[ 原著 ] 発育発達研究第 73 号 216;73:13-19 はだし が児童の疾走動作に及ぼす影響 : 接地様式に着目して 水島 1 淳 小山 2 宏之 3 大山卞圭悟 Differences of characteristics of sprinting between foot and shod condition and their relationship to jumping abilities in children Jun Mizushima 1, Hiroyuki Koyama 2 and Byun Keigo Ohyama 3 abstract Purpose:The purpose of this study was to compare the difference of characteristics of sprinting between foot and shod conditions, in relation to jumping abilities in children. Method:94 children aged 6-12 years performed short sprints(3 m), counter movement jumping(cmj) as a non-ballistic jumping and five repeated-rebound jumping(rj)as a ballistic jumping. Sprinting conditions were randomized for each child in order to compare foot sprinting with shod conditions. High speed camera with 1/1 second shutter speed was used to record calibration marks and performances of the children at a frame rate of 3 frame/second. The cameras were placed 2 m apart from the motion plane. Besides 5 video cameras from 5 angles obtained images of entire stance phase(right before foot strike to taking the toe off). Foot strikes were classified into 3 patterns:rear-foot strike(rfs) that land on the heel, mid-foot strike(mfs)that land with a flat foot, and fore-foot strike(ffs)that land on the fore-foot before bringing down the heel. Jumping abilities were assessed using CMJ jumping height and the value obtained by dividing jumping height by the ground contact time in 5RJ(RJ-index). Results and Discussion:Under foot condition children significantly sprinted with lower velocity(p<.5), higher step frequency(p<.1), shorter step length(p<.1)and shorter contact time(p<.1). Additionally, foot condition induced the shift of ground contact manner from RFS to FFS and MFS. Children who sprinted faster with foot had higher jumping abilities than children who sprinted faster with. Increased percentage of FFS and MFS in foot sprinting appears to enhance the utilization of elasticity produced in arches and Achilles tendon, which may affect positively to sprint performance for children who sprinted faster with foot. The result also indicated that jumping ability is higher in children who sprinted faster with foot. Our finding suggested that common factor could have effect on the ability of foot sprinting and jumping in children. Key words:foot, sprinting kinematics, step characteristics, ground contact manner, jumping abilities はだし, 疾走動作, ステップ変数, 接地様式, 跳躍能力 1 筑波大学大学院人間総合科学研究科 2 京都教育大学 3 筑波大学体育系 1 University of Tsukuba, Graduate School of Comprehensive Human Sciences 2 Kyoto University of Education 3 University of Tsukuba, Faculty of Health and Sport Sciences
発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 Ⅰ 緒言誕生時の未熟さは, その後の発達に限りない可能性 (Potentiality) が潜んでいることを意味している ( 宮丸,21). 運動に限らず, 人間の発達はそれを規定する要因との関連において, 潜在的可能性がうまく解発 (release) されれば発達は促進され, 何らかの理由で阻害されれば発達は遅滞することになる ( 宮丸,21). 走運動それ自体は系統発生的な運動であり, 身体に欠陥のないかぎり, 人はだれでも 2 歳前後から走ることが可能になり ( 八木ほか,1982),6 7 歳には成人とほぼ同様の走動作が獲得されるといわれている ( 辻野ほか, 1972; 宮丸,21). 走運動の際, 足部は唯一地面と接する身体の部位 ( Fiolkowski et al., 25;Nurse and Nigg, 2), すなわち工学的な意味合いでの作用端であり, 全身の運動の結果として生じた力が, 足部を通して地面に伝えられることで, ヒトの立位におけるロコモーションは成立している. 濡れた氷の上で走ることが困難であるように, 作用端である足部と地面との接点の状態は, 運動に大きく影響を与える. また足底は, 固有受容器の分布が豊富な部位でもあり, 足底からの感覚フィードバックは, 角のたった岩などのような危険な物体の存在や, 凹凸, 粗さ, 硬さなど地面の性質を感知するために進化したといわれている (Jenkins et al., 211). 現代的なランニングシューズは, 足底の自己受容機能を一部制限すると報告されており (Jenkins et al., 211;Nurse and Nigg, 2), さらに Lieberman et al.(21) は, 身体の運動能力の発達が著しい児童において, 現代的なランニングシューズの着用が系統発生的な走動作の発達に悪影響を及ぼしている可能性があると述べている. 一方日本では, はだしが児童の健全な発育発達に大きな役割を果たす可能性が示唆され ( 野田, 1998), 足のアーチの形成などに着目した, 多くの生理学的研究がなされてきている ( 西澤,212). 他方, 成人を対象とした研究において, シューズ着用が走動作の変容を生むことが報告されている (DeWit et al., 2;Squadrone and Gallozi, 29). 疾走速度の規定要因はピッチとストライドであるとされており ( 金子 福永,24), 表 1 被験者の身体的特性 年齢 N ( 男子 / 女子 ) 身長 (cm) 体重 (kg) 6 7 (3/4) 117.±3.9 2.±1.6 7 1 3 (6/7) 122.1±2.1 22.3±.9 8 (1/4) 128.6±7.1 25.9±3.2 9 1 5 (6/9) 135.±5.8 28.6±4.3 1 25 (13/12) 138.9±5.1 3.8±4.2 11 13 (1/3) 6.7±8.6 36.6±7.1 1 2 7 (3/4) 152.4±6.9 39.6±6.5 DeWit et al.(2) は, 普段からシューズを着用して走っているランナーはシューズを脱いで走ったときにピッチが高まり, ストライドが短くなる傾向にあることを明らかにした. 一方, 普段からはだしで走っているランナーがシューズを着用して同じ速度で走った場合, ピッチが低下し, ストライドが長くなる傾向にあることが報告されている (Squadrone and Gallozi, 29). しかしながら, 未だはだしが児童の疾走動作に及ぼす影響に関して, タイム, 走速度, 脚の最大振り下ろし速度に着目した研究はあるものの ( 田附,26), 詳細な検討を行った研究はほとんど見当たらない. この影響を明らかにすることで, シューズ着用に起因する疾走動作の変容, 疾走動作に積極的に働きかけるシューズの開発に資する知見が得られることが望まれる. 本研究の目的は, はだしが児童の疾走動作に及ぼす影響を明らかにすることであった. Ⅱ 研究方法 1. 対象被験者は, 京都教育大学地域スポーツクラブ (KYO 2 クラブ ) に所属し, 年間 18 回に渡り, 走, 跳, 投の基本的な運動を行っている小学校 1 年生 6 年生 94 名 ( 男子 51 名, 女子 43 名 ) であった. 対象者の平均身長および平均体重は,135. ±12. cm と 29.±7. kg であった ( 表 1). なお, すべての被験者および保護者には本実験の主旨, 内容ならびに安全性についてあらかじめ説明をし, 参加の同意を得た. 2. 実験試技本研究では, 児童の疾走動作の分析および跳躍
発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 15 1m 着地様式撮影用固定カメラ (3Hz)5 台 疾走方向 1m 2m 2m 1 サイクル撮影用固定カメラ (3Hz)1 台 : 画角 6m 図 1 実験設定図 踵接地 (RFS) 図 2 中足部接地 (MFS) 接地様式パターン定義 前足部接地 (FFS) 運動の遂行能力の測定を実施した (2 年 1 月 11 日 ). 1 ) 1 サイクルの走動作分析被験者には, 普段から着用しているシューズ, はだしの 2 条件の下, スタンディングスタートの姿勢からの 3 m 走 ( 主観的努力度 1%) を実施した. 京都教育大学内にある全天候型直線走路 1 レーンを使用した. 疾走動作の撮影は, スタートから 2 m 地点の左側方 2 m にハイスピードカメラ (CASIO 社製,EX-F1) を 1 台設置し, 撮影コマ数は 3 Hz および露出時間は 1/1 sec に設定し撮影を行った.2 m 地点を中心に前後 3 m を撮影範囲とした ( 図 1). 撮影されたビデオ画像を動画解析システム (Frame-Dias,DKH Inc.) を用いて身体各部 23 点及び走路の両側に 1m 間隔で設置した較正マーク ( 被験者の近傍 4 点 ) の位置座標を読み取った. 得られた 23 点の身体各部の座標は,4 次のバターワース型低域通過フィルタによって平滑化した. このとき遮断周波数は処理前信号と処理済み信号の残差分析により自動的に求められた (5-1 Hz). 分析は, 左足接地瞬 間から, 再びその足が接地する瞬間までの 1 サイクル (2 歩 ) にわたって行った. 分析を行った 1 サイクル (2 歩 ) における身体重心の水平移動距離を 2 等分したものをストライド,1 サイクルに要した時間を 2 等分したものの逆数をピッチとし, 両者の積を疾走速度として算出した ( 羽田ほか,23). なお, 身体重心の算出には横井ほか (1986) の身体部分慣性係数を用いた. また接地様式の判別を行うため, 前後斜め方向 1 台ずつ, 真横 3 台, 計 5 台のハイスピードカメラ (CASIO 社製,EX-F1) で 3 方向から接地位置における足部の撮影を行った. 接地様式に関して,Lieberman et al.(21) の分類に基づき, 踵が最初に接地する踵接地 (RFS), 踵と母指球が同時に接地する中足部接地 (MFS), 踵を降ろす前に母指球で接地する前足部接地 (FFS) の 3 つのパターンに分類を行った ( 図 2). 2 ) 跳躍能力の測定跳躍能力を測定する項目として反動付きの垂直跳び (counter movement jumping, 以下 CMJ) と, 連続 5 回リバウンドジャンプ (five repeated-re-
16 発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 (m/s) 7. 6.5 6. 5.5 * FFS 3% MFS 15% RFS 29% FFS 28% 5. 4.5 4. * :p<.5 :p<.1 RFS 82% MFS 43% 疾走速度 接地様式のパターン (Hz) 4.7 4.5 (m) 1.7 1.6 (s).18.17 4.3 15.16 4.1 1.4.15 3.9 1.3. 3.7 1.2.13 図 3 ピッチストライド支持時間はだし条件, シューズ条件における疾走速度, ピッチ, ストライド, 支持時間, 接地様式のパターン bound jumping, 以下 RJ) を行った. 試技はマットスイッチ ( マルチジャンプテスタ,DKH Inc.) 上で行わせ, 滞空時間および踏切時間を計測した. なお, 腕の振込み動作の影響を排除するために, 手を腰に当てた姿勢で試技を行った ( 遠藤ほか, 27). CMJ の跳躍高の値を用いて, 運動遂行時間の長い跳躍能力を, また RJ の跳躍高を踏切時間で除した値である RJ-Index を用いて, 運動遂行時間の極めて短い ( およそ.2 秒以内 ) バリスティック (Brooks and Thach, 1981) な跳躍能力を検討した. 3. 統計処理全被験者のはだし条件とシューズ条件における疾走動作の差を明らかにするため, 対応のある t 検定を行った. 有意水準は,5% 未満とした. また, はだしの方が速かった児童とシューズの方が速かった児童の特性の差について明らかにするため, 独立したサンプルの t 検定を用いた. 有意水準は,5% 未満とした. 加齢による接地様式の変容の有無を明らかにするため, 年齢と接地様式についてシューズ条件, はだし条件共にカイ二乗検定を行った. 有意水準は,5% 未満とした. Ⅲ 結果 1. はだし条件とシューズ条件の比較図 3には, はだし条件とシューズ条件における疾走速度, ピッチ, ストライド, 支持時間を示した. 疾走速度は, はだし条件が 5.48±.7 m/s, シューズ条件が 5.6±.62 m/s であり, シューズ条件の方が有意に高値を示した. 疾走速度を構成する要素であるピッチおよびストライドに関して, ピッチは, はだし条件が 4.11±.37 Hz, シューズ条件が 3.98±.34 Hz とはだし条件の方が有意に高値を示した. 一方ストライドは, はだし条件が 1.34±.2 m, シューズ条件が 1.42±.17 m であり, シューズ条件の方が有意に高値を示した. また支持時間に関して, はだし条件が.139±.17 s, シューズ条件が.8±.17 s であり, はだしの方が有意に短かった. 疾走中の接地様式を分類したところ, 接地様式条件により大きく異なり, シューズ条件では全体
発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 17 表 2 各年齢の接地様式 であり, 有意な差は認められなかった. はだし時 年齢 N ( 男子 / 女子 ) 接地様式 (%) 条件 RFS MFS FFS 疾走速度は, はだし優位群が 5.28±.7 m/s, シューズ優位群が 5.73±.61 m/s であり, はだ 6 7 8 9 1 11 1 2 7 (3/4) 1 3 (6/7) (1/4) 1 5 (6/9) 25 (13/12) 13 (1/3) 7 (3/4) シューズはだしシューズはだしシューズはだしシューズはだしシューズはだしシューズはだしシューズはだし 1 29 92 46 79 29 87 27 8 28 77 23 71 29 57 8 3 21 57 13 53 2 44 15 3 24 2 28 8 47 15 57 し優位群の方が有意に低値を示した.RJ-index は, はだし優位群が 1.6±.33 に対し, シューズ優位群は.92±.33 であり, はだし優位群の方が有意に高値を示した.RJ の接地時間は, はだし優位群が.18±.4 sec に対し, シューズ優位群は.2±.6 sec であり, はだし優位群の方が有意に低値を示した.CMJ の跳躍高は, はだし優位群が 23.77±4.37 cm に対し, シューズ優位群は 21.38±4.15 cm であり, はだし優位群の方が有意に高値を示した. c 2 検定 シューズはだし p=.54 n. s. p=.673 n. s. Ⅳ 考察 (94 名 ) の 82% の児童 (77 名 ) が RFS,15% の児童 ( 名 ) が MFS,3% の児童 (3 名 ) が FFS であったのに対して, はだし条件では全体の 29% の児童 ( 27 名 ) が RFS,43% の児童 (41 名 ) が MFS, 28% の児童 (26 名 ) が FFS であった. またシューズ条件で RFS であった全体 (94 人 ) の 82% の児童 (77 人 ) に着目すると, はだし条件ではその内の 68.8% の児童 (53 人 ) が FFS MFS へと変容した. また表 2には, 各年齢の接地様式を示した. 年齢による接地様式への有意な影響は認められなかったものの, シューズ条件では有意傾向があった. 2. はだしの方が速かった児童とシューズの方が速かった児童の比較はだし条件の方が疾走速度が高かった児童 ( 以下, はだし優位群 ) は全被験者の 38%(36 名 ), シューズ条件の方が疾走速度が高かった児童 ( 以下, シューズ優位群 ) は全被験者の 62%(58 名 ) であった. 表 3には, はだし優位群とシューズ優位群におけるシューズ着用時疾走速度, はだし時疾走速度, RJ-index,RJ の接地時間および CMJ を示した. シューズ着用時疾走速度は, はだし優位群が 5.56 ±.6 m/s, シューズ優位群が 5.65±.64 m/s 疾走速度の規定要因はピッチとストライドであるとされている ( 金子 福永,24). DeWit et al. (2) は, 普段からシューズを着用して走っているランナーはシューズを脱いで走ったときにピッチが高まり, ストライドが短くなる傾向にあることを明らかにした. 一方, 普段からはだしで走っているランナーがシューズを着用して同じ速度で走った場合, ピッチが低下し, ストライドが長くなる傾向にあることが報告されている (Squadrone and Gallozi, 29). 本研究では, 小学生児童においても成人を対象とした先行研究と同様に, シューズを脱ぎはだしで走ることによってピッチが高まり, ストライドが小さくなることが明らかとなった. このようにはだし走において, ピッチが向上する要因の 1 つとして接地様式の違いが挙げられている (Lieberman, 212).Lieberman et al.(21) は, 普段からシューズを着用して走っているランナーがはだしで走った際には, 接地様式がシューズ着用時と比較して RFS から FFS MFS へと変容したと報告している. 本研究でも同様の変容が認められ, シューズ条件で RFS であった全体 (94 人 ) の 82% の児童 (77 人 ) において, はだし条件ではその内の 68.8% の児童 (53 人 ) が FFS MFS へと変容した. また接地時間に関してはだし条件の方が有意に短かったことからも, はだし走では, 接地様式が変容し, 接地時間が短縮され, その結
18 発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 表 3 はだしの方が速かった児童とはだしの方が遅かった児童における跳躍運動の遂行能力の比較 はだしの方が速かった児童 はだしの方が遅かった児童 シューズ着用時疾走速度 (m/s) はだし時疾走速度 (m/s) RJ-index( 跳躍高 m/ 接地時間 s) RJ 接地時間 (sec) CMJ 跳躍高 (cm) 5.56±.6 5.73±.61 1.6±.33 *.18±.4 * 23.77±4.37 n. s. > > < > 5.65±.64 5.28±.7.92±.33.2±.6 21.38±4.15 n. s.: 有意差なし, * :p<.5, :p<.1 果ピッチが向上したと考えられる. 本研究では, 身体の成長期である児童の加齢による接地様式の変容を考慮した上でも同様の結果が認められた. これらの接地様式の違いは, 伸張 - 短縮サイクル運動 (Stretch-Shortening Cycle,SSC)( Komi, 2) による下肢のふるまいにも影響を及ぼす可能性がある (Ahn et al., 2). Ahn et al.(2) は, 接地前に FFS は,RFS よりも 11% 早く底屈筋を予備緊張させていたと述べている. 底屈筋の予備緊張は, 接地のための足関節の準備であるだけでなく, 接地前にアキレス腱が引き伸ばされることによって, 接地時に弾性エネルギーの貯蔵を増加させる役割を担っていることが報告されている (Roberts, 22;Ahn et al., 2). つまり FFS では, 接地初期に足関節を固定するように底屈筋がより早い段階で収縮され, アキレス腱の効果的な弾性利用を可能にさせることが明らかになっている (Winter, 1983;Roberts, 22;Alexander, 22). 本研究においては, はだし条件の方が疾走速度が高かった児童は, 跳躍運動の遂行能力が有意に高かった. はだし走では, 接地様式が FFS MFS になりやすいことから, 跳躍運動の遂行能力が高く, 接地様式の変容に適応することができる児童にとってより疾走速度を高められる手段であったことが考えられる. またこのことは, はだし走のパフォーマンスを高める要因と跳躍運動の遂行能力を高くする要因に共通性がある可能性を示唆している. 普段からはだし走を運動の中に取り入れることによって,FFS MFS の接地様式を自然と体得できる可能性があるだけでなく, 疾走能力 跳躍能力の向上が期待される. 本研究のシューズ条件においてのみ, 年齢が接地様式に影響している傾向にあったことの背景として, 年齢によって, シューズ重量の影響や筋骨 格系の成長に伴う変化等の影響が異なる可能性が考えられる. この点については今後更なる検討の必要があることを申し添えたい. Ⅴ まとめ本研究は, はだしが児童の疾走動作に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした. 分析対象者は京都教育大学地域スポーツクラブ (KYO2 クラブ ) に参加する 94 名であった. 全体の傾向として, はだしの方が疾走速度が有意に低く, ピッチが高く, ストライドが小さかった. 接地時間は, はだしの方が有意に短かった. 接地様式は, シューズでは多くの児童が RFS なのに対して, はだしでは FFS MFS の割合が増加した. はだし走では, 接地様式の変化により接地時間が短縮され, その結果高いピッチを示したと考えられる. 跳躍運動の遂行能力に関して, はだしの方が速かった児童は,RJ-index が高く,RJ の接地時間が短く,CMJ の跳躍高が高いという特徴を持っていた. またこのことは, はだし走のパフォーマンスを高める要因と跳躍運動の遂行能力を高くする要因に共通性がある可能性を示唆している. 文献 Ahn, A. N., Brayton, C., Bhatia, T., Martin, P.(2) Muscle activity and kinematics of forefoot and rearfoot strike runners, Journal of Sport and Health Science, 3, 12-112 Alexander, R. M.(22)Tendon elasticity and muscle function, Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol, 133, 11-111 Brooks, V. B. and Thach, W. T.(1981)Cerebellar
発育発達研究第 73 号 216 年 11 月 19 contro 1 of posture and movement, In:Brooks, V. B.(Ed.), Handbook of Physiology, Section 1, The nervous system, Vol. Ⅱ., American Physiological Society, 889-891 DeWit, B., De Clercq, D., Aerts, P.(2)Biomechanical analysis of the stance phase during foot and shod running, J Biomech, 33, 269-278 遠藤俊典, 田内健二, 木越清信, 尾縣貢 (27) リバウンドジャンプと垂直跳の遂行能力の発達に関する横断的研究. 体育学研究,52,9-159 Fiolkowski, P., Bishop, M., Brunt, D., Williams, B.(25) Plantar feedback contributes to the regulation of leg stiffness, Clin Biomech(Bristol, Avon), 2, 952-958 Jenkins, D. W. and Cauthon, D. J.(211)Barefoot running claims and controversies:a review of the literature, J Am Pod Med Assoc, 11, 231-246 金子公有, 福永哲夫編 (24) バイオメカニクス 身体運動の科学的基礎, 杏林書院,166 羽田雄一, 阿江通良, 榎本靖士, 法元康二, 藤井範久 (23)1 m 走における疾走スピードと下肢キネティクスの変化, バイオメカニクス研究,7, 193-25 Komi, P. V.(2)Stretch-Shortning cycle:a powerful model to study normal and fatigued muscle, J Biomech, 33, 1197-126 Lieberman, D. E., Venkadesan, M., Werbel, W. A., Daoud, A. I., DʼAndrea S, Davis, I. S., Mangʼeni, R. O., Pitsiladis, Y.(21)Foot strike patterns and collision forces in habitually foot versus shod runners, Nature, 463, 531-535 Lieberman, D. E.(212)What we can learn about running from foot running:an evolutionary medical perspective, Exerc Sport Sci Rev, 4, 63-72 宮丸凱史 (21) ランニングフォームの発達, 浅見俊雄, 石井喜八, 宮下充正, 浅見高明, 小林寛道編著, 身体運動学概論, 大修館書店,186. 西澤昭 (212) はだし教育の効果について 土踏まず形成や他の要因へ及ぼす影響, 生涯スポーツ学研究,8(2), 1-9 Nurse, M. A. and Nigg, B. M.(2)The effect of changes in foot sensation on plantar pressure and muscle activity, Clin Biomech(Bristol, Avon), 16, 719-727 Roberts, T. J.(22)The integrated function of muscles and tendons during locomotion, Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol, 133, 187-199 Squadrone, R. and Gallozi, C.(29)Biomechanical and physiological comparison of foot and two shod conditions in experienced foot runners, J Sports Med Phys Fitness, 49, 6-13 田附俊一 (26) 靴と裸足による 5 m 走 : タイム, 走速度, 脚 ( 大転子点と足関節を結んだ線 ) の接地直前の最大振り下ろし速度の観点から. 同志社保健体育,45,37-54 野昭, 岡本勉, 風井訫恭, 徳山廣, 後藤幸弘 (1972) 幼児期における走跳投動作の特性, 日本体育学会第 24 回大会号,418 Winter, D. A.(1983)Moments of force and mechanical power in jogging, J Biomech, 16, 91-97 八木規夫, 水谷四郎, 脇田裕久, 長井健二 (1982) 児童の走運動能力に関する研究 第一報 低学年児童について, 三重大学教育学部研究紀要自然科学,33,133-2 横井孝志, 渋川侃二, 阿江通良 (1986) 日本人幼少年の身体部分係数, 体育学研究,31,53-66 ( 受付 :215 年 9 月 3 日, 受理 :216 年 4 月 6 日 ) 水島淳 ( みずしまじゅん ) 現職 : 筑波大学大学院人間科学研究科博士前期課程体育学専攻京都教育大学教育学部体育領域専攻卒業後,2 年より筑波大学大学院人間科学研究科博士前期課程体育学専攻に在籍中. 陸上競技に関する研究を幅広く行いながら,215 年からは,2 年間青年海外協力隊として南米パラグアイ陸上競技連盟にて, 政策立案, 投擲競技の指導に従事している.