎的概率[4]，疲勞也可以引起踝關節(jié)外翻幅度過大或過小，足緩沖震蕩的效果變差，增加足踝關節(jié)損傷風險[5]。通常來說，踝關節(jié)的外翻幅度在7°～10°之間時，運動損傷的概率是相對較低的。實驗中，各組的踝關節(jié)外翻幅度隨著速度的增大而增大，且各個組的受試者都存在踝關節(jié)外翻幅度過大的現象，不同性別組間的外翻幅度并無明顯差異。初級跑者可能會出于自我保護而有意識地控制足部的活動幅度；或者在跑步之前沒有進行熱身運動，關節(jié)及韌帶緊張，導致踝關節(jié)活動度不足等情況；同時提醒中級和高級組的跑者在跑步中要注意足的落地狀態(tài)，防止運動損傷。

3.5 跑者擺動角度的差異分析

擺動角度是指小腿從完全支撐狀態(tài)到后擺撩起，直至折疊到最大程度的角度，通常在70°～90°之間。小腿的擺動角度影響了蹬地腿的髖、膝、踝關節(jié)的伸展程度，還可以加大步幅、加大步頻。在進行足部功能訓練后，干預組出現了著地緩沖策略由髖關節(jié)向膝關節(jié)過渡的現象，并主要依靠著地后膝關節(jié)的關節(jié)順應性增強來實現著地緩沖的效果[6]。跑者平均擺動角度均隨著速度的加快而增大。其中，初級組跑者的平均擺動角度在各個速度下均小于其他兩組的跑者，其原因可能是：大腿后側肌群肌力不足；跑步時身體的重心靠后，不利于小腿的擺動折疊；初級組跑者的身體柔韌性、靈活性可能會低于其他兩組跑者。在快速時，男性的平均擺動角度大于女性的平均擺動角度，原因可能是男性跑者的大腿后側肌群肌力較強。

4 結語

通過對不同水平的大眾跑者進行運動學與動力學測試，從一系列結果來看具有以下特點。（1）初級組在跑步時步頻較低，采用小步幅、高步頻的跑步方式有利于提高跑步效率。初級組觸地時間較長，故著地沖擊較小。初級跑者膝關節(jié)擺動角度較小，可能是由于下肢后群肌力不足或關節(jié)活動度較小。初級水平跑者在速度較慢時踝關節(jié)外翻角度較小，中級高級跑者需要注意落地時足的狀態(tài)。（2）女性更愿意采用小步幅、高步頻的跑步方式。男性觸地時間短于女性跑者。男性跑者和女性跑者的著地沖擊和踝關節(jié)外翻角度無太大差異。在快速奔跑時，男性跑者的膝關節(jié)擺動角度大于女性跑者，可能由于女性蹬伸力量不足。

跑者在訓練中適度提高步頻，減小步幅，盡量避免身體重心上下擺動，減少著地沖擊給下肢帶來運動損傷的可能性。日常中多進行踝關節(jié)關節(jié)穩(wěn)定性訓練。女性跑者要注重加強下肢后群肌肉的力量，為身體向前的趨勢提供動力。