跑步功率——一种监测跑步耐力训练的新指标

付佳济, 闫 琪

(1.河北师范大学,河北 石家庄 050024; 2.国家体育总局体育科学研究所,北京 100061)

跑步时通常以心率和配速作为监控运动强度的指标,但运动员启动或冲刺时,心脏血流量的提升导致心率具有延迟性[1-2]。外界环境变化(坡度、天气等)对配速的计算产生较大的影响,无法客观真实地反映运动员的体能状况。跑步功率是指跑步时做功的速率,运动员在一定距离内跑得越快,功率输出越大[3]。Stryd跑步功率仪是一种新兴的运动佩戴装备,主要佩戴在跑者腰间或跑鞋上,可对跑步过程进行监测进而得到跑步功率等指标,通过对跑步功率的分析,为跑者在训练上提供客观的理论指导,帮助跑者发现影响跑步经济性的重要因素,改善跑步技术,量化训练强度,预防运动损伤,为适时恢复提供准确依据[4-5]。

1 跑步功率基本概念

跑步功率不仅包括推动人体向前移动的速率,而且在水平移动过程中侧向及垂直面也会产生一定的位移。因此,跑步功率用水平功率、姿势功率、垂直功率进行划分。水平功率是使身体水平移动的功率输出。垂直功率是指身体上下移动所产生的功率,与垂直振幅高度相关,垂直振幅越大,垂直功率越高。姿势功率是指跑动时跑步技术所导致躯干左右两侧移动所产生的功率。侧向功率高的跑者在跑动中表现为:手和部分手臂超过身体中线;手肘倾向于左右摆动,而不是前后摆动,脚尖离地之后,向侧边摆动;起跑推进阶段蹬地时膝盖朝外。水平功率与跑步中的踏频相关,踏频是跑步者每分钟步数(SPM)的量度。运动中,踏频随疲劳的产生而降低。此外,踏频与身体特征(四肢长度、体重)、跑步方式有关,较快的踏频对跑步成绩有积极影响,且不易造成运动损伤[6-7]。踏频的提高可能对水平功率产生积极影响。垂直功率与垂直振幅相关度较高,垂直振幅是跑步时跑步者的重心与地面之间的垂直运动。理想的垂直振幅因个体及跑步技术而异,同时上坡或下坡也会影响垂直振幅。研究[8]表明,减少垂直振幅对跑步经济性产生积极影响。通过垂直功率对运动员的跑步技术进行监控,可优化其跑步经济性,从而提高运动成绩。

功率是指做功的速率。跑步相对自行车而言动作没有固定轨迹,所以,跑步功率计采用以下方程式来计算功率:功率=质量×加速度×速度。由于跑步时人的体重是固定的,所以,Stryd跑步功率计通过测量动作的加速度与速度计算功率,动作幅度越大或速度越快,跑步功率就越高。

为将跑步功率代入公式计算训练及测试的效果,跑步功率在数据分析中还可分为平均功率与标准化功率。平均功率是指跑动过程中所产生的总功率与跑动时间之比,主要用于求出标准化功率及换算公式的代入。标准化功率指的是跑者每磅体重所能输出的功率,由跑者一次跑动的平均功率与体重之比得出,越野跑、马拉松等项目比赛环境具有不确定性,可能面临天气及坡度的变化。标准化功率能够对不同体重的跑者进行比较,从而得到真实的功率。

2 跑步功率的影响因素

下肢弹性刚度、地面接触时间与跑步功率的相关性较大。下肢弹性刚度是腿部弹性能量的模型,跑步过程中每步所产生的最大垂直力除以地面接触期间的位移即为下肢弹性刚度。研究[9]表明,下肢弹性刚度与地面接触时间有关,与步频的相关度较低。地面接触时间是跑步者每步接触地面的时间,以毫秒为单位。跑动中每步与地面接触时间因跑步者的步态(脚跟触地、中脚触地与前脚触地)而异。因此,为了增加跑者下肢弹性刚度,建议跑者缩短跑步中的地面接触时间,从而提高跑步经济性。地面接触时间与代谢能力成反比关系,较短的地面接触时间通常表示较强的代谢能力。跑鞋、鞋垫、跑动速度和节奏都影响跑者的地面接触时间。跑步过程中较短的地面接触时间可提高跑步经济性,而长时间的地面接触可能会产生较高的代谢成本,使跑者在减速时制动阶段延长[10]。增加下肢弹性刚度与缩短地面接触时间皆能对跑步经济性产生积极影响,地面接触时间的缩短能对水平功率的提高产生积极影响,同时还能间接提升下肢弹性刚度。

3 跑步功率的测量方法

使用Stryd跑步功率计进行测评前,将身高、体重数据录入到跑步功率计中。测试时,将Stryd跑步功率计佩戴至受试者腰间或鞋背上,配合手机、运动手表等佩戴设备蓝牙连接进行实时监控,也可直接佩戴功率计进行测试。下肢产生功率时,跑步功率计被唤醒并开始记录数据,结束后通过手机或手表离线上传数据。在穿戴设备情况下能直接获取水平功率、姿势功率等数据[11]。

应用跑步功率计的前2周避免主动分析数据,直到2周后功率计对跑者有一定的数据积累再进行功能性阈值功率(rFTPw)及功能性阈值配速(rFTPa)测算。

3.1 功能性阈值功率

rFTPw是跑者1 h内输出的最大平均功率。在1 h内保持的功率越强,运动成绩越好。该数值是个人跑步运动强度的最好呈现方式,跑者在测试或训练过程中所产生的功率输出超过个人rFTPw,代表运动强度高于前次测试或训练的最大平均功率、运动强度的增长或运动成绩的提高。该数值可通过2种测试得出,分别是3 min+9 min计时测试及30 min计时测试,2种测试均需佩戴功率计采集数据代入公式计算得出。

3 min+9 min计时测试:15 min热身练习,3 min最大限度运动,5 min走路/10 min慢跑/ 5 min动态拉伸恢复;9 min最大限度运动,5 min放松活动。得出3 min及9 min跑动的平均功率后,将2段时间跑动的平均功率相加除以2乘以90%,得出的数值不保留小数点且四舍五入,最终得出rFTPw。

30 min计时测试:15 min热身练习,以尽可能稳定的配速全力跑30 min,放松跑10～15 min。取30 min计时测试最后20 min的平均功率,得出rFTPw。

3 min+9 min计时测验跑动量较少,持续时间较短,更适用于初学者;30 min测验跑动持续时间长,更适合能较好控制配速的跑者。2项测试皆可得到rFTPw数据,如果2项测试对比数据持续出现差异,对比过程中发现3 min+9 min测验比30 min测验数据高8%,再往后测试,运动员可以直接进行3 min+9 min测验,然后取其92%,以便得到正确的rFTPw。

3.2 功能性阈值配速

rFTPa是指跑者1 h内的最佳配速。在3 min+9 min计时测验中,将2个时间段跑步配速相加取平均配速,再加上平均配速的10%得出rFTPa。在30 min计时测验中,最后20 min的配速即rFTPa。

在设计年度训练方案时,以上测试间隔不要超过6周,并且尽可能多进行以上测试。

4 跑步功率国内外研究进展

跑步功率计作为国际研究的新热点,主要应用Stryd功率计和Polar顶级配置的心率表等设备进行测量。国外学者对跑步功率的研究起步较早且细致,国内对于跑步功率的研究较少。

有研究[12]利用Stryd跑步功率计通过2点法预测不同速度下的功率输出,功率和速度的关系由多点方法(10、12、14、17 km)及3种基于近端速度(10和12 km)、中间速度(10和14 km)和远端速度(10和17 km)的2点法确定。18名耐力跑者在跑步机上进行一项逐渐递增负荷的跑步方案,最终得出:功率和速度呈高度线性关系,4种方法的实测值和估计值之间存在高度相关性。

有研究[13]通过不同速度下跑步步态验证了Stryd跑步功率计的可靠性和有效性,18名受过训练的男性耐力运动员在跑步机上进行8～20 km的长时间耐力跑,使用Stryd和Opto步态系统对基础地面时间、腾空时间、步长和步频进行测量。结果表明,Stryd设备可有效评价触地时间、腾空时间、步长和步频。

有学者[14]研究了环境(室内和室外)对跑步功率的影响,以及跑步功率与摄氧量之间的关系。在2种情况下,12名男性耐力项目运动员在跑步机(室内)和运动跑道(室外)上完成了3个跑步方案,对速度、体重和坡度等因素进行控制。使用线性回归分析和估计标准误差检验功率输出和VO2之间的关系,发现Stryd跑步功率计是不同环境、速度、体重、坡度条件下的可靠测量工具。

Imbach等[15]评估了Stryd运行功率计在次最大速度(8～19 km / h)下的有效性。6名休闲跑步者进行了室内递增运动测试,并将功率输出、地面接触时间、下肢弹性刚度与便携式代谢分析仪、测力平台和运动捕捉系统记录的参考测量值进行了比较。结果表明,Stryd跑步功率计能为地面接触时间和下肢弹性刚度提供有效度量。

综上所述,跑步功率计能对跑步过程的效率相关指标进行测定,适用于室内和室外的实验测试。

5 跑步功率在耐力训练中的应用

5.1 检视阶段性训练效果

功率可以监测整个跑步训练过程的下肢功率输出情况,跑者可通过功率观察体能与跑步效率的变化:特定时间内水平功率的占比增加、维持同样水平功率的状况下配速提升、一定配速下总功率输出减少、特定功率和配速下心率的降低都能检视阶段性训练效果。

此外,测定rFTPw及rFTPa后,可将其数据作为阶段性训练的结果。跑者在测试或训练过程中所产生的功率输出超过个人rFTPw,说明运动强度高于前次测试或训练的最大平均功率,也代表运动强度的增长或运动成绩的提高。通过测试能够判断周期训练的效果和运动成绩的提升情况,为耐力性项目运动表现的提升提供数据支持。

5.2 监控运动强度

运动强度的控制是提升体能的关键。心率和运动员自我感觉是评价训练强度的关键指标,然而心率在启动、配速提升或爬坡时因血流量增大而具有延迟性,自我感觉量表相对主观,跑步功率能更为客观地反映跑步训练中强度的变化。通过对跑步功率等指标的测定,可将阶段性测试得出的rFTPw与采集到的1次训练的标准化功率代入到强度因子(Intensity Factor,IF)公式:

强度因子=标准化功率/rFTPw(IF=NP/rFTPw)

强度因子可以求出1次训练的强度百分比,百分之百的强度数值为1,得出的强度因子如果超过1则代表跑者在该次训练中超过了阈值强度,因为rFTPa作为1 h内所能输出的最佳瓦特数,须保证rFTPw测定准确且及时更新。

5.3 制订耐力训练计划

跑步功率可以通过rFTPw定义跑步功率区间,从而通过功率制订耐力项目训练计划,功率区间训练主要分为7种(表1)。

表1 功率区间与rFTPw百分比

5.4 改善动作技术

运动技术是影响竞技比赛成绩的重要因素之一。跑者需尽可能减少姿势功率、垂直功率对水平功率的影响。可通过以下几种方式观察耐力项目跑步技术的变化:特定配速下,垂直功率减少;特定配速下,侧向功率减少;特定配速下,总功率减少;任意功率输出维持不变的情况下,配速增加。

6 小 结

跑步功率作为耐力训练的新指标,能够从生物力学角度将跑步效率准确反馈给教练员和跑者。跑步功率计以简易、方便的方式改善耐力项目运动员的运动表现。通过多指标监控训练强度、统计训练负荷,为教练员和广大跑步爱好者合理制订跑步耐力计划提供科学依据。