平地と傾斜地のランニング

走る歩き方による地上移動は、平らな地面であれば達成できます。しかし、ほとんどの屋外環境では、上り坂を走る必要がある地形の起伏を経験することになります。同様の状況は、トレッドミルの制御された環境で再現することもできます。さらに、長距離ランナーと短距離ランナーの両方が、傾斜でのランニングを心血管の調子を整え、下肢の筋力を強化するために利用しています。^[1]

1 回の完全な歩行周期は、片方の足が地面に接触したときに始まり、同じ足が再び地面に接触するまで続くものと定義されます。 ^[2] 歩行周期はさらにいくつかの構成要素に分けることができます。定義により、ランニングでは、最大で一度に 1 本の足が地面に接触し、多くの場合は地面に接触しません。足が地面に接触しているときは、「スタンス フェーズ」と呼ばれます。「空中フェーズ」は、体が空中にいるときの反対側の足の接触間の期間です。特定の脚について、つま先が離れてからかかとが地面に接触するまでの時間は、その脚の「スイング フェーズ」として知られています。1 回の完全な歩行周期には、各脚のスタンス フェーズとスイング フェーズが含まれます。^[3]

ランニングは、歩行の倒立振り子機構ではなく、「跳ねる歩行」として特徴付けられる。 ^[4] ランニングの立脚期は2つの部分に分けられ、前半ではエネルギーは、重心を減速および下降させる負の仕事を行うために使用される。立脚期の後半では、エネルギーは身体を持ち上げて加速させる正の仕事を行うために使用される。重心が経験する運動エネルギーと重力位置エネルギーの変動が同期しているため、ランニング中の機械的仕事は、伸長と筋肉の収縮から腱に保存された弾性エネルギーの組み合わせを最適化することによって実行される。^{[4] [5]}

ランニングの運動学は、身体の動き、特に股関節、膝、足首の関節角度を記述することに関係しています。水平ランニングでは、股関節はスイング フェーズの終了前に最大屈曲に達し、その後、脚が地面に着くまで伸展します。立脚フェーズ中、股関節はつま先が離れるまで伸展し、推進力を提供します。膝関節角度は 2 相性のプロットを示します。最初の接地時に膝が屈曲して身体を下げ、次に伸展して身体を推進します。つま先が離れるときに最大伸展に達し、その後、膝は再び屈曲してクリアランスを提供します。足首はつま先が離れるときに最大底屈に達し、その後、スイングの途中で背屈します。スイングの途中では、最初の接地が行われるまで足首の背屈はほぼ一定のままで、さらに背屈して身体を下げて支えます。立脚フェーズの後半では、足首はつま先が離れるまで急速に底屈し始めます。^{[2] [3] [5]}

傾斜ランニングの運動学を調査する研究は数多く行われている。スワンソンとコールドウェル（2000）は、最初の足の着地時に3つの関節すべてでより大きな関節屈曲を発見した。また、蹴り出し時に3つの関節すべてで伸筋可動域と角速度の増加が見られた。^[6] 逆に、クラインらは傾斜面を走った場合と平らな面を走った場合で関節角度に変化はないことを発見した。^{[7]しかし、彼の被験者は}無酸素性閾値 に等しい速度（平均3.5メートル/秒）で走っており、スワンソンとコールドウェルの研究の被験者（4.5メートル/秒）よりも大幅に遅かった。また、勾配は30％に対して5％であった。

一定速度で走っている場合、傾斜地でのランニングでは平坦地でのランニングよりもストライド頻度が増加するが、同時にストライド長が減少することが分かっている。ゴットシャルとクラムは、30メートル/秒の速度で9度（15.8%）の傾斜でストライド頻度が1.45±0.06 Hzから1.51±0.07 Hzに増加することを観察した。 ^[8] テルハンらは、一定速度3.13メートル/秒、4度（6.98%）の傾斜でこの発見を検証し、頻度が168.5±8.1歩/分から170.5±7.9歩/分に増加するのを観察した。^[9] 両研究では、傾斜地でのランニングでは平坦地でのランニングと比較してストライド長が大幅に減少することも確認された。以前の研究は中程度の速度で行われた。走行速度が4.5メートル/秒に増加し、勾配が30％に増加すると、ストライド頻度が増加し、ストライド長が減少するという同様の傾向が見られます。^[6]

大腿四頭筋群と大腿直筋はともに膝伸展を担い、大腿直筋は股関節屈曲にも寄与しています。 筋電図 (EMG)データによると、立脚期の前と立脚期には、どちらも身体を支えるために活動しています。大腿直筋は股関節屈曲能力があるため、遊脚期中期にも活動しています。大腿四頭筋の主な拮抗筋は、殿筋 (股関節伸展) とハムストリング (股関節伸展と膝屈曲) です。ハムストリングは遊脚中期に活動し、下肢の減速を促します。両筋は遊脚後期に活動して股関節を伸展し始めるほか、立脚期前半にも活動して同じ動作を実行します。足首に作用する下肢の筋肉は、背屈筋 (前脛骨筋) と底屈筋 (腓腹筋とヒラメ筋) です。腓腹筋/ヒラメ筋は、足の着地の準備としてスイングフェーズの最後の部分で活動し、体を前方に推進するためにつま先離れの直前までスタンスを通して活動し続けます。前脛骨筋は、スイング中に地面とのクリアランスを可能にするために活動し、スタンス中に遠心的に伸長して減速と下降を制御するのに役立ちます。^[2]

蔡は、傾斜ランニング中に大腿直筋と腓腹筋の活性化が増加することに注目した。^[10] 横澤は、傾斜ランニングにより大腿四頭筋、ハムストリング、腸腰筋、内転筋の活性化が増加することを発見した。^[11] 両者とも、これらの増加が歩行のどの時点で発生したかについてはタイミングを明らかにしていない。スワンソンも EMG データを記録し、足着地前（スイング フェーズ）と足着地後（スタンス フェーズ）の違いを比較したほか、より広範囲の筋肉を比較した。結果、足着地前には前脛骨筋、腓腹筋、ヒラメ筋、大腿直筋、外側広筋、内側ハムストリング、大腿二頭筋、大殿筋の活性化が有意に増加したことが示された。足着地後は、前脛骨筋と内側ハムストリングを除くすべての筋肉で増加が見られた。^[6]

ランニングの運動学は、運動学と同様に、身体の動きを説明するために使用されます。しかし、運動学とは対照的に、運動学は、動きとそれを引き起こす力とトルクとの関係も考慮に入れます。これらは、関節モーメントとトルクとして表現されます。 ^[4] Telhan らは、傾斜ランニングと平地ランニングを比較した場合、股関節、膝、足首の関節モーメントに変化がないことを観察しました。また、3 つの関節すべてにおける一般的な運動パターンとピークの大きさの両方が、現在の文献のものと一致しているという事実にも注目しました。2 つの条件間の唯一の重要な変化は、初期立脚期の股関節パワーの増加でした。^[9] 対照的に、Yokozawa は、支持期の膝と股関節のトルクが大腿直筋で増加していることを確認し、これは、ヴァースティ セットでの膝伸展トルクの減少に対する補償メカニズムであると仮定しました。また、傾斜ランニングの回復期に純股関節屈曲トルクが増加し、回復が速くなり、股関節の屈曲量が増えることも確認されました。^[11]

地面反力 (GRF) は、地面と接触している身体に地面から加えられる力で、身体の加速を反映します。平地走行中、地面反力は垂直地面反力と水平地面反力に分けられます。傾斜地走行と平地走行の比較では、垂直と水平という用語を通常の地面反力と平行地面反力に置き換えます。傾斜地走行の場合、後者の用語は力の適用方向を説明するのに正確ではなくなるためです。測定値は体重のパーセンテージで表され、1 体重の値は立っているときに身体を支えるために加えられる力です。通常の GRF のプロットは 2 相性であることが特徴で、最初の衝撃ピークは立脚相のブレーキ部分 (かかとが地面に当たる) に対応し、その後に大きなピークが立脚相の推進部分 (つま先が離れる) を表します。走行中の典型的な平行 GRF の適用には 2 つのピークが含まれ、1 つはブレーキング中に負で、もう 1 つは推進中に正です。 GRFプロットの重要な特徴は、ピークの大きさ（衝撃とアクティブ）、荷重率、平均力、プロット下の合計面積です。^{[2] [4] [8]}

毎秒 3 メートルの速度で水平に走ると、垂直方向の地面反力はピークで体重の約 2.5 倍に達する。傾斜走行中の通常の地面反力に関するデータは、力測定プラットフォームの構築が困難なため、ほとんど得られていない。Gottschall と Kram (2004) は、さまざまな傾斜のくさび形に力測定トレッドミルを設置し、水平走行と比較して、3、6、9 度の傾斜で初期衝撃ピークが減少することを発見した。また、9 度の傾斜では制動平行地面反力がなく、推進平行地面反力は 75% 増加することも発見した。^[8] しかし、Tehlan は、4 度の傾斜走行で衝撃ピークの鈍化は発見しなかった。^[9]

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