Tradeoffs between impact loading rate, vertical impulse and effective mass for walkers and heel strike runners wearing footwear of varying stiffness
February 2015Journal of Biomechanics 48(7)
DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.01.029
Abstract
Humans experience repetitive impact forces beneath the heel during walking and heel strike running that cause impact peaks characterized by high rates and magnitudes of loading. Impact peaks are caused by the exchange of momentum between the ground and a portion of the body that comes to a full stop (the effective mass) during the period of the impact peak. A number of factors can influence this exchange of momentum, including footwear stiffness. This study presents and tests an impulse-momentum model of impact mechanics which predicts that effective mass and vertical impulse is greater in walkers and heel strike runners wearing less stiff footwear. The model also predicts a tradeoff between impact loading rate and effective mass, and between impact loading rate and vertical impulse among individuals wearing footwear of varying stiffness. We tested this model using 19 human subjects walking and running in minimal footwear and in two experimental footpads. Subjects walked and ran on an instrumented treadmill and 3D kinematic data were collected. As predicted, both vertical impulse (walking: F(2,54)=52.0, p=2.6E-13; running: F(2,54)=25.2, p=1.8E-8) and effective mass (walking: F(2,54)=12.1, p=4.6E-5; running: F(2,54)=15.5, p=4.7E-6) increase in less stiff footwear. In addition, there is a significant inverse relationship between impact loading rate and vertical impulse (walking: r=-0.88, p<0.0001; running: r=-0.78, p<0.0001) and between impact loading rate and effective mass (walking: r=-0.88, p<0.0001; running: r=-0.82, p<0.0001). The tradeoff relationships documented here raise questions about how and in what ways the stiffness of footwear heels influence injury risk during human walking and running. 人間は、歩行中および踵のストライクランニング中にかかとの下で反復的な衝撃力を経験します。これは、高いレートと大きさの荷重によって特徴付けられる衝撃ピークを引き起こします。インパクトピークは、インパクトピークの期間中に地面と完全に停止する身体の一部（有効質量）との間の運動量の交換によって発生します。この運動量の交換には、履物の剛性など、いくつかの要因が影響します。この研究では、効果的な質量と垂直衝撃が歩行者とかかとの低い履物を履いているヒールストライクランナーで大きいことを予測する衝撃力学の衝撃-運動量モデルを提示してテストします。このモデルは、さまざまな剛性の履物を着用している個人間の衝撃負荷率と有効質量の間、および衝撃負荷率と垂直衝撃の間のトレードオフも予測します。このモデルは、最小の履物と2つの実験用フットパッドで歩いて走る19人の被験者を使用してテストされました。被験者は、インストルメント化されたトレッドミル上を歩いて走り、3D運動学的データが収集されました。予測どおり、垂直衝撃（歩行：F（2,54）= 52.0、p = 2.6E-13;ランニング：F（2,54）= 25.2、p = 1.8E-8）と有効質量（歩行：F （2,54）= 12.1、p = 4.6E-5;ランニング：F（2,54）= 15.5、p = 4.7E-6）固くない履物の増加。さらに、衝撃負荷率と垂直衝撃（歩行：r = -0.88、p <0.0001;ランニング：r = -0.78、p <0.0001）と衝撃負荷率と有効質量（歩行： r = -0.88、p <0.0001、実行中：r = -0.82、p <0.0001）。ここで文書化されたトレードオフの関係は、履物のかかとの硬さがどのように、どのようにして人間の歩行やランニング中の負傷リスクに影響するかという疑問を投げかけます。