基于华为运动手环的跑姿研究

赵一帆 戴剑松 尹晓芸 李佳壕

(南京体育学院运动健康学院 江苏南京 210018)

近年来，随着全民健身意识的提高，越来越多的人更加积极地参与跑步运动，马拉松也成为当下的热门运动。跑步姿势是跑步过程中重要的影响因素，跑步姿势不正确可能会导致肌力下降、膝盖受损、脚踝扭伤和韧带拉伤等。由于大众跑者未经过专业性训练，所以不同的大众跑者跑步水平不通，其跑步姿势可能存在差异。另一个影响运动损伤的因素是性别因素。有报告显示，男性业余跑者更容易损伤。华为在2018年发售的一款华为荣耀4running版手环既可佩戴在手腕，也可佩戴在足部，能在跑步过程中监测佩戴者的步频、步幅、触地时间、外翻幅度、摆动角度和着地冲击等参数。该研究基于该手环根据对大众跑者慢速、中速和快速三种不同配速的跑步测试，从不同水平和不同性别2个角度研究和评估了对大众跑者的其跑步姿势。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

该实验从南京本地（南京悦跑S战队、莱斯跑团和南京某高校非体育专业学生）招募了共58名不同水平的大众跑者，根据其跑步经验或马拉松比赛成绩分为初级组、中级组、高级组。其中，初级组23人（男性11人、女性12人）、中级组19人（男性10人、女性9人）、高级组16人（男性8人、女性8人）。同时，将58名跑者分为男性组（29人）和女性组（29人）进行实验分析。

高级组跑者定义为具有三年以上的跑步经验，男子月跑量在150km以上，女子月跑量在100km以上。中级组跑者定义为具有1～3年的跑步经验，男子月跑量在100～150km；女子月跑量在50～100km。初级组跑者定义为跑者具有不足一年的跑步经验，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 文献资料法

根据该文研究目的与内容的需要，针对跑姿、大众跑者和下肢动力学等关键词，通过纸媒资源以及互联网资源查阅相关文献50余篇，最终引用6篇，为该文的研究提供了重要的理论基础与分析思路。

1.2.2 数理统计法

该实验应用Excel和JMP Pro15对收集到的数据进行分析统计，采用单因素方差分析对实验采集数据进行统计分析。

1.2.3 运动学与动力学测试

正式测试从2019年5月开始，至2019年9月结束。测试地点为南京某高校体能康复中心与南京某高校中央体育场。实验测试设备是华为荣耀4running版手环两台、华为手机两台。受试者被要求穿着日常跑步运动时的跑鞋，两只脚上各佩戴一台华为4running版手环。每位跑者按照平时自然舒适的跑步姿态分别完成慢速、中速和快速3个不同速度的跑步测试，配速（每千米所用时间）控制在700、600、500（即7minOS、6minOS、5minOS），每次测试距离为400m。

2 研究结果

2.1 不同水平组间测试结果

从测试结果来看，三组不同水平的跑者的平均步频与平均步幅都随着速度的加快而增加，平均触地时间随着速度的加快而缩短。在三种配速下，初级组的平均步频与步幅都显著小于中级组和高级组（P＜0.05），但中级和高级组之间并无显著差异；三组不同水平的跑者的平均触底时间、平均着地冲击与膝关节平均摆动角度数据也呈现相似规律。不同配速下，中级和初级跑者的平均外翻幅度随着速度的加快而加大，高级组在配速逐渐提高的过程中，达到正常速度后，踝关节外翻幅度就不再增加。初级跑者在慢速和正常速度时的平均外翻幅度小于中级组和高级组。在快速时，中级组平均外翻幅度大于高级组大于初级组。

2.2 不同性别组间测试结果

不同性别跑者的平均步频、着地冲击、外翻幅度随着速度加快而增加，且在三种配速下，不同性别跑者的数据都不存在统计学差异。不同性别跑者的平均步幅随着速度加快而增加，且三种配速下男性跑者的平均步幅都显著高于女性的平均步幅（P＜0.05）。在慢速时，不同性别跑者的平均触地时间之间没有明显差异，但当速度逐渐提高至正常速与快速后，男性跑者触地时间会短于女性跑者。只有在快速时，男性跑者的平均摆动角度会大于女性跑者的平均摆动角度。

3 分析与讨论

3.1 跑者步频与步幅的差异分析

在步频与步幅方面，人们普遍认为跑速与步频和步长高度相关，且小步幅、高步频的跑步方式会提高跑步效能，提高跑步经济性。另有研究表明，跑者在跑步过程中会在潜意识或身体本能反应中优化自己的跑步的生物力学状态，自然地选择一种最为接近经济的步幅和步频，这种行为被称为自我优化（self-optimization）。中级组和高级组在3个不同速度下步幅和步频的差别不明显，初级组的步频较其他两组较低。可能说明经验较丰富的跑者会较多地运用小步幅、高步频的经济跑步方式。女性跑者的步频大于男性跑者，可能是由于女性跑者步幅普遍小于男性跑者的原因。

3.2 跑者触地时间的差异分析

在跑步过程中，其中一只脚从刚刚接触地面的瞬间到完全离开地面，这个过程所花费的时间为触地时间。经过统计分析发现，触地时间随速度的加快呈逐渐减小的趋势；水平较低者的触地时间较长。在较慢速度时男女组别间差别不大，但在正常和较快速度时男性的触地时间普遍小于女性。这种现象的出现可能由于男性下肢力量较强。之前有研究者认为较长的触地时间会导致刹车效应，增加代谢成本，降低跑步效率，所以触地时间短可能有利于跑步经济性。

3.3 跑者着地冲击的差异分析

从力学角度而言,冲击力源于两个物体的相互碰撞,同时伴随两者之间动量的转变，理论上延长碰撞的时间能够减少冲击力[1]。虽然女性体重普遍较轻，但在对体重进行标准化处理过后，男女组别之间在各个速度下并没有显著差异。同时有研究表明[2]，在支撑早期，足弓开始压缩，将地面反作用力吸收为弹性势能，而且着地冲击与跑步的着地方式有关，但具体的着地冲击力大小还是与着地时重心位置有关[3]，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，迫使身体在短时间内吸收更大的来自地面的反作用力，从而增加损伤的可能性。在跑步时减少身体重心在竖直方向上的位移可以减少着地冲击。

3.4 跑者踝关节外翻幅度的差异分析

踝关节外翻（足外翻）是一个在跑步过程中的自然现象，即先通过前脚掌外侧或者脚跟外侧着地再变化到脚掌内侧的偏转过程。踝关节的外翻幅度过大或过小会加大患足底腱膜炎、跟腱炎、膝关节炎的概率[4]，疲劳也可以引起踝关节外翻幅度过大或过小，足缓冲震荡的效果变差，增加足踝关节损伤风险[5]。通常来说，踝关节的外翻幅度在7°～10°之间时，运动损伤的概率是相对较低的。实验中，各组的踝关节外翻幅度随着速度的增大而增大，且各个组的受试者都存在踝关节外翻幅度过大的现象，不同性别组间的外翻幅度并无明显差异。初级跑者可能会出于自我保护而有意识地控制足部的活动幅度；或者在跑步之前没有进行热身运动，关节及韧带紧张，导致踝关节活动度不足等情况；同时提醒中级和高级组的跑者在跑步中要注意足的落地状态，防止运动损伤。

3.5 跑者摆动角度的差异分析

摆动角度是指小腿从完全支撑状态到后摆撩起，直至折叠到最大程度的角度，通常在70°～90°之间。小腿的摆动角度影响了蹬地腿的髋、膝、踝关节的伸展程度，还可以加大步幅、加大步频。在进行足部功能训练后，干预组出现了着地缓冲策略由髋关节向膝关节过渡的现象，并主要依靠着地后膝关节的关节顺应性增强来实现着地缓冲的效果[6]。跑者平均摆动角度均随着速度的加快而增大。其中，初级组跑者的平均摆动角度在各个速度下均小于其他两组的跑者，其原因可能是：大腿后侧肌群肌力不足；跑步时身体的重心靠后，不利于小腿的摆动折叠；初级组跑者的身体柔韧性、灵活性可能会低于其他两组跑者。在快速时，男性的平均摆动角度大于女性的平均摆动角度，原因可能是男性跑者的大腿后侧肌群肌力较强。

4 结语

通过对不同水平的大众跑者进行运动学与动力学测试，从一系列结果来看具有以下特点。（1）初级组在跑步时步频较低，采用小步幅、高步频的跑步方式有利于提高跑步效率。初级组触地时间较长，故着地冲击较小。初级跑者膝关节摆动角度较小，可能是由于下肢后群肌力不足或关节活动度较小。初级水平跑者在速度较慢时踝关节外翻角度较小，中级高级跑者需要注意落地时足的状态。（2）女性更愿意采用小步幅、高步频的跑步方式。男性触地时间短于女性跑者。男性跑者和女性跑者的着地冲击和踝关节外翻角度无太大差异。在快速奔跑时，男性跑者的膝关节摆动角度大于女性跑者，可能由于女性蹬伸力量不足。

跑者在训练中适度提高步频，减小步幅，尽量避免身体重心上下摆动，减少着地冲击给下肢带来运动损伤的可能性。日常中多进行踝关节关节稳定性训练。女性跑者要注重加强下肢后群肌肉的力量，为身体向前的趋势提供动力。