慧跑实验室：跑步落地时的冲击力原来是这样的！

小张说物理

慧跑实验室今天正式开张啦，慧跑实验室主要通过实验去验证跑友关心的热门话题，只要你提出疑问，我们都帮你解答，解答的方式不是查阅资料，也不是依赖个人经验，而是用科学实验的方式，用数据说话，用结果说话！


今天是慧跑实验室开门第一天，我们想要通过实验验证一个什么东西呢？对了，就是跑步着地时人受到的冲击力，也就是地面反作用力到底有多大。另外，我们不停争论跑步时到底应该前脚掌着地还是应该足跟着地，这个问题的本质是不同着地方式，人所受到冲击力是不同的，到底哪种着地方式人体受到的冲击力小呢？光说不练假把式，慧跑实验室带你一起做实验。



一、跑步就会受到地面反作用力
牛顿第三定律指出，当我们对某物施加一个力的同时，必定会得到一个大小相同、方向相反的力，称之为反作用力。相对于跑步来说，我们在落地的时候由于重力的关系，会给地面一个垂直向下的冲击力，而地面会给我们一个向上的反作用力。这个反作用力会通过肌肉和关节的缓冲而消弭。但如果冲击力过大或者缓冲不当，这个反作用力可能就会给骨骼、关节带来损伤。
二、经典的跑步地面反作用力分析
跑步时，地面反作用力的经典曲线一般是这样的。
前脚掌着地受力曲线



足跟着地受力曲线


曲线的峰值代表最大地面反作用力，斜率代表落地缓冲。斜线越陡，代表落地时冲击力发生得越快，缓冲越少。这两张图对比来看，我们可以发现几个特点。
1. 足跟着地时，有两个地面反作用力峰值。也就是说，足跟着地时，地面反作用力先很快到达一个较高值，然后再较缓慢的上升到第二个峰值。而前脚掌着地时，仅有一个峰值。
2. 足跟着地时，曲线比较陡，表示冲击力发生得很快，缓冲不足，而前脚掌    着地时，曲线比较平缓，说明前脚掌着地缓冲充分。


3. 足跟着地与前脚掌着地的地面反作用峰值差距不大，基本在2~3倍体重。
那么这两条曲线一定就是事实吗？接下来就是我们验证的时刻啦！
三、实证分析过程
首先，介绍一下实验的工具和场地。这里是跟慧跑深度合作的江苏省运动训练与康复重点实验室，这绝对是一个高大上的运动科学实验室，精密设备不计其数。我们这次用到的测试工具是测力台，就是图片中的银色部分，测力台是运动生物力学分析的基础工具，精度非常之高，数据采集密度达到每秒1000次，完全不会漏掉着地瞬间的任何一个小细节。当然，还有Gopro运动摄像机进行现场拍摄，毕竟，着地瞬间这么快的过程太容易看花眼了…


我们请马拉松全国冠军王田以普通步行、6:00配速慢跑、4:00配速快跑三种速度进行测试，并且分别以脚跟及前脚掌落地的方式跑步，分别自然踩上测力台。剔除错误数据后，得到的就是下面的数据啦~小编带大家一起来看看结果吧！
四、相同速度下不同着地方式受力分析
1. 慢跑时不同着地方式的分析
慢跑脚跟着地


慢跑前脚掌着地



6:00配速可能是大多数跑友在日常跑步时的速度，我们来看一下慢跑时的受力分析。横轴是时间轴，单位为毫秒。纵轴代表的就是地面反作用力，单位是牛顿。蓝线代表脚跟着地，红线代表前脚掌着地。我们不难发现前脚掌着地的话与地面的接触时间较短。


关于纵轴就像前文描述的经典受力图一样，脚跟着地时在最大地面反作用力出现前，还有一个峰值，前脚掌着地则没有。脚跟着地时曲线上升比较陡，代表缓冲不足，而前脚掌着地时，曲线上升比较平缓，代表缓冲更加充分。这两点与着地时的经典受力分析几乎一致。


我们可以做出这样合理的推断：慢跑时，脚跟着地瞬间，由于缺乏足踝缓冲，人体，特别是脚踝上方的膝关节瞬间受到一个较大的冲击力，也即出现第一个峰值，待膝关节开始弯曲参与缓冲后，地面反作用力相对较缓慢地上升至第二个峰值。前脚掌着地时，由于足踝小腿及时参与缓冲，因此平缓地上升到最大值，只有一个峰值。
但与经典着地分析不同的是，我们得出的实验结论中，前脚掌着地时的地面反作用力峰值大于脚跟着地时的峰值！这与一般认为的，地面反作用力的大小与着地方式无关，仅与体重相关这一观点大相径庭。那么这一现象是偶然发生的，还是一般规律呢？我们来看一下快跑时的分析。
2. 快跑时不同着地方式受力分析
快跑脚跟着地



快跑前脚掌着地



4:00配速是水平比较好的跑友能够达到的配速，我们来看一下该配速下的着地特点。脚跟着地时的第一峰值依然出现了，这说明脚跟着地瞬间产生的这一次较大的冲击力并不会因为速度的改变而消失。但与慢跑时不同的是，脚跟着地与前脚掌着地时的冲击力产生的快慢相差并不大。我们可以这样推测，当跑步速度加快后，前脚掌着地虽然可以通过足踝小腿进行缓冲，但由于着地时间短，导致着地瞬间，前脚掌着地产生的缓冲并不是很充分。



同样的，前脚掌着地时的地面反作用力峰值依旧比脚跟着地时的大，为什么会有这样与经典受力分析所说“无论脚跟着地还是前脚掌着地，最大峰值受力不变”这样不一致的结果呢？
3. 关于前脚掌着地时最大峰值力大于脚跟的分析
正如前文所说，经典一定是事实么？可能吧T-T但小编总要给自己的实验结果一个合理的解释啊，毕竟这也是事实不是偶然吖。关于这一点，小编个人有两个推论。
1 ) 无论脚跟还是前脚掌着地，只跟体重相关，始终保持不变的不是最大峰值力，而是冲量。冲量=力×时间。前脚掌着地时的触地时间比脚跟着地短，力却比脚跟着地要大。两者的冲量（在图中表现为曲线围起来的面积）就基本一致了。这个需要用到高等数学微积分啥的，小编得花点时间再算算……


2 ) 我们现在讨论的只是垂直向上的地面反作用力，而落地时真正所受到的力并非垂直向上，而是在一直变化的合外力（这时要用到中学物理的知识了）。也就是说，我们现在讨论的是在着地过程中垂直方向的最大力，即地面反作用力。但这并不意味着这个力就是体重和配速造成的，因为有一部分力被分解为横向的摩擦力（着地初期）或推进力（着地后期）了。


前脚掌着地时地面反作用力峰值大于脚跟着地时，可能是由于峰值力产生的瞬间，横向的分力更小一些，所以垂直方向分力更大，而脚跟着地时横向分力更大，所以垂直分力更小，着地初期的横向分力是摩擦力，是刹车制动效果，所以会着地时的横向分力小一些更好。
4. 步行时不同着地方式受力分析
虽然知道大家可能对于步行的受力分析并不是太在意……既然做了就看一下嘛~结果很有趣哦~来看一下步行的数据：
步行足跟着地


步行与跑步的最大区别就是，跑步时的落地瞬间是单足支撑，而步行时的落地是先双足支撑再单足支撑。所以我们得把这个曲线分段来看，跟跑步相似的落地缓冲阶段主要发生在前半段。


看上图的左半部分，是不是很有趣？就算在步行过程中，足跟着地时多出来的那个小峰值依然存在。也就是说，只要是足跟着地就必须多承受一次峰值冲击，不仅与跑步速度无关，甚至与使跑步还是步行也无关，就是得硬挨那么一下。两者的缓冲速率在小峰值出现之前差距不大。步行落地缓冲时的地面反作用力的最大峰值与跑步的状况基本一致，也是前脚掌着地要大于脚跟着地。
五、不同速度下跑步地面反作用力的综合分析
看完刚才的受力曲线分析，会不会已经被搞得云里雾里，我们理一下思路，把问题简化，分析一下地面反作用力峰值。


从脚跟着地来看，明显可以看出，随着速度的增加，地面反作用力也在增加。受试者的体重约为55公斤。步行时的地面反作用力为720牛顿，大约是1.3倍的体重。慢跑时受到的地面反作用力约为2.1倍的体重，快跑时达到2.7倍体重。也就是说，随着跑步速度的增加，受到的地面反作用力也在增加。所以建议体重过大或有下肢损伤的人群尽量要控制在一个相对较慢的速度。前脚掌落地的情况是否相同呢？趋势是一样的，也是更快的速度带来更大的地面反作用力。但是前脚掌落地时带来的地面反作用力相较于足跟落地时更大。步行时是1.5倍体重，慢跑时是2.5倍体重，快跑时达到2.9倍体重。


这是不是意味着为了减少地面反作用力就要采用足跟落地的跑法了呢？大家不要忘记了，足跟落地要比前脚掌落地多承受一次受力峰值，且缓冲基本靠膝关节完成，而前脚掌落地缓冲平稳且有足踝及小腿肌肉的参与。所以，跑步着地远比我们想象中复杂。
六、关于摩擦力与推进力的分析

这个图可能稍微复杂一点，横轴代表的是力，大小还是牛顿；纵轴则代表不同的速度和着地情况；左边的蓝色柱子代表阻力，当然这个阻力也来自于着地时前半段，红色的则代表蹬地的动力，来自着地后半段。其实这个图还是挺明显的，跑步的速度快，受到的阻力也就越大，蹬地的动力也会变大，这与我们平时的认知是一致的。


再来看相同速度下不同着地方式的比较，这就很有趣了。不管是慢跑还是快跑，前脚掌着地时受到的来自地面的阻力均小于脚跟着地；而蹬地获得的动力却大于脚跟着地。这也就意味着，想要通过减小阻力或增加蹬地的作用力来提高自己速度，前脚掌着地可能是一种更优于脚跟着地的姿势。这也可以解释为什么跑速较快的时候更倾向于用前脚掌着地，因为只有这样才能获得更快的速度，并且减少刹车制动。

七、总结
通过这次测力台实验，我们得出的结论主要是这样的：
1. 不管是慢跑还是快跑，足跟着地，着地初期都会受到瞬时峰值受力（第一次峰值受力），然后再上升至最大峰值力（第二次最大峰值受力），而前脚掌着地则直接缓慢平滑的上升到最大峰值力，只有一次受力峰值。这应该是前脚掌落地时足踝关节及小腿肌肉更好的参与缓冲导致的。
2. 慢跑时，前脚掌着地缓冲明显优于脚跟，而快跑时两者缓冲效果相差不大。小编猜测可能是快跑时触地时间短，导致缓冲不够充分导致的。所以，跑得更快，你就需要有更好地足踝小腿肌肉力量，这样才能保护关节，使得关节不会在过大地面反作用力作用下发生损伤。
3. 不管快跑还是慢跑，前脚掌着地时受到的地面反作用力的最大值均大于脚跟着地时。且地面反作用力的最大值与跑步速度也相关，速度越快受到的反作用力也越大。这与一般认为的，地面反作用力的大小仅与体重相关并不相同。
4. 不管是慢跑还是快跑，前脚掌着地时受到的来自地面的阻力均小于脚跟着地；而蹬地获得的动力却大于脚跟着地。这说明前脚掌着地在提高跑步效率，减少速度损失方面优于脚跟着地的跑法。
5.  慢速跑步中采用前脚掌着地，有利于增加缓冲，减少关节负荷，在快速跑步中同样采用前脚掌着地，其优势则不在于增加了缓冲，而是因为其减少了刹车，提高了推进力。


PS：本文的数据、分析、观点都来源于实验，与经典有相同也有分歧。真理就是在不停的探索、失败、推翻、再探索当中摸索出来的。跑姿、着地方面的研究一直在进行，至今没有非常明确的答案。我们也是本着探索求知的心态进行了此次实验，当然这样的研究慧跑实验室也还会继续下去。

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然后有个问题请教下，如果是全脚掌着地是什么样子？

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看不到动图或者想了解更多跑步方面内容的可以关注微信公众号“慧跑”

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奥，这样看来，前脚掌跑法也并没有明显优势啊。期望下次能有视频讲解，跑步时摆臂，抬腿等的教学

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本来受伤概率大小最大的影响因素是距离和速度，其次才是姿势。
而且这个实验是有缺陷的：只能测出脚上的冲击大小，不代表膝关节的冲击。
对于每天只跑五公里，时间超过20分钟的人来说，受伤的概率都很小。