ウォーキングとランニングには、それぞれエネルギーを使い回す仕組みがある。それでも消費が生じる理由を、歩行の振り子運動と一歩の切り替え、走行の弾性エネルギーから読む。距離当たりと時間当たりの違い、速歩きの脚の仕事、数字を自分の記録に当てはめる際の注意点も整理する。
公園の周回路で、歩く区間から走る区間へ切り替える。歩いているうちは振り子、走り出すとばね。人の移動は、このような模型で説明される。どちらにもエネルギーを使い回す仕掛けがあるのに、運動の記録には消費カロリーが並ぶ。使い回せるのなら、何に支払っているのだろうか。[10]
答えの芯は、歩行では体を次の脚へ受け渡す仕事が必要であり、走行では弾性エネルギーの再利用があっても筋肉の働きが残ることにある。歩行の振り子と走行のばねは、支出を消す装置ではなく、その一部を肩代わりする説明である。[1][2][10]
既存の「ウォーキングとランニングの違いは眠りにも出る？種目比較と睡眠指標の読み分け」は睡眠の問いを扱う。「ランニングとウォーキングの効果は腱で違う？筋肉の仕事と弾む力を研究で読む」にも隣接するが、ここでは運動の効果の優劣より、振り子の弧から次の弧へ移る際の仕事と、カロリーを比べる単位に焦点を絞る。
カロリーの違いは、まず距離の単位で読む
歩行と走行の力学を扱ったレビューでは、歩行の代謝コストが低くなる速度は約1.11m/s、そのときの値は約2J/kg/mと整理されている。走行については、距離当たりのコストが速度によらずおよそ4J/kg/mという説明が示される。単位の意味は、体重当たり、移動距離当たりに使うエネルギーである。[10]
この比較で見ているのは、ある時間にどれだけ使ったかではない。同じ距離を運ぶ際の燃費である。走る方が短い時間で到着したとしても、距離当たりに必要なエネルギーは別に比べる必要がある。反対に、同じ時間だけ移動すれば、速度が違う分だけ距離も違う。距離の比較と時間の比較を混ぜると、数字の理由が見えにくくなる。[8][10]
ただし、ここから「誰でも走れば歩行のちょうど倍」とは決められない。歩行側の数字は、代謝コストが低い速度での代表値である。走行のレビューでは、ランナー間の距離当たりコストに約20%の幅が報告されている。対象は男女のランナーを含み、18〜39歳の女性にこの幅をそのまま当てはめるには、走行条件や個人差の確認が必要である。個人の体の寸法や脚の構造、弾性エネルギーの蓄積と再利用などが、その違いに関わる。[8][10]
自分の記録を見るなら、消費の数字と一緒に「時間をそろえたのか、距離をそろえたのか」を書き添えるとよい。これは数値を大きく見せるためではなく、比べたい問いを固定するためである。駅までの移動時間を変えたくない日と、川沿いを決めた地点まで往復する日では、同じ歩行対走行でも比較の意味が変わる。距離当たりのコストと一定速度での代謝需要を区別するレビューの整理は、その手掛かりになる。[8]
体重を減らす目的がなくても、この違いは役立つ。休日に長く歩く予定を立てるとき、短く走った日の表示だけを基準にすると、移動の長さと運動の速さを同時に動かしてしまう。まず何を同じ条件にしたいかを決める。燃費の話を、体型の採点へ置き換える必要はない。
疑問の続きは、体で確かめるのがいちばん早い。
歩く体は振り子に似るが、一本の弧では進めない
歩行の片脚で支える局面では、体の重心、つまり体全体の重さをまとめて考える代表点が、逆さにした振り子に似た動きをする。普通の振り子が支点の下を揺れるのに対し、歩行では支える脚の上を重心が通る。この見方では、重心の高さに関わる位置エネルギーと、速さに関わる運動エネルギーをやり取りしている。[1][10]
歩行のレビューは、この仕組みが片脚支持での筋力と仕事の要求を減らすと整理している。位置エネルギーと運動エネルギーの交換が、筋肉の負担の一部を引き受ける。振り子の説明が便利なのは、歩行を単なる脚の持ち上げの連続として見るより、体全体の移動を理解しやすくする点にある。[2]
ところが、同じ脚の上に乗り続ければ、前へ歩き続けることはできない。次の脚へ支えを交代させる必要がある。ここで重心の進む向きを変え、次の振り子の弧へ移す仕事が生じる。レビューは、この一歩ごとの切り替えが、振り子として歩くことに避けられないエネルギー上の負担だと説明する。[2][4]
この理論を検討したレビューには、緩い下り坂を脚の動力学で歩く受動歩行機械と、平地を歩く能動的なロボットも登場する。人の姿を細部まで再現しなくても、脚の運動から歩行を組み立て、予測を実験で確かめる道がある。歩行の模型は、見た動きに後から名前を付けるだけのものではない。[4]
この区別は、歩き方を評価する言葉にも関わる。「滑らか」「上下動が少ない」という見た目と、エネルギーの少なさは同義ではない。歩行理論を検討したレビューでは、重心の軌道を平らにするとむしろ筋肉の仕事と力の要求が増えるという数理的な分析が示されている。頭を上下させないことだけを燃費の目標にする根拠にはならない。[4]
通勤途中にショーウインドーへ映った姿を見ると、頭の揺れが気になることがある。しかし、その映像には筋肉がした仕事の総量は写っていない。見た目を整える課題と、移動の代謝コストを調べる課題は分けて扱いたい。軌道の形だけでなく、切り替えに必要な仕事を考えるのが、この研究の面白いところである。[4]
歩幅を広げる実験で見えた、受け渡しの代金
一歩の切り替えを調べた実験には、9人の参加者がいる。研究者は歩調を1.8Hzに固定し、歩幅を0.4〜1.1mの範囲で変えた。床に加わる力から左右の脚の外的な仕事を測り、呼吸ガスを利用する間接熱量測定で代謝率も調べた。見た目から燃費を推測しただけではなく、力学と代謝を並べた実験である。[1]
外的な仕事とは、体の重心が周囲の空間で高さや速さを変える際の仕事を指す。これに対し、体の重心を基準として手脚などの各部を動かす仕事は、内的な仕事として区別される。体全体が前へ運ばれることと、体の各部分が動くことを分けて考えるための用語である。[10]
実験では、負の外的仕事と正の外的仕事の率が、歩幅の4乗に伴って増えた。値の範囲は1〜38Wで、代謝率も7〜379Wへ増え、こちらも歩幅の4乗に伴う関係が認められた。代謝率は力学的な仕事率とも直線的に関係した。著者らは、歩行コストの主要な決定要因として、振り子運動そのものより一歩の切り替えの仕事を挙げている。[1]
正の仕事と負の仕事は、良い仕事と悪い仕事という意味ではない。重心の力学的エネルギーを増やす側と減らす側を区別する言葉である。切り替えで失われるエネルギーを補うには正の仕事が要る、という衝突モデルの予測を、この実験は人の測定で検討した。[1]
ここから日常へ持ち帰れるのは、「大股ならいつでも効率的」という単純な説明への疑問である。ただし、歩調を一定にして歩幅を変えた実験なので、日常の歩幅だけを変えれば代謝が同じ割合で増えるとまでは言えない。ふだんは速度も歩調も同時に変わる。実験条件を残したまま読むことで、印象的な4乗という数字を、誰にでも使える計算式にしなくて済む。[1]
横断歩道へ急ぐ場面を考えると分かりやすい。いつもの道でも、脚を遠くへ置くこと、歩調を変えること、走り出すことは、同じ操作ではない。研究が切り分けたのはそのうちの歩幅であり、残りを一定にすることで受け渡しの仕事を見やすくしたのである。[1]
代謝率の単位であるWは、一定の時間にどれだけエネルギーを使うかを示す。先に見たJ/kg/mとは、割っている対象が違う。実験の7〜379Wという範囲を、歩行全般の距離当たりコストの範囲として並べることはできない。同じエネルギーの話でも、時間を分母にする値と、体重と距離を分母にする値を混同しない読み方が必要になる。[1][10]
この実験で重要なのは、床に加わる力と呼吸ガスという異なる測定を照合した点でもある。前者から得るのは脚の外的な仕事、後者から得るのは代謝率である。歩幅を変えた際に両方がどう動くかを比較したため、姿勢の見た目だけでは扱えない、仕事と消費の対応を検討できた。[1]
数字で読む移動の省エネと仕事
約2J/kg/m：レビューが示した、歩行の代謝コストが低い速度付近の代表値である。[10]
約4J/kg/m：同レビューが走行の距離当たりコストとして整理した値を示す。[10]
9人：歩調を固定して歩幅と仕事、代謝率を比較した歩行実験の対象数である。[1]
0.4〜1.1m：その実験で変化させた歩幅の範囲である。[1]
約20%：走行のレビューで報告された、ランナー間の距離当たりコストの幅である。[8]
疑問の続きは、体で確かめるのがいちばん早い。
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