不同着地方式对跑步支撑期下肢生物力学特征的影响

张瑞全

（滁州城市职业学院，安徽 滁州 239000）

一、资料与方法

（一）一般资料

跑步时通常有三种不同的着地方式：脚尖着地（forefoot strike，FFS）、前脚掌着地（midfoot strike，MFS）和脚跟着地（heelfoot strike，HFS）。在无外力干扰的情况下，人在地球表面主要受到两种力的作用，一种是由于地球引力而产生的重力，一种就是来自于地面的反作用力。如若把人看成一个整体来说，这些力的作用是垂直与地面的，但是人体也可以看成由很多零件组成的，骨骼承受的力作用并不明显，各种力的作用主要明显的体现在人体关节处。由于人处于不断的运动之中，关节承受的力因活动而不再是简单的垂直向上向下，形成了各种拉伸力、压迫力、剪切力或各种复合力。因而跑步时不同的着地方式对人体下肢有不同的影响。早期人们普遍认为脚后跟着地的跑步方式是最正确的跑步方式，实际调查表明确实是跑步时脚跟着地的人占绝对性压倒优势，占80%。脚尖着地最少占8%，前脚掌着地的占比居中。支持脚后跟落地的人群甚至杜撰了一系列完整的理论，认为脚后跟因为有肉因而有更好的缓冲作用。其实不然，脚底部位的脂肪厚度基本是一致的，并没有什么明显区别。人们对脚跟着地方式的热爱来自于生活中走路喜欢用脚跟着地，这也得益于我们穿的鞋子通常对脚后跟起到了很好的保护作用。抛去鞋子的作用采用宏观医学和生物力学的视角来看，结果会有显著的不同。

（二）研究方法

采用征集志愿者方式进行实验研究，实验分为两项，一项运用测重力设备进行测试研究受试者体重与落地时所受的反作用力（Ground Reaction Force，简称GRF）的关系。一项研究地面反作用力对整个下肢关节的整体影响。

1、运用测重力设备进行测试研究受试者体重与落地时所受的反作用力（Ground Reaction Force，简称GRF）的关系。为了更加直观真实的发现不同着地方式对跑步支撑期下肢生物力学特征的影响，我们分别做了三组实验。第一组实验，我们征集了30名受试者，近1年均无下肢损伤病史，10人为一组分别运用不同的着地方式进行跑步运动，运用测重力设备进行测试研究受试者体重与落地时所受的反作用力（Ground Reaction Force，简称 GRF）的关系。

2、研究地面反作用力对整个下肢关节的整体影响 在采集相关反作用数据研究的基础上，为了进一步研究地面反作用力对整个下肢关节的整体影响，我们采用8镜头红外高速运动捕捉系统(Motion Analysis Raptor-4,USA,200Hz)及三维测力台(Kistler 9281CA,Switzerland,1000Hz)同步采集了受试者跑步步态运动学和动力学数据,进行相关的下肢生物力学研究。由于脚尖着地方式主要应用于短跑运动员，并不适合长期使用也不符合大众健身的需要，我们这次实验只针对前脚掌着地方式和足跟类着地方式进行，分别采用独立样本T检验和配对T检验进行对比分析，统计分析的显著性标准定为一类误差概率不大于0.05。

二、结果

（一）运用测重力设备进行测试研究受试者体重与落地时所受的反作用力 （Ground Reaction Force，简称GRF）的关系。实验结果如下图:

A1组是由采用脚尖着地跑步方式的受试人群组成，从实验数据来看脚尖落地时间较短，落地90m左右地面对身体造成的冲击力最大，整个曲线近似抛物线趋势，只有一个小高峰。

A2组是由采用前脚掌着地跑步方式的受试人群组成，从实验数据来看落地时间较脚尖着地方式所用的时间长长，线型也是近似抛物线形式，只有一个峰值且峰值与A1组近似，但整体趋势较A1组缓和。

A2组是由采用前脚掌着地跑步方式的受试人群组成，从实验数据来看落地时间与前脚掌着地方式所用时间近似，整体线型起伏较大，有两个高峰值，第一高峰趋势陡峭，下降后回升较缓。

三组实验人员均在统一实验场地进行测验，足型标准且无外穿鞋袜，最大程度上排除了外来因素的干扰。由上述三图实验数据我们可以直观明显地看到三种不同着地方式对人体产生的反作用力的差异。纵轴表示地面反作用力的大小，它和体重是倍数关系。三组实验人员在跑步过程中地面对脚产生的反作用力都至少是自身的两倍体重。横轴表示的时间以毫秒为单位，在跑步过程中着地的时间，虽因人而异或因速而变化，但大多人会在300毫秒之内（大约1/3秒）。脚尖着地方式因为在跑步过程中脚跟永不落地，也就是我们常说的踮脚跑，着地时间明显缩短，在200毫秒之内，因而短跑运动员跑步姿势一般都是典型的脚尖着地。图三与图二相较，曲线描绘出了从脚后跟着地至脚掌离开面过程中地面反作用力的变化。第一个峰值我们也称为被动峰值，是由于脚后跟接触地面的瞬间冲击，地面给人身的反作用力，冲击力峰值基本上能够反映出此时地面对脚和小腿冲击力并不弱，已经达到接近人体体重2.2倍的冲力。第二个峰值我们也成为主动峰值，一般出现在着地过程的中间时刻，此时冲击力主要来自脚支撑身体的重量。很明显第二次冲击力峰值比第一次大，时间长，这是很典型的现象[2]。但是就冲击力对人体的伤害而言，被动峰值点由于时间紧凑对人体的伤害往往比主动峰值还要大，这就好比人们平时说的缓冲前与缓冲后的区别。

（二）研究地面反作用力对整个下肢关节的整体影响结果

由此我们得出结论，（1）习惯足跟着地者跑步时下肢动作与习惯前脚掌着地者有一定差异。例如,习惯足跟着地者着地后髋关节运动和膝关节缓冲幅度更大,着地后地面垂直反作用力加载率更大,同时膝关节负荷也较大,但髋关节和踝关节负荷较小。（2）习惯足跟着地者即刻转变为前脚掌着地后,与习惯前脚掌着地者的动作存在差异。例如髋关节运动幅度依然较大,着地时膝关节屈角较大,但着地后地面垂直反作用力加载率更低,髋、膝、踝三关节负荷均更小。（3）足跟着地即刻转变为前脚掌着地后,髋关节与膝关节负荷减少,但是踝关节负荷增加。

三、讨论

（一）垂直冲击力与跑步损伤发生率关系

结合两项实验证明前脚掌着地方式中第一次冲击力峰值的消失，是由于前脚掌着地方式，通过足弓、跟腱和小腿肌肉代替脚跟吸收了冲击力。下肢更多是随着前脚掌着地而缓冲，不是直接的硬碰硬，使垂直冲击速率变的缓和。这与传闻恰好相反，脚前掌落地比足跟落地更具有缓冲作用。研究显示，高的垂直冲击速率与下肢应力性骨折有一定的联系。研究结果也的确显示了垂直冲击力峰值越高、垂直冲击速率越大，跑步损伤发生率越高。因此降低垂直冲击速率，也就是说学会缓冲，可以预防跑步损伤。这就是为什么高水平中长跑运动员所采用的动作技术会要求运动员在着地后，膝关节要积极下压，目的就是要增加缓冲。所以如果在没有任何保护的前提下，用足跟着地方式进行跑步训练无疑会对身体造成严重损伤，这好比赤手空拳打向墙面，拳头会很快停下来，产生非常大的冲击力，你的手会感到疼痛，甚至骨折。如果你带上一副拳击手套，用同样的力打击墙面，手套里面缓冲垫会缓冲冲击力并在这段时间分散冲击力，所以，你不会受伤并且手没有骨折的危险。觉得足跟跑步舒服应该是发明鞋子后文明世界的产物。

另外即刻转变习惯性着地方式后，由于之前习惯性原因和关节肌肉的习惯性契合，使得着地方式对下肢生物力学的影响有所偏差。因而要纠正跑步着地方式，即兴无目的地自发改变是盲目的，没有效果甚至是有害的。因为从生物力学分析角度来看，前脚掌着地方式的确比足跟落地方式有更好的缓冲作用，但这仅仅是从外力而言，从内力而言（内力主要是肌肉收缩力），前脚掌着地大大增肌了小腿、足底等部位肌肉等软组织的紧张度，因为只有这些部位紧张收缩才能缓冲地面作用力，而习惯足跟落地的人群平时得不到很好的相应肌肉锻炼，当前脚掌着地时就感觉小腿足底十分疲劳，当我们用前脚掌着地奔跑时，小腿的肌肉、跟腱、足底腱膜此时发挥了较大的缓冲作用，换言之同时也增加了小腿三头肌、跟腱、足底腱膜的拉应力，甚至会引发小腿胫骨应力综合征、跟腱炎、足底筋膜炎等问题。所以对于中足宽大，足弓正常，小腿柔韧性良好，改变着地方式可以一试，或许可以解决膝痛问题。而对于那些患有跟腱炎，足底筋膜炎的跑友而言，前脚掌着地只会加重你的伤病。

（二）着地方式对人体下肢生物力学的影响

关于正规的跑步姿势实际上早有研究，就是著名的pose跑步法。为了提高训练的效果和实验的准确性，我们聘请了专业的健身教练对习惯足跟跑的实验人员进行了专门的指导训练。与习惯前脚掌着地者相比,习惯足跟着地者在经过一个月的POSE跑法训练后,着地时下肢动作更加接近习惯前脚掌着地者的跑步特征,但髋关节和膝关节受力的加载率降低。这个实验表明POSE跑法的训练可以使习惯足跟着地者成为前脚掌着地的跑步者,同时在跑步时还能进一步降低髋关节和膝关节的负荷。对于学不会前脚掌着地跑步姿势的人员和本身患有足底筋膜损伤的人员，健身教练给出建议，可以改变步频，或者是减小每步的幅度，如果步数小的话，脚跟着地方式本身是没有问题的，就如同我们平时走路更习惯于脚跟走路，却很少有人因为走路而引起下肢损伤。对于健身教练提出的建议我们也做了相关实验。

实验结果表明减小步幅对保护我们的膝关节和髋关节也有明显的优势。对此我们分析，着地方式对人体下肢生物力学的影响关键是看跑步时我们的重心位置，要想保护我们的下肢不受损伤，关键是要使脚接触地面时的位置应当在身体重心的正下方（或者说基本在臀部正下方）。当着地位置过于靠前，超过身体重心，膝盖被迫伸直，才会导致更大的垂直冲击速率，更大的垂直冲击速率迫使身体在短时间内吸收更大的来自地面的反作用力，也就是说迫使骨骼、肌腱、肌肉非常快的吸收地面的反作用力，这样就会增加损伤的可能性。最佳的步频是在每分钟180—190步之间，如果你的步频170以下，可能就是跨大步，而跑步者自身无法觉察。所以使用节拍器，来调整跑步者的步频很有必要，让步频加快，步幅缩小，有助于让你的着地点不会偏离重心太远，这样就可以有效减少地面的垂直冲击速率。由此看来脚跟着地与膝伤没有必然联系，但是脚跟着地容易产生一种错误跑姿——甩腿跑，这会导致在脚着地时膝盖过直，着地点在身体重心的之前，这不仅产生了刹车效果，还使得着地瞬间冲击直接作用于膝盖，导致膝盖受到冲击力。越野跑名将杰里科和塔拉乌拉马的跑者（原住民天生善跑者）。看比赛可以发现杰里科和塔拉乌拉马的跑者着地方式是不同的，杰里科脚尖向上（脚跟着地），塔拉乌拉马的跑者脚尖向下（前脚掌着地）。但有研究者研究发现两者的跑步都非常有效率，他们的共同点是前腿触击地面都在臀部的正下方，此时他们的垂直冲击速率最小。有趣的是杰里科（脚后跟着地）穿着跑鞋，而塔拉乌拉马人穿着凉鞋。造成相关跑步损伤并不是由脚跟着地引起的，而是因为跨大步（跨大步引起脚跟着地，而脚跟着地不一定是跨大步的）。同样跑步姿势的情况下，选择适当的跑鞋更能保护脚跟着地者的下肢。

综上我们总结出，足跟跑更容易对下肢造成损伤，转换跑步着地方式要循序渐进，pose跑步法能够很好的纠正着地方式，减少下肢损伤。在足跟着地方式不能选用的情况下，无论前脚掌着地，还是脚跟着地都是可以的，重要的是在于脚着地时位置应当在臀部的下方，且落地较为轻盈。前脚掌落地着地方式自然而然带动身体前倾，腿后拉，重心前移，可以自动减少冲击。脚跟着地方式80%会造成跨大步，腿前伸，重心后倾加重膝关节损伤。针对纠正脚跟着地跑姿问题，建议不要选用后跟带气垫的鞋子，虽然目的在于缓冲地面对我们的冲击力，但这样会加重我们对用脚跟先着地方式的依赖。[4]刚开始跑步时就要注重跑姿，应用pose跑步法，刚开始参加锻炼的朋友，由于小腿肌肉不够强壮，可以先跑一段再走一段，逐渐由全脚滚动式着地过渡到全脚掌着地。在慢速跑步情况下，可以适当选用足跟着地方式；在快速跑步中，中足着地能更加避免下肢损伤（中速跑步频步幅往往加大）。