短距離走のバイオメカニクス

短距離走には、急加速段階とそれに続く速度維持段階があります。短距離走の初期段階では、ランナーは上半身を前方に傾けて、地面反力をより水平に向けます。最大速度に達すると、胴体がまっすぐに伸びて直立姿勢になります。短距離走の目標は、設定された距離を可能な限り短時間で走るために、高い最高速度に到達してそれを維持することです。短距離走を支配する生物学的要因と数学を定量化するために、多くの研究が行われてきました。これらの高い速度を達成するには、スプリンターはより速いステップを踏むのではなく、地面に大きな力を加えて望ましい加速を達成する必要があることがわかっています。

これまでの研究では、歩行中の人間の脚は一組の倒立振り子に機械的に単純化されており、長距離走（跳ねるような歩き方として特徴付けられる）では脚がバネとしてモデル化されている。最近まで、より速い短距離走の速度は、ストライドの長さと頻度を増やす生理学的特徴によってのみ促進されると長い間信じられてきた。これらの要因は短距離走の速度に寄与するが、ランナーが地面の力を生み出す能力も非常に重要であることもわかっている。

Weyand et al. (2000) ^[1]は、スプリント速度を決定するための次の式を考案しました。

${\displaystyle V=f_{\text{step}}F_{\text{avg}}/W_{\text{b}}L_{\text{c}},}$

ここで、はスプリント速度（m/s）、ステップ周波数（1/s）、地面に加わる平均力（N）、体重（N）、接触長さ（m）です。 ${\displaystyle V}$${\displaystyle f_{\text{ステップ}}}$${\displaystyle F_{\text{平均}}}$${\displaystyle W_{\text{b}}}$${\displaystyle L_{\text{c}}}$

簡単に言うと、短距離走の速度は、歩数（ 1秒間に何歩歩けるか）、地面にかかる垂直方向の力の平均、接地長（ 1回の接地期間中に重心が移動する距離）という3つの主な要素に依存しています。この式は、被験者にフォーストレッドミル（地面反力（GRF）を測定するフォースプレートを備えたトレッドミル）で走ってもらうことでテストされました。図1 ^{[どれ？ ] は}、3歩の持続時間中のフォースプレートの読み取り値をおおよそ示しています。この式はかなり正確であることが証明されていますが、水平GRFではなく垂直GRFのみを測定するフォースプレートによってデータが収集されたという点で研究には限界がありました。そのため、地面に対してより大きな垂直（直交）力をかけるだけで加速が大きくなるという誤った主張をする人もいましたが、これはまったく正しくありません（以下のMorinの研究を参照）。

2005年、ハンターら^{[2]は、スプリント速度と相対的}衝撃の関係を判定する研究を実施し、歩行と地面反力のデータを収集して分析しました。加速走行中の典型的な支持相は、ブレーキング相に続いて推進相（-FH の後に + FH）が特徴であることがわかりました。テストされた最速の被験者に共通する傾向は、垂直方向の力が中程度から低く、水平方向の力が多量に生成されたことです。研究後、著者は、筋肉と腱組織に弾性エネルギーを蓄えるにはブレーキ力が必要であるという仮説を立てました。この研究は、スプリントの加速相における水平方向と垂直方向の GRF の重要性を大まかに確認しました。残念ながら、データは 16 メートル地点で収集されたため、加速相全体に関する明確な結論を導くには不十分でした。

Morinら(2011) ^[3]は、水平方向と垂直方向の地面反力を測定するトレッドミルで短距離走者に走ってもらい、地面反力の重要性を調査する研究を行った。ベルト速度は各ステップで測定され、計算によって「力適用技術の指標」が求められた。この指標は、被験者が水平方向にどれだけうまく力を適用できるかを示すものである。

テストの後半では、被験者が人工トラックで 100 メートルの短距離走を行い、レーダーを使用してランナーの前進速度を測定し、速度時間曲線を作成しました。この研究の主な結果は、力の適用方法 (単に適用される力の総量ではなく) が短距離走者の速度を予測する上で重要な決定要因であることを示しています。これは、短距離走の支配方程式にまだ組み込まれていません。

ランニングの運動学は、身体に作用する力や身体から出る力の効果を利用してランナーの動きを説明します。内部の力に寄与する要因の大部分は、脚の筋肉の活性化と腕の振りから生じます。

ランナーを加速させる役割を担う筋肉は、身体の加速速度に適応するために、加速しながら収縮する必要がある。スプリントの加速段階では、筋肉の収縮成分がパワー出力を担う主な要素である。定常速度に達し、スプリンターが直立すると、収縮筋の伸張中に「直列弾性要素」に蓄えられた機械的エネルギーが、正の作業段階の直後に放出され、パワーのかなりの部分を生み出す。^[4] ランナーの速度が上昇するにつれて、慣性と空気抵抗の影響がスプリンターの最高速度を制限する要因となる。

以前は、筋肉の収縮速度に比例して増加する筋肉内粘性力が存在し、それが収縮力に対抗すると信じられていましたが、この理論はその後反証されました。^[5]

2004年に実施された研究では、長距離ランナー、短距離ランナー、非ランナーの歩行パターンがビデオ録画を使用して測定されました。各グループは、最大走行速度で5.81m/s（長距離走を表す）で60メートルを走りました。この研究では、非短距離ランナーは最大速度試験では非効率的な歩行で走ったのに対し、距離試験ではすべてのグループがエネルギー効率の高い歩行で走ったことが示されました。これは、経済的な長距離走フォームの開発は自然なプロセスであるのに対し、短距離走は練習を必要とする習得された技術であることを示しています。^[6]

Mannら（1981）の研究結果とは反対に、^[7]腕振りは胴体の安定化と垂直方向の推進力の両方において重要な役割を果たしています。胴体の安定化に関しては、Hinrichsら（1987）が示唆しているように、腕振りは脚振りによって生み出される回転運動量を相殺する役割を果たしています。^[8] つまり、アスリートは腕振りなしでは体幹の回転を制御するのが困難になります。

同じ研究^[8]では、一般に信じられていることとは反対に、腕の水平方向の力発揮能力は前方への振りに続く後方への振りによって制限されるため、2つの要素は互いに打ち消し合うことも示唆されている。しかし、これは、腕の振りがスプリント中に推進力にまったく貢献しないということを示唆しているのではなく、実際、腕の振りは、スプリンターが地面に加えることができる垂直方向の推進力全体の最大10％に貢献する可能性があります。その理由は、前後運動とは異なり、両腕が上下運動で同期しているためです。その結果、力が打ち消されることはありません。効率的なスプリンターは、肩から始まる腕の振りをしており、同側の肩と股関節で発生する屈曲と伸展と同じ大きさの屈曲と伸展動作をしています。

Di Prampero ら^[9]は、加速段階 (最初の 30 m) のスプリントランニングのコストについて、実験的テストを通じて数学的に定量化しました。被験者はトラック上で繰り返しスプリントし、その間にレーダーで速度を測定しました。さらに、以前の文献^{[10]では、平坦な地形でのスプリントの}エネルギー特性は、一定速度での上り坂のランニングに類似していることがわかっています。数学的導出プロセスは、大まかに次のようになります。

全力疾走の初期段階では、身体に作用する総加速度（）は、前方加速度と地球の重力による加速度のベクトル和です。 ${\displaystyle g'}$

${\displaystyle g'=((a_{\text{f}}^{2}+g^{2}))^{0.5}}$

平地で全力疾走するときの「等価勾配」（ES）は次のとおりです。

${\displaystyle {\text{ES}}=\tan \left(90-\arctan \left(g+a_{\text{f}}\right)\right)}$

「同等の正規化体重」（EM）は次のようになります。

${\displaystyle {\text{EM}}={\frac {g'}{g}}=\left[\left({\frac {a_{\text{f}}^{2}}{g^{2}}}+1\right)\right]^{0.5}}$

データ収集の結果、短距離走のコスト（）は次のようになりました。 ${\displaystyle C_{\text{sr}}}$

${\displaystyle C_{\text{sr}}=((155.4\,{\text{ES}})^{5}-(30.4\,{\text{ES}})^{4}-(43.3\,{\text{ES}})^{3}+(46.3\,{\text{ES}})^{2}+19.5\,{\text{ES}}+3.6)\,{\text{EM}}}$

上記の式では風の抵抗が考慮されていないため、風の抵抗に逆らって走行するコスト ( ) を考慮すると、次のようになります。 ${\displaystyle C_{\text{aer}}}$

${\displaystyle C_{\text{aer}}=k'v^{2}}$

2 つの方程式を組み合わせると次のようになります。

${\displaystyle C_{\text{sr}}=((155.4\,{\text{ES}})^{5}-(30.4\,{\text{ES}})^{4}-(43.3\,{\text{ES}})^{3}+(46.3\,{\text{ES}})^{2}+19.5\,{\text{ES}}+3.6)\,{\text{EM}}+k'v^{2}}$

ランナーの体の加速度、前方加速度、重力加速度、比例定数、速度は どこにありますか。${\displaystyle g'}$${\displaystyle a_{\text{f}}}$${\displaystyle g}$${\displaystyle k'}$${\displaystyle v}$

疲労は短距離走において大きな要因であり、筋肉の最大出力を妨げることはすでに広く知られていますが、以下に挙げる方法でランナーの加速にも影響を与えます。

被験者が6秒間の自転車全力疾走、または短時間の間欠的全力疾走（ISSD）を繰り返し行った筋肉の協調性に関する研究^{[11]では、最大出力の低下と}運動協調性の変化との間に相関関係が見られました。この場合の運動協調性とは、身体動作を最適化するために筋肉の動きを協調させる能力を指し、最大以下の協調性は、筋肉が互いに同期して活動しなくなったことを示します。研究の結果、外側広筋（VL）と大腿二頭筋（BF）の筋肉の間に遅延があることが示されました。ISSD中の出力の低下はVL-BF協調性の変化と連動していたため、筋肉間の協調性の変化が、疲労による出力低下の要因の1つであることが示唆されました。これは自転車全力疾走を使用して行われましたが、その原理はランナーの観点からのスプリントにも当てはまります。

Morinら^[12]は、疲労が力発揮と力の適用技術に与える影響について調査した。この研究では、短距離走者が前述のものと同じトレッドミルのセットアップを使用して、6秒間の短距離走を5回4セット行った。地面反力を生み出す能力と、地面の力（水平方向と垂直方向）の比率を調整して水平方向の加速を高める能力に関するデータが収集された。即時の結果では、各スプリントでパフォーマンスが大幅に低下し、後続の各データセットでパフォーマンスの低下率がより急激に低下していることが示された。結論として、総合的な力発揮能力と地面の力を適用する技術能力の両方が大きく影響を受けたことは明らかであった。

ランニングの歩き方（バイオメカニクス）は、効率性だけでなく怪我の予防にも非常に重要です。毎年、全ランナーの約25～65％がランニング関連の怪我を経験しています。^[13]ランニングの異常な動きが怪我の原因としてよく挙げられますが、怪我のリスクを減らすためにランニングパターンを変えることを提案する人はほとんどいません。I Measure Uのようなウェアラブルテクノロジー企業は、バイオメカニクスデータを使用してランナーの歩き方をリアルタイムで分析し、怪我のリスクを減らすためにランニングテクニックをどのように変えるべきかについてのフィードバックを提供するソリューションを開発しています。^[14]