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        起跑器抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度對短跑運動員起跑蹬伸力的前導(dǎo)性研究

        2014-12-03 08:11:58劉海斌夏培玲元文學(xué)孟昭莉
        中國體育科技 2014年1期
        關(guān)鍵詞:腳板時相轉(zhuǎn)角

        劉海斌,夏培玲,元文學(xué),孟昭莉

        短距離賽跑如100m、200m和400m跑,由于比賽時間較短,對運動員來說,千分之一秒都顯得尤為重要[8]。因此,有效的起跑是取得比賽成功的關(guān)鍵因素之一[11]。蹲踞式起跑是國際上先進主流的短距離起跑方式,它是完整短跑技術(shù)的起始技術(shù),影響著后續(xù)技術(shù)的發(fā)揮以及比賽時的心理狀態(tài)[5]。

        《田徑競賽規(guī)則》[7]規(guī)定:“國際賽事中,所有400m 跑或以下的起跑徑賽項目,必須采用蹲踞式起跑及起跑器”。2008年,孫亮[4]就起跑器后抵腳板不同傾斜度對起跑速度的影響研究后認(rèn)為,后抵腳板最佳傾斜度為30°~50°,后蹬腿踝關(guān)節(jié)角度是確定后抵腳板傾斜度的必要因素。2010年,司文等[2]將三維測力傳感器安裝在起跑器抵腳板上,對起跑器距離和傾斜角度研究得出:運動員在獲得較大向前動量時,起跑完成動作時間和保持平衡的力也相應(yīng)增加。但選擇起跑器位置要綜合考慮時間和力兩者之間的關(guān)系,過分追求最大受力反而不利于跑出最佳成績。

        多 年 來 ,圍 繞 起 跑 器 設(shè) 置 的 爭 論 一 直 沒 有 停 止[1,2,4]。多數(shù)討論起跑與起跑器關(guān)系的文獻都圍繞著起跑器長度和傾斜度對運動員起跑速度的影響[4,18,22]。

        起跑器限制有效起跑的因素有4個:1)兩抵腳板前、后距離;2)抵腳板與地面傾斜角度;3)兩抵腳板之間寬度;4)抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度。目前,徑賽較多使用的起跑器可調(diào)節(jié)第1和第2個因素,固定第3和第4個因素。為使運動員從起跑器限定因素中解放出來,1992年,Guissard[10]設(shè)計了一款帶有內(nèi)旋角度的三角形起跑器(Gill Athletics),但由于其安裝的不穩(wěn)定性而沒有被推廣和使用。

        現(xiàn)有起跑器設(shè)計結(jié)構(gòu)已嚴(yán)重影響運動員高水平發(fā)揮,更不利于短距離賽跑世界紀(jì)錄的再次刷新[11]。因此,本次研究目的為探討起跑器前、后抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度是否會對運動員起跑蹬伸力產(chǎn)生積極影響。根據(jù)研究目的,提出2個實驗假設(shè):1)起跑器前、后抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度對蹬伸力沒有改變;2)起跑器前、后抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度的主觀調(diào)整與固定調(diào)整對起跑蹬伸力沒有差異。

        1 研究對象與方法

        1.1 研究對象

        大學(xué)高水平短跑運動員8名,均為男性(年齡20.94±2.23歲,身高179.13±3.14cm,體重179.13±3.14kg)。實驗前,就實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容進行了相關(guān)培訓(xùn),并簽訂志愿參加,無報酬實驗協(xié)議。

        1.2 實驗儀器與場地設(shè)置

        實驗采用兩臺壓電式三維測力平臺[6](型號:YDT4060-2;尺寸:40×60cm;采樣頻率:800Hz;大連理工大學(xué)研制)。兩臺測力平臺并排水平擺放(圖1A標(biāo)號b1,b2),兩支抵腳板(圖1A標(biāo)號c1,c2)通過鋼板(圖2A)分別固定于兩測力平臺(實物圖1B)。起跑器長度(圖1A標(biāo)號1),起跑器寬度(圖1A標(biāo)號2),起跑器傾斜度(圖1D標(biāo)號3),起跑器旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置見2.5實驗設(shè)計部分。

        圖1 本研究起跑器安裝與場地設(shè)置示意圖Figure 1. Starting Block and Experiment Setting

        1.3 概念界定

        起跑器一般由一個鋁合金支架和兩支可調(diào)節(jié)抵腳板組成,通常起跑器設(shè)置為兩抵腳板前、后各一支。

        起跑器長度:兩抵腳板前、后距離(圖1A標(biāo)號1)。起跑器寬度:兩抵腳板左、右寬度(圖1A標(biāo)號2)。起跑器傾斜度:抵腳板在坐標(biāo)系YZ平面(圖1C)內(nèi)繞X軸旋轉(zhuǎn)角度(圖1D標(biāo)號3)。

        起跑器旋轉(zhuǎn)角度:抵腳板在坐標(biāo)系XY平面(圖1C)內(nèi)繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度(圖1D標(biāo)號4)。

        1.4 起跑器改造

        通過一塊長60cm、寬16.5cm、厚0.5cm的鋼板將測力平臺將起跑器抵腳板連接起來(圖2A)。方法:首先,在鋼板上鉆4個羅眼(圖2A標(biāo)號d)。通過這4個羅眼將鋼板固定于測力臺;然后,在抵腳板底座鉆2個羅眼(圖2B標(biāo)號c和f),通過c和f完成起跑器與鋼板的連接。利用車床在圖2B的f處加工出一從c圓心到f圓心半徑為10 cm的半圓弧;最后,采用起跑器底座羅眼c固定,外旋f的方法實現(xiàn)起跑器水平旋轉(zhuǎn)。根據(jù)三角公式(1)可得出:

        已知等腰三角形兩腰:e=e=10cm和一邊:g=0.437 cm或h=0.813cm:

        2A固定于測力平臺的鋼板上(1號測力臺):

        圖2 本研究起跑器固定裝置與起跑器旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置示意圖Figure 2. Starting Block Fixing and Rotation Design

        因為使用量角器測量起跑器旋轉(zhuǎn)2.5°和5°比較困難。所以,通過圖2B中的c固定,借助于高精度游標(biāo)卡尺,調(diào)節(jié)圖2B中f就比較容易了,外旋2.5°,g=0.437cm;外旋5°,h=0.813cm。

        1.5 實驗設(shè)計

        要求每名運動員按照個人習(xí)慣對起跑器長度和傾斜度進行調(diào)節(jié)設(shè)置,設(shè)置后實驗過程中不做改變。實驗只對起跑器旋轉(zhuǎn)角度進行控制,設(shè)定4種條件:

        條件1:兩支起跑器旋轉(zhuǎn)角度0°(圖2B),即常規(guī)起跑方式,起跑4次;

        條件2:兩支起跑器旋轉(zhuǎn)角度2.5°(圖2C),起跑4次;

        條件3:兩支起跑器旋轉(zhuǎn)角度5°(圖2D),起跑4次;

        條件4:運動員根據(jù)前3種起跑器旋轉(zhuǎn)角度主觀體驗,對兩支抵腳板旋轉(zhuǎn)角度分別進行個性化調(diào)整后,起跑4次(表1,每名運動員的主觀最佳旋轉(zhuǎn)角度)。

        1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

        為消除體重對蹬伸力的影響,待運動員起跑姿勢穩(wěn)定后對測力平臺0點漂定處理,而后測試所得數(shù)據(jù)為運動員去體重后的實際蹬伸力。所得力學(xué)數(shù)據(jù)均除以本人身高,單位:N/m。對一個完整起跑器蹬離過程進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,0%為蹬伸開始時相,100%為蹬伸結(jié)束時相。

        采用SPSS 17.0(美國)對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理。第1個實驗假設(shè)驗證采用一般線性模型重復(fù)度量方差分析(one-way repeated-measures ANOVA),統(tǒng) 計 學(xué) 顯 著 P=0.05水平。方差分析后,3種旋轉(zhuǎn)角度(0°,2.5°和5°)采用簡單比較(Simple Contrasts):級別1為“0°旋轉(zhuǎn)角度”;級別2為“2.5°旋轉(zhuǎn)角度”;級別3為“5°旋轉(zhuǎn)角度”,統(tǒng)計學(xué)顯著水平P=0.05。第2個實驗假設(shè)驗證采用配對t檢驗(Paired t Test),比較“0°旋轉(zhuǎn)角度”與“最佳旋轉(zhuǎn)角度”,統(tǒng)計學(xué)顯著水平P=0.05。

        表1 本研究實驗測試基本參數(shù)一覽表Table 1 Basic Parameters for Sprint Starting

        2 結(jié)果

        2.1 前抵腳板力學(xué)特征比較與分析

        圖2顯示,前腳抵腳板3種旋轉(zhuǎn)角度在3個方向的地面反作用力總體趨勢基本一致。表2顯示,帶有水平旋轉(zhuǎn)角度的前抵腳板在X、Y和Z方向均增大了0°轉(zhuǎn)角時的峰值;2.5°與5°轉(zhuǎn)角均提前了0°轉(zhuǎn)角峰值時相,最佳轉(zhuǎn)角延后了0°轉(zhuǎn)角峰值時相。

        X方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間呈顯著性差異F(2,29)=3.367,P<0.05。差異由 0°與5°轉(zhuǎn)角產(chǎn)生(P<0.05)。3 種 轉(zhuǎn) 角 時 相 之 間 沒 有 顯 著 性 差 異 F(2,29)=2.744,P>0.05。檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角峰值之間呈非常顯著性差異t(31)=3.502,P<0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t(31)=1.232,P>0.05。

        Y方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.778,P>0.05。3種轉(zhuǎn)角時相之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.429,P>0.05;檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異t(31)=1.196,P>0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t(31)=0.935,P>0.05。

        Z方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.345,P>0.05。3種轉(zhuǎn)角時相之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.194,P>0.05;檢驗2:0°轉(zhuǎn)角與最佳轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異t(31)=0.658,P>0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t(31)=0.812,P>0.05。

        2.2 后抵腳板力學(xué)特征比較與分析

        圖3顯示,后腳抵腳板3種水平旋轉(zhuǎn)角度在3個方向的地面反作用力總體趨勢基本一致。從表2可以明顯看出,帶有水平旋轉(zhuǎn)角度的后抵腳板在X方向上均減小了0°轉(zhuǎn)角時波峰數(shù)值,而Y和Z方向均增大了0°轉(zhuǎn)角時峰值;2.5°、5°和最佳轉(zhuǎn)角在 X 和Y 方向上提前了0°峰值時相,在Z方向延后了0°峰值時相。

        表2 本研究前、后抵腳板不同旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)指標(biāo)一覽表Table 1 Parameters for Starting Block with Different Rotational Angle

        X方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間呈顯著性差異F(2,29)=3.650,P<0.05。差異由0°與2.5°轉(zhuǎn)角產(chǎn)生(P<0.05)。3種轉(zhuǎn)角時相之間呈顯著性差 異 F(2,29)=3.842,P<0.05。差異由0°與5°轉(zhuǎn)角產(chǎn)生(P<0.05)。檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角的峰值之間呈非常顯著性差異t(31)=2.303,P<0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t(31)=1.037,P=0.316>0.05。

        Y方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異F(2,29)=1.45,P>0.05。3種轉(zhuǎn)角時相之間沒有顯著性差異F(2,29)=1.099,P>0.05;檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角的峰值之間呈顯著性差異t(31)=2.243,P<0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t(31)=0.391,P>0.05。

        Z方向檢驗1:3種轉(zhuǎn)角峰值之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.078,P>0.05。3種轉(zhuǎn)角時相之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.261,P>0.05。檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角的峰值之間沒有顯著性差異t(31)=1.776,P>0.05。峰值出現(xiàn)時相呈顯著性差異t(31)=2.656,P<0.05。

        圖3 本研究蹲踞式起跑蹬伸時起跑器對前腿反作用力示意圖Figure 3. Force of Reaction Sprint Block on Fore Leg

        2.3 起跑蹬伸時間

        表2顯示,前腳在0°轉(zhuǎn)角時蹬伸時間為0.3799±0.0406s,2.5°轉(zhuǎn)角延長了蹬伸時間,而5°與最佳轉(zhuǎn)角均減少了蹬伸時間。檢驗1:3種轉(zhuǎn)角之間呈顯著性差異F(2,29)=3.849,P<0.05。差異由 0°與5°轉(zhuǎn)角產(chǎn) 生(P<0.05);檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角之間沒有顯著性差異t(31)=0.782,P>0.05。

        后腳在0°轉(zhuǎn)角時蹬伸時間為0.2072±0.0372s,2.5°和最佳轉(zhuǎn)角延長了蹬伸時間,5°轉(zhuǎn)角減少了蹬伸時間。檢驗1:3種轉(zhuǎn)角之間沒有顯著性差異F(2,29)=0.120,P>0.05;檢驗2:0°與最佳轉(zhuǎn)角之間沒有顯著性差異t(31)=0.181,P>0.05。

        2.4 運動員主觀評價

        8名短跑運動員在完成前3種實驗控制條件測試后,進行第4種實驗控制實驗,要求運動員選擇最適合自己起跑的抵腳板旋轉(zhuǎn)角度組合測試。表1顯示,沒有一名運動員選擇標(biāo)準(zhǔn)起跑器旋轉(zhuǎn)角度(0°)。3名運動員選擇前、后腳一致的旋轉(zhuǎn)角度,5名運動員選擇前、后腳不一致的旋轉(zhuǎn)角度。

        3 討論

        起跑器是為蹲踞式起跑而特別設(shè)計的助跑器材,其設(shè)計原理為牛頓第三定律,即作用力與反作用力的關(guān)系。X方向為起跑蹬伸時受到的側(cè)向反作用力,Y方向為縱向推力,即與起跑同向的動力,Z方向為垂直力。研究表明[13],短距離起跑過程中,最大垂直力為1.86倍體重,途中跑垂直力為2.62倍體重。蹬離起跑器階段垂直力大就會延長騰空時間,進而影響身體重心加速。本研究結(jié)果顯示,運動員后腿蹬離起跑器時,縱向力峰值比垂直力峰值大30.87%,前腿蹬離起跑器時,縱向力峰值比垂直力峰值小8.31%。也就是說,由后腿向前腿過渡的過程中,隨身體重心提升,垂直力已開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

        圖4 本研究蹲踞式起跑蹬伸時起跑器對后腿反作用力示意圖Figure 4. Force of Reaction Sprint Block on Behind Leg

        通常認(rèn)為,人體要獲得向前加速就需要地面反作用力越向前越好[16]。然而,在身體姿勢一定的情況下,要改變力方向就要通過身體環(huán)節(jié)的非對稱角速度來實現(xiàn)[15],并伴隨整個身體角動量的改變[16]。如要短時間內(nèi)獲得身體角動量的增加就需要其脫離起跑器后通過加大步寬,最大限度增加側(cè)向蹬伸力,平滑提高身體重心位移的辦法[12,13]。本研究結(jié)果顯示,帶旋轉(zhuǎn)角度的抵腳板增加了運動員前腳側(cè)向蹬伸力。

        Ito[14]對2005年第10屆世界田徑錦標(biāo)賽100m跑18名男性預(yù)賽運動員起跑后兩腳著地長度、寬度和頻率研究得出:運動員蹬離起跑器后,接觸地面的第1步步寬0.39±0.07m,逐漸過渡到途中跑0.17±0.04m。運動員蹬離起跑器后,第一步著地距起跑器前抵腳板距離1.22±0.16m。根據(jù)勾股定理,已知直角三角形鄰邊(0.39m,運動員脫離起跑器第一步步寬)和對角邊(1.22m,運動員脫離起跑器后第一步步長)得出,蹬離起跑器后將與運動方向夾角17.72°向側(cè)向蹬伸以踏出第一步。然而,要以鄰邊0.15m,即起跑器固定寬度,步長1.22m計算,該角度只有7°。由此可以推理,運動員在沒有旋轉(zhuǎn)角度的情況下,要獲得17.72°側(cè)向蹬伸是十分困難的。這也可以解釋為什么國際大賽經(jīng)常出現(xiàn)運動員起跑的蹬空現(xiàn)象。

        假設(shè)100m跑比賽時間為10s,聽到槍聲到雙腳離開起跑器用掉的時間約占整個比賽時間5%左右[11]。這個時間分為兩個部分:1)運動員聽到槍聲到開始產(chǎn)生蹬起跑器的動作稱為反應(yīng)時間;2)開始蹬起跑器到雙腳離開起跑器的蹬離時間。國際100m跑大賽中,運動員平均反應(yīng)時0.164s,約占整體比賽時間1.6%[9]。本研究只記錄了起跑器蹬離時間,約占到100m跑時間3.8%左右。對于以0.01s為單位的比賽項目來說,縮短運動員蹬離時間就顯得尤為重要了。本研究結(jié)果,抵腳板旋轉(zhuǎn)5°比旋轉(zhuǎn)0°的蹬離時間縮短0.0166s,并具有顯著性差異。最佳旋轉(zhuǎn)角度比旋轉(zhuǎn)0°的蹬離時間縮短0.0063s,這對于短距離比賽來說是具有絕對重要的意義。

        時相特征分析,抵腳板水平旋轉(zhuǎn)5°與2.5°沒有改變起跑蹬伸過程的垂直力,縱向力和側(cè)向力峰值出現(xiàn)時相,即沒有改變原有抵腳板旋轉(zhuǎn)0°的時相特征;力學(xué)特征分析,雖然不具有統(tǒng)計學(xué)的顯著性差異,但抵腳板旋轉(zhuǎn)5°與2.5°均增加了前腳側(cè)向力。也就是說,帶有旋轉(zhuǎn)角度的抵腳板顯著性增加側(cè)向力的同時,非但沒有減少垂直力和縱向力反而還使其略有增加。

        工程心理學(xué)是基于人類心理能力和極限來設(shè)計儀器設(shè)備和改善環(huán)境[17]。體育比賽中,每一個細(xì)節(jié)都會影響運動員高水平的發(fā)揮。田徑賽場也不例外,如比賽期間的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣的溫度和濕度等[19]。那么,起跑器對運動員的影響就更不言而喻了,會直接影響運動員心理狀態(tài),進而影響其有效起跑。因此,起跑器設(shè)計也要考慮其使用過程對運動員心理狀態(tài)的積極影響。由于起跑器抵腳板沒有水平旋轉(zhuǎn)角度,國際短跑比賽現(xiàn)場經(jīng)常爆出運動員抱怨起跑器影響賽場發(fā)揮的事件,比如2012年,美國田徑奧運選拔賽揭幕站,博爾特就表達了其對起跑器的強烈不滿[3]。為減少運動員起跑蹬空,一些國際大賽(如近幾年的世界錦標(biāo)賽和奧運會)將起跑器抵腳板面積增大。但由于抵腳板與運動員前進方向夾角為90°,仍不利于運動員第一步的側(cè)向蹬伸。

        因此,本研究對第1個假設(shè)的回答:起跑器抵腳板水平角度旋轉(zhuǎn)可增加運動員起跑蹬伸力,尤其是側(cè)向力;對第2個假設(shè)的回答:運動員對起跑器最佳轉(zhuǎn)角的主觀調(diào)整改變了起跑蹬伸力,并增加了運動員起跑信心。但與固定轉(zhuǎn)角調(diào)整(前、后轉(zhuǎn)角均為2.5°或5°)相比,5°轉(zhuǎn)角縮短整體蹬離時間更顯著。

        研究不足與未來研究方向:此次研究只探討了起跑器設(shè)置4個因素中的一個因素,即抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度對起跑蹬伸力的影響,對其他3個因素進行了控制。那么,起跑器兩抵腳板之間的寬度因素也是限定蹬伸力的重要研究內(nèi)容。另外,如果4個限定因素都開啟,那么,它們之間的優(yōu)化組合將會成為今后起跑器研究的重要內(nèi)容。

        4 結(jié)論

        1.帶有旋轉(zhuǎn)角度的前抵腳板在X、Y和Z方向均增加了起跑蹬伸力峰值,尤其在X方向更為顯著;雖然后抵腳板在X方向減小蹬伸力峰值,但其增加了Y和Z方向蹬伸力峰值,尤其是最佳轉(zhuǎn)角在Y方向上增加10%的向前推力。

        2.2.5 °轉(zhuǎn)角幾乎沒有改變前、后腳蹬伸力出現(xiàn)時相,但5°和最佳轉(zhuǎn)角改變了蹬伸力峰值出現(xiàn)時相。

        3.5 °轉(zhuǎn)角顯著性地縮短蹬離時間0.0166s,最佳轉(zhuǎn)角縮短蹬離時間0.0063s。

        4.帶有旋轉(zhuǎn)角度的抵腳板有利于運動員起跑后第一步側(cè)向蹬伸,可減少蹬伸側(cè)滑現(xiàn)象,主觀上會增加運動員對起跑的自信。

        建議未來起跑器改進與優(yōu)化應(yīng)重點考慮抵腳板水平旋轉(zhuǎn)角度因素。

        [1]黃向東.田徑[M].北京:人民體育出版社,2003:181-184.

        [2]司文,嚴(yán)壯志,劉書朋.短跑中足底與起跑器間三維作用力研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2010,29(4):578-582,588.

        [3]搜狐體育2012國際田聯(lián)鉆石聯(lián)賽[EB/OL]:http://sports.sohu.com/20120608/n345063479.shtml.訪問時間:2012-10-31.

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        [6]元文學(xué),劉海斌,孟昭莉.YDT-5462型生物力學(xué)測試系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置與應(yīng)用[C].第13屆全國運動生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會論文集,2009:99-100.

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