慧跑實驗室：跑步落地時的衝擊力原來是這樣的！

今天是慧跑實驗室開門第一天，我們想要通過實驗驗證一個什麼東西呢？對了，就是跑步著地時人受到的衝擊力，也就是地面反作用力到底有多大。另外，我們不停爭論跑步時到底應該前腳掌著地還是應該足跟著地，這個問題的本質是不同著地方式，人所受到衝擊力是不同的，到底哪種著地方式人體受到的衝擊力小呢？光說不練假把式，慧跑實驗室帶你一起做實驗。

一、跑步就會受到地面反作用力

牛頓第三定律指出，當我們對某物施加一個力的同時，必定會得到一個大小相同、方向相反的力，稱之為反作用力。相對於跑步來說，我們在落地的時候由於重力的關係，會給地面一個垂直向下的衝擊力，而地面會給我們一個向上的反作用力。這個反作用力會通過肌肉和關節的緩衝而消弭。但如果衝擊力過大或者緩衝不當，這個反作用力可能就會給骨骼、關節帶來損傷。

二、經典的跑步地面反作用力分析

跑步時，地面反作用力的經典曲線一般是這樣的。

前腳掌著地受力曲線

足跟著地受力曲線

曲線的峰值代表最大地面反作用力，斜率代表落地緩衝。斜線越陡，代表落地時衝擊力發生得越快，緩衝越少。這兩張圖對比來看，我們可以發現幾個特點。

1. 足跟著地時，有兩個地面反作用力峰值。也就是說，足跟著地時，地面反作用力先很快到達一個較高值，然後再較緩慢的上升到第二個峰值。而前腳掌著地時，僅有一個峰值。

2. 足跟著地時，曲線比較陡，表示衝擊力發生得很快，緩衝不足，而前腳掌 著地時，曲線比較平緩，說明前腳掌著地緩衝充分。

3. 足跟著地與前腳掌著地的地面反作用峰值差距不大，基本在2~3倍體重。

那麼這兩條曲線一定就是事實嗎？接下來就是我們驗證的時刻啦！

三、實證分析過程

首先，介紹一下實驗的工具和場地。這裡是跟慧跑深度合作的江蘇省運動訓練與康復重點實驗室，這絕對是一個高大上的運動科學實驗室，精密設備不計其數。我們這次用到的測試工具是測力台，就是圖片中的銀色部分，測力台是運動生物力學分析的基礎工具，精度非常之高，數據採集密度達到每秒1000次，完全不會漏掉著地瞬間的任何一個小細節。當然，還有Gopro運動攝像機進行現場拍攝，畢竟，著地瞬間這麼快的過程太容易看花眼了…

我們請馬拉松全國冠軍王田以普通步行、6:00配速慢跑、4:00配速快跑三種速度進行測試，並且分別以腳跟及前腳掌落地的方式跑步，分別自然踩上測力台。剔除錯誤數據後，得到的就是下面的數據啦~小編帶大家一起來看看結果吧！

四、相同速度下不同著地方式受力分析

1. 慢跑時不同著地方式的分析

慢跑腳跟著地

慢跑前腳掌著地

6:00配速可能是大多數跑友在日常跑步時的速度，我們來看一下慢跑時的受力分析。橫軸是時間軸，單位為毫秒。縱軸代表的就是地面反作用力，單位是牛頓。藍線代表腳跟著地，紅線代表前腳掌著地。我們不難發現前腳掌著地的話與地面的接觸時間較短。

關於縱軸就像前文描述的經典受力圖一樣，腳跟著地時在最大地面反作用力出現前，還有一個峰值，前腳掌著地則沒有。腳跟著地時曲線上升比較陡，代表緩衝不足，而前腳掌著地時，曲線上升比較平緩，代表緩衝更加充分。這兩點與著地時的經典受力分析幾乎一致。

我們可以做出這樣合理的推斷：慢跑時，腳跟著地瞬間，由於缺乏足踝緩衝，人體，特別是腳踝上方的膝關節瞬間受到一個較大的衝擊力，也即出現第一個峰值，待膝關節開始彎曲參與緩衝後，地面反作用力相對較緩慢地上升至第二個峰值。前腳掌著地時，由於足踝小腿及時參與緩衝，因此平緩地上升到最大值，只有一個峰值。

但與經典著地分析不同的是，我們得出的實驗結論中，前腳掌著地時的地面反作用力峰值大於腳跟著地時的峰值！這與一般認為的，地面反作用力的大小與著地方式無關，僅與體重相關這一觀點大相徑庭。那麼這一現象是偶然發生的，還是一般規律呢？我們來看一下快跑時的分析。

2. 快跑時不同著地方式受力分析

快跑腳跟著地

快跑前腳掌著地

4:00配速是水平比較好的跑友能夠達到的配速，我們來看一下該配速下的著地特點。腳跟著地時的第一峰值依然出現了，這說明腳跟著地瞬間產生的這一次較大的衝擊力並不會因為速度的改變而消失。但與慢跑時不同的是，腳跟著地與前腳掌著地時的衝擊力產生的快慢相差並不大。我們可以這樣推測，當跑步速度加快後，前腳掌著地雖然可以通過足踝小腿進行緩衝，但由於著地時間短，導致著地瞬間，前腳掌著地產生的緩衝並不是很充分。

同樣的，前腳掌著地時的地面反作用力峰值依舊比腳跟著地時的大，為什麼會有這樣與經典受力分析所說「無論腳跟著地還是前腳掌著地，最大峰值受力不變」這樣不一致的結果呢？

3. 關於前腳掌著地時最大峰值力大於腳跟的分析

正如前文所說，經典一定是事實么？可能吧T-T但小編總要給自己的實驗結果一個合理的解釋啊，畢竟這也是事實不是偶然吖。關於這一點，小編個人有兩個推論。

1 ) 無論腳跟還是前腳掌著地，只跟體重相關，始終保持不變的不是最大峰值力，而是衝量。衝量=力×時間。前腳掌著地時的觸地時間比腳跟著地短，力卻比腳跟著地要大。兩者的衝量（在圖中表現為曲線圍起來的面積）就基本一致了。這個需要用到高等數學微積分啥的，小編得花點時間再算算……

2 ) 我們現在討論的只是垂直向上的地面反作用力，而落地時真正所受到的力並非垂直向上，而是在一直變化的合外力（這時要用到中學物理的知識了）。也就是說，我們現在討論的是在著地過程中垂直方向的最大力，即地面反作用力。但這並不意味著這個力就是體重和配速造成的，因為有一部分力被分解為橫向的摩擦力（著地初期）或推進力（著地後期）了。

前腳掌著地時地面反作用力峰值大於腳跟著地時，可能是由於峰值力產生的瞬間，橫向的分力更小一些，所以垂直方向分力更大，而腳跟著地時橫向分力更大，所以垂直分力更小，著地初期的橫向分力是摩擦力，是剎車制動效果，所以會著地時的橫向分力小一些更好。

4. 步行時不同著地方式受力分析

雖然知道大家可能對於步行的受力分析並不是太在意……既然做了就看一下嘛~結果很有趣哦~來看一下步行的數據：

步行足跟著地

步行與跑步的最大區別就是，跑步時的落地瞬間是單足支撐，而步行時的落地是先雙足支撐再單足支撐。所以我們得把這個曲線分段來看，跟跑步相似的落地緩衝階段主要發生在前半段。

看上圖的左半部分，是不是很有趣？就算在步行過程中，足跟著地時多出來的那個小峰值依然存在。也就是說，只要是足跟著地就必須多承受一次峰值衝擊，不僅與跑步速度無關，甚至與使跑步還是步行也無關，就是得硬挨那麼一下。兩者的緩衝速率在小峰值出現之前差距不大。步行落地緩衝時的地面反作用力的最大峰值與跑步的狀況基本一致，也是前腳掌著地要大於腳跟著地。

五、不同速度下跑步地面反作用力的綜合分析

看完剛才的受力曲線分析，會不會已經被搞得雲里霧裡，我們理一下思路，把問題簡化，分析一下地面反作用力峰值。

從腳跟著地來看，明顯可以看出，隨著速度的增加，地面反作用力也在增加。受試者的體重約為55公斤。步行時的地面反作用力為720牛頓，大約是1.3倍的體重。慢跑時受到的地面反作用力約為2.1倍的體重，快跑時達到2.7倍體重。也就是說，隨著跑步速度的增加，受到的地面反作用力也在增加。所以建議體重過大或有下肢損傷的人群盡量要控制在一個相對較慢的速度。前腳掌落地的情況是否相同呢？趨勢是一樣的，也是更快的速度帶來更大的地面反作用力。但是前腳掌落地時帶來的地面反作用力相較於足跟落地時更大。步行時是1.5倍體重，慢跑時是2.5倍體重，快跑時達到2.9倍體重。

這是不是意味著為了減少地面反作用力就要採用足跟落地的跑法了呢？大家不要忘記了，足跟落地要比前腳掌落地多承受一次受力峰值，且緩衝基本靠膝關節完成，而前腳掌落地緩衝平穩且有足踝及小腿肌肉的參與。所以，跑步著地遠比我們想像中複雜。

六、關於摩擦力與推進力的分析

這個圖可能稍微複雜一點，橫軸代表的是力，大小還是牛頓；縱軸則代表不同的速度和著地情況；左邊的藍色柱子代表阻力，當然這個阻力也來自於著地時前半段，紅色的則代表蹬地的動力，來自著地後半段。其實這個圖還是挺明顯的，跑步的速度快，受到的阻力也就越大，蹬地的動力也會變大，這與我們平時的認知是一致的。

再來看相同速度下不同著地方式的比較，這就很有趣了。不管是慢跑還是快跑，前腳掌著地時受到的來自地面的阻力均小於腳跟著地；而蹬地獲得的動力卻大於腳跟著地。這也就意味著，想要通過減小阻力或增加蹬地的作用力來提高自己速度，前腳掌著地可能是一種更優於腳跟著地的姿勢。這也可以解釋為什麼跑速較快的時候更傾向於用前腳掌著地，因為只有這樣才能獲得更快的速度，並且減少剎車制動。

七、總結

通過這次測力台實驗，我們得出的結論主要是這樣的：

1. 不管是慢跑還是快跑，足跟著地，著地初期都會受到瞬時峰值受力（第一次峰值受力），然後再上升至最大峰值力（第二次最大峰值受力），而前腳掌著地則直接緩慢平滑的上升到最大峰值力，只有一次受力峰值。這應該是前腳掌落地時足踝關節及小腿肌肉更好的參與緩衝導致的。

2. 慢跑時，前腳掌著地緩衝明顯優於腳跟，而快跑時兩者緩衝效果相差不大。小編猜測可能是快跑時觸地時間短，導致緩衝不夠充分導致的。所以，跑得更快，你就需要有更好地足踝小腿肌肉力量，這樣才能保護關節，使得關節不會在過大地面反作用力作用下發生損傷。

3. 不管快跑還是慢跑，前腳掌著地時受到的地面反作用力的最大值均大於腳跟著地時。且地面反作用力的最大值與跑步速度也相關，速度越快受到的反作用力也越大。這與一般認為的，地面反作用力的大小僅與體重相關並不相同。

4. 不管是慢跑還是快跑，前腳掌著地時受到的來自地面的阻力均小於腳跟著地；而蹬地獲得的動力卻大於腳跟著地。這說明前腳掌著地在提高跑步效率，減少速度損失方面優於腳跟著地的跑法。

5. 慢速跑步中採用前腳掌著地，有利於增加緩衝，減少關節負荷，在快速跑步中同樣採用前腳掌著地，其優勢則不在於增加了緩衝，而是因為其減少了剎車，提高了推進力。

PS：本文的數據、分析、觀點都來源於實驗，與經典有相同也有分歧。真理就是在不停的探索、失敗、推翻、再探索當中摸索出來的。跑姿、著地方面的研究一直在進行，至今沒有非常明確的答案。我們也是本著探索求知的心態進行了此次實驗，當然這樣的研究慧跑實驗室也還會繼續下去。

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