私が衝撃力について最初に考えたのは、ハーバード大学の裸足ランニングの進化生物学者であるダニエル・リーバーマン氏でした。 2010年、彼と彼の同僚は、靴を履いているランナーと履いていないランナーが、かかとや前足で着地したときに地面に足がぶつかる「衝突力」を比較した、非常に影響力のある研究をNatureに発表しました。
Journal of Applied Physiologyに掲載された新しい研究は、Peter Weyand氏の元博士課程の学生であるAndrew Udofa氏、Ken Clark氏（現在はWest Chester大学に在籍）、物理学者のLaurence Ryan氏が率いる、Southern Methodist大学のバイオメカニクスグループによるものです。 彼らは、走力曲線からわかることを再考することで、シューズのクッション性の役割に関する長年の謎を解き明かし、どのシューズが自分に最適なのかをわかりやすく個別に検証する方法を提供できる可能性があります。
数十万円もする高級な力測定用のトレッドミルや地面に設置されたフォースプレートの上を走ってもらうと、ランナーが一歩踏み出すたびに地面に垂直方向にどれだけの力を加えているか (逆に言えば、アイザック・ニュートンが考えたように、地面があなたの体にどれだけの力を送っているか) を示す特性曲線が得られます。
注目すべきポイントは、カーブの左側にある小さなトゲです。 これは、体の残りの部分の力が地面に押し付けられる一瞬前に、かかとが地面に叩きつけられているのです。 バイオメカニストの間では、ケガのしやすさを決めるのは、力の大きさ（最大で体重の約2.4倍）ではなく、力を加える速さ（別称：荷重率）であるという考え方が主流です。 ヒールストライクのミニスパイクのおかげで、この写真の力は非常に急に上昇しており、これは悪いことだと思われます。
では、前足で着地したときの力の様子を比較してみましょう。
小さなトゲがなくなった！？ つまり、負荷率が低くなり、ケガをしにくくなります。
実際には、新しい研究によると、小さなスパイクはまだ存在しており、大きなスパイクによって見えなくなっているだけです。 2014年、Weyand、Clark、Ryanの3人は、このような種類の力の曲線が異なる条件でどのように変化するかを説明するために、「2マスモデル」と呼ばれるものを提案しました。 このモデルでは、力の曲線は常に2つの異なる要素で構成されています。1つは、足と下肢が地面に衝突してほとんど停止した時に対応する小さなスパイク、もう1つは、体の残りの部分が上下運動の最下点に達した時に対応する大きくて遅いスパイクです。 全体的な力は、単純にこの2つのスパイクの合計になります。
以下のようになります。
ここで紹介したカーブは、リーバーマンのヒールストライクカーブによく似ています。 しかし、2017年の研究で、SMUのグループは、世界トップクラスのスプリンターを見ると、前足で着地しているにもかかわらず、非常に似たダブルピークが得られることを示しました。 これは、ミニスパイクが、足のどの部分が最初に地面に触れるかという機能ではないことを示す重要な手がかりとなりました。
今回の研究では、8人のボランティアが、裸足、ミニマリスト（Vibram FiveFinger KSO）、薄底のレーシングシューズ（Nike Zoom Waffle Racer VII）、厚底のランニングシューズ（Asics Gel Cumulus-14）の4種類の靴を履いたときの力のデータを比較しました。
以下は、2つの速度（1マイルあたり約6:40と1マイルあたり約3:50）で、下肢に関連するミニスパイク（J1）と、両方のスパイクを合計した全体的な力の両方を示したデータの様子です。 縦軸は先ほどと同様に体重で表した力、横軸は秒単位の時間です。
まず注目していただきたいのは、各速度において、全体の力の曲線の立ち上がりの傾き（負荷率）は、どの条件でもほぼ同じであるということです。 しかし、下肢成分 (J1) は変化します。クッション性が高いほど、そのピークは急で高くなります。
今回の結果が示唆しているのは、人間は全体の負荷率がほぼ同じになるように、バイオメカニクスを自動的に調整するようにできているということです。 今回の研究では、ランナーは足の踏み出し角度を調整して、J1インパクトの時間をコントロールしました。 裸足では、前足部で着地することで、着地を長く、柔らかくし、ふくらはぎの筋肉とアキレス腱が衝撃吸収材の役割を果たします。
ここで重要なのは、その衝撃のピークのタイミングです。 最初のピークを十分に遅らせれば、Liebermanの2010年のデータのように、実質的にメインのピークの中に消えてしまいます。 しかし、そのピークを遅らせることで、体の他の部分からのゆっくりとした力の成分がより大きくなった時点で発生することになります。
生物力学的な話になってしまいましたが、これが何を意味するのかを考えてみましょう。 最大の実用的な洞察は、SMUの新しいデータセットでは、靴を変えただけでは、負荷率は大きく変わりません。 靴のクッション性が衝撃を和らげるか、着地の際にふくらはぎやアキレス腱からクッション性を得るように調整するか、どちらかです。
だからと言って、このシステムが絶対に安全というわけではありません。 裸足で走りに出て、かかとで着地した場合、それは靴を履いて走ってきた経験から慣れているからか、あるいはリーバーマンの実験のように研究室の人に言われたからか、どちらにしても保護メカニズム (靴のクッション性やフォアフット ストライク) がオンになっていないため、非常に高い負荷率を発生させることになります。
逆に、ずっとヒールストライクだったのに、急にフォアフットストライクに切り替えると、ふくらはぎが衝撃吸収の役割を担うことになり、慣れないストレスがかかることになります。 “
Weyand氏は、一般化することに躊躇しているのも無理はありません。 今回の研究は、数人のボランティアが非常に特殊な条件で高速に走っただけの小さな研究です。
非常に重要なのは、2マスモデルがシンプルであることから、衝撃力や負荷率を評価するために、法外に高価な力測定用のトレッドミルが不要になるということです。 その代わりに必要なのは、下肢が地面に当たったときの速度、足が地面についている時間、一歩にかかる時間です。 これらのパラメータは、高速度ビデオカメラで得ることができますし、最近では、脚に取り付けた小型の加速度計でも得ることができます。 それらを2マスモデルの方程式に入力すると、力の曲線が表示されます。
長距離ランナーにとっての目標は、おそらく衝撃力を最小化することでしょう。 しかし、スプリントの場合はその逆であることに注目してください。 人がより速く走るためには、主に地面を強く叩くことであり、地面に力を加えることができれば、より速く走ることができます。 “この点において、「衝撃と負荷率を最小限に抑えることは、スピードを上げることと真っ向から対立する」とWeyand氏は指摘します。
Liebermanの最初の結果から10年間で学んだことが1つあるとすれば、研究室で力の曲線を見て、それが怪我やレースタイムなどの実世界の結果にどのように反映されるかを理解していると思い込むことには注意が必要だということです。 それは、今回のSMUのデータにも当てはまります。 しかし、このモデルは、バイオメカニクスを希薄な実験室環境から現実の世界に持ち出すことと、新たに登場したウェアラブル技術によって生成されたパーソナライズされたデータから有用な知見を抽出するという、2つの非常に最近の問題を解決する可能性を秘めています。
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