体育学研究 58 135 149,2013 135 一流 110 m ハードル走選手のハードリング動作に関するバイオメカニクス的分析 角運動量保存則からの検討 柴山一仁 1) 藤井範久 2) 阿江通良 2) Kazuhito Shibayama 1, Norihisa Fujii 2 and Michiyoshi Ae 2 : Analysis of angular momentum during hurdling by world and Japanese elite sprint hurdlers. Japan J. Phys. Educ. Hlth. Sport Sci. 58: 135 149, June, 2013 Abstract The purpose of this study was to investigate the angular momentum characteristics of each limb during the airborne phase in sprint hurdlers. Twenty-nine world and Japanese top class 110-m hurdlers (height: 1.84±0.05 m, weight: 74.6±6.9 kg, race time: 13.77±0.45 s) participated. Motions at the 7th hurdle during o cial competitions were videotaped using two high-speed VTR cameras at 200, 250, or 300 Hz. The positions of 25 body landmarks and calibration marks in the projected images were digitized. We then calculated three-dimensional coordinates using a DLT method. The angular momentum of each segment in the global coordinate system was calculated using the method of Dapena (1978). The amount of change in the angular momentum of body groups during each phase, and the duration of each phase, were calculated together with the coe cients of correlation between the calculated values and average running velocity. The results are summarized as follows: (1) In the support phase for the takeoš leg, faster hurdlers had a large whole-body angular momentum about the transverse and longitudinal axes. (2) In the ˆrst half of the airborne phase, faster hurdlers needed a large angular momentum for the lead-leg about the transverse axis in order to raise the leg, and therefore compensated for it with a large counter-direction of angular momentum for the trail-leg. (3) In the second half of the airborne phase in faster hurdlers, a shorter time was taken to swing the lead-leg, with corresponding adjustment by the head and trunk. However, if hurdlers overemphasized the downward motion of the lead-leg, excessive backward and right or left leaning of the trunk appeared to occur upon landing. Consequently, it is suggested that hurdlers need to change the downward motion of their lead-leg in accordance with their running velocity. Key words three-dimensional motion analysis, compensation motion, downward motion of lead-leg キーワード 3 次元動作分析, 補償動作, リード脚の振り下ろし動作. 緒言 110 m ハードル走 ( 以下 110 mh 走 と表記 ) は,9.14 m 間隔で10 台設置された高さ1.067 m のハードルの踏切から着地までの局面であるハードリングと, 着地から踏切までの局面であるイン ターバル走を繰り返す競技である ( 宮下, 1991). その競技特性から, パフォーマンス向上のためにはインターバル走およびハードリングの 4 歩それぞれへの適応が必要であることが指摘されている (McDonald,2002). 2008 年に行われた北京オリンピック,2009 年に行われたベルリン世界陸上競技選手権の両大会 1) 仙台大学体育学部 989 1693 宮城県柴田郡柴田町船岡南 2 2 18 2) 筑波大学体育系 305 8574 茨城県つくば市天王台 1 1 1 連絡先柴山一仁 1. Faculty of Sport Science, Sendai University 2 2 18 Funaokaminami, Shibata, Miyagi 989 1693 2. Faculty of Health and Sport Sciences, University of Tsukuba 1 1 1 Tenno-dai, Tsukuba, Ibaraki 305 8574 Corresponding author kz-shibayama@sendai-u.ac.jp
136 柴山ほか では, 準決勝で13.43 s までの記録を残した選手が決勝に進出しており, 試合条件などにより多少の差はあるものの, 近年の世界大会における決勝進出記録は,13.40 s 前後であることが多いようである (International Association of Athletics Federations, online). しかし,110 mh 走の日本記録は2004 年に谷川聡選手がマークした13.39 s であり, たとえ日本人選手が世界大会の準決勝で日本記録と同程度の記録を出したとしても, 決勝に進むことが難しい状況にある. このような現状から, 世界一流選手と日本人選手の動作を比較し, 競技力向上への示唆を明らかにすることを目的とした研究が散見され ( 森田ほか,1994 大橋ほか,2006 谷川 柴山,2010), 主として矢状面の踏切動作の分析が行われている. しかし, 110 mh 走におけるハードリング動作は踏切脚の側方への振り上げをともなう 3 次元的な動作であり, 矢状面に限定された分析では, ハードリング動作における技術的要因を定量化することは困難であると考えられる. それにも関わらず,3 次元的に動作分析を行っている研究は非常に少ない (McDonald and Dapena, 1991 藤井ほか,1997). 走幅跳の空中動作やバレーボールのスパイク動作など, 身体が空中にある局面では, 重力以外の外力は作用しないことから全身の角運動量は保存される ( 阿江 藤井,2002). この角運動量保存則に基づくと, 系全体の角運動量が保存された状況で, ある身体部分で大きい角運動量を獲得するためには, 他の身体部分で逆向きの角運動量を大きくする必要がある. ハードリング動作においても, 踏切後に身体が空中に投射されることから, 角運動量保存則に基づいて空中における身体運動を分析することによって, 身体部分の相互作用 ( 後述する補償作用 ) について定量化することができると考えられる.McDonald and Dapena (1991) は, 角運動量保存則を用いてハードリング中の身体部分の角運動量を 3 次元的に算出し, 身体各部分の相互作用について検討している. しかし, 疾走速度と身体部分の相互作用との関係について検討した研究はみられない. 伊藤 富樫 (1997) は, リード脚着地直前に おけるリード脚全体のスイング角速度は, 疾走速度の大きい選手ほど大きかったことを報告している. スプリント走に関する研究では, 前後に開いた両脚を挟み込む動作, いわゆるシザース動作が重要であると報告されており ( 阿江,2001), ハードリング動作の滞空期でリード脚を素早く振り下ろすためには, 逆脚である踏切脚の動作に着目する必要があると推察される. しかし, ハードリング動作は前述のように踏切脚で 3 次元的な動作を行っていることから, スプリント走とは異なるメカニズムによってリード脚の振り下ろし動作を行っていると考えられる. 角運動量保存則に基づくと, 空中局面でリード脚全体のスイング角速度を大きくする, すなわちリード脚の角運動量を増加させるためには, 他の身体部分において同じ大きさで逆向きの角運動量を増加させる必要がある. したがって, 各身体部分の角運動量を 3 次元的に算出し, その相互作用と疾走速度との関連について検討することにより, ハードル走の競技力向上への示唆を明らかにすることができるだろう. そこで本研究では, 一流 110 mh 走選手のハードリング動作中における全身および身体各部分の角運動量を算出し, 身体各部の相互作用と疾走速度との関係性を明らかにすることを目的とした. Table 1. 方法. 分析対象者 2007 年から2008 年に開催された公認競技会における110 mh レースに参加した男子選手 29 名を Characteristics of the subjects Mean±SD Range (max-min) Height (m) 1.84±0.05 1.95 1.77 Mass (kg) 74.6±6.9 91.0 60.0 Season best (s) 13.65±0.45 14.37 12.92 Time in analyzed race (s) 13.77±0.45 14.48 13.02 Achievement ratio ( ) 99.16±0.73 100.0 98.0 Duration of 1cycle (s) 1.07±0.04 1.14 1.01
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 137 分析対象者とし,Table 1 にその特性を示した. 分析対象者には, 世界記録保持者やオリンピック優勝者などの世界一流選手, 日本選手権大会優勝者や日本学生選手権大会優勝者などの日本一流および学生一流選手を含んでいた. なお, シーズンベスト記録 (SB) に対する当該競技会における記録 (RT) の達成率 (SB/RT 100) が98 以上のものを分析対象とした.. VTR 撮影 110 mh レース中の 7 台目ハードルの踏切脚の接地からハードリング後のリード脚の離地までを 2 台の高速度 VTR カメラ (HSV 500C 3,NAC 社製, 撮影スピード毎秒 250 コマ, 露出時間 1/1000 秒または Phantom V4.3, Nobby Tech 社製, 撮影スピード毎秒 200コマ, 露出時間 1/600 秒 ~1/5000 秒または Exilim EX F1, CASIO 社製, 撮影スピード毎秒 300コマ, 露出時間 1/1000 秒 ) を用いて撮影を行った. なお, 本研究で用いた VTR 画像の一部は, 財日本陸上競技連盟科学委員会によって撮影されたものである. 同委員会によって撮影されたレース以外の大会主催者に は, 事前に文書および口頭で撮影内容についての説明を行い, 撮影の許可を得た.. データ処理撮影した VTR 画像から選手の身体分析点 25 点 ( 左右の第三中手指節関節, 手関節中心, 肘関節中心, 肩峰, つま先, 拇指球, 踵骨隆起, 足関節中心, 膝関節中心, 股関節中心, 肋骨下端および頭頂, 左右両耳珠点の中点, 胸骨上縁 ) と, 左右方向 (X 方向 )5.0 m, 進行方向 (Y 方向 )8 m, 鉛直方向 (Z 方向 )2.5 m の範囲に,X 方向では 1.25 m または2.5 m,y 方向では 2m,Z 方向では0.5 m ごとに設置したコントロールポイントを, 動作分析装置 (Frame DIAS,DKH 社製 ) を用い 2 コマごとにデジタイズした.2 つの VTR 画像の身体分析点とコントロールポイントの 2 次元座標から,DLT 法 (Abdel-Aziz and Karara, 1971) により身体分析点の 3 次元実座標を算出した. 身体分析点の 3 次元座標値算出における標準誤差の最小値と最大値は,X 方向 0.006 0.014 m,y 方向 0.005 0.016 m,z 方向 0.005 0.014 m であった. Fig. 1 Grouping of whole body.
138 柴山ほか Fig. 2 Classiˆcation of the movements. 得られた座標値は, バタワース型デジタルフィルタを用いて平滑化した. このときの遮断周波数は,Wells and Winter (1980) の方法により身体分析点の座標成分ごとに決定した (5 15 Hz). 身体を Fig. 1 に示すような15 個の身体部分から構成される剛体リンクモデルと仮定し, 阿江 (1996) の身体部分慣性係数を用いて, 平滑化した身体分析点の座標データから身体部分および全身の重心座標を算出し, 時間微分することにより重心速度を算出した.. 局面分け 7 台目ハードルの踏切脚の接地 (T-on) から 7 台目ハードルのリード脚の離地 (L-oŠ) までを分析区間として,Fig. 2 に示すような動作時点と局面を定義した.McDonald and Dapena (1991) にならい, リード脚の左右軸まわりの角運動量 ( 後述する transfer term と local term の和 ) が負に切り替わった時点 (LLN) を基準として, 滞空期を前半と後半に分けた.. 算出項目 疾走速度分析区間における進行方向の身体重心水平速度の平均値を疾走速度とした. 全身および身体各部分の角運動量 Dapena(1978) の方法に基づき, 静止座標系における身体部分の角運動量 H i を以下の式により算出した. H i =r i/g m i V i/g +I i v i (1) ここで,r i/g は身体重心に対する身体部分 i の重心の相対位置ベクトル,m i は身体部分 i の質量, V i/g は身体重心に対する身体部分 i の重心の相対速度ベクトル,I i は身体部分 i の慣性テンソル, v i は身体部分 i の角速度ベクトルである. 身体部分の慣性テンソルの導出は湯 (1995) の方法に基づいて算出した. 分析対象者の身体部分の慣性特性は, 阿江 (1996) による慣性特性係数を用いて推定した. なお, 式 (1) の右辺第 1 項は身体重心まわりに身体部分 i の重心がもつ角運動量 (transfer term) であり, 第 2 項は身体部分 i の部分重心まわりの角運動量 (local term) である. 全身の角運動量は, 全ての身体部分のもつ角運動量の総和とし, 以下の式により算出した. 15 H CG = i=1 H i (2) さらに, 全身の角運動量における身体部分の役割を検討するために,Fig. 1 に示すように身体を 5 つの身体グループに分け, それぞれの身体グループに属する身体部分の角運動量の和を求めること
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 139 により, 各身体グループの角運動量を算出した. なお, 踏切脚が左脚の選手の値は反転し, 踏切脚を右脚に統一して分析を行った. 上胴, 下胴, 左右の大腿, 下腿の local term の算出各身体部分に設定した移動座標系における各軸方向の単位ベクトルを時間微分することによって角速度ベクトルを求めた ( 和達,1983). 各身体部分の慣性主軸と移動座標系の軸は一致すると仮定し, 身体部分の主慣性モーメントと角速度ベクトルを乗じることにより local term を算出し, 静止座標系に投影した. 頭部, 左右の手および前腕, 上腕, 足部の local term の算出これらの身体部分では直交移動座標系の設定が困難であるため, 湯 (1995) の方法を用い, 静止座標系における local term を算出した. なお, これらの身体部分に関しては長軸まわりの回転を考慮せず, 身体部分は長軸まわりに対称であり, 長軸に直交する 2 軸の主慣性モーメントは等しいと仮定し, それらの慣性モーメントを平均して使用した. 各局面の所要時間撮影した VTR 画像から各歩の接地と離地の時刻を読み取り, 踏切脚支持時間, 滞空時間, リード脚支持時間を算出し, 滞空期では踏切脚離地から LLN までに要した時間を滞空期前半時間, LLN からリード脚接地までに要した時間を滞空期後半時間として算出した.. 用語の定義滞空期では, ある身体グループにおける角運動量の増加 ( または減少 ) に対して, 必ず他の身体グループにおける減少 ( または増加 ) が生じる. 本研究ではこれらの関係を 補償 と定義した.. 規格化および統計処理身体グループおよび全身の角運動量は,Hinrichs(1987) の方法に基づいて被験者の身長の二乗と身体質量で規格化した. したがって, 結果で示すグラフには, 角運動量の単位を (s -1 ) で 示し, 規格化角運動量 (Normalized angular momentum) として表記する. 分析局面の支持時間, 滞空時間の平均値をもとに, 分析局面を 0 100 に規格化し ( 踏切支持期 0 21, 滞空期 22 83, リード脚支持期 84 100 ), 統計処理ソフト (PASW Statistics 18.0, SPSS Inc.) を用いて規格化時間 1 ごとに疾走速度を独立変数, 各身体グループの規格化角運動量を従属変数とした単回帰分析を行った ( 有意水準 5 ). 後述する結果のグラフでは, 有意な相関関係が認められた時間にマークを表示した. グラフの上部にマークがある場合は正の相関関係が, グラフの下部にマークがある場合は負の相関関係が認められたことを示している.. 結果. 各局面の所要時間 Fig. 3 は, 各局面に要した時間と疾走速度の関係を示したものである. 疾走速度が大きい選手ほどリード脚支持期および滞空期後半における所要時間が短かった ( リード脚支持期 r=-.484, p <.01 滞空期後半 r=-.687, p<.001). 疾走速度と踏切脚支持期, 滞空期前半に要した時間には有意な相関関係が認められなかった.. 各身体グループの角運動量 Fig. 4 6 は, 踏切脚の接地からリード脚の離地までの全身 (Whole body) と頭部および体幹 ( Head-Trunk ), リード脚と同側の腕 (Lead arm), リード脚 (Lead leg), 踏切脚と同側の腕 (Trail arm), 踏切脚 (Trail leg) の各身体グルー プの X 軸 (Fig. 4),Y 軸 (Fig. 5) および Z 軸 (Fig. 6) まわりの規格化角運動量の変化 (a, b) と各局面における変化量 (c) を, 分析対象者の平均と標準偏差で示したものである. 力学的には滞空期における全身の角運動量は各軸まわりに保存されるため, 滞空期では一定値を示すはずである. しかし, 本研究の結果に示すグラフでは, 滞空期における全身の規格化角運動量は一定値を示していなかった (Fig. 4 6, b). これらの要因と
140 柴山ほか Fig. 3 Relationship between average horizontal velocity and duration of each phase. して, デジタイズや身体部分慣性係数の算出で少しずつ生じた誤差により各身体部分における角運動量の算出に誤差が生じていることや, 約 8~9 m/s で疾走していることによって生じる空気抵抗の影響が考えられるが, 本研究が公認競技会を分析対象としているため, 本研究の限界と考えられる. そこで滞空期では, 平均値を用いて全身の規格化角運動量と疾走速度との関係を検討することとした (Fig. 4 6, b). なお, 本研究で示した疾走速度と角運動量の関係の妥当性について検討するため, 滞空期で全身の角運動量が保存されることに着目し, 後述のように滞空期の平均値に疾走速度との有意な相関が認められた X Y 軸まわりの全身の角運動量に関して, 各分析対象者の滞空期における全身の角運動量を 1 コマ毎に算出し, それら全てのデータと疾走速度との単回帰分析を行った. その結果, X 軸まわりでは疾走速度と全身の角運動量に有意な負の相関がみられ (r=-.433, p<.0001), さらに Y 軸まわりでも疾走速度と全身の角運動量に有意な負の相関がみられた (r=-.450, p <.0001). 従って, 本研究で算出した角運動量には誤差が含まれているものの, 本研究で示した結果には, 疾走速度の変化がより影響していると考えられる. これらの結果から, 本研究で示している疾走速度と角運動量の関係は妥当であるといえるだろう. 以降では,X, Y, Z 軸まわりにみられた特徴について, それぞれ結果を示す... X 軸 ( 左右軸 ) まわりの角運動量 Whole body が X 軸 ( 左右軸 ) まわりに持つ規格化角運動量は常に負の値を示し, 踏切支持期 (0 4 ), リード脚支持期 (83 89 ) において疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 141 Fig. 4 Changes in normalized angular momentum of each body group (a) whole body (b), and amount of change in normalized angular momentum during each phase (c) about X axis. 有意に大きかった. 滞空期における平均値は, 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きかった (r=-.497, p<.01). Head-Trunk が左右軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半では負の値 を, その後は正の値を示しており, 値は小さいものの,Trail arm も同様の傾向を示した. また, Lead arm が左右軸まわりに持つ規格化角運動量は, 分析区間を通してほぼ 0 であった. 滞空期後半における Head-Trunk の規格化角運動量の
142 柴山ほか Fig. 5 Changes in normalized angular momentum of each body group (a) whole body (b), and amount of change in normalized angular momentum during each phase (c) about Y axis. 変化量は, 疾走速度が大きい選手ほど増加量が大きかった (r=.368, p<.05). Lead leg が左右軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半では正の値を示 し, その後は負の値を示していた. 踏切支持期から滞空期前半にかけて (14 40 ), 疾走速度の大きい選手ほど正の規格化角運動量が大きく, リード脚の接地前後において (77 87 ), 疾走
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 143 Fig. 6 Changes in normalized angular momentum of each body group (a) whole body (b), and amount of change in normalized angular momentum during each phase (c) about Z axis. 速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が大きかった. 滞空期における Lead leg の規格化角運動量の変化量は, 前半, 後半ともに疾走速度が大きい選手ほど減少量が大きかった ( 前半 r = -.457, p<.05 後半 r=-.482, p<.01). リード脚支持期における Lead leg の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度が大きい選手ほど増加量が大きかった (r=.371, p<.05).
144 柴山ほか Trail leg が左右軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期後半までは負の値を, その後はわずかに正の値を示し, リード脚支持期では再び負の値を示した. 踏切離地の前後において (12 24 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が大きく, 滞空期後半において (66 79 ), 疾走速度の大きい選手ほど正の規格化角運動量が大きかった. 滞空期前半における Trail leg の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度が大きい選手ほど増加量が大きかった (r =.409, p<.05)... Y 軸 ( 進行方向軸 ) まわりの角運動量 Whole body が Y 軸 ( 進行方向軸 ) まわりに持つ規格化角運動量は, ほとんどの局面で負の値を示し, 踏切支持期において (2 12 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きく, リード脚支持期において (88 100 ), 疾走速度の大きい選手ほど正の規格化角運動量が有意に大きかった. 滞空期における平均値は, 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きかった (r=-.471, p<.01). リード脚支持期における Whole body の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど増加量が大きかった (r=.438, p<.05). Head-Trunk が進行方向軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半では負の値を, その後はわずかに正の値を示し, 滞空期の後半からリード脚支持期では再び負の値を示していた. 滞空期では (26 35,43 48 ), 疾走速度の大きい選手ほど Head-Trunk の持つ規格化角運動量が有意に小さく, 滞空期の後半からリード脚支持期にかけて (53 64,81 92 ), 疾走速度の大きい選手ほど規格化角運動量が大きかった. 滞空期後半における Head-Trunk の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど減少量が小さかった (r=.511, p<.01). Lead arm が進行方向軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半ではほぼ 0 を示し, リード脚の接地前後にわずかに正の値を示した. 滞空期前半における Lead arm の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど 減少量が小さかった (r=.394, p<.05). Lead leg が進行方向軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半ではほぼ 0 を示していたが, 滞空期後半では負の値を示し, リード脚支持期の後半に正の値を示した. 負の値を示した局面では (59 86 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きかった. 滞空期後半における Lead leg の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度が大きいほど減少量が大きく (r=-.576, p<.01), リード脚支持期では疾走速度が大きいほど増加量が大きかった (r =.554, p<.01). Trail arm が進行方向軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期では負の値を, 滞空期前半では正の値を示し, 滞空期の後半からリード脚支持期では再び負の値を示していた. 滞空期前半における Trail arm の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど増加量が大きかった (r=.389, p<.05). Trail leg が進行方向軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期後半まで負の値を示し, リード脚支持期では再び正の値を示していた. 滞空期の後半において (46 69 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が大きかった... Z 軸 ( 鉛直軸 ) まわりの角運動量 Whole body が Z 軸 ( 鉛直軸 ) まわりに持つ規格化角運動量は, 分析区間を通してわずかに正の値を示していた. Head-Trunk が鉛直軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期でわずかに正の値を示し, 滞空期で負の値を示した. 負の値を示した局面では (53 65 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きかった. リード脚支持期における Head-Trunk の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど増加量が大きかった (r=.489, p<.01). Lead arm が鉛直軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期ではわずかに正の値を示し, 滞空期後半からリード脚支持期ではわずかに負の値を示した.
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 145 Lead leg が鉛直軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半で負の値を示し, それ以降は正の値を示した. リード脚支持期において (89 100 ), 疾走速度が大きい選手ほど規格化角運動量が小さかった. 滞空期後半における Lead leg の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど増加量が小さかった (r =-.399, p<.05). Trail arm が鉛直軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期から滞空期前半では正の値を, その後は負の値を示した. 負の値を示した局面において (25 67 ), 疾走速度の大きい選手ほど負の規格化角運動量が有意に大きかった. 滞空期前半における Trail arm の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど減少量が大きく (r=-.403, p<.05), 滞空期後半では, 疾走速度の大きい選手ほど減少量が小さかった (r=.490, p<.01). Trail leg が鉛直軸まわりに持つ規格化角運動量は, 踏切支持期でわずかに負の値を示し, 滞空期からリード脚支持期では正の値を示していた. 滞空期からリード脚支持期にかけて (44 93 ), 疾走速度の大きい選手ほど正の規格化角運動量が大きかった. 滞空期前半における Trail leg の規格化角運動量の変化量は, 疾走速度の大きい選手ほど増加量が大きく (r=.478, p<.01), リード脚支持期では, 疾走速度の大きい選手ほど減少量が大きかった (r=-.466, p<.05).. 考察. 角運動量からみたハードリング動作本研究で算出した角運動量は, ほとんどが Transfer term によるものであり,Local term による影響は小さかった. 例として踏切脚における大腿の総角運動量に対する Transfer term の割合を示すと, 分析対象者の平均は X 軸まわり92.8,Y 軸まわり83.2,Z 軸まわり73.5 であり, 同様に足部では X 軸まわり99.4,Y 軸まわり98.1,Z 軸まわり99.8 であった. したがって, 部分重心と身体重心の位置関係により多少 の差はあるものの, ハードリング動作は, 主として身体重心まわりに身体各グループが回転することで行われていると考えられる. このとき, 程度の差はあるものの Local term も各身体部分の回転運動に関係していると考えられるが, 本研究の目的を超えるため, 詳細な検討については今後の課題としたい. 以降では, 結果で示した角運動量の変化と,Fig. 4 6 で示した各平面のスティックピクチャーから分析対象者の動作特徴について記述し, 疾走速度との関係について考察する. また, 本研究では角運動量を身長の二乗と身体質量で規格化し, 体格差による影響を取り除いているが, 疾走速度が大きい選手ほど滞空期後半における所要時間が短く (Fig. 3), ハードリング滞空時間は疾走速度と脚長の両方に影響を受けることを合わせて考えると ( 柴山ほか,2011), 滞空期における動作のタイミングには, 疾走速度と脚長の両方が影響していると考えられる. したがって, 以下の考察ではそれらの影響を統合し, 疾走速度の大きい選手の特徴として記述する... 踏切脚支持期踏切脚支持期では頭部および体幹 ( 以下体幹と表記 ) の左右軸および進行方向軸まわりには負の規格化角運動量, 鉛直軸まわりには正の規格化角運動量がみられた (Fig. 4 6). 前述のように, 角運動量の大半が Transfer term であったことを踏まえると, これは体幹の前傾 ( 主に X,Z 軸 ) および左屈 ( 主に Y,Z 軸 ) に該当する角運動量であり, スティックピクチャーからも同様の動作を行っていたことがうかがえる. 同様に, 踏切脚と同側の腕 ( 以後 踏切腕 と表記 ) では拳上動作が行われており (Fig. 4, 5), リード脚では股関節の屈曲 (Fig. 4, 6), 踏切脚では股関節の伸展 (Fig. 4, 6) および外転動作 (Fig. 5) が行われていた. また, 支持期に全身の左右軸および進行方向軸まわりの規格化角運動量が増加しており, 左右軸まわりでは主に体幹によって (Fig. 4), 進行方向軸まわりでは主に踏切脚と体幹によって増加していた (Fig. 5). これらの増加量に疾走速度との有意な相関がみられなかったことに加え, 踏切支持期における左右軸および進行方
146 柴山ほか 向軸まわりの全身の規格化角運動量と, 滞空期における全身の規格化角運動量の平均値は, それぞれ疾走速度の大きい選手ほど大きかったことから (Fig. 4, 5), 疾走速度の大きい選手は, 踏切脚の接地時には既に大きい角運動量を持っており, 大きな角運動量を保ったまま離地していたといえる... 滞空期方法に示したように, 本研究では左右軸まわりにおけるリード脚の角運動量が負に切り替わった時点 (LLN) を基準として, 滞空期の前後半を分けている.LLN は, リード脚の進行方向軸まわりの負の角運動量が増加し始める時点とほぼ一致しているとともに, 体幹では鉛直軸まわりに負のピーク値を, 踏切腕では進行方向軸まわりに正のピーク値を示す時点とほぼ一致しており, 同時に踏切脚では進行方向軸まわりにおける負のピーク値と, 鉛直軸まわりの正のピーク値を示す時点とほぼ一致していた (Fig. 4 6). つまり,LLN は, リード脚では振り上げから振り下ろし動作に切り替わる時点であるとともに, 体幹では前傾位での右屈動作, 踏切腕では振り上げ動作, 踏切脚では外転および屈曲動作が最も顕著に行われていた時点であった. 以下の考察では, これらの動作の関連性について詳細に検討していく. 角運動量はベクトル量であるため, 空中局面における全身の角運動量は, 各軸まわりにそれぞれ保存される. そこで, 滞空期については身体各グループの規格化角運動量の変化量に主に着目し, 滞空期前半と後半それぞれについて考察を進める.... 滞空期前半滞空期前半における左右軸まわりの規格化角運動量の変化量は, リード脚における規格化角運動量の減少に対して, 踏切脚および体幹で補償しており (Fig. 4), これらの角運動量は主にリード脚では股関節の屈曲動作, 踏切脚では股関節の屈曲および外転動作, 体幹では前傾動作にそれぞれ該当する. 同様に進行方向軸まわりでは, 踏切脚における規格化角運動量の減少 ( 外転動作 ) に対して, 体幹 ( 右屈動作 ) および踏切腕 ( 振り下ろし動作 ) で補償していた (Fig. 5). 鉛直軸まわりでは, 踏切脚 ( 屈曲, 外転 ) およびリード脚 ( 屈曲 ) における規格化角運動量の増加に対して, 体幹 ( 前傾, 右屈 ) および踏切腕 ( 振り下ろし ) で補償していた. これらのことから, 滞空期前半では, ハードルクリアランスのためにリード脚の振り上げ動作と踏切脚股関節の屈曲および外転動作が必要であり, 主として踏切腕と体幹で脚と逆向きの動作をすることにより補償していたものと考えられる. 疾走速度の大きい選手ほど, 左右軸まわりではリード脚の規格化角運動量の減少量が大きく, 踏切脚の増加量が大きかった (Fig. 4). さらに, 滞空期前半局面に要した時間と疾走速度には有意な相関はみられなかった (Fig. 3). 柴山ほか (2011) は, 踏切脚の離地前後において, 疾走速度が大きい選手ほどリード脚大腿の振り上げが小さかったこと, すなわちリード脚がより後方に位置していたことを報告している. したがって, 疾走速度の大きい選手が素早くリード脚を振り上げるためには大きい角運動量が必要であり, 踏切脚で逆向きの角運動量を大きくすることによって (Fig. 4), リード脚で大きい角運動量を獲得していたものと考えられる.... 滞空期後半滞空期後半における左右軸まわりの規格化角運動量は, リード脚における規格化角運動量の減少 ( 股関節の伸展動作 ) に対して, 踏切脚 ( 屈曲および外転動作 ) および体幹 ( 後傾動作 ) で補償していた (Fig. 4). 同様に進行方向軸まわりでは, 踏切脚における規格化角運動量の増加 ( 外転動作 ) に対して, リード脚 ( 内転動作 ) および踏切腕 ( 拳上 ) で補償していた (Fig. 5). 鉛直軸まわりでは, 顕著な規格化角運動量の増加, 減少はみられなかった (Fig. 6). これらのことから, 滞空期後半では, ハードルクリアランスのために踏切脚の屈曲および外転動作が行われると同時に, リード脚を接地するためにリード脚の伸展および内転動作が生じ, それらの補償動作として, 体幹と踏切腕の動作が行われていたと考えられる. 疾走速度の大きい選手ほど, 左右軸および進行方向軸まわりにおける規格化角運動量はリード脚の減少量が大きく, 体幹の増加量が大きかったこ
ハードリング動作中の角運動量に関する研究 147 とに加え (Fig. 4, 5), 疾走速度が大きい選手ほど滞空期後半局面に要した時間が短かった (Fig. 3). 滞空期前半に要した時間には差がみられなかったことから, ハードリングにおける滞空時間の長短にはハードリング後半局面における時間が影響しており, 短い時間でリード脚を振り下ろすためには, 体幹における補償動作が必要であったことを示している.McDonald and Dapena (1991) は, 踏切脚を踏切後に後方に残すことで, 踏切脚で大きい負の角運動量を獲得し, リード脚に転移する角運動量を大きくすることができ, リード脚を素早く振り下ろすことができると述べている. しかし, 本研究の結果から, 踏切脚を踏切前後に後方に残すこと, つまり踏切脚で左右軸まわりに大きい角運動量を獲得することは, むしろリード脚の振り上げ動作に必要であり, 伊藤 富樫 (1997) が報告しているリード脚の素早い振り下ろし動作, つまり左右軸および進行方向軸まわりにおける大きい角運動量は, 滞空期後半に体幹で補償することによって獲得することができると考えられる. さらに, 疾走速度が大きい選手ほど踏切支持期における左右軸および進行方向軸まわりにおける全身の規格化角運動量の絶対値が大きかったことは (Fig. 4, 5), リード脚の素早い振り下ろし動作に貢献していたと考えられる. 滞空期後半における進行方向軸および鉛直軸まわりの規格化角運動量に関して, 主に体幹や踏切脚においてみられた有意な相関関係は (Fig. 5, 6), 滞空期後半局面の時間が疾走速度によって異なることにより, 動作のタイミングにずれが生じていたと考えられる... リード脚支持期リード脚支持期では, 主な動作として体幹の後傾 ( Fig. 4), 踏切腕の水平外転 (Fig. 5, 6), リード脚股関節の伸展および内転 (Fig. 4 6), 踏切脚股関節の伸展 (Fig. 4 6) が行われていた. 支持期中に全身の進行方向軸まわりの規格化角運動量が顕著に増加しており, 主に踏切腕, リード脚と踏切脚によって増加していた (Fig. 5). 左右軸まわりでは, 全身の規格化角運動量の増加はわ ずかであったものの, リード脚と踏切脚で逆向きの大きい増加量 ( リード脚 ) と減少量 ( 踏切脚 ) がみられた (Fig. 4). このとき, 疾走速度の大きい選手ほど進行方向軸まわりの全身およびリード脚の規格化角運動量の増加量が大きく, リード脚支持期の所要時間が短かった (Fig. 3). リード脚離地時における全身の進行方向軸まわりの規格化角運動量は, 疾走速度の大きい選手ほど大きかったことから (Fig. 5, b), 疾走速度の大きい選手は, 滞空期から行われていたリード脚の内転方向への回転を短い時間で止め, それによって全身を踏切脚側に素早く回転させていたと考えられる. 藤井ほか (1997) は, リード脚の接地直後には股関節で屈曲および外転トルクによる負のトルクパワーを発揮することを報告している. リード脚の進行方向軸まわりの規格化角運動量の変化量にみられた傾向には, これらのトルク発揮パターンが影響していると考えられるが, 本研究の範囲を超えるため今後の課題とする.. 疾走速度とハードリング動作の関係以上の考察から, 疾走速度の大きさがハードリング動作に及ぼす影響について概括する. 疾走速度の大きい選手は, 踏切脚支持期で大きい全身の角運動量を持っており, それを滞空期でリード脚の振り下ろし動作に利用するとともに, 体幹でリード脚とは逆向きの角運動量を短い時間で大きく増加させることで, リード脚を素早く振り下ろしていた. 以上のことから, 疾走速度の大きい選手のように短い所要時間でハードリング動作を行うためには, リード脚を素早く振り下ろすことが重要であり, それには特に滞空期後半における体幹の前後傾および左右屈による補償動作を行う必要があるだろう. しかし, 体幹の動作を強調しすぎることは, リード脚の接地期における体幹の過剰な後傾や右屈 ( リード脚とは逆方向への側屈 ) を生じるため, 疾走速度の大きさに応じたリード脚の振り下ろし動作を行う必要があると考えられる. また, 踏切脚支持期までの局面で大きい全身の角運
148 柴山ほか 動量を獲得するためのキネティクス的要因についても, 今後検討していく必要があると考えられる.. まとめ 本研究の目的は, 一流 110 mh 走選手のハードリング動作中における全身および身体各部分の角運動量を算出し, 疾走速度との関係性を明らかにすることであった. 得られた結果をまとめると, 以下のようになる. 踏切支持期において, 疾走速度の大きい選手ほど左右軸および進行方向軸まわりにおける大きい全身の角運動量を持っており, それらを保ったまま離地していた. 滞空期前半では, 疾走速度の大きい選手ほどリード脚の振り上げに伴う角運動量の減少が大きく, 踏切脚でそれを補償していた. 滞空期後半では, 疾走速度の大きい選手ほど所要時間が短く, その中で素早くリード脚を振り下ろすためには, 体幹における補償動作が必要であった. 疾走速度の大きい選手は, 滞空期から行われていたリード脚の内転方向への回転を短い時間で止め, それによってリード脚支持期に全身を踏切脚側に素早く回転させていた. 以上のことから, 疾走速度の大きい選手のように短い所要時間でハードリング動作を行うためには, リード脚を素早く振り下ろすことが重要であり, それには特に滞空期後半における体幹の前後傾および左右屈による補償動作を行う必要があるだろう. 文献 Abdel-Aziz,Y.I.andKarara,H.M.(1971) Direct linear transformation from comparator coordinates into object space coordinates in close-range photogrammetry. Proceedings of the symposium on close-range photogrammetry, American Society of Photogrammetry: Falls Church, pp. 1 18. 阿江通良 (1996) 日本人幼少年およびアスリートの身体部分慣性特性.Japanese Journal of Sports Science, 15(3): 155 162. 阿江通良 (2001) スプリントに関するバイオメカニクス的研究から得られるいくつかの示唆. スプリント研究,11: 15 26. 阿江通良 藤井範久 (2002) スポーツバイオメカニクス20 講. 朝倉書店 東京,pp. 83 88. Dapena, J. (1978) Method to determine the angular momentum of a human body about three orthogonal axes passing through its center of gravity. Journal of Biomechanics, 11(5): 251 256. 藤井範久 宮下憲 阿江通良 (1997) ハードル走における下肢 3 次元関節トルクおよび関節トルクパワー. バイオメカニクス研究,1(1): 41 50. Hinrichs, R.N. (1987) Upper extremity function in running. II: Angular momentum considerations. International Journal of Sport Biomechanics, 3: 242 263. International Association of Athletics Federations. Competition web sites. http://www.iaaf.org/history/ index.html, (accessed, 2012 05 11). 伊藤章 富樫勝 (1997) ハードル走のバイオメカニクス的研究 スプリント走との比較. 体育学研究, 42(4): 246 260. McDonald, C. (2002) Hurdling is not sprinting. Track Coach, 161: 5137 5143. McDonald, C. and Dapena, J. (1991) Angular momentum in the men's 110-m and women's 100-m hurdles races. Medicine & Science in Sports & Exercise, 23 (12): 1392 1402. 宮下憲 (1991) 最新陸上競技入門シリーズ 4 ハードル. ベースボールマガジン社 東京,pp. 9 62. 森田正利 伊藤章 沼澤秀雄 小木曽一之 安井年文 (1994) スプリントハードル (110 mh 100 mh) および男女 400 mh のレース分析. 佐々木秀幸ほか監修日本陸上競技連盟強化本部バイオメカニクス 研究班編世界一流陸上競技者の技術. ベースボールマガジン社 東京,pp. 66 87. 大橋祐二 横澤俊治 門野洋介 藤井範久 阿江通良 (2006) 男子一流 110 m ハードル選手の踏切および踏切準備動作に関するバイオメカニクス的分析. 陸上競技研究紀要,2: 95 99. 柴山一仁 藤井範久 阿江通良 (2011) 一流 110 m ハードル走選手の 1 サイクル動作に関するキネマティクス的研究 疾走速度および脚長と動作の関連から. 体育学研究,56(1): 75 88. 湯海鵬 (1995)3 次元的身体角運動量の算出法. 体育学研究,40(3): 161 169. 谷川聡 柴山一仁 (2010)2007 年世界陸上競技選手権大阪大会における男子 110 m ハードル走および女
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