高速ランニングフォームの研究で分かったこと(5)スピード能力3要素

黒月樹人(KULOTSUKI Kinohito @ 9621 ANALYSIS)

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 はじめに

 スプリントランニングにおいて速く走るためには、どのようなことに注意してゆけばよいのかということが、高速ランニングフォームの研究における中心的なテーマでした。そのことに対して、これまでに分かってきたこと、気がついてきたことなどを、一つずつ順に説明します。

 身体重心直下を真下へとキックするガンマクランクキック

 地面を後方へと押せば、その反作用で前方へと進むはずと考えるのは、ごく自然なことでした。確かに、スタートダッシュのときには、そのようなメカニズムが作用しています。しかし、世界の一流スプリンターは、このようなメカニズムで走っているのではないらしいということが、少しずつ明らかになってきました。メカニズムそのものについて分かるのは、ずうっと後からのこととなりますが、どのようなことを意識すれば世界の一流スプリンターのフォーム(高速ランニングフォーム)に近づくことができるのかということは、比較的早くから知られていました。そのコツとは、身体重心直下を真下へとキックするということです。

図1 ガトリン選手のガンマクランクキックのフォーム

 ランニングフォームのキック局面において、スピードが最も大きくなるキックポイントを見出せるようにして、そのキックポイントにおけるキック脚の、太ももとすね(脛)の姿勢角を調べ、それらの組み合わせにより、ランニングフォームを分類したところ、世界の一流スプリンターのフォーム(高速ランニングフォーム)は、おおよそガンマクランクキックであり、まれにベータクランクキックとして現れることもある、ということが分かりました。
 このような、ベータクランクキックやガンマクランクキックが力学的な合理性をもっていて、より大きな水平速度を生み出しやすいということが、少しずつ分かってきました。実際に、これらのフォームを目指して走ってみると、無駄なエネルギーを使っていない感じがしますし、ランニングスピードも大きくなって、速く走れるようになったと実感することができます。
 ベータクランクキックとガンマクランクキックとでは、ベータクランクキックのほうが理論的には優れたものですが、多くのランナーについて調べてみると、ガンマクランクキックのほうで、より大きなスピードを生み出しています。これは、ベータクランクキックとガンマクランクキックとでは、地面に対して力をやりとりする時間が異なり、より接地時間が短いベータクランクキックは、そのために、より難しいものとなっているからだと思われます。
 ベータクランクキックとガンマクランクキックの効果は、あまり違わないので、比較的マスターしやすいガンマクランクキックを目指してトレーニングし、筋力などの能力が高まったとき、自然とベータクランクキックが現れるようにすればよいでしょう。

 スウィング脚のピッチアップ効果

 スウィング脚を意図的に速く動かそうとするとスピードが高まります。このにとき、ピッチが速くなったと感じられます。しかし、速くなったのは、キックと合わせてスウィング脚を引き出すときの動きだのことが多く、キック局面が終わって離陸したあとのところで、余裕をもってゆっくり動くことになるので、全体としてのピッチは、あまり急激に変化するわけではありません。しかし、ランニングスピードを高めるために役立つのは、地面に接地しているときのキック局面においてですから、このときにスウィング脚を速く動かそうとすることは、スウィング脚の動きだけにとどまらず、全体的な動きを良くすることへとつながります。

 キックとスウィングのタイミングをシンクロさせる

 ジャスティン・ガトリン選手のガンマクランクキックのフォームを分析すると、キック脚とスウィング脚の出力のピークが見事に一致していました。他の選手においては、このようになっていないこともあります。地面を後方に押さなれば加速できないと考えているためでしょうか、スウィング脚のピークが遅れているケースがあります。キック脚のほうではガンマクランクキックのタイミングなのに、スウィング脚のほうはデルタクランクキックやピストンキックを目指しているのです。これでは、加速効果がうまく働きません。

 キック脚の筋肉や腱における伸張反射の利用

 身体重心直下を真下にキックするというコツだけを目指して高速ランニングフォームをなぞろうとしていたとき、それまでのフォームに比べ、走ることが楽に思えることが、ひとつの驚きでした。やがて、このことは、それまでのフォームにおいては、エネルギーを使って筋肉を収縮させることによって生じる力を利用していたのに対して、高速ランニングフォームにおいては、筋肉や腱が伸ばされたあと伸張反射によって収縮するという現象を利用しているからだとうことが分かってきました。筋肉や腱がもともともっている弾力(バネ)を利用しているのですから、筋肉細胞内のATPなどとは無縁なものとなるわけです。もちろん、これらのことは理論的なものですから、実際は、これらのことが組み合わさっていると考えられます。
 このような伸張反射によるメカニズムを積極的に利用するためにはどのようにすればよいのかということを考えると、より強い力で積極的に地面を蹴るというテクニックへと進むこととなりました。もちろん、そのときに利用できる筋肉や腱のバネを、あらかじめ強化しておく必要があります。

 より強いキック動作を生み出す空手パワーキックと弓型ハンマーキック

 高速ランニングフォームというものを、自分の身体を使ってなぞろうとしていたとき、身体重心の高さをどのようにするのということを考えて、いろいろな重心高のフォームを試していたことがあります。
 少し高めに跳ぶようにしたほうがストライドも伸びるし、落下の位置エネルギーを利用して、強くキックすることもできる。しかし、高く跳ぶには、それなりにエネルギーをたくさん使うことにもなる。
 このように考えてもいましたが、重心の低いランニングフォームを否定できる根拠もありませんでした。確か、1972年のミュンヘンと1980年のモスクワの2つのオリンピックにおいて100mと200mで優勝した、ボルゾフ選手(ソビエト連邦)の自伝に、速く走るためには、少し低い重心で走らなければならないということが書かれていました。適度な重心高を見出すために、ボルゾフ選手は潜水のときに用いる重りのついたベルトを腰につけて走るトレーニングをしたそうです。
 もうひとつ、このページの図1にある、ガトリン選手のランニングフォームも、かなり重心高が低いものです。私の分類上、中腰ガンマクランクキックとなるわけです。ところが私は、ガンマクランクキックでは走れるのでしたが、なかなか中腰とはならず、いつも腰高のままだったのです。
 もっと低い重心高で走りながら、強いキックを行って、キック脚の筋肉や腱における伸張反射を利用し、より強いバネを利用できないかと思い悩んでいました。そして、気がついたのが「空手の突きやキック」でした。空手の突きやキックでは、板などを割るとき、その板のすぐ近くでだけ素早く動いて、とても大きなパワーを生み出します。このような動きをランニングにおいて取り込めば、低い重心高の中腰ガンマクランクキックでも、瞬間的に大きな力を生み出し、筋肉や腱の伸張反射を、強く速いレベルで利用することができるはずです。
 まるで、これからスパイクで踏みしめようとするオールウェザートラックの上に、空手で割るべき(仮想の)板があると思い描いて、地面に接地する、ほんの瞬間にすばやくキック脚を動かして、大きなパワーを生み出すのです。このような動作を意識しやすいものとするため、空手パワーキックという名前をつけることにしました。
 この空手パワーキックに対して、弓型ハンマーキックと名づけたテクニックは、前に引きだしたスウィング脚が、キック脚と名前を変えて、下方へと動こうとするとき、まるで地面に打ち込むべき(仮想の)杭があるかのようにイメージして、キック脚を振りおろそうとするものです。以前は単なるハンマーキックだったのですが、キック脚の膝を伸ばして振りおろそうとすると、どうしても腰高フォームになってしまいます。キック脚の膝を少し曲げておき、キック脚を「弓」の形としてイメージしておくと、キック時に膝へと乗る動きがやりやすくなって、中腰フォームを生み出しやすくなるのです。
 空手パワーキックは、ランナー本人以外には分かりにくく、こっそりとやってしまえますが、弓型ハンマーキックのほうは、速い動きが見え見えになり、エネルギーもけっこう使います。しかし、何か隠しておく理由があるわけでもありません。速く走るためには、ここでやっておくべきだと思ったら、どんどん行うとよいでしょう。
 あるとき私は、高速ランニングフォームを指導するときがあって、身体重心直下を真下に踏むガンマクランクキックのフォームを見せてなぞらせたあと、学習のためのフロートをいっしょに行うとき、後半で、この空手パワーキックをやるように指示しました。そのトレーニングをやっているとき、「これは前半からやってもいいのですか」と質問されました。「もちろん、やってもよいのです」と答えて、自分自身気がつかなかったことを確認させてもらいました。
 この後私は、前半の、とくにスタートダッシュにおいて空手パワーキックを組みこむようにトレーニングすることにして、さらにスピードアップできるということを知りました。
 私は、このような動作に空手パワーキック弓型ハンマーキックという言葉をつけて、はっきりと意識できるようにしようとしていますが、おそらく、これまで、速く走ることができているスプリンターたちは、このようなコツがあるということを経験的に知っているから、実際に速く走れているのだと思われます。

 キック軸に沿ったバネとしてのキック軸加速度比aGO/g

 図2に示したように、ランナーの全重心Gとキック足支点Oを結ぶ線GOキック軸とします。ランニングにおけるキック局面で、このキック軸GOは、接地時に少し短くなりますが、その後長くなってゆきます。そのような長さにおける変化をキック軸速度dGOと名づけ、図3に示したようなグラフとして表わすことにしました。dGOの縦軸の原点は(0)としてあります。濃い黄色は負値で、水色が正値を意味しています。縦の点線がキックポイント位置で、そのときのdGOの値は+1.29 [m/s] となっています。このキック軸速度dGOの時間変化から、キック軸加速度aGOを求めますが、これを重力加速度g(=9.80[m/s2])で割った、キック軸加速度比aGO/gとして、実線で表示してあります。キックポイント位置での値はKP=7.1ですが、それよりも、この実線のピーク位置での値Max=7.8のほうに着目しています。この7.8というのは、キック軸に沿った向きに、体重の7.8倍の力が作用したということを意味しています。


図2 キック軸(GO)


図3 キック軸速度dGOやキック軸加速度比aGO/gのグラフ
dGはランナーの全重心水平速度

 このような、体重の7.8倍もの力がスプリントランニングにおいて作用しているというのは驚きでした。走高跳や走幅跳の踏切で、そのような大きさの力が生み出されているということは、かなり以前から知られていたと思いますが、水平に移動しているだけのランニングにおいて、体重の何倍もの力が生み出されているのです。
 図3の解析は桐生祥英選手(2012年)のランニングフォームによるものです。いつもこのような大きさの出力となっているのではないようです。
 他に、色々なランナーのフォームについても調べましたが、山縣亮太選手の中間疾走のランニングフォームでは、キック軸加速度比aGO/gはMax=6 くらいでした。軽く走っている、フロートなどのランニングフォームでは、もっと小さな値となっています。ゲイ選手のスタートダッシュのフォームでは8倍くらいの値が生み出されています。
 このキック軸加速度比aGO/gの値に、一流スプリンターと、他の平凡なランナーとの違いがあるのかもしれません。それでは、大きなキック軸加速度比aGO/gを生み出すにはどのようにすればよいのか、このように思って、試しに、上記の空手パワーキック弓型ハンマーキックを自分でやってみて、そのランニングフォームをビデオで撮影してもらって解析したところ、キック軸加速度比aGO/gが6くらいの値は生み出せるということが分かりました。
 しかし、大きなキック軸加速度比aGO/gとなるような、強いキック動作をすることはできるのですが、それだけで、ストレートにランニングスピードが大きくなるというわけにはいかなかったのです。スプリントランニングのメカニズムというものは、思った以上に複雑なもののようです。まだまだ分かっていないことがあるということです。

 スピード能力3要素(dT-dK, dK, dS-dB)と全スピードdGとの関係

 図4は「ランナーの身体各部の重心の求め方」を示したものです。@のフォームに対して、あらかじめ仮想ロボットモデルに設定してある36個の小重心を表示したものがAです。これらの座標位置から、対応する部分の、x座標平均とy座標平均をそれぞれ計算して、Bに示した、身体各部の重心位置を決めることができます。ここに示した記号は、T(頭部や両腕を含めた上半身)、B(キック棒、上半身とキック脚を合わせて棒のように見たてたもの)、G(全身)、S(スウィング脚)、K(キック脚)です。


図4 ランナーの身体各部の重心の求め方

 図5は身体各部の水平速度(各重心の記号の前にdを付けて表示したもの)を例示したものです。また、図6は、全身の質量を4mとしたときの、各部分の質量を示したものです。片脚ずつがmで、上半身を2mとしてあるので、キック棒は3mとなります。


図5 身体各部の水平速度


図6 身体各部の質量

 身体各部の質量比を考慮し、運動量の保存則を適用すると、次の図7の(左)と(中)に示したような対応を考えることができます。
 (左)はdTとdKからdBが決まる様子です。dTの上半身の質量が2mで、dKのキック脚の質量がmなので、dTとdKの間を3等分して、dTとdBの距離が1で、dBとdKの距離が2となるような位置のところにdBが決まります。
 (中)はdBとdSからdGが決まる様子です。dBのキック棒の質量が3mで、dSのスウィング脚の質量がmなので、dBとdGの距離と、dGとdSの距離の比は、1対3となります。


図7 身体各部の水平速度の関係とスピード能力3要素

 図3に示したグラフに、これらの、身体各部の水平速度をプロットしていましたが、いつも大きな値となるのがスウィング脚の水平速度dSです。しかし、これは、ベースとなる、全体のスピードが含まれていることによる、見かけ上の大きさです。もう少しげんみつに考えると、スウィング脚は、全体からスウィング脚を取り除いたキック棒に、腰のところでつながって動いていますから、ランナーの感覚として、スウィング脚の動きを判断するとしたら、dSではなく、dS-dBの値のほうが対応しているはずです。
 このような考えを推し進めて、上半身の水平速度dTも、キック脚の上に乗っているのだから、dT-dKという値を考えたほうがよいでしょう。
 すると、これらとは独立したものとして、キック脚の水平速度dKが残ります。
 運動量の保存則により、図7の(左)と(中)の関係から、次の2式が成立します。
   2mdT + mdK = 3mdB    (式1)
   3mdB + mdS = 4mdG    (式2)
 これらの各辺をmで割ってmを取り除いておくことができます。
 dT-dKについて、式1を次のように変えます。
   (2/3)(dT-dK) + dK = dB    (式3)
 dS-dBについて、式2を次のように変えます。
   4dB + (dS-dB) = 4dG
   dB + (1/4)(dS-dB) = dG    (式4)
 式3のdBを式4へと代入します。
   (2/3)(dT-dK) + dK + (1/4)(dS-dB) = dG
 このようにして次の関係式を見出しました [1]。pとqは係数です。
   dG = p(dT-dK) + dK + q(dS-dB) , p=2/3, q=1/4
 この式をスピード能力3要素寄与式と呼びます。

 スピード能力3要素寄与式の意味は、ランナーの全体の水平速度dGというものが、独立した3つの成分速度によって構成されるということです。このとき、3つの成分dT-dK, dK, dS-dBには、順に、p=2/3, 1, q=1/4という係数を掛けて見積もる必要があります。つまり、これらの係数が、速度値の「重み」として評価されなければならないということです。
 次の図8に、具体的なランニングフォームにおける水平速度を示しました。キックポイントでの値としてdT-dK=4.60 [m/s] , dK=6.0 [m/s] , dS-dB=4.38 [m/s] となっています。これらをスピード能力3要素寄与式に代入すると、次のようになります。
   dG = (2/3)×4.60 + 6.0 + (1/4)×4.38 
     = 3.1 + 6.0 + 1.1
     = 10.2
 観測値としてはdG=10.3 [m/s] でした。ほぼ当たっています。
 3.1と6.0と1.1を、それぞれ10.2で割ると、寄与率が得られます。
 dT-dK → 30 [%] , dK → 59 [%] , dS-dB → 11 [%]
 多くのランニングフォームにおいて、おおよそ、このようなパーセンテージに落ち着くようです。スピード能力3要素で最も影響力の大きいのは、キック脚(重心)の水平速度で、およそ60パーセント、その次がdT-dK(ヒップドライブ速度)で30パーセント、最後にdS-dB(相対スウィング速度)の10パーセントが残ります。これらの寄与率が分かったからには、スプリントトレーニングの比重も、これらの大きさ順に考えてゆくべきだということになります。つまり、いっしょうけんめいスウィング脚の動きを磨き上げていても、キック脚によるdKやヒップドライブ速度としてのdT-dKのことを忘れていると、あまりスピードは高められないのです。


図8 身体各部の水平速度とスピード能力3要素のグラフ

 ヒップドライブ効果(体幹パワー, 腰を入れる)

 スピード能力3要素として、ヒップドライブ dT-dK , キック脚 dK , 相対スウィング dS-dB を分離しました。実は、このような解析を行ってから、dT-dKに対して「ヒップドライブ」という名前をつけたのです。そのあとで気がついてみると、この能力は、以前から、「腰を入れる」と表現されていたことだと思い至りました。ハードルを越えて着地するときのキックフォームで、「もっと腰を入れる」ということを、たびたび指摘してきたことを思い出します。低鉄棒を両手で握って、スウィング脚でリードしつつ腰を入れる動作を補強としてやらせていたこともありました。しかし、そのような動作が、ランニグフォームにおいて重要な要素となっていたことについては、ほとんど意識してこなかったかもしれません。
 図9はさまざまなスピードレベルのキックフォームです。100mでA→13秒台、B→12秒台、C→11秒台、D→10秒台となっています。これらの4つのキックフォームで何が違うかというと、腰の位置が、速い選手ほど前方へと大きく動いているということでしょう。この動きがスピード能力の1つの要素だったのです。


図9 さまざまなスピードレベルのキックフォーム
(100mでA→13秒台、B→12秒台、C→11秒台、D→10秒台)

 キックの出力を体幹から生み出すということが、トレーニングの課題としてたびたび取り上げられています。このような体幹パワーの意味は、ヒップドライブ能力へとつながっていたようです。
 古い話ですが、1964年の東京オリンピックの100mで優勝したボブ・ヘイズ(Bob Heyes)は、一回ずつのキックで頭を前後に振っているように見え、当時中学生だった私は、そのようなランニングフォームを真似れば速く走れるかと思って試してみたのですが、まったく出来ませんでした。2012年になって、ヘイズのフォームを思い出し、一回ずつのキックで背中に力を込めるということをやってみたところ、なんとか出来そうでした。しかし、それほど速く走れるようになったとは思えませんでした。なぜかというと、ランニングフォームとしての要素のことが何も分かっていなかったからです。ボブ・ヘイズが上半身を前後に揺らすような動きをしていたのは、ヒップドライブとしての、腰の突き出しをやっていたということなのです。おそらく私は、腰を突き出すという目的を知らずに、背中を反らせるということだけをやっていたのでしょう。もの真似にはなっていても、力学的な本質をなぞらなければ、速くは走れないということです。

 スピード能力3要素についての研究は、まだまだ続きますが、このページについては、このあたりで終わっておきます。
 (Written by KULOTSUKI Kinohito, May 6, 2013)

 参照資料

[1] 高速ランニングフォームについてのエピソード(31)
スピード能力3要素のランニングスピードに対する寄与率の式
(速く走るためにはどのような能力を伸ばすべきか)


 

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