体重移動で何が変わるのか？ウォーキングとランニングの違いを再確認
前回は平均速度5.0 m/sで体重移動自体を組み込んだという話でした。速度は一定でした。そこで、今回は速度を変えてみて、体重移動の意味合いがどう変わるのかを見てみたいと思います。
5.0 m/sから始めて低速領域へ拡張していくイメージです。体重移動を無いものとして考えていたときには、2.9 m/sと3.0 m/sでウォーキングとランニングが切り替わるスイッチング領域が現れました。その記事の続編ということになります。
- 体重移動を組み込んだシミュレーションを1.5 m/sまでの低速領域で行なったところ、従来のシミュレーションで見られたようなウォーキングからランニングへの切り替わりは従来と同じように発生した。
- ウォーキング時の体重移動距離は0 mが最適であった。ランニング時は速度が増加するほどに体重移動距離も長くなる傾向となった。体重移動距離により、両者の相違点がまた1つ明らかになった。
シミュレーションの方法は特に変えていません。1.5 m/sから5.0 m/sの速度を指定して全体の仕事Wの最適化を行ないます。スイッチング領域の周辺では細かく見ますが、それ以外では0.5 m/s刻みとしました。オフセットの値は、体重移動距離fが0 mにおいて全体の仕事Wが最小化したものを採用しました。その後、各速度においては、体重移動距離fを変えていき、最も全体の仕事Wが小さくなるところを探します。つまり、オフセットの値を最適化した後に、体重移動距離fの最適値を探しました。
結論から述べると、体重移動を組み込んだ場合においては、スイッチング領域は2.5 m/sと2.6 m/sの間になります。そして、スイッチング領域の前後、つまりウォーキングからランニングへの切り替わりによる変化の傾向は変わりませんでした。
仕事
全体の仕事Wから見ていきましょう。1.5 m/sから速度が大きくなるに従い、全体の仕事Wが増加し、2.6 m/sで極大値を示します。その後、3.5 m/sで極小値を経由して、単調増加となります。3.5 m/sでの極小値よりも仕事の大きい速度領域（2.6 m/sと4.0 m/sの間）での移動は非効率的です。速度が遅いのに仕事は大きいので、合理的な結論として4.0 m/sで走ることになります。
重心の移動の仕事W1は、全体的には増加傾向ですが、2.6 m/sで極大値を迎えた後、3.1 m/sで極小値を示し、その後は単調に増加していきます。この原因は、W1の垂直成分と水平成分をそれぞれ見てみればわかります。垂直成分は2.5 m/sまで順調に増加し、2.5 m/sから2.6 m/sの間で急激に増加します。その後は3.1 m/sまでは減少し、それからほぼ横ばいとなります。逆に、水平成分は2.5 m/sまでは横ばいで、2.5 m/sから2.6 m/sの間で急激に減少します。その後は単調増加に入ります。2.5 m/sから2.6 m/sの領域での両者の変化は共に顕著ですが、水平成分の減少量の方が小さいのです。したがって、W1はスイッチング領域を経るときに少しだけ増加すると表現して良いでしょう。垂直成分と水平成分の変化の切り替わりがウォーキングとランニングの違いの本質をよく表しています。
これに加えて、脚の入替の仕事W2は面白い動きをします。W2は、3.1 m/sまで単調に増加し、その後は緩やかに減少します。この結果、複雑な値の増加と減少の組み合わせにより、全体の仕事Wの美しい逆S字カーブが作られているのです。
ストライドとピッチと滞空時間
滞空時間と接地時間の対照が明らかです。平均速度Vが増加し、ウォーキングからランニングへの切り替わりにおいて、接地時間が急激に短縮し、滞空時間が急激に延長します。これにより、接地時間と滞空時間の長短関係が逆転します。ウォーキングでは滞空時間 ＜ 接地時間でしたが、ランニングでは滞空時間 ＞ 接地時間となります。従来から共有されているであろう、ウォーキングとランニングの概念に一致した変化です。
重心の高さ
スイッチング領域で、やはり、特異的な動きを見せます。重心の高さの最大値hmax、離地時の重心の高さh1、接地時の重心の高さh0を示していますが、これらは共通の動きを示します。2.5 m/sから2.6 m/sの領域において急激に上昇し、その後は低下します。
ウォーキングでは0.95 m/sでほぼ一定であったところ、2.6 m/sでは1.00 mまで上昇します。ウォーキングにおいては、脚を開いて前方に接地し、そのまま水平方向に重心を移動させていくため、重心の高さが元の高さ1.00 mより低下しています。ランニングに移行すると、重心の高さの最大値hmaxと接地時の重心の高さh0が乖離します。これはプロセスに滞空が入るからです。滞空中の自由落下距離がhmaxとh0の差です。
ところで、h0について指摘したいことがあります。一旦は、ランニングに移行後、0.99 mまで上昇しますが、その後は速度が増加するに従い、低下していきます。3.7 m/s付近で、ウォーキング時の高さを下回ります。5.0 m/sの速度では、0.88 mになります。元の高さの8分の7です。接地時には随分と重心が低くなるのです。離地時の重心の高さh1も0.92 mであり、重心の高さの最大値hmaxも0.93 mです。滞空中の最も高いところも含めて、元の高さよりも低い範囲でランニングが行われるのです。高速で走るランナーがどれだけ腰低であるかを示しています。
最大の仕事率
最大の仕事率Pmaxは接地の瞬間に発生します。ただし、これは言葉の表す通りの仕事率ではなく、理論上の接地の瞬間に身体が感じる衝撃の指標だと思ってください。言うまでもないことですが、この数字が小さいほど身体への負担が小さいということになります。最大の仕事率Pmaxは最も極端な振れ幅を持ちます。2.5 m/sで25 kWを示した後、2.6 m/sで81 kWとなります。これは滞空により、着地時の衝撃が発生することを意味しています。その後は、3.1 m/sで極小値94 kWを経由して、単調に最大の仕事率Pmaxが増加して行きます。
体重移動距離fとオフセット
上のグラフに体重移動距離fとオフセットも合わせて記載しました。ウォーキング時には体重移動距離fは0 mである一方で、ランニング時には速度が大きいほど、体重移動距離fも長くなりました。5.0 m/sにおいては0.055 mとなりました。一方でオフセットについては、ランニング時には-0.005 mが最適値ですが、ウォーキング時には前方にずれた方が最適という結論になりました。体重移動距離fを考慮することで、ウォーキングとランニングの対照がさらに明白となりました。ただし、両者の違いは速度の変化に応じて自然発生的に表れるものです。シミュレーションのプログラムは全く変えていないということをもう一度、述べておきます。
スイッチング後の調整
総合すると、スイッチング領域の後、3.1 m/sまではランニングではあるけれども、何かしらの不合理があるランニングであるのだと考えます。速度を増加させていく中で当然に予測される傾向と逆の傾向が見られるのです。この調整がある段階では、仕事量もより速い速度でランニングしているときよりも多いという矛盾を示します。逆に言えば、3.1 m/sよりも高速の領域においては、速度増加に対する傾向が以下の通り、単調かつ理解可能です。
速度が増加するにつれて
- 脚の入替の仕事W2は、ストライドが拡大しピッチが減少するため、緩やかに減少する。
- W1の垂直成分は、一歩の上下動は大きくなるが、ストライドも拡大するため、あまり変わらない。
- W1の水平成分は、増加する空気抵抗に打ち勝つため増加して行く。
- 最大の仕事率Pmaxは、転倒を回避するために増加して行く。
体重：60 ㎏
片脚の質量：10 ㎏
| 平均の速度V / [m/s] | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 2.6 | 2.7 | 2.8 | 2.9 | 3.0 | 3.1 | 3.5 | 4.0 | 5.0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 体重移動距離 / m | 0 | 0.005 | 0.01 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.025 | 0.035 | 0.055 |
| オフセット / m | -0.26 | -0.24 | -0.18 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 | -0.005 |
| 離地時の身体の傾きθ'2 / ° | 16.9 | 17.6 | 18.7 | 9.6 | 10.1 | 10.6 | 11.2 | 11.7 | 12.3 | 15.3 | 19.7 | 29.0 |
| 接地時の重心の高さh0 / m | 0.949 | 0.952 | 0.947 | 0.986 | 0.985 | 0.983 | 0.981 | 0.979 | 0.977 | 0.965 | 0.942 | 0.875 |
| 離地時の重心の高さh1 / m | 0.949 | 0.954 | 0.956 | 1.005 | 1.004 | 1.002 | 1.000 | 0.998 | 0.996 | 0.988 | 0.973 | 0.921 |
| 重心の高さの最大値hmax / m | 0.949 | 0.954 | 0.956 | 1.009 | 1.007 | 1.005 | 1.004 | 1.001 | 0.999 | 0.992 | 0.979 | 0.929 |
| ストライド / m | 0.557 | 0.590 | 0.634 | 0.443 | 0.460 | 0.477 | 0.495 | 0.512 | 0.530 | 0.661 | 0.876 | 1.312 |
| ピッチ / [歩/min] | 152 | 197 | 233 | 352 | 352 | 352 | 352 | 352 | 351 | 318 | 274 | 229 |
| サイクル / s | 0.395 | 0.305 | 0.258 | 0.170 | 0.170 | 0.170 | 0.171 | 0.171 | 0.171 | 0.189 | 0.219 | 0.262 |
| 接地時間 / s | 0.390 | 0.285 | 0.211 | 0.075 | 0.076 | 0.076 | 0.077 | 0.078 | 0.078 | 0.086 | 0.097 | 0.115 |
| 滞空時間 / s | 0.005 | 0.021 | 0.047 | 0.095 | 0.095 | 0.094 | 0.094 | 0.093 | 0.093 | 0.103 | 0.122 | 0.148 |
| 重心の移動の仕事W1 / [kJ/km] | 88.2 | 97.7 | 117.9 | 132.7 | 129.3 | 126.2 | 123.4 | 121.0 | 118.9 | 125.0 | 138.8 | 161.4 |
| W1の水平成分 / [kJ/km] | 87.3 | 90.7 | 90.1 | 21.7 | 23.1 | 24.6 | 26.1 | 27.8 | 29.4 | 36.7 | 47.0 | 71.7 |
| W1の垂直成分 / [kJ/km] | 0.9 | 7.0 | 27.8 | 111.0 | 106.2 | 101.6 | 97.3 | 93.2 | 89.5 | 88.3 | 91.8 | 89.7 |
| 脚の入替の仕事W2 / [kJ/km] | 80.5 | 101.7 | 109.8 | 111.2 | 112.5 | 113.9 | 115.4 | 117.1 | 118.9 | 112.9 | 103.3 | 98.4 |
| 全体の仕事W / [kJ/km] | 168.8 | 199.4 | 227.7 | 243.9 | 241.7 | 240.0 | 238.8 | 238.1 | 237.8 | 237.9 | 242.1 | 259.8 |
| 速度の最大値Vmax / [m/s] | 1.593 | 2.079 | 2.573 | 2.624 | 2.723 | 2.824 | 2.926 | 3.027 | 3.129 | 3.540 | 4.061 | 5.114 |
| 速度の最小値Vmin / [m/s] | 1.318 | 1.856 | 2.384 | 2.587 | 2.683 | 2.782 | 2.881 | 2.980 | 3.079 | 3.472 | 3.958 | 4.923 |
| 最大の仕事率Pmax / kW | 1 | 7 | 25 | 81 | 101 | 99 | 97 | 96 | 94 | 106 | 128 | 160 |
“体重移動で何が変わるのか？ウォーキングとランニングの違いを再確認” に対して1件のコメントがあります。