跳びすぎ注意報：ストライドを広げると本当に速くなるのか？！
最近はシミュレーションに関する記事を書いていませんでしたが、自分の中では「筋肉走りをシミュレートできていない」という課題がずっと残っていました。今回、その問題に対して1つの考え方に基づく新しいアプローチを試してみました。
これまで行ってきた重力走りのシミュレーションでは、さまざまな条件を付加しつつも、最終的には「仕事を最小化すること」を大方針としていました。体重移動を加えても、着地位置を変えても、仕事の最小化という基準により、結果は一意に収束していました。しかし、この方法では筋肉走りを表現することができません。無駄の付け加え方は無数にあり、無駄のある走りを再現しようとしても結果が収束しないためです。そこで、無駄の一例として筋出力を過剰に設定してみたこともありましたが、それでも計算方針は仕事の最小化のままでした。
そこで今回は、この大方針そのものを見直すことにしました。そもそも多くの人々はランニングを「跳躍の連続」として理解しています。その視点に立つと、走りながら仕事を最小化するのではなく、「発揮できる仕事の範囲内で跳躍を繰り返す」という考え方が自然です。このとき、人は「1歩でできるだけ遠くへ進む」ことを良しとするのではないでしょうか。この仮説に基づき、シミュレーションの最適化基準を仕事の最小化から「ストライドの最大化」へと切り替えてみました。
シミュレーション方法
まず、発揮できる仕事量を決める必要があります。今回は重力ランニングと同じ値に固定しました。そのうえで、この仕事量の範囲内でストライドを最大化するように指示しました。体重移動は0.03 mで固定し、オフセットは計算過程で自動調整されます。重力ランニングの4.0、4.5、5.0 m/s の結果を基準に、同等の仕事量でストライド最大化を行い、ランニングがどのように変化するかを検証しました。
結果
身体の重心と接地点の上限値H：1.1 m体重：60 ㎏
片脚の質量：10 ㎏
体重移動距離：0.03 m
| 4.0 m/s | 4.5 m/s | 5.0 m/s | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 項目 | 重力ラン | ストライド最大化 | 変化率/% | 重力ラン | ストライド最大化 | 変化率/% | 重力ラン | ストライド最大化 | 変化率/% |
| 平均の速度V / [m/s] | 4.00 | 3.87 | -3 | 4.50 | 4.27 | -5 | 5.00 | 4.68 | -6 |
| 速度の最大値Vmax / [m/s] | 4.07 | 3.95 | -3 | 4.60 | 4.38 | -5 | 5.13 | 4.83 | -6 |
| 速度の最小値Vmin / [m/s] | 3.94 | 3.81 | -3 | 4.42 | 4.18 | -5 | 4.89 | 4.55 | -7 |
| オフセット / m | -0.009 | -0.014 | +57 | -0.009 | -0.013 | +52 | -0.009 | -0.013 | +52 |
| ストライド / m | 1.06 | 1.15 | +8 | 1.31 | 1.46 | +11 | 1.61 | 1.82 | +13 |
| サイクル / s | 0.265 | 0.296 | +12 | 0.291 | 0.342 | +17 | 0.322 | 0.390 | +21 |
| ピッチ / [歩/min] | 226 | 202 | -11 | 206 | 175 | -15 | 187 | 154 | -17 |
| 接地時間 / s | 0.102 | 0.109 | +7 | 0.111 | 0.118 | +7 | 0.119 | 0.126 | +6 |
| 滞空時間 / s | 0.163 | 0.187 | +15 | 0.181 | 0.224 | +24 | 0.203 | 0.263 | +30 |
| 重心の高さの最大値hmax / m | 1.156 | 1.156 | +0 | 1.121 | 1.127 | +1 | 1.074 | 1.079 | +0 |
| 重心の高さの最小値hmin / m | 1.094 | 1.076 | -2 | 1.045 | 1.016 | -3 | 0.980 | 0.931 | -5 |
| 重心の上下動距離 / m | 0.063 | 0.081 | +28 | 0.076 | 0.111 | +45 | 0.095 | 0.148 | +57 |
| W1の水平成分 / [kJ/km] | 45.1 | 42.9 | -5 | 56.9 | 51.7 | -9 | 70.2 | 61.9 | -12 |
| W1の垂直成分 / [kJ/km] | 70.3 | 83.3 | +19 | 69.2 | 90.4 | +31 | 70.1 | 96.7 | +38 |
| 重心の移動の仕事W1 / [kJ/km] | 115.3 | 126.2 | +9 | 126.2 | 142.1 | +13 | 140.2 | 158.7 | +13 |
| 脚の入替の仕事W2 / [kJ/km] | 82.0 | 71.2 | -13 | 80.0 | 64.1 | -20 | 77.3 | 58.8 | -24 |
| 全体の仕事W / [kJ/km] | 197.3 | 197.4 | +0 | 206.2 | 206.2 | +0 | 217.5 | 217.5 | +0 |
| 最大の力Fmax / N | 7039 | 8049 | +14 | 7683 | 9480 | +23 | 8619 | 11242 | +30 |
まず当然の結果として、ストライドが拡大しました。その副作用としてピッチは減少し、滞空時間が長くなるのは自然ですが、接地時間も増加しました。遠くに跳ぶためには、地面を押す時間が長くなるためです。
仕事量は同じでも、脚への負担は大きくなります。最大の力Fが増加するためで、+14%〜+30%の増加率となりました。速度が大きくなるほど増加率も大きくなる傾向があります。一歩が大きくなり歩数が減るため、見かけ上の仕事量は変わりませんが、瞬間的に強い力を発揮する必要が生じるのです。
仕事量を一定としたため、ランニング効率の指標は平均速度Vとなります。この平均速度は-3%〜-6%減少しました。速度が大きいほど減少率の絶対値も大きくなります。実際のレースであれば、これは明確に有意な差です。
考察
では、今回のシミュレーションが「滅茶苦茶な走り」をさせているのかと言えば、そうではありません。一定のエネルギー消費の枠内で「ストライドを最大化しよう」「一歩で遠くへ進もう」としているだけです。そのため、接地はほぼ身体重心の直下で行われています。よくある「前方に着地してブレーキをかける」という現象は起こっていません。効率の良い着地からの跳躍を繰り返していると言えるでしょう。
ピッチを見ても、現実的な値に収まっています。ランニングを連続跳躍とみなしたときに起こり得る数字であり、実際にそう考えて走っている人は多いように感じます。私が走っているときに見かける光景として、速度が小さい人でもピッチは私より明らかに少ないことが多いのです。つまり、ストライドが小さく、ピッチも小さい。これは「走る＝跳ねる＝地面を蹴る」という認識から来ているのだと思います。私自身も以前はそうでした。
今回のシミュレーション結果は、現実的な走りをよく表していると私は考えています。速度差が3〜6%であれば、競走としては明らかに差が出ますが、個人の資質によって逆転可能な範囲です。その程度であるならば、今回のシミュレーション結果は1つの走り方として十分に成立します。ゆえに、この走り方が一般的に普及しているのだと思います。
ただし、脚への負担を考慮すると事情は大きく変わってきます。最大の力Fの変化率は14〜30%であり、特に5 m/sで走った場合には、3割もの余分な力を瞬間的に発揮しなければなりません。仕事量は変わらないため、心肺への負担は前述の通り逆転可能な程度だとしても、脚への3割の負担増は無視できません。
この負担の差は2つの面で現れます。1つは長距離走です。5000 mや10000 mであれば、脚の疲労よりも最大酸素摂取量がパフォーマンスの決定要因となるでしょう。しかし、これがマラソンになると話は変わります。42.195 kmを走り切るまでに、脚が受けるダメージの程度は大きく違ってきます。
もう1つは回復力です。ダメージを押して走ることができるのは若いうちだけであり、若さとはすなわち回復力です。回復が速ければ、ダメージを前提としても走り続けることが可能です。しかし、私のように中年に差し掛かると、ダメージを受ける走り方は必ず故障につながり、いずれは走れなくなってしまいます。
もちろん、走る以上ダメージは避けられませんが、それを最小化することが「走り続けるための大前提」となります。その意味で、今回のストライド最大化という試みは、改めて重力ランニングの有用性を明らかにしてくれました。
