施寶興

短跑支撐階段運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

施寶興

采用測(cè)力、高速錄像及特殊的數(shù)據(jù)平滑處理方法研究短跑運(yùn)動(dòng)員途中跑技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，進(jìn)行田徑技術(shù)原理的探索。結(jié)果表明，支撐時(shí)期可以分為著地階段和蹬伸階段，蹬伸階段可分前蹬，后蹬前段，后蹬后段。途中跑前蹬段是人體重心垂直方向向上加速的重要時(shí)刻，前蹬時(shí)下肢一定程度的垂直加速用力雖影響水平速度，但對(duì)提高垂直速度有積極意義，前蹬和后蹬前段是身體重心垂直向上加速運(yùn)動(dòng)的階段。著地緩沖后的前蹬用力也是實(shí)現(xiàn)良好成績(jī)的技術(shù)之一。途中跑著地和前蹬階段失去的水平速度損失完全可以從后蹬中得到補(bǔ)充。著地點(diǎn)過(guò)近對(duì)前支撐階段獲得重要的垂直速度不利，支撐階段離地前的20m s身體重心速度已經(jīng)開(kāi)始下降。

短跑；途中跑；水平速度；垂直速度；周期；凈肌力矩

跑是人類(lèi)活動(dòng)的基本技能之一，是人體實(shí)現(xiàn)快速位移的手段。短跑技術(shù)理論爭(zhēng)論最多，包括對(duì)跑的周期劃分、短跑動(dòng)力的來(lái)源、著地點(diǎn)遠(yuǎn)近、下肢關(guān)節(jié)肌肉工作狀況等問(wèn)題。本研究在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)支撐階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征探索短跑的技術(shù)理論。

1 對(duì)象與方法

1.1 采用2臺(tái)JVC9800高速攝像機(jī)對(duì)15名健將、一、二級(jí)短跑運(yùn)動(dòng)員起跑后50 m處途中跑的支撐階段進(jìn)行定點(diǎn)定焦常規(guī)拍攝，一臺(tái)拍攝全身，一臺(tái)拍攝下肢，攝像機(jī)主光軸與運(yùn)動(dòng)平面垂直，拍攝距離為20 m，拍攝頻率為100 Hz，曝光時(shí)間為1/250 s。測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281B型）埋于塑膠跑道距起點(diǎn)50 m處的中間，測(cè)力臺(tái)臺(tái)面上粘貼塑膠皮，厚16 mm，現(xiàn)場(chǎng)安裝后測(cè)力臺(tái)上的塑膠皮與跑道塑膠皮齊平。運(yùn)動(dòng)員一旦踏上測(cè)力臺(tái)時(shí)發(fā)出同步電壓信號(hào)，送到置于攝像機(jī)鏡頭前的發(fā)光二極管。

1.2 采用動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)積分平滑運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的方法。利用測(cè)力臺(tái)測(cè)量地面的反作用力，根據(jù)已知的身體質(zhì)量計(jì)算身體重心加速度變化的規(guī)律，根據(jù)加速度積分計(jì)算速度值。

1.3 圖像解析采用德國(guó)SIMI運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，得到原始關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)后自編程序進(jìn)行其他計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 重新認(rèn)識(shí)短跑途中跑支撐階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征

圖1是我國(guó)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員楊某在起跑后50 m處途中跑支撐階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征合成直觀(guān)視圖，包括各三維反力、支撐階段身體重心的水平速度、垂直位移、垂直速度、垂直加速度以及下肢各關(guān)節(jié)凈力矩和腳底壓心的變化，圖中的關(guān)節(jié)凈力矩?cái)?shù)據(jù)為逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，其計(jì)算方法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證[1]。仔細(xì)分析水平速度與垂直速度的變化，發(fā)現(xiàn)水平速度著地時(shí)下降比較快，在支撐時(shí)刻的中間段變化相對(duì)比較平緩。垂直速度的曲線(xiàn)走向就與傳統(tǒng)的理論相差比較大，本研究顯示垂直速度上升的時(shí)刻在支撐著地后的28 ms時(shí)刻，垂直速度也在離地前20 ms開(kāi)始下降。田徑運(yùn)動(dòng)高級(jí)教程認(rèn)為“在垂直支撐階段約過(guò)0.01 s,身體總重心的位置處于最低點(diǎn)，這時(shí)除了膝關(guān)節(jié)的屈度最大以外…”[2]；李誠(chéng)志(1987)對(duì)我國(guó)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員技術(shù)分析表明，重心最低點(diǎn)不是在垂直時(shí)刻，膝關(guān)節(jié)最小也不是在垂直時(shí)刻，而是在身體重心過(guò)垂直線(xiàn)之后[3]。顯然與本研究的結(jié)果有很大差別。

短跑途中跑支撐階段時(shí)間非常短，一般在100 ms左右，水平方向的身體重心位移變化比較大，能比較正確地進(jìn)行水平速度的計(jì)算，而垂直方向上的位移和速度由于垂直位移量比較小，如李誠(chéng)志（1987）研究的垂直位移的變化在0.044 m左右，這樣導(dǎo)致一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算的速度變化差異很大，再加上在短跑研究中水平速度是最重要的，探索垂直速度的變化被忽略。

運(yùn)動(dòng)中人體重心的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化應(yīng)嚴(yán)格遵循力學(xué)定律，即其運(yùn)動(dòng)應(yīng)與地面反力呈現(xiàn)良好的力學(xué)匹配關(guān)系，即應(yīng)符合質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律的規(guī)律。人體重心運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)通常都是基于人體剛體模型對(duì)影像解析后再計(jì)算得到的，不存在個(gè)體的差異，更有簡(jiǎn)化所帶來(lái)的生物體實(shí)際不是剛體而形成的誤差。相反，地面反作用力則可以通過(guò)測(cè)力臺(tái)精確地測(cè)量得到，在認(rèn)為力值數(shù)據(jù)是可靠的基礎(chǔ)上去考察人體重心運(yùn)動(dòng)，自然就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者之間存在不匹配的力學(xué)關(guān)系。為能揭示出短跑中人體重心變化的真實(shí)規(guī)律，本研究采用高速錄像同時(shí)測(cè)量地面的反力，對(duì)解析的坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算的人體重心坐標(biāo)利用積分平滑進(jìn)行重新平滑處理，即在常規(guī)解析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)重心的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，從而在理論上解決這個(gè)不匹配問(wèn)題。所謂積分平滑其原理是根據(jù)已知的身體重心加速度變化規(guī)律及人體重心的初始位置，假設(shè)一個(gè)初始的速度變量，求得理論上重心位置運(yùn)動(dòng)的函數(shù)表達(dá)式，再進(jìn)一步將各時(shí)刻人體重心的理論坐標(biāo)與同時(shí)刻解析所得到的重心坐標(biāo)進(jìn)行最小二乘法擬合便可求得更為正確的初始速度，這樣就可根據(jù)已知的重心加速度算出完全符合力學(xué)定律的任意時(shí)刻人體重心的速度及位置[4]。

圖2是對(duì)剛體模型身體重心位移進(jìn)行積分平滑前后的對(duì)比，兩者均顯示身體重心的垂直位移在著地后先下降后上升，但“真實(shí)”重心的上升時(shí)刻要早于影像解析模型結(jié)果中的時(shí)刻。因?yàn)槟Ｐ鸵话惆讶梭w處理為剛體，但實(shí)際上人體不是個(gè)真正的剛體，著地沖擊階段，包含內(nèi)臟器官及其他部位軟組織組成的人體的真實(shí)重心的運(yùn)動(dòng)與人體剛體模型重心的運(yùn)動(dòng)肯定有一定的區(qū)別。采用了積分平滑的方法能更加明顯地看出重心真實(shí)的變化規(guī)律。

在圖1中，我們?cè)诟飨嚓P(guān)變量變化重要的時(shí)刻畫(huà)了豎虛線(xiàn)，就垂直反力來(lái)說(shuō)，顯示的是典型的三波上升，線(xiàn)B所示時(shí)刻是反力第2波開(kāi)始增加瞬間，此時(shí)著地時(shí)水平反力在經(jīng)過(guò)著地的沖擊后已經(jīng)變得較小，水平速度在著地到著地后17 ms的AB段下降最快，B時(shí)刻后水平速度下降較小，足底壓心位置從著地時(shí)的趾關(guān)節(jié)處急速向踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)移后又快速向前移動(dòng)到第二跖趾關(guān)節(jié)附近，技術(shù)上表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)的彈性對(duì)減少前支撐的水平阻力有重要的意義。而膝關(guān)節(jié)的肌力矩從著地時(shí)的急劇增大經(jīng)過(guò)上升后又回到比較小的時(shí)刻，髖關(guān)節(jié)的肌肉力矩正好處于前群肌肉的退讓性收縮到后群肌肉的向心收縮階段，無(wú)論從壓心的快速變化和肌肉的工作特點(diǎn)都符合一個(gè)動(dòng)作技術(shù)的拐點(diǎn)，所以我們把從著地時(shí)刻到B時(shí)刻AB這段17 ms稱(chēng)為著地時(shí)期。

時(shí)刻C是人體重心垂直位移最低點(diǎn)時(shí)刻，也是垂直加速度最大時(shí)刻。C時(shí)刻后人體的重心開(kāi)始上升，從時(shí)刻B到C階段人體垂直反力絕對(duì)值逐漸達(dá)到最大。BC時(shí)段身體重心垂直加速度比較大的時(shí)刻，有助于克服人體著地瞬間垂直速度的下降，至C點(diǎn)時(shí)身體重心將開(kāi)始升高。BC段垂直反力加速上升，是人體蹬地用力的結(jié)果，蹬地使已經(jīng)變小的水平反力又開(kāi)始增加，引起水平速度的下降變大，但下降幅度較小，這是由于該時(shí)刻身體重心接近于壓心的位置，人體雖用力蹬地，但反作用力在水平方向上的分量已經(jīng)顯得很小，而人體的向下的運(yùn)動(dòng)得到克制。

從著地到身體重心越過(guò)壓心時(shí)刻，水平速度的減少與支撐水平反力所形成的沖量直接相關(guān)，跟瞬間的力值大小無(wú)關(guān)。BD段的水平?jīng)_量比較小與壓心快速移動(dòng)有關(guān)，良好的踝關(guān)節(jié)彈性可降低水平速度減少。從踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的凈力矩來(lái)看，BC段也是兩關(guān)節(jié)肌力矩增加比較大的時(shí)刻，踝關(guān)節(jié)肌力矩在C時(shí)刻達(dá)整個(gè)支撐階段最大，膝關(guān)節(jié)在D時(shí)刻達(dá)到整個(gè)支撐階段的最大值，兩關(guān)節(jié)的肌肉在此階段表現(xiàn)為比較大的力矩。

BD段是跑動(dòng)中支撐階段比較關(guān)鍵的時(shí)刻，從圖1的數(shù)據(jù)分析可以看出，BD階段是人體垂直速度加速的重要階段，這種加速對(duì)于提高身體重心垂直速度具有重要的意義，人體總重心垂直速度在著地后5 ms瞬間達(dá)到向下的最大速度，5 ms后人體向下的垂直速度逐漸減小，著地后25～30 ms時(shí)身體重心垂直速度開(kāi)始向上增加，身體重心開(kāi)始升高，垂直速度至離地前20 ms時(shí)達(dá)到最大值。身體處于垂直支撐位置前后時(shí)刻階段的加速蹬伸對(duì)于取得垂直速度并對(duì)人體的騰空具有重要意義，雖然這個(gè)加速?gòu)臎_量角度看實(shí)際上影響水平速度的，但對(duì)獲得垂直速度具有重大的意義，也是將來(lái)結(jié)束支撐時(shí)形成垂直方向騰起初速度的一個(gè)“動(dòng)力”來(lái)源。因此前支撐階段也是存在加速用力的情況，這種加速引起支撐反作用力方向的變化（圖3）。前支撐階段存在垂直加速用力的情況，但前支撐的加速用力提供了垂直動(dòng)力，如果不認(rèn)真考慮垂直方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也就無(wú)法認(rèn)清短跑的本質(zhì)規(guī)律，這個(gè)也是多年來(lái)關(guān)于前支撐階段動(dòng)力來(lái)源爭(zhēng)論不休的原因，最根本的原因是缺少垂直方向上速度的正確描述。

BD段雖然處于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的退讓性工作的情況下，但肌肉的凈力矩要大于向心收縮時(shí)凈力矩，前支撐階段由于身體重心與慣性的作用，下肢關(guān)節(jié)被迫做退讓性工作，下肢關(guān)節(jié)屈曲呈被壓縮的狀態(tài)，我們的教科書(shū)稱(chēng)之為緩沖動(dòng)作。在著地20 ms后的碰撞行為中，非但沒(méi)有緩和，肌肉收縮元中主動(dòng)張力“不再”被緩沖而用于克服外界的更大的阻力，只是由于人體下肢關(guān)節(jié)生物學(xué)因素而被迫讓踝、膝兩關(guān)節(jié)退讓?zhuān)瑢?shí)際踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置已經(jīng)證明在那個(gè)時(shí)間段上升。一般的教科書(shū)均認(rèn)為，后蹬時(shí)是動(dòng)力，前蹬是阻力，姜姚黃認(rèn)為短跑中主要的階段是后蹬，并強(qiáng)調(diào)蹬地的力量，主要是支撐腿的迅速伸直所造成的。在前支撐階段用前蹬來(lái)描述著地和著地后的用力很普遍，而根據(jù)跑時(shí)前支撐時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征我們認(rèn)為前支撐階段可以劃分為著地和前蹬。著地技術(shù)講究彈性，前蹬的目的是提高身體重心速度，并與后支撐時(shí)的蹬伸組成統(tǒng)一的連貫動(dòng)作技術(shù)。

從D時(shí)刻開(kāi)始垂直方向上的蹬伸力度開(kāi)始減弱，是人體水平速度由減少到增加的分界點(diǎn)，此時(shí)身體重心投影點(diǎn)越過(guò)壓心位置，此時(shí)人體的垂直反力開(kāi)始減少，水平分力逐漸增加，水平速度隨之提高，逐漸彌補(bǔ)AD段損失的水平速度。在關(guān)節(jié)力矩上表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)力矩的減少，但踝關(guān)節(jié)肌肉功率急劇增加，膝關(guān)節(jié)雖然凈肌力矩逐漸減少，但膝關(guān)節(jié)伸肌群的功率也迅速增加。后蹬階段把力逐漸用到水平方向上去這對(duì)減少垂直波動(dòng)差有一定意義。

E時(shí)刻后是人體垂直分力不足于支撐人體向上加速運(yùn)動(dòng)而表現(xiàn)出人體支撐階段身體重心垂直速度出現(xiàn)下降，此時(shí)身體重心位移繼續(xù)升高，但垂直速度逐漸減小，水平分力也下降，水平速度增加緩慢。后蹬的后半部分EF階段人體雖然繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，下肢關(guān)節(jié)肌肉的功率發(fā)生了一些變化，踝關(guān)節(jié)肌肉功率變小，膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)屈肌力矩，也就是“屈蹬現(xiàn)象”。屈肌力矩表現(xiàn)出比較大的功率，髖關(guān)節(jié)肌肉功率也達(dá)到后蹬階段的最大。

2.2 支撐階段的周期劃分

圖1中顯示了短跑中下肢關(guān)節(jié)肌肉的凈力矩的變化，髖關(guān)節(jié)力矩在著地后10 ms左右有很大的屈肌力矩，髖關(guān)節(jié)在支撐階段存在關(guān)節(jié)屈伸肌群交替工作，前群肌肉先退讓性工作，然后是后群肌肉快速收縮，在離地前髖關(guān)節(jié)伸肌功率達(dá)最大。而膝關(guān)節(jié)的伸肌在接近一半的支撐時(shí)間內(nèi)是做離心收縮，而且表現(xiàn)出比較大的伸膝力矩。離地前20%時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈肌起重要作用。所以說(shuō)后蹬階段的后半部分如果不把注意力轉(zhuǎn)移到膝屈肌群的力量訓(xùn)練上來(lái)，將影響水平速度的獲得。

根據(jù)支撐階段總體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，也參考下肢主要關(guān)節(jié)凈肌力矩的實(shí)際情況，在支撐階段，我們把AB稱(chēng)為著地階段，如果把BD和DF合并稱(chēng)為蹬伸階段，這樣短跑支撐階段只劃分為著地階段和蹬伸階段。蹬伸階段中的BD稱(chēng)為前蹬時(shí)期，DF段還是可以按照習(xí)慣稱(chēng)為后蹬，把整個(gè)后蹬階段的DE稱(chēng)為后蹬前期，EF稱(chēng)為后蹬后期。在整個(gè)支撐階段的中間時(shí)刻BE段是最重要的垂直蹬伸階段，后蹬階段DF是獲得水平速度補(bǔ)償?shù)闹匾A段。這樣更有利于對(duì)技術(shù)的理解，也符合人體意識(shí)用力的實(shí)際情況。跑的周期劃分改進(jìn)為如圖4所示。

圖4 跑的周期劃分示意圖Figure 4 Division of Cycles in Running

3 結(jié)論與建議

3.1 途中跑支撐階段可以劃分為著地階段和蹬伸階段。蹬伸階段也可以分為前蹬和后蹬。根據(jù)下肢肌肉工作情況后蹬可以劃分為后蹬前段、后蹬后段。后蹬前段前群肌肉先退讓性工作，然后是后群肌肉快速向心收縮。后蹬后段膝關(guān)節(jié)以屈群肌肉工作為主。

3.2 前蹬階段運(yùn)動(dòng)員加速用力，此加速用力雖影響水平速度，但對(duì)提高垂直速度有積極意義。支撐階段離地前的20 ms身體重心速度已經(jīng)開(kāi)始下降，前蹬和后蹬前段是身體重心垂直向上加速運(yùn)動(dòng)的階段。著地后充分的前支撐用力也是實(shí)現(xiàn)良好成績(jī)的技術(shù)之一。

3.3 途中跑前支撐階段失去的速度損失完全可以從后蹬中得到補(bǔ)充，著地點(diǎn)過(guò)近對(duì)前支撐獲得垂直速度不利，片面強(qiáng)調(diào)著地點(diǎn)接近身體投影點(diǎn)的理論會(huì)破壞動(dòng)作的合理性。

3.4 本研究采用的積分平滑處理的數(shù)學(xué)方法可提高研究的精度。支撐階段劃分理論可有助于根據(jù)下肢關(guān)節(jié)肌肉的工作特點(diǎn)來(lái)選擇合適的訓(xùn)練方法。

[1]施寶興，魏文儀.應(yīng)用逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算關(guān)節(jié)內(nèi)力的可靠性分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(9):1223-1225

[2]田徑運(yùn)動(dòng)高級(jí)教程[M].體育學(xué)院專(zhuān)修通用教材.全國(guó)體育學(xué)院教材委員會(huì)審定. 北京：人民體育出版社, 1996

[3]陸金甫，關(guān)治著.偏微分方程數(shù)值解法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.1

[4]施寶興，魏文儀.影片數(shù)據(jù)平滑方法的研究[J].西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，18(2):42-43

[5]馮雅芳.起跑后加速跑蹬地力測(cè)試結(jié)果與分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，12(2)

[6]施寶興.短跑途中跑支撐階段支撐腿關(guān)節(jié)肌肉生物力學(xué)特性的研究[J].天津體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21(6)：495-499

[7]跑跳中下肢關(guān)節(jié)肌肉生物力學(xué)特性測(cè)試方法的研究[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，13（4）

[8]奧卓林等主編，盧建功、周成之等譯.田徑運(yùn)動(dòng)[M].西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部,1991

[9]崔喜燦,毛興海.論跑步周期階段的重新劃分[J].中國(guó)體育科技,2003(2):49-51.

[10]蔡國(guó)鈞.短跑技術(shù)基礎(chǔ)理論初探[J].江蘇體育科技，1982, (1):12-19

[11]杜少武等.短跑前支撐階段動(dòng)力學(xué)分析[J].體育科學(xué),2002 (5):122-123.

[12]駱建. 論短跑途中跑支撐時(shí)人體重心軌跡變化特點(diǎn)[J].成都體育學(xué)院學(xué)報(bào)，1999,25(3):36-37

(責(zé)任編輯：何聰)

Sport Biomechanical Analysis of Dash Supporting Phase

SHI Bao-xing
(Physical Education Institute of Guangzhou, Guangzhou 510500 China)

The ways of force measurement, hi-speed video record and special data processing were adopted to study kinematic and kinetic characteristics of dash man's running technique. The result shows that the supporting phase can be divided into landing phase and extending phase. The extending phase includes front support phase, the first half of the push phase and the latter half of the push phase. The front support phase is an important moment for vertical acceleration. Though the vertical acceleration of the lower extremities decreases the horizontal speed, it plays a positive role in promoting vertical velocity, which is acquired in front support phase and the first half of the push phase. Powerful pushing after landing support is important in achieving good results. The horizontal velocity loss in landing and front support phase can be compensated in the latter half of the push phase. It is unfavorable for obtaining vertical velocity if the landing position is near the center of gravity. Vertical velocity decreases at the moment of 20ms before the foot leaves the ground.

dash; running; horizontal velocity; vertical velocity; cycle; net muscular moment

G804.6

A

1006-1207(2010)06-0040-04

2010-11-06

施寶興，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師.主要研究方向：運(yùn)動(dòng)技術(shù)的生物力學(xué)研究.

廣州體育學(xué)院田徑教研室， 廣州 510500