競歩の歩行技術に関するバイオメカニクス的研究 ―身体部分間の力学的エネルギーの流れに着目して―

博 士 論 文 競 歩 の 歩 行 技 術 に 関 す る バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 ― 身 体 部 分 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に 着 目 し て ― 平 成 18 年 度 筑 波 大 学 大 学 院 人 間 総 合 科 学 研 究 科 体 育 科 学 専 攻 法 元 康 二

目 次 図 の タ イ ト ル 一 覧 表 の タ イ ト ル 一 覧 1. 緒 言 ･･･ 1 1.1 競 歩 に つ い て ･･･ 1 1.2 競 歩 の 技 術 指 導 と バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 の 必 要 性 ･･･ 3 1.3 競 歩 の パ フ ォ ー マ ン ス と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー ･･･ 5 1.4 本 研 究 の 目 的 ･･･ 6 1.5 研 究 課 題 ･･･ 7 1.6 作 業 上 の 仮 定 お よ び 研 究 の 限 界 ･･･ 8 1.6.1 作 業 上 の 仮 定 ･･･ 8 1.6.2 測 定 方 法 に 関 す る 限 界 ･･･ 8 1.6.3 一 般 化 ・ 普 遍 化 に 関 す る 限 界 ･･･ 9 1.7 本 研 究 の 意 義 ･･･ 9 2. 文 献 研 究 ･･･ 10 2.1 競 歩 の 技 術 に 関 す る バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 ･･･ 10 2.1.1 競 歩 の キ ネ マ テ ィ ク ス に 関 す る 研 究 ･･･ 10 2.1.2 競 歩 の キ ネ テ ィ ク ス に 関 す る 研 究 ･･･ 12 2.2 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 に 関 す る 研 究 ･･･ 16 2.3 通 常 歩 行 お よ び 走 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に 関 す る 研 究 ･･･ 19 2.4 競 歩 の 効 率 に 関 す る 研 究 ･･･ 23

3. 方 法 ･･･ 30 3.1 2 次 元 動 作 分 析 法 に よ る デ ー タ 処 理（ 第 4 章 ‐ 第 6 章 ） ･･･ 30 3.1.1 2 次 元 座 標 デ ー タ の 算 出 ･･･ 30 3.1.2 キ ネ マ テ ィ ク ス 的 変 数 の 算 出 ･･･ 33 3.1.3 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 算 出 ･･･ 34 3.1.4 キ ネ テ ィ ク ス 的 変 数 の 算 出 ･･･ 35 3.2 3 次 元 分 析 に お け る デ ー タ 処 理（ 第 7 章 ） ･･･ 37 3.2.1 3 次 元 座 標 デ ー タ の 算 出 ･･･ 37 3.2.2 セ グ メ ン ト の 移 動 座 標 系 の 決 定 ･･･ 38 3.2.3 セ グ メ ン ト 角 速 度 の 算 出 ･･･ 38 3.2.4 3 次 元 関 節 力 お よ び 関 節 ト ル ク の 算 出 ･･･ 41 3.3 局 面 分 け ･･･ 45 3.4 時 系 列 デ ー タ の 規 格 化 と 平 均 ･･･ 45 3.5 統 計 処 理 ･･･ 47 4. 一 流 競 歩 選 手 の 回 復 脚 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ ･･･ 48 4.1 目 的 ･･･ 48 4.2 方 法 ･･･ 49 4.2.1 被 験 者 ･･･ 49 4.2.2 VTR 撮 影 ･･･ 49 4.2.3 デ ー タ 処 理 ･･･ 52 4.2.4 算 出 項 目 と 算 出 方 法 ･･･ 52 4.2.5 統 計 処 理 ･･･ 52 4.3 結 果 ･･･ 54 4.3.1 歩 行 速 度 ， ス テ ッ プ 長 ， ピ ッ チ ･･･ 54

4.3.2 全 身 の 力 学 的 仕 事 と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 伝 達 量 ･･･ 58 4.3.3 下 肢 各 部 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 ･･･ 58 4.3.4 下 肢 各 部 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 変 化 率 ， 関 節 力 パ ワ ー ， セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー ･･･ 63 4.3.5 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 歩 行 速 度 ， ス テ ッ プ 長 ， 支 持 時 間 と の 関 係 ･･･ 66 4.3.6 回 復 脚 の 関 節 力 パ ワ ー と 関 節 速 度 ， 関 節 力 ， 関 節 ト ル ク と の 関 係 ･･･ 69 4.4 考 察 ･･･ 73 4.4.1 歩 行 速 度 ， ス テ ッ プ 長 ， ピ ッ チ ･･･ 73 4.4.2 全 身 の 力 学 的 仕 事 と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 伝 達 量 ･･･ 75 4.4.3 回 復 脚 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 ･･･ 76 4.4.4 回 復 脚 の 関 節 力 パ ワ ー と 関 節 速 度 ，関 節 力 ，関 節 ト ル ク と の 関 係 ･･･ 80 4.5 ま と め ･･･ 82 5. 競 歩 選 手 の 支 持 脚 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ ･･･ 84 5.1 目 的 ･･･ 84 5.2 方 法 ･･･ 85 5.2.1 被 験 者 ･･･ 85 5.2.2 実 験 試 技 お よ び 設 定 ･･･ 85 5.2.3 デ ー タ 処 理 ･･･ 85 5.2.4 算 出 項 目 と 算 出 方 法 ･･･ 88 5.2.5 統 計 処 理 ･･･ 88 5.3 結 果 ･･･ 88

5.3.1 支 持 脚 各 関 節 に お け る 関 節 ト ル ク ･･･ 88 5.3.2 支 持 脚 各 部 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 変 化 率 ，関 節 力 パ ワ ー ， セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー ･･･ 90 5.3.3 支 持 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 歩 行 速 度 の 関 係 ･･･ 93 5.3.4 支 持 脚 股 関 節 に お け る 関 節 速 度 と 関 節 力 ･･･ 95 5.3.5 支 持 脚 膝 関 節 お よ び 足 関 節 に お け る 関 節 力 水 平 成 分 と 地 面 反 力 水 平 成 分 ･･･ 97 5.4 考 察 ･･･ 100 5.4.1 支 持 脚 各 関 節 に お け る 関 節 ト ル ク ･･･ 100 5.4.2 支 持 脚 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ ･･･ 102 5.4.3 支 持 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 歩 行 速 度 の 関 係 ･･･ 106 5.5 ま と め ･･･ 109 6. 競 歩 の レ ー ス 経 過 に と も な う 歩 行 速 度 と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ の 変 化 ･･･ 111 6.1 目 的 ･･･ 111 6.2 方 法 ･･･ 112 6.2.1 被 験 者 ･･･ 112 6.2.2 VTR 撮 影 ･･･ 112 6.2.3 デ ー タ 処 理 ･･･ 112 6.2.4 算 出 項 目 と 算 出 方 法 ･･･ 112 6.2.5 統 計 処 理 と 群 分 け ･･･ 113 6.3 結 果 ･･･ 113 6.3.1 レ ー ス に お け る 歩 行 速 度 ， ス テ ッ プ 長 ， ピ ッ チ の 変 化 ･･･ 113

6.3.2 レ ー ス に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 伝 達 量 の 変 化 ･･･ 116 6.3.3 レ ー ス に お け る 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ の 変 化 ･･･ 120 6.3.4 レ ー ス に お け る 回 復 脚 の 関 節 力 と 関 節 ト ル ク の 変 化 ･･･ 122 6.4 考 察 ･･･ 126 6.4.1 レ ー ス に お け る 歩 行 速 度 ， ス テ ッ プ 長 ， ピ ッ チ の 変 化 ･･･ 126 6.4.2 レ ー ス に お け る 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ の 変 化 ･･･ 127 6.5 ま と め ･･･ 129 7. 競 歩 に お け る 左 右 下 肢 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 下 胴 お よ び 体 幹 の 動 作 と の 関 係 ･･･ 131 7.1 目 的 ･･･ 131 7.2 方 法 ･･･ 132 7.2.1 被 験 者 ･･･ 132 7.2.2 実 験 お よ び デ ー タ 処 理 ･･･ 132 7.2.3 算 出 項 目 と 算 出 方 法 ･･･ 135 7.2.4 統 計 処 理 ･･･ 135 7.3 結 果 ･･･ 135 7.3.1 上 胴 か ら 下 胴 に 作 用 す る 体 幹 ト ル ク と 左 右 の 股 関 節 力 ･･･ 135 7.3.2 下 胴 の 角 速 度 ･･･ 142 7.4 考 察 ･･･ 142 7.5 ま と め ･･･ 145

8. 競 歩 の ト レ ー ニ ン グ に 関 す る 示 唆 に つ い て ･･･ 147

9. 結 論 ･･･ 155

文 献 ･･･ 158

図 の タ イ ト ル 一 覧

Figure 2.1 Tracings for a subject in normal walking (a) and race walking (b). (Murray et al., 1983)

Figure 2.2 The force-time record of one foot during the right foot support phase in race walking. The X (lateral-medial) and Y (anterior-posterior) values indicate the force exerted by the subject. The Z (vertical) value indicates the ground reaction force. (Payne, 1978)

Figure 2.3 Muscle powers at the hip, knee, and foot during one stride of race walking. (White and Winter, 1985)

Figure 2.4 Flow of energy in human movement and three Es, i.e. efficiency, economy, and effectiveness. (Ae and Fujii, 1996b)

Figure 2.5 Detailed mechanical power analysis during various phases of gait. (Winter and Robertson, 1978)

Figure 2.6 Energy flows between the segments during a cycle of sprinting. Energy flow is expressed in the works done on the segment by joint force and muscle moment during each of eight phases. Straight arrows at the joints indicate the magnitude and direction of energy flow by joint force and curved ones are those by muscle moment. Arrow depict inside of each segment represents increase (↑ ) or decrease (↓ ) of the energy level. For simplicity work less than 0.09 J/kg was not illustrated. (TO, toe-off of the right foot; CFS, contralateral foot strike; CMS, contralateral mid-support; CTO, contralateral

toe-off; FS, foot strike; MS, mid-support) (Ae et al., 1988) Figure 2.7 Energy transfer between segments during different portions of

running cycle. Arrows indicate direction and relative magnitude of transfer, and + and – indicate whether energy is gained or lost by involved segment. (Williams and Cavanagh, 1987)

Figure 2.8 Relationships of EI to mechanical work (WWb) and mechanical

energy transfer between segments (Tb) in one running cycle.

(Enomoto et al., 1999)

Figure 2.9 Below: The total positive work Wtot = |Wext| + |Wint| and the net

energy expenditure (total - standing) per unit distance and unit body mass are given as a function of the speed for competition walking (continuous lines) and normal walking (dotted line). The energy expenditure curve of normal walking (dotted line) was traced over the average of the data of Margaria (1938), Ralston (1958), Cotes and Meade (1960) and Dill (1965); that of competition walking was calculated from the average of the data of Menier and Pugh (1968) for speeds greater than 8km/hr, and from the average of the data of Menier and Pugh and those of normal subjects at lower speeds. Energy expenditure at speeds greater than 14.5km/hr is extrapolated from the line given by Menier and Pugh (1968). Above: the efficiency of positive work, Wtot/energy expenditure, is given as a function

of speed for competition walking (continuous line) and for normal walking (dotted line). The interrupted part of the

energy expenditure and efficiency curves indicates that at these speeds an oxygen debt may be necessary to meet the mechanical power output. (Cavagna and Franzetti, 1980)

Figure 2.10 Efficiency in amubulation, race walking, and running as a function of the speed. (Marchetti et al., 1982)

Figure 3.1 Twenty three points on subject’s body were digitized for two dimensional analysis.

Figure 3.2 Free body diagram for the calculation of joint force and torque at the segment.

Figure 3.3 Twenty five points on subject’s body were digitized for three dimensional analysis.

Figure 3.4 Definition of the moving reference frame fixed to the segment. Figure 3.5 Free body diagram for the calculation of joint force and torque

at the segment j.

Figure 3.6 Definition of movement phases of the right leg. Abbreviation for five event points as follows. R-off: Right foot off; L-on: Left foot contact with the ground; L-mid: Midpoint of the left stance phase (instant of the center of gravity pass over left toe); L-off: Left foot off; R-on: Right foot contact with the ground

Figure 4.1 A typical camera setting at the competitions.

Figure 4.2 Relationships of the walking speed to the step length (a) and step length ratio to the body height (b) for all subjects in the

Figure 4.3 Relationships of the walking speed to the step frequency for all subjects in the first half of 20km races.

Figure 4.4 Relationships of the walking speed to the WWb and Tb in the

first half of races.

Figure 4.5 Relationships of EI to the WWb and Tb in the first half of races.

Figure 4.6 Patterns of the mechanical energy of the whole body, HAT (the head, arms, and torso), recovery (right) leg, support (left) leg, and DIF (the absolute difference in the mechanical energy between the recovery leg and support leg) during the recovery phase in the fastest subject A. R-off, Right (recovery) foot toe off; L-on, Left (support) foot heel contact; L-mid, Left foot mid-stance; L-off, Left foot toe off; R-on, Right foot heel contact.

Figure 4.7 Patterns of the mechanical energy of the whole body, HAT (the head, arms, and torso), recovery (right) leg, support (left) leg, and DIF (the absolute difference in the mechanical energy between the recovery leg and support leg) during the recovery phase in the slowest subject B. R-off, Right (recovery) foot toe off; L-on, Left (support) foot heel contact; L-mid, Left foot mid-stance; L-off, Left foot toe off; R-on, Right foot heel contact.

Figure 4.8 Rates of the mechanical energy change for the segment (dE/dt), joint force powers (JFP), and segment torque powers (STP) in the recovery (right) thigh (a), shank (b), and (c) foot during the recovery phase in the fastest subject A. R-off, Right (recovery)

foot toe off; L-on, Left (Support) foot heel contact; L-mid, Left foot mid-stance; L-off, Left foot toe off; R-on, Right foot heel contact.

Figure 4.9 Rates of the mechanical energy change for the segment (dE/dt), joint force powers (JFP), and segment torque powers (STP) in the recovery (right) thigh (a), shank (b), and (c) foot during the recovery phase in the slowest subject B. R-off, Right (recovery) foot toe off; L-on, Left (support) foot heel contact; L-mid, Left foot mid-stance; L-off, Left foot toe off; R-on, Right foot heel contact.

Figure 4.10 Mean joint force powers (straight arrows) and segment torque powers (curved arrows) of the recovery (right) leg that significantly relate to the walking speed, step length, step frequency and support time.

Figure 4.11 Joint force power at the recovery (right) hip for means of fast (N=6) and slow (N=6) groups of all subjects (N=35) during the recovery phase.

Figure 4.12 Horizontal (a) and vertical (b) component of the joint velocity at the recovery (right) hip for means of fast (N=6) and slow (N=6) groups of all subjects (N=35) during the recovery phase. Figure 4.13 Horizontal (a) and vertical (b) component of the joint force at

the recovery (right) hip for means of fast (N=6) and slow (N=6) groups of all subjects (N=35) during the recovery phase. Figure 4.14 Joint torque at the recovery (right) hip for means of fast (N=6)

recovery phase.

Figure 5.1 Experimental set-up.

Figure 5.2 Patterns of the joint torque at the hip (a), knee (b), and ankle (c) of the right (support) leg during the normalized support phase for all twelve subjects and the significant relationships to the walking speed (p<0.05).

Figure 5.3 Rates of the mechanical energy change for the segment (dE/dt), joint force powers (JFP) and segment torque powers (STP) in the support (right) thigh (a), shank (b) and foot (c) during the support phase for the fastest subject C.

Figure 5.4 Rates of the mechanical energy change for the segment (dE/dt), joint force powers (JFP) and segment torque powers (STP) in the support (right) thigh (a), shank (b) and foot (c) during the support phase for the slowest subject D.

Figure 5.5 Mean joint force powers and segment torque powers for all subjects (N=12) during the normalized support phase.

Figure 5.6 Horizontal component of joint velocity (a) and horizontal component of joint force (b) at the support (right) hip during the support phase for all twelve subjects and the significant relationships to the walking speed (p<0.05).

Figure 5.7 Horizontal component of joint force at the support (right) knee (a) and ankle (b) during the support phase for all twelve subjects and the significant relationships to the walking speed (p<0.05).

Figure 5.8 The anterior-posterior component of the ground reaction force normalized by the body mass of all subjects (a) and the relative horizontal distance of the center of the right foot to the ankle position (b) during the support phase for all twelve subjects. The significant relationships to the walking speed (p<0.05) were indicated.

Figure 6.1 Relationships between race records and the walking speed difference between the first and second halves of the races. Figure 6.2 Relationships of the walking speed difference to the WWb (a)

and Tb (b) between the first and second halves of the races.

Figure 6.3 Relationships of EI to the WWb (a) and Tb (b) between the first

and second halves of the races.

Figure 6.4 Changes of WWb (a) and Tb (b) between the first and second

halves of the races for Increase (N=11) and Decrease (N=11) groups.

Figure 6.5 Mean joint force powers (straight arrows) and segment torque powers (curved arrows) of the recovery (right) leg in which the difference between the first and second halves of the races was significant for the Increase (black arrows) and Decrease (white arrows) group (N=11, p<0.05). Arrows are indicated in the mean magnitude of the second half of the races for each group. Figure 6.6 Mean joint force powers (straight arrows) and segment torque

powers (curved arrows) of the recovery (right) leg normalized by the walking speed , in which the difference between the first

and second halves of the races was significant for the Decrease group (N=11, p<0.05). There was no power which significantly changed for the Increase group. Arrows are indicated in the mean magnitude of the second half of the races. Figure 6.7 Mean horizontal component of joint force at the recovery

(right) hip (a) and knee (b) joint for Decrease group at the first and second halves of the races.

Figure 6.8 Mean joint torques at the recovery (right) hip (a) and knee (b) joint for Decrease group at the first and second halves of the races.

Figure 7.1 Experimental set-up.

Figure 7.2 Joint torque at the upper end of the lower torso (a), moment of joint force at the upper end of the lower torso (b) and effective moment of the lower torso (c) about the Z axis in the absolute coordinates system at the center of mass for the lower torso during the right foot support phase of the average of all subjects on the experiment.

Figure 7.3 Joint torque at the right (support, a) and left (recovery, b) hips and moment of the joint force at the right (support, c) and left (recovery, d) hips about the Z axis in the absolute coordinates system at the center of mass for the lower torso during the right foot support phase of the average of all subjects on the experiment.

the joint force moment of the right (support) and the left (recovery) hip about the center of the lower torso (JFMs) during the normalized right foot support phase. Significant difference between torso torque and the JFMs was indicated (p<0.05).

Figure 7.5 The anterior-posterior joint forces at the right (recovery, a) and left (support, b) hips during the right foot support phase of the average of all subjects on the experiment.

Figure 7.6 Segment angular velocity of the lower torso about the Z axis in the absolute coordinates system of the average of all subjects on the experiment and the significant relationships to the joint torque at the upper end of the lower torso (p<0.05).

Figure 8.1 Schema of the mechanical energy flows which are related to walking speed in race walking during right foot recovery phase. Figure 8.2 ‘Hip rolling’ exercise. (La Torre, 1994)

表 の タ イ ト ル 一 覧

Table 3.1 Methods of data collection for each chapter.

Table 4.1 Characteristics of the subjects (N=35). Table 4.2 Races videotaped.

Table 4.3 Walking speed, step length and step frequency of all subjects (N=35). Step length was divided into support distance and flight distance. Step time, which was a reciprocal of the step frequency, was divided into support time and flight time.

Table 5.1 Characteristics of the subjects (N=12).

Table 6.1 Walking speed, step frequency and step length of the first and second halves of races for the increase (N=11) and speed-decrease (N=11) groups.

1. 緒 言 1.1 競 歩 に つ い て 陸 上 競 技 の 競 歩 は ， い ず れ か の 足 が 常 に 地 面 か ら 離 れ な い （ ロ ス ・ オ ブ ・ コ ン タ ク ト に な ら な い ） よ う に し ， 支 持 脚 が 接 地 の 瞬 間 か ら 地 面 と 垂 直 の 位 置 に な る ま で ，ま っ す ぐ に 伸 び て い な け れ ば な ら な い（ ベ ン ト・ ニ ー に な ら な い ） と い う ル ー ル に 則 っ て 一 定 の 距 離 を 歩 き ， そ の 着 順 を 競 う 競 技 種 目 で あ る ． ル ー ル 違 反 に つ い て は ， 一 定 の 手 続 き に 基 づ く 競 技 者 へ の 注 意 ，警 告 ，あ る い は 競 技 者 に 対 す る 失 格 の 宣 告 な ど が あ る（ 財 団 法 人 日 本 陸 上 競 技 連 盟 ， 2006）． 競 歩 の 高 い 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス は ， 大 き な 歩 行 速 度 を 得 る こ と に よ っ て 達 成 さ れ る ． 2005 年 12 月において，国際陸上競技連盟が公認してい る 競 歩 の ト ラ ッ ク 種 目 の 世 界 記 録 は ，男 子 20000m で 1 時 間 17 分 25 秒 6， 男 子 50000m で 3 時 間 40 分 57 秒 9， 女 子 20000m で 1 時 間 26 分 52 秒 3 で あ り ， そ れ ぞ れ の 平 均 歩 行 速 度 は 4.31m/s， 3.77m/s， 3.84m/s である． 一 方 ，成 人 健 常 者 の 歩 行 速 度 は ，性 別 ，歩 く 場 所 な ど に よ っ て 異 な る が ， 通 常 は 1.18m/s から 1.40m/s であり（山崎と広瀬，1989），男子 20000m 競 歩 の 世 界 記 録 に お け る 平 均 歩 行 速 度 の 1/3 程度の速度である．また， 2005 年 12 月 ま で の 男 子 ハ ー フ マ ラ ソ ン（ 21.0975km）世 界 記 録 の 平 均 速 度 は 5.93m/s で あ り ，競 歩 競 技 の 歩 行 速 度 の 1.3 倍 弱 で あ る ．し た が っ て， 速 度 と い う 観 点 か ら み れ ば ， 競 歩 は 通 常 歩 行 よ り も 走 に 近 い と い え る ． 「 歩 く 」 運 動 に よ る 競 技 の 起 源 は ， 18 世紀中葉から 19 世紀中葉にか け て イ ギ リ ス に お い て 行 わ れ た 貴 族 や 貴 族 に 雇 わ れ た「 ペ デ ス ト リ ア ン 」 あ る い は 市 民 に よ る 徒 歩 の 賭 け レ ー ス で あ る と さ れ て い る ． こ の よ う な

徒 歩 レ ー ス の 中 に は 都 市 間 を 数 日 間 で 歩 く も の も あ っ た ． 競 技 と し て の 「 競 歩 」 は 19 世紀後半のイギリスにおいて始まり，1866 年にロンドン で 行 わ れ た 第 1 回全英陸上競技選手権大会の 1 種目として 7 マイル競歩 が 行 わ れ ， そ の 優 勝 記 録 は 59 分 32 秒であったという記録がある．競歩 の み の 競 技 会 と し て は ， 1870 年にイギリスで 20 マイル競歩会が行われ た の が は じ ま り で ， 2 時間 47 分 52 秒という優勝記録が残されている． 女 子 の 競 歩 は 1923 年のイギリス女子陸上競技選 手権大会から始まり， 1926 年 に イ エ テ ボ リ で 開 催 さ れ た 世 界 女 子 陸 上 競 技 選 手 権 大 会 で は 10000m 競 歩 が 実 施 さ れ た （ 岡 尾 ， 1996； 黒 羽 ， 1993； ケ ル チ ェ タ ー ニ ， 1992）． 日 本 で は ，男 子 に つ い て は 1920 年の第 8 回日本陸上競技選手権大会で 3000m 競 歩 が 行 わ れ た の が 最 初 で あ り ， そ の 優 勝 記 録 は 18 分 19 秒 8 で あ っ た ．な お ，翌 々 年 の 1922 年までは歩型は自由であった．女子につい て は 1981 年の元旦競歩で 5km 競歩が行われたのが最初である（黒羽， 1993）． 競 歩 が オ リ ン ピ ッ ク 種 目 に な っ た の は ，1906 年のアテネ中間大会から で あ る ．こ の 時 は 男 子 の み の 1500m，3000m の 2 種 目 で あ っ た ．し か し ， 正 し い 歩 型 に つ い て の 見 解 が 統 一 さ れ な い ま ま で の オ リ ン ピ ッ ク 種 目 へ の 採 用 で あ っ た ．そ の 後 ，大 会 ご と に 種 目 が 変 更 さ れ た が ，1956 年メル ボ ル ン 大 会 か ら 20km と 50km の 2 種目に定着した．女子は男子より 86 年 遅 れ の バ ル セ ロ ナ 大 会 か ら 競 歩 種 目 が 採 用 さ れ ， 10km が 実 施 さ れ た （ 岡 尾 ， 1996；ケルチェターニ，1992）． 2005 年 12 月 ま で に 国 際 陸 上 競 技 連 盟 が 世 界 記 録 を 公 認 し て い る 種 目 は ， 室 内 種 目 ， ジ ュ ニ ア 種 目 を 含 め て ， 男 子 の ト ラ ッ ク 種 目 が 5000m， 10000m，20000m，30000m，50000m の 5 種 目 ，道 路 種 目 が 10km，20km，

50km の 3 種 目 ，女 子 の ト ラ ッ ク 種 目 が 3000m，5000m，10000m，20000m の 4 種目，道路種目が 10km，20km の 2 種目である（財団法人日本陸上 競 技 連 盟 ， 2006）． ま た ， オ リ ン ピ ッ ク 大 会 ， 世界陸上競技選手権大会， ア ジ ア 大 会 ， 日 本 陸 上 競 技 選 手 権 大 会 な ど で は ， ロ ー ド で 男 子 20km， 50km が 行 わ れ ，女 子 に つ い て は ，1998 年 ま で は 10km が 行 わ れ て い た が ， 1999 年 か ら 20km に 移 行 し た ． 1.2 競 歩 の 技 術 指 導 と バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 の 必 要 性 競 歩 の 歩 型 は 通 常 の 歩 行 や 走 な ど の よ う に 幼 児 期 に 自 然 に 習 得 さ れ た も の で は な く（ Payne と Payne，1981），そ の技術習得はコーチによる指 導 の も と で 行 わ れ る こ と が ほ と ん ど で あ る ． し か し ， わ が 国 に お け る 初 心 者 へ の 競 歩 の 技 術 指 導 に は 明 確 な 方 法 論 が 確 立 さ れ て い る わ け で は な く ， 少 数 の コ ー チ の 経 験 則 に 基 づ い て 行 わ れ て い る の が 現 状 で あ る ． そ の こ と が 競 技 人 口 の 増 加 を 妨 げ て い る 原 因 の 一 つ と も 考 え ら れ る ．ま た ， 競 歩 で は 歩 行 速 度 を 大 き く す る こ と が 主 な 運 動 課 題 と な る が （ ホ メ ン コ フ ，1978；シュモリンスキー，1982），競歩で大きな歩行速度を獲得する メ カ ニ ズ ム が 明 ら か に さ れ な か っ た こ と は ， 初 心 者 へ の 技 術 指 導 の 方 法 論 が 確 立 さ れ て い な い こ と の 原 因 の 一 つ で あ る と 考 え ら れ る ． 競 歩 の 歩 行 速 度 は ， 走 と 同 じ よ う に ス ト ラ イ ド 長 と ピ ッ チ の 積 に よ っ て 決 定 さ れ る た め （ Payne と Payne，1981），競歩のパフォーマンスを高 め る に は ，ス ト ラ イ ド 長 を 大 き く し ，ピ ッ チ を 高 め る こ と が 重 要 で あ る ． し か し ， 競 歩 に は 左 右 ど ち ら か の 足 が 地 面 と 離 れ な い よ う に す る と い う ル ー ル が あ る た め ， 競 歩 の 技 術 に 関 す る 指 導 書 の 多 く は ， 骨 盤 を 上 下 軸 ま わ り に 回 転 さ せ る こ と で 支 持 脚 が 地 面 と 接 触 を 保 っ た 状 態 で ス ト ラ イ

ド 長 を 大 き く す る 技 術 に つ い て 述 べ て い る（ McCarthy，1974；ホメンコ フ ， 1978；金原，1976；McNab，1980；Payne と Payne，1981）． オ リ ン ピ ッ ク 大 会 や 世 界 陸 上 競 技 選 手 権 大 会 な ど の よ う な ， 一 流 選 手 の 出 場 す る 競 技 会 で も ，歩 型 違 反 に よ る 失 格 者 が 常 に 一 定 数 あ り（ 法 元 ， 2002），ル ー ル に 則 っ て 大 き な 歩 行 速 度 を 獲 得 す る 歩 行 技 術 を 習 得 す る に は 長 い 時 間 を 要 す る こ と か ら （ Payne と Payne，1981），正しい歩行技術 の 習 得 は ， 初 心 者 だ け で な く 一 流 選 手 に と っ て も 競 技 力 向 上 に 重 要 で あ る と 考 え ら れ る ．わ が 国 の 競 技 者 が 歩 型 違 反 に よ っ て 失 格 と な る こ と は ， 国 内 競 技 会 だ け で な く ， 代 表 選 手 と し て 出 場 す る 国 際 競 技 会 で も 発 生 す る ． そ の た め ， わ が 国 の 多 く の 競 技 者 に と っ て 技 術 の 指 導 は 不 可 欠 で あ る と 考 え ら れ る ． し か し ， 初 心 者 以 外 の 競 技 者 の ト レ ー ニ ン グ は 技 術 の 向 上 よ り も 持 久 力 の 向 上 を 目 的 と し て 行 わ れ る こ と が 多 い ． こ れ は ， オ リ ン ピ ッ ク 大 会 ， 世 界 選 手 権 大 会 な ど で は 競 歩 種 目 が 男 女 と も 20km 以 上 の 距 離 で 実 施 さ れ る 持 久 性 種 目 で あ り ， 持 久 力 の 向 上 が 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス に 大 き く 寄 与 す る た め と 考 え ら れ る ． し か し ， 技 術 の 指 導 の 必 要 性 が 指 摘 さ れ て き た に も か か わ ら ず（ 金 原 ，1976），い まだに競歩のトレ ー ニ ン グ の 主 流 が 持 久 力 の 向 上 を 目 的 と し た も の で あ る こ と は ， 技 術 指 導 の た め の 方 法 論 が 確 立 さ れ て こ な か っ た こ と に も 起 因 す る と 考 え ら れ る ． こ の よ う に ， 初 心 者 の 基 本 技 術 習 得 の た め で あ っ て も ， 基 本 技 術 を 習 得 し た 競 技 者 の 競 技 力 向 上 を 目 的 と し た も の で あ っ て も ， 競 歩 の 技 術 指 導 の 多 く が 経 験 の み に 基 づ い て 行 わ れ て き た こ と は ， 競 歩 に お け る 歩 行 速 度 を 決 定 す る 技 術 的 要 因 が 明 ら か に さ れ て こ な か っ た こ と に よ る と 考 え ら れ る ． し た が っ て ， 競 歩 の 動 作 に つ い て バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 手 法 を 用 い て 分 析 し ， 速 く 歩 く た め の 技 術 的 要 因 を 明 ら か に す る こ と は ， 競 歩

の 技 術 指 導 の た め の 方 法 論 を 確 立 す る の に 役 立 つ と 考 え ら れ る ． 1.3 競 歩 の パ フ ォ ー マ ン ス と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 競 歩 は 持 久 性 種 目 で あ り ， 高 い 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス の 達 成 に は 速 く 歩 く だ け で な く ， 歩 行 速 度 の 維 持 に 関 す る 技 術 的 要 因 を 明 ら か に す る 必 要 が あ る ． Frederick（ 1992） は ， あ ら ゆ る 持 久 性 ス ポ ー ツ に お い て 動 作 の 経 済 性 が 重 要 で あ り ， バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 要 因 も 関 与 し て い る と 述 べ て い る ． 三 浦 ら （ 1971）は，代表的な持久性運動である長距離走において 高 い 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス を 達 成 す る に は ， 発 揮 し た 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を 無 駄 な く 疾 走 速 度 に 変 換 す る 技 術 の 重 要 性 を 示 唆 し て い る ． さ ら に ， Williams と Cavanagh（ 1987）は ，長 距 離 走 に お い て 身 体 各 部 分 間 で 伝 達 さ れ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー が 生 理 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 を 高 め る こ と を 示 唆 し て い る こ と か ら ， 競 歩 に お い て も 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 利 用 す る よ う な 技 術 を 獲 得 す る こ と で 高 い 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス を 達 成 で き る と 考 え ら れ る ． 運 動 中 に 筋 に よ っ て 出 力 さ れ た 生 理 的 エ ネ ル ギ ー に 対 す る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 比 は 効 率（ efficiency）と 定義され，出 力された力学的エネルギ ー に 対 す る パ フ ォ ー マ ン ス の 指 標 （ 身 体 重 心 や ボ ー ル の 速 度 な ど ） の 比 は 有 効 性（ effectiveness）と し て 定 義 さ れ る（ Cavanagh と Kram，1985； 阿 江 と 藤 井 ， 1996b）． 榎 本 ら （1999）は，長距離走における力学的エネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 と 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス の 関 係 を 分 析 し ， 長 距 離 走 の 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス が 高 い 場 合 ， 身 体 部 分 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 が 大 き く ，力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 が 高 か っ た と 報 告 し て い る ． こ れ ら は ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 が 高 い こ と は レ ー ス 中 に お け る 大 き な 疾 走 速 度 の 維 持 を 可 能 に し ， 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス の 向 上 に 役 立 つ こ と を 示 唆 し て い る ．

競 歩 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に 関 す る 研 究 は ， 効 率 に 関 す る も の が 多 い（ Cavagna と Franzetti，1981；Marchetti ら，1982）．し かし ，こ れら は 競 歩 の 効 率 と 通 常 歩 行 や 走 の 効 率 を 比 較 し た 研 究 で あ り ， 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 使 っ て 大 き な 歩 行 速 度 を 獲 得 し ， 高 い 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス を 達 成 す る た め の 技 術 に 関 す る も の で は な い ． 競 歩 の 高 い パ フ ォ ー マ ン ス を 達 成 す る に は ， 大 き な 歩 行 速 度 の 獲 得 と 維 持 が 重 要 で あ る と 考 え ら れ ， 発 揮 し た 力 学 的 エ ネ ル ギ ー を 移 動 速 度 に 有 効 に 変 換 す る こ と は ， 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス の 向 上 に 役 立 つ で あ ろ う ． 長 距 離 走 に お け る 身 体 部 分 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 の 大 き さ に は ， 回 復 脚 と 支 持 脚 の 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 が 影 響 し （ 榎 本 ら ， 1999），通常歩行（ Winter と Robertson，1978；Robertson と Winter， 1980）お よ び 短 距 離 走（ Chapman と Caldwell，1983；Ae ら ，1988）に お い て も ， 回 復 脚 と 支 持 脚 の 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 は 非 常 に 大 き い ． そ の た め ， 競 歩 に お け る 全 身 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 伝 達 量 の 大 き さ に は ， 左 右 下 肢 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 が 影 響 し て い る と 考 え ら れ ， 競 歩 に お け る 歩 行 速 度 と 左 右 下 肢 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ や 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 有 効 利 用 と の 関 係 ， さ ら に ， そ れ ら に 影 響 す る 技 術 的 要 因 を 検 討 す る こ と に よ り ， 競 歩 種 目 の 競 技 力 向 上 の た め の 知 見 を 得 る こ と が で き る と 考 え ら れ る ． 1.4 本 研 究 の 目 的 本 研 究 の 目 的 は ， 競 歩 に お け る 歩 行 速 度 お よ び レ ー ス 経 過 に 伴 う 歩 行 速 度 の 変 化 に 関 わ る 技 術 的 要 因 を ， 左 右 下 肢 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に 着 目 し て 明 ら か に す る こ と で あ る ．

1.5 研 究 課 題 本 研 究 の 目 的 を 達 成 す る た め に は ， 以 下 の よ う な 研 究 課 題 を 明 ら か に す る こ と に し た ． 研 究 課 題 1 公 式 競 技 会 に お け る 一 流 競 歩 選 手 の 動 作 を 画 像 分 析 し ， 全 身 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 と 歩 行 速 度 と の 関 係 を 明 ら か に す る と と も に ， 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に つ い て 明 ら か に す る こ と ． 研 究 課 題 2 競 歩 中 の 地 面 反 力 を 計 測 し ， 支 持 脚 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 歩 行 速 度 と の 関 係 を 明 ら か に し ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 利 用 し て 大 き な 歩 行 速 度 を 獲 得 す る た め の 技 術 的 要 因 を 明 ら か に す る こ と ． 研 究 課 題 3 公 式 競 技 会 に お け る 前 半 と 後 半 の 一 流 競 歩 選 手 の 動 作 を 分 析 し て ， 歩 行 速 度 の 変 化 と 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と の 関 係 を 検 討 し ， 歩 行 速 度 の 維 持 に 関 与 す る 技 術 的 要 因 を 明 ら か に す る こ と ． 研 究 課 題 4 下 胴 お よ び 体 幹 の 動 作 が 左 右 下 肢 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に ど の よ う な 影 響 を 及 ぼ す か を 明 ら か に す る こ と ． 研 究 課 題 5 研 究 課 題 1 から 4 で得られた知見をもとに，競歩の技術トレーニング

に 関 す る 示 唆 を 引 き 出 す こ と ． 1.6 作 業 上 の 仮 定 お よ び 研 究 の 限 界 1.6.1 作 業 上 の 仮 定 研 究 目 的 お よ び 研 究 課 題 を 達 成 す る た め に は ， 次 に 列 挙 す る 作 業 上 の 仮 定 が 必 要 で あ る ． ① 実 際 の レ ー ス で 失 格 と な ら な か っ た 競 技 者 の 歩 行 動 作 は 競 歩 の ル ー ル に 適 合 す る 動 作 と み な す こ と が で き る ． ② 実 験 に お け る 競 歩 動 作 は レ ー ス に お け る 競 歩 動 作 の 技 術 的 要 因 を 内 在 し て お り ，実 験 試 技 の 分 析 か ら 得 ら れ た 知 見 は 実 際 の レ ー ス の 競 歩 動 作 に も 適 用 で き る ． ③ 身 体 の 各 部 分 は 剛 体 と み な す こ と が で き ，各 関 節 は 摩 擦 が な い 球 関 節 と み な す こ と が で き る ． ④ 身 体 部 分 慣 性 係 数 は 各 被 験 者 自 身 の も の で は な い が ， 阿 江 （ 1996a） に よ る 日 本 人 ア ス リ ー ト の 係 数 が 適 用 で き る ． 1.6.2 測 定 方 法 に 関 す る 限 界 ① 本 研 究 の 実 験 は 屋 外 で 行 っ た た め ，風 や 気 温 な ど の 気 象 条 件 を す べ て の 試 技 で 一 定 に す る こ と は で き な か っ た ． ② 競 技 会 に お け る 撮 影 で は ，カ メ ラ を 設 置 で き る 範 囲 が 限 ら れ て い る た め ，す べ て の 競 技 会 で 同 一 の カ メ ラ 位 置 を 確 保 す る こ と は で き な か っ た ． ③ 競 技 会 で は ，ユ ニ フ ォ ー ム な ど の た め ，分 析 点 と な る 競 技 者 の 身 体 各 部 位 に マ ー ク を 付 け る こ と が で き な か っ た の で ，実 験 と 同 程 度 の 計 測 精 度 は 確 保 で き な い 可 能 性 が あ る ．

1.6.3 一 般 化 ・ 普 遍 化 に 関 す る 限 界 本 研 究 に お け る 被 験 者 は ， 日 本 お よ び 世 界 の 一 流 選 手 を 含 む 男 子 競 歩 選 手 で あ る ． し た が っ て ， 本 研 究 で 得 ら れ た 結 果 を 初 級 者 や 女 子 選 手 に そ の ま ま 適 用 す る こ と に は 限 界 が あ る ． し か し ． 競 歩 の 歩 行 技 術 は ， 本 質 的 に は 同 じ で あ る の で ， 得 ら れ た 知 見 は 競 歩 の 技 術 習 得 や ト レ ー ニ ン グ に 役 立 つ と 考 え ら れ る ． 1.7 本 研 究 の 意 義 ① 一 流 競 歩 選 手 の 技 術 に つ い て 分 析 し た 研 究 は 少 な い の で ，一 流 選 手 の 技 術 の 特 徴 を 明 ら か に で き れ ば ，パ フ ォ ー マ ン ス 向 上 の た め の 基 礎 的 知 見 を 得 る こ と が で き る ． ② 競 歩 に お け る 身 体 部 分 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に つ い て は こ れ ま で 明 ら か に さ れ て い な い ．し た が っ て ，身 体 各 部 分 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ を 明 ら か に す る こ と で ，出 力 さ れ た 力 学 的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 利 用 す る た め の 基 礎 的 な 知 見 を 得 る こ と が で き る ． ③ 競 歩 選 手 が 歩 行 中 に 発 揮 す る 関 節 ト ル ク お よ び ト ル ク パ ワ ー の 特 徴 に つ い て は ，こ れ ま で 明 ら か に さ れ て い な い ．し た が っ て ，競 歩 動 作 に お け る 関 節 ト ル ク な ど の デ ー タ と 得 ら れ た 知 見 は ，ト レ ー ニ ン グ 法 を 考 え る た め の 基 礎 的 資 料 と し て 役 立 つ ． ④ 競 歩 に お け る 下 胴 お よ び 体 幹 の 動 作 は 競 歩 に 特 徴 的 な 動 作 と さ れ て き た が ，歩 行 速 度 や 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と の 関 係 を バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 に 検 討 し た も の は な い ．し た が っ て ，左 右 下 肢 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 下 胴 お よ び 体 幹 の 関 係 に つ い て 分 析 す る こ と で ，下 胴 お よ び 体 幹 の 技 術 に 関 す る 基 礎 的 な 知 見 を 得 る こ と が で き る ．

2. 文 献 研 究 2.1 競 歩 の 技 術 に 関 す る バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 競 歩 の 技 術 に 関 す る バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 研 究 は 非 常 に 少 な い ． こ こ で は バ イ オ メ カ ニ ク ス 的 観 点 か ら 行 わ れ た 競 歩 の 技 術 に 関 す る 研 究 に つ い て 述 べ る ． 2.1.1 競 歩 の キ ネ マ テ ィ ク ス に 関 す る 研 究 Murray ら（ 1983）は ，オ リ ン ピ ッ ク 米 国 代 表 の 男 子 2 名 を 被 験 者 と し て 実 験 を 行 い ， 3 次元画像分析を行っている ．その結果，競歩と通常歩 行 と の 相 違 と し て ， 前 額 面 内 に お け る 骨 盤 の 傾 斜 と 腕 の 大 き な ス イ ン グ 動 作 を 挙 げ て い る ． 骨 盤 の 傾 斜 に つ い て は ， 支 持 期 中 盤 に 回 復 脚 股 関 節 を 下 げ る 様 に 前 額 面 内 で 骨 盤 を 傾 斜 さ せ る こ と で 回 復 脚 の 重 心 を 下 げ て 身 体 重 心 高 を 通 常 歩 行 の 場 合 よ り も 低 く で き る と 報 告 し て い る ． 腕 に つ い て は ， 支 持 脚 離 地 と 回 復 脚 接 地 の 前 後 に 両 腕 の 肘 関 節 を 大 き く 屈 曲 し た 状 態 で 身 体 の 前 後 に 大 き く 振 る こ と で 身 体 重 心 高 を 通 常 歩 行 の 場 合 よ り も 高 く す る こ と が で き ， こ の 様 な 腕 の 動 作 と 支 持 期 中 盤 に お け る 骨 盤 の 前 額 面 内 の 傾 斜 に よ っ て 一 歩 中 に お け る 身 体 重 心 高 の 上 下 動 が 通 常 歩 行 よ り も 小 さ く な る と 報 告 し て い る （ Figure 2.1）． 体 幹 の 動 作 に つ い て は ， 水 平 面 内 の 骨 盤 の 回 転 に よ っ て 通 常 歩 行 よ り も 大 き な ス ト ラ イ ド を 獲 得 し て い る と 述 べ て い る ． 通 常 歩 行 と の 相 違 点 と し て ， 回 復 期 後 半 に お け る 大 き な 股 関 節 屈 曲 も 挙 げ て い る が ， 走 の 場 合 と 同 じ 様 に 回 復 脚 の す ば や い 振 り 戻 し 動 作 を 行 う た め の も の で あ る と し て い る ． Phillips と Jensen（ 1984） は ， 3 名 の 男 子 競 技 者 を 16mm 映 画 撮 影 し ， 前 額 面 と 矢 状 面 の 2 次元画像分析を行った．被験者は各自の最適なペー

Figure 2.1 Tracings for a subject in normal walking (a) and race walking (b). (Murray et al., 1983)

ス で 歩 き ， そ の 際 の ス ト ラ イ ド ， ピ ッ チ ， 角 度 変 位 な ど が 測 定 さ れ た ． し か し ， 得 ら れ た 結 果 は 被 験 者 の 形 態 的 特 性 に 依 存 し て い る と し ， 歩 行 速 度 に 影 響 を 及 ぼ し て い る 要 因 が 何 で あ る か は 標 本 が 少 な い た め に 特 定 で き な い と 結 論 づ け て い る ． 清 水 ら （ 1994）は，公式競技会の男子 20km レ ー ス に 出 場 し た 5 名 の 競 技 者 を 対 象 と し て 2 次元画像分析を行い，歩行速度はストライド長と 関 係 が あ り ， 歩 行 速 度 が 大 き い 場 合 は ， 離 地 時 に 支 持 脚 を 後 方 へ 大 き く 押 し 出 し た 様 な 姿 勢 で あ っ た と 報 告 し て い る ． 清 水 ら （ 1995）は，公式 競 技 会 の 男 子 20km レ ー ス に 出 場 し た 5 名と女子 10km レ ー ス の 6 名の競 技 者 を 対 象 と し て 分 析 を 行 い ， 歩 行 速 度 の 要 因 の 男 女 差 に つ い て 検 討 し て い る ． そ の 結 果 ， ス ト ラ イ ド 長 と 歩 行 速 度 と の 間 に は 男 女 と も 相 関 は あ る が ，ピ ッ チ と ス ト ラ イ ド 長 と の 間 に は 女 子 に の み 負 の 相 関 が み ら れ ， ピ ッ チ の 少 な い も の ほ ど 大 き な 歩 行 速 度 を 得 て い た と 報 告 し て い る ． 歩 行 速 度 の 大 き な 場 合 は ， 男 女 と も 離 地 時 に 支 持 脚 を 後 方 へ 大 き く 押 し 出 し た 様 な 姿 勢 で あ っ た が ， 女 子 の 場 合 は 接 地 時 に 下 腿 の 振 り 出 し が 小 さ い 姿 勢 で あ っ た ． 2.1.2 競 歩 の キ ネ テ ィ ク ス に 関 す る 研 究 Payne（ 1978）は ，男 子 １ 名 の 被 験 者 の 競 歩 ，通 常 歩 行 ，走 の 地 面 反 力 を 計 測 し ， 比 較 を 行 っ て い る ． そ の 結 果 ， 競 歩 に お け る 地 面 反 力 は ， 左 右 方 向 ， 前 後 方 向 ， 鉛 直 方 向 の す べ て の 成 分 で 通 常 歩 行 の も の よ り 大 き く ， と り わ け 接 地 直 後 の 上 向 き の 力 と 後 ろ 向 き の 力 が 大 き く な っ て い た と 報 告 し て い る （ Figure 2.2）． 地 面 反 力 の 前 後 方 向 の 成 分 と 鉛 直 方 向 の 成 分 の 大 ま か な 変 化 パ タ ー ン は ， 競 歩 と 通 常 歩 行 お よ び 走 と で 大 き な 違 い は な か っ た ． し か し ， 支 持 期 中 盤 に お い て 身 体 内 側 へ 向 か う 左 右 方 向 成 分 の 地 面 反 力 が み ら れ た の は 競 歩 だ け で あ っ た ． ま た ， 競 歩 で は 2 峰

Figure 2.2 The force-time record of one foot during the right foot support phase in race walking. The X (lateral-medial) and Y (anterior-posterior) values indicate the force exerted by the subject. The Z (vertical) value indicates the ground reaction force. (Payne, 1978)

性 の カ ー ブ を 描 く 鉛 直 方 向 の 地 面 反 力 が ， 走 で は 1 峰性のものになって い た ． Fenton（ 1984） は ， 男 子 6 名 ， 女 子 1 名 に よ る 地 面 反 力 の 比 較 を 行 っ た ． 鉛 直 方 向 の 力 は 3 つのピークがあり，後方への力が発生するのは通 常 歩 行 よ り も 早 い 時 点 で あ っ た ．左 右 の 力 の パ タ ー ン は 個 人 差 が 大 き く ， 熟 練 者 ほ ど 着 地 衝 撃 は 小 さ い と し て い る ． White と Winter（ 1985） は ， 熟 練 し た 競 技 者 １ 名 を 被 験 者 と し た 実 験 を 行 い ， 競 歩 中 の 地 面 反 力 の 計 測 と 2 次元画像分析から下肢の各関節に お け る 関 節 ト ル ク ， ト ル ク パ ワ ー を 推 定 し ， 競 歩 に お け る 下 肢 各 関 節 の 役 割 に つ い て 検 討 し て い る （ Figure 2.3）． 一 歩 中 に 下 肢 の 関 節 ト ル ク に よ っ て 発 揮 さ れ た パ ワ ー の ピ ー ク を 比 較 す る と ， 支 持 期 後 半 に 足 関 節 底 屈 ト ル ク に よ っ て 発 揮 さ れ た 正 の パ ワ ー（ A2）が 最も大きいため，身体 を 前 進 さ せ る た め に 最 も 貢 献 し て い た の は 足 関 節 ま わ り の 筋 群 で あ る と し て い る ． さ ら に ， 離 地 前 か ら 回 復 期 前 半 に か け て 股 関 節 屈 曲 ト ル ク に よ っ て 発 揮 さ れ る 正 の パ ワ ー（ H3）も回復脚を前方に振り出すのに貢献 し て い た と 報 告 し て い る ． 回 復 期 後 半 に 股 関 節 伸 展 ト ル ク に よ っ て 発 揮 さ れ る 正 の パ ワ ー（ H1）に つ いて は，値は 大 きいも の の身体 を 前進さ せ る た め で は な く ， 接 地 ま で に 膝 関 節 を 伸 展 さ せ る た め に 発 揮 さ れ た も の と し て い る ． 膝 関 節 ト ル ク に よ る パ ワ ー の 発 揮 は ほ と ん ど が 回 復 期 に お け る 負 の パ ワ ー で あ る た め ， 膝 関 節 の 主 な 役 割 は 回 復 期 に お け る パ ワ ー の 吸 収 で あ り 身 体 の 前 進 に は 貢 献 し て い な い と 述 べ て い る ． Cairns ら （ 1986） は ， 男 子 8 名 ， 女 子 2 名 の 被 験 者 を 用 い て 3 次 元 画 像 分 析 と 地 面 反 力 の 測 定 を 行 っ た ． 通 常 歩 行 ， ト レ ー ニ ン グ 速 度 で の 競 歩 ， レ ー ス 速 度 で の 競 歩 ， 走 の 各 試 技 に つ い て 関 節 角 度 ， 地 面 反 力 ， 関 節 ト ル ク を 比 較 し た ．走 あ る い は 通 常 歩 行 と の 競 歩 の 違 い の 特 徴 と し て ，

Figure 2.3 Muscle powers at the hip, knee, and foot during one stride of race walking. (White and Winter, 1985)

接 地 時 に お い て 膝 関 節 が よ り 伸 展 し た 状 態 で あ る こ と と ， 前 額 面 内 で の 骨 盤 の 傾 斜 が 大 き い こ と を 挙 げ て い る ． ま た ， 地 面 反 力 に つ い て は ， 接 地 後 に 発 生 す る 前 後 方 向 の 力 が 後 ろ 向 き か ら 前 向 き に 変 わ る の が Payne （ 1978）のものと比べ遅れるほかは同様なものであったとしている． Phillips と Jensen（ 1984）， 清 水 ら （ 1994， 95） の 研 究 を 除 く と ， 全 て 通 常 歩 行 と 競 歩 の 違 い を 明 ら か に す る こ と に 主 眼 を お い て お り ， 競 歩 の パ フ ォ ー マ ン ス に 関 係 す る 要 因 を 明 ら か に し よ う と し た も の で は な い ． Phillips と Jensen（ 1984）， 清 水 ら （ 1994， 95） の 場 合 で も ， 歩 行 速 度 と 関 係 の あ る 要 因 に つ い て 分 析 を 試 み て い る が ， ス ト ラ イ ド ， ピ ッ チ ， 角 度 デ ー タ の み に つ い て 検 討 し て い る に 過 ぎ ず ， こ れ ら の み で は ， 歩 行 速 度 と 動 作 の 関 係 を 明 ら か に す る に は 不 十 分 で あ る ． ま た ， 競 歩 は 持 久 性 種 目 で あ り ， 大 き な 歩 行 速 度 の 獲 得 だ け で な く 維 持 の た め の 技 術 的 要 因 も 明 ら か に す る こ と で 競 技 力 を 高 め る た め の 知 見 を 得 ら れ る と 考 え ら れ る ． 2.2 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 に 関 す る 研 究

Cavanagh と Kram（ 1985）は ，運 動 の 効 率（ efficiency of movement）に 関 す る 用 語 に つ い て 整 理 し ， 定 義 を 試 み て い る ． そ の 中 で ， 効 率 （ efficiecy） を 運 動 中 に 要 し た 生 理 的 エ ネ ル ギ ー に 対 す る 発 揮 し た 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 比 率（ muscular efficiency）と筋内で生理的エネルギーが 筋 張 力 に 変 換 さ れ る 過 程 の 効 率（ muscle efficiency）に分 け，一定 スピー ド で の ラ ン ニ ン グ な ど の 運 動 課 題 を 達 成 す る の に 要 し た 最 大 下 酸 素 摂 取 量 を 経 済 性（ economy）と 定 義 し て い る ．さ ら に ，有 効 性（effectiveness） を ， 外 界 に 対 し て 発 揮 し た 力 に 対 す る 実 際 の パ フ ォ ー マ ン ス に 効 果 の あ

っ た 力 な ど の 様 に 定 義 し て い る ． 阿 江 と 藤 井（ 1996b）は ，Cavanagh と Kram（1985）の 定 義 し た 有 効 性 指 数（ Index of effectiveness）は全身で発揮された力学的エネルギーの有 効 性 を 示 す 指 標 で は な く ， 経 済 性 （ economy） は 生 理 的 エ ネ ル ギ ー が 筋 内 で 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に 変 換 さ れ る 過 程 を 含 む も の で あ り（ Figure 2.4）， 運 動 技 術 を 評 価 す る 指 標 と し て 運 動 中 に 発 揮 さ れ た 全 身 の 力 学 的 仕 事 に 対 す る 運 動 課 題 の パ フ ォ ー マ ン ス を 示 す 変 量 の 比 率 を 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 有 効 性 指 数（ Effectiveness Index，EI）として定義している．EI を算出す る 場 合 の 全 身 の 力 学 的 仕 事 の 算 出 方 法 は ， 関 節 ト ル ク パ ワ ー か ら 算 出 す る 方 法 が 実 用 的 で あ り ， 関 節 ト ル ク が 算 出 で き な い 場 合 は 身 体 部 分 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 か ら 算 出 す る 方 法 で 代 用 で き る と し て い る ．EI お よ び 算 出 方 法 の 妥 当 性 を ラ ン ニ ン グ ， ド ロ ッ プ ジ ャ ン プ ， 腕 と 体 幹 の 部 分 運 動 を 用 い て 検 討 し た と こ ろ ， 全 身 の 力 学 的 仕 事 の 算 出 方 法 を 運 動 の 形 態 に 応 じ て 適 切 に 選 択 す る こ と で ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 利 用 し パ フ ォ ー マ ン ス を 高 め る た め の 技 術 的 要 因 を 明 ら か に で き る と し て い る ． 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を 疾 走 速 度 や 歩 行 速 度 な ど の 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス に 効 果 的 に 変 換 す る 技 術 を 明 ら か に す る た め に は ， 経 済 性 を 効 率 と 有 効 性 に 分 け （ 阿 江 と 藤 井 ， 1996b），力学的エネルギーの利用について明らか に す る こ と が 重 要 で あ る ． 通 常 歩 行 お よ び 走 に お い て は ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 利 用 に 関 す る 研 究 が 行 わ れ て い る こ と か ら ， 競 歩 に お い て も 同 様 な 研 究 を 行 う こ と で ， 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス に 変 換 す る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 に つ い て 明 ら か に で き る と 考 え ら れ る ．

Figure 2.4 Flow of energy in human movement and three Es, i.e. efficiency, economy, and effectiveness. (Ae and Fujii, 1996b)

2.3 通 常 歩 行 お よ び 走 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に 関 す る 研 究 Winter と Robertson（ 1978） は ， 通 常 歩 行 に お け る 下 肢 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 の 要 因 に つ い て 明 ら か に す る た め に ， 2 次元画像分析法と 地 面 反 力 の 計 測 を 行 い ， 身 体 各 部 分 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 と 下 肢 各 関 節 の 関 節 力 パ ワ ー ， セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー に つ い て 分 析 を 行 っ て い る ． そ の 結 果 ， 歩 行 中 の 全 身 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 パ タ ー ン に は ， 離 地 直 前 の プ ッ シ ュ オ フ か ら 接 地 ま で の 局 面 に お け る 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 パ タ ー ン が 大 き く 影 響 し て い た ． 全 身 お よ び 回 復 脚 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー は ， プ ッ シ ュ オ フ 時 の 足 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 発 生 と 股 関 節 力 に よ る 体 幹 か ら の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に よ っ て 回 復 脚 離 地 前 後 に 急 激 に 増 加 し ， 回 復 期 中 盤 か ら 接 地 ま で は 膝 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 吸 収 と 股 関 節 力 に よ る 体 幹 へ の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ に よ っ て 減 少 し て い た （ Figure 2.5）． こ の よ う に ， 全 身 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 に は 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 発 生 と 吸 収 だ け で な く 関 節 力 と 関 節 ト ル ク に よ る 身 体 部 分 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 が 影 響 し て い た こ と を 明 ら か に し て い る ． Robertson と Winter（ 1980）は ，2 名 の 男 性 被 験 者 に 4 種 類 の 異 な る ス ピ ー ド で 歩 か せ ， 2 次元画像分析法と地面反力の 計測から下肢各部分の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 の 要 因 を 関 節 力 パ ワ ー と セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー の 時 系 列 デ ー タ の 詳 細 な 分 析 か ら 明 ら か に し て い る ． そ の 結 果 ， 部 分 ご と の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 変 化 率 は 接 地 直 後 の 足 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 を 除 く と ， 各 関 節 の 関 節 力 パ ワ ー と セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー の 和 と ほ ぼ 等 し く ， 歩 行 中 の 下 肢 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 に は 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 発 生 ・ 吸 収 お よ び 伝 達 だ け で な く ， 関 節 力 に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 も 影 響 し て い た こ と を 明 ら か に し て い る ．

Figure 2.5 Detailed mechanical power analysis during various phases of gait. (Winter and Robertson, 1978)

Chapman と Caldwell（1983）は，女子短距離選手 2 名を被験者として ト レ ッ ド ミ ル 走 行 時 の 2 次元画像分析法によって回復脚各部の力学的エ ネ ル ギ ー 変 化 と そ の 要 因 に つ い て 検 討 し て い る ． そ の 結 果 ， 回 復 脚 全 体 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー は 離 地 か ら 反 対 脚 の 接 地 直 後 ま で 急 激 に 増 加 し ， 反 対 脚 離 地 か ら 回 復 脚 接 地 ま で 減 少 し て い た ． 回 復 期 前 半 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 増 加 に は 股 関 節 力 に よ る 体 幹 か ら の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ と 股 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に よ る も の で あ っ た と し て い る ． 回 復 期 後 半 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 減 少 に は 膝 関 節 ト ル ク に よ る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 吸 収 が 影 響 し て い た が ， 股 関 節 力 パ ワ ー に よ る 体 幹 へ の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ も 影 響 し ， 体 幹 に 流 れ た 力 学 的 エ ネ ル ギ ー は 反 対 脚 に 流 れ る こ と で ， 回 復 脚 の 振 り 出 し に 役 立 っ て い た こ と を 示 唆 し て い る ． Ae ら（ 1988）は ，男 子 短 距 離 選 手 5 名 を 被 験 者 と し て 2 次 元 画 像 撮 影 と フ ォ ー ス プ ラ ッ ト フ ォ ー ム に よ る 地 面 反 力 の 計 測 を 行 い ， 疾 走 中 の 大 腿 ， 下 腿 ， 足 の 各 部 分 の 関 節 力 パ ワ ー ， セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー の 分 析 を 行 っ て い る （ Figure 2.6）． そ の 結 果 ， 各 部 分 と も 関 節 力 パ ワ ー は セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー よ り も 大 き か っ た も の の ， 関 節 力 パ ワ ー の 大 き か っ た 局 面 で は セ グ メ ン ト ト ル ク パ ワ ー も 大 き く ， 関 節 力 に よ る 部 分 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 を 大 き く す る に は ， 関 節 ト ル ク の 発 揮 が 重 要 で あ る こ と を 示 唆 し て い る ． ま た ， 接 地 前 の 局 面 に お け る 回 復 脚 か ら 体 幹 に 伝 達 す る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー は ， 反 対 脚 に 伝 達 し ， 反 対 脚 の す ば や い 振 り 戻 し に 影 響 し て い た こ と を 示 唆 し て い る ． Williams と Cavanagh（ 1987） は ， 31 名 の 長 距 離 走 者 の 動 作 の 3 次 元 動 作 分 析 に よ り 各 部 分 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 な ど を 分 析 し た ．ま た ， 走 の 経 済 性 を 比 較 す る た め ト レ ッ ド ミ ル 上 で 最 大 下 で 走 行 中 の 酸 素 摂 取 量 を 測 定 し た ． そ の 結 果 ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー に 関 す る 変 数 で は ， 走 の 経

Figure 2.6 Energy flows between the segments during a cycle of sprinting. Energy flow is expressed in the works done on the segment by joint force and muscle moment during each of eight phases. Straight arrows at the joints indicate the magnitude and direction of energy flow by joint force and curved ones are those by muscle moment. Arrow depict inside of each segment represents increase (↑) or decrease (↓) of the energy level. For simplicity work less than 0.09 J/kg was not illustrated. (TO, toe-off of the right foot; CFS, contralateral foot strike; CMS, contralateral mid-support; CTO, contralateral toe-off; FS, foot strike; MS, mid-support) (Ae et al., 1988)

済 性 が 低 か っ た 被 験 者 群 で は ， 下 肢 お よ び 体 幹 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 が 他 の 被 験 者 群 よ り も 有 意 に 小 さ い こ と が わ か っ た ． そ の 原 因 と し て ，身 体 部 分 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 が 増 す こ と に よ っ て（ Figure 2.7）， 筋 に よ る 生 理 的 エ ネ ル ギ ー の 発 揮 が 抑 え ら れ た 可 能 性 が あ る と し て い る ． 榎 本 ら （ 1999）は，長距離走における技術的 要 因 を 明 ら か に す る た め に ，公 式 競 技 会 の 男 子 5000m 走 に 出 場 し た 32 名 を 被 験 者 と し て ，2000m 地 点 と 4000m 地 点 に お け る 疾 走 動 作 の 2 次元動作分析を行っている． 2000m 地 点 と 4000m 地 点 の 両 方 で 疾 走 速 度 が 高 く 競 技 パ フ ォ ー マ ン ス の 高 か っ た 被 験 者 で は 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 利 用 の 有 効 性 指 数 （ EI） が 高 く ， EI の 高 か っ た 被 験 者 で は 全 身 の 力 学 的 仕 事 が 小 さ く ，左 右 脚 間 で の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 伝 達 量 が 大 き い 傾 向 が み ら れ た （ Figure 2.8）． そ し て ， 左 右 脚 間 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ は 回 復 脚 離 地 後 に 左 右 の 脚 を 挟 み こ む 動 作 を 行 い ， 回 復 脚 の す ば や い 振 り 出 し を 行 う こ と で 達 成 で き る と し て い る ． 2.4 競 歩 の 効 率 に 関 す る 研 究 Cavagna と Franzetti（ 1981） は ， 5000m 競 歩 の 室 内 世 界 記 録 保 持 者 を 含 む イ タ リ ア 代 表 男 子 競 歩 チ ー ム の 被 験 者 8 名の地面反力を計測し，両 足 が 地 面 と 離 れ る 局 面 が 発 生 す る 時 速 12km 以上の歩行速度を含めて， 時 速 2km から時速 20km ま で 歩 行 速 度 を 変 化 さ せ た 場 合 の 1 歩中の身体 重 心 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 変 化 を 分 析 し た ．そ の 結 果 ，時 速 10km ま で は ， 支 持 足 接 地 後 に 増 加 し た 位 置 エ ネ ル ギ ー が 支 持 期 終 盤 に 減 少 す る よ う な 変 化 を 示 し た が ， 運 動 エ ネ ル ギ ー は 逆 の 変 化 パ タ ー ン を 示 す こ と か ら 通

Figure 2.7 Energy transfer between segments during different portions of running cycle. Arrows indicate direction and relative magnitude of transfer, and + and – indicate whether energy is gained or lost by involved segment. (Williams and Cavanagh, 1987)

Figure 2.8 Relationships of EI to mechanical work (WWb) and mechanical energy transfer

常 歩 行 と 同 じ よ う に 位 置 エ ネ ル ギ ー と 運 動 エ ネ ル ギ ー の 変 換 が 生 じ て い た と し て い る ． 時 速 10km 以上の速度では身体重心の位置エネルギーと 運 動 エ ネ ル ギ ー は 同 じ 変 化 パ タ ー ン を 示 し ， 支 持 足 接 地 後 に 減 少 し て 支 持 期 中 盤 か ら 離 地 ま で 増 加 し て い た こ と か ら ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー が 接 地 後 に 筋 に 蓄 え ら れ て ，支 持 期 後 半 に 再 利 用 さ れ て い た と し て い る ．ま た ， エ ネ ル ギ ー 効 率 を 計 算 し ，時 速 2km か ら 時 速 10km ま で よ り も ，時 速 10km 以 上 の ほ う が 高 い 効 率 を 示 し た こ と か ら（ Figure 2.9），時速 10km 以上で の 速 度 で は 筋 に よ る 運 動 エ ネ ル ギ ー の 蓄 積 と 再 利 用 に よ っ て ， 競 歩 は 通 常 歩 行 よ り も 効 率 が 高 く な る と し て い る ． Marchetti ら（ 1982）は ，イ タ リ ア 代 表 レ ベ ル の 男 性 被 験 者 4 名 の 通 常 歩 行 ， 競 歩 ， 走 に お け る 身 体 各 部 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 を 3 次元画 像 分 析 に よ り 算 出 し た ． そ の 結 果 ， 通 常 歩 行 で は 全 身 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 変 化 パ タ ー ン に 下 肢 の 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 変 化 パ タ ー ン が 大 き く 影 響 し て い た の に 対 し ， 競 歩 で は 走 の よ う に 位 置 エ ネ ル ギ ー と 運 動 エ ネ ル ギ ー の 変 化 パ タ ー ン が ほ ぼ 同 じ で あ っ た こ と か ら ， 競 歩 は 通 常 歩 行 よ り も 走 に 類 似 し て い る と し て い る ． ま た ， エ ネ ル ギ ー 効 率 は 競 歩 の 方 が 低 い （ Figure 2.10） 要 因 と し て ， 運 動 エ ネ ル ギ ー が 筋 に 蓄 え ら れ 弾 性 エ ネ ル ギ ー と し て 再 利 用 さ れ る 機 能 が 走 ほ ど 高 く な い た め と し て い る ． こ の よ う に ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 観 点 か ら 通 常 歩 行 や 走 に 対 す る 競 歩 の 効 率 に つ い て 研 究 が 行 わ れ て い る ． し か し ， 競 歩 に お い て 大 き な 歩 行 速 度 を 獲 得 し ， 維 持 す る こ と に よ っ て パ フ ォ ー マ ン ス を 高 め る 技 術 に つ い て は 明 ら か に さ れ て い な い ． 生 理 的 エ ネ ル ギ ー を パ フ ォ ー マ ン ス に 効 果 的 に 変 換 す る 技 術 を 明 ら か に す る た め に は ， 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 利 用 の 有 効 性 に つ い て 検 討 す る こ と が 重 要 で あ る （ 阿 江 と 藤 井 ， 1996b）．そ の た め ， 競 歩 に お け る 力 学 的 エ ネ ル ギ ー の 流 れ を 分 析 す る こ と で ， 力 学

Figure 2.9 Below: The total positive work W_tot= |W_ext| + |W_int| and the net energy expenditure (total - standing) per unit distance and unit body mass are given as a function of the speed for competition walking (continuous lines) and normal walking (dotted line). The energy expenditure curve of normal walking (dotted line) was traced over the average of the data of Margaria (1938), Ralston (1958), Cotes and Meade (1960) and Dill (1965); that of competition walking was calculated from the average of the data of Menier and Pugh (1968) for speeds greater than 8km/hr, and from the average of the data of Menier and Pugh and those of normal subjects at lower speeds. Energy expenditure at speeds greater than 14.5km/hr is extrapolated from the line given by Menier and Pugh (1968). Above: the efficiency of positive work, Wtot/energy expenditure, is given as a function of

speed for competition walking (continuous line) and for normal walking (dotted line). The interrupted part of the energy expenditure and efficiency curves indicates that at these speeds an oxygen debt may be necessary to meet the mechanical power output. (Cavagna and Franzetti, 1980)

Figure 2.10 Efficiency in amubulation, race walking, and running as a function of the speed. (Marchetti et al., 1982)

的 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 利 用 し て 大 き な 歩 行 速 度 を 獲 得 し ， そ れ を 維 持 す る た め の 技 術 的 示 唆 が 得 ら れ る と 考 え ら れ る ．

3. 方 法 Table 3.1 は，第 4 章 か ら 第 7 章 ま で で 行った デ ータ収 集 の方法 を 示し た も の で あ る ． 第 4 章では，研究課題 1 を明らかにするために公式競技会において 2 次 元 画 像 分 析 法 に よ る 歩 行 フ ォ ー ム の 撮 影 を 行 っ た ． 第 5 章では，研究 課 題 2 を明らかにするために実験によって 2 次元画像分析法による歩行 フ ォ ー ム の 撮 影 と フ ォ ー ス プ ラ ッ ト フ ォ ー ム に よ る 地 面 反 力 の 計 測 を 行 っ た ． 第 6 章では，研究課題 3 を明らかにするために公式競技会におい て 2 次元画像分析法による歩行フォームの撮影を行った．第 7 章では， 研 究 課 題 4 を明らかにするために実験によって 3 次元画像分析法による 歩 行 フ ォ ー ム の 撮 影 と フ ォ ー ス プ ラ ッ ト フ ォ ー ム に よ る 地 面 反 力 の 計 測 を 行 っ た ． 撮 影 方 法 お よ び 地 面 反 力 の 計 測 方 法 ， 被 験 者 に つ い て は 各 章 で 詳 細 に 述 べ る ． 本 章 で は ， こ れ ら に 共 通 す る デ ー タ 処 理 方 法 に つ い て 述 べ る ． 3.1 2 次 元 動 作 分 析 法 に よ る デ ー タ 処 理 （ 第 4 章 ‐ 第 6 章 ） 3.1.1 2 次 元 座 標 デ ー タ の 算 出 撮 影 し た VTR 画像を用いて被験者の 1 サイクルの歩行動作について身 体 分 析 点（ 23 点 ，Figure 3.1）お よ び 較 正 マ ー ク（4 点 ）を デ ジ タ イ ズ し た ．デ ジ タ イ ズ に は DKH 社 製 Frame-DIASⅡシステムを用い，得られた 身 体 の 2 次元座標を実長換算した． Wells と Winter（1980）の方法によ り 分 析 点 の 座 標 成 分 ご と に 最 適 遮 断 周 波 数 を 決 定 し ， Butterworth low-

Table 3.1 Methods of data collection for each chapter.

Chapter 4

Two dimensional analysis

Measurement of ground reaction force Two dimensional analysis

Chapter 5 Chapter 6 Chapter 7

Three dimensional analysis Official races