張鑫蕊，宋祺鵬*，宋紹利，王銀行，潘藝鷗，劉子寅

1 理論基礎(chǔ)和研究假設(shè)

競走是比賽距離最長的田賽項目，對運動員的動作技術(shù)有嚴格要求（文超，1995；趙慶彬 等，2007）。競走比賽規(guī)定，運動員在比賽中兩腳要輪換與地面接觸，不能存在“人眼可見”的騰空，在支撐腿從著地瞬間至垂直支撐期間，膝關(guān)節(jié)不能彎曲（趙慶彬 等，2007；周浩祥，2014）。因此，騰空時間和膝關(guān)節(jié)角度是評價競走動作犯規(guī)風(fēng)險的關(guān)鍵指標（劉濤 等，2009）。此外，裁判員通常采用重心垂直位移判斷騰空犯規(guī)，因而重心垂直位移常被視為判斷犯規(guī)風(fēng)險的輔助指標（Hanley et al.，2011）。

場地訓(xùn)練是競走運動員的常規(guī)訓(xùn)練方式，其與比賽時的條件較為一致。但是，這種訓(xùn)練方式存在不足，主要體現(xiàn)在：1）教練員不容易精確控制訓(xùn)練強度和訓(xùn)練量（Han‐ley，2015）；2）教練員不能全程觀察運動員的技術(shù)動作；3）受氣候、天氣的影響較大。跑步機訓(xùn)練作為補充訓(xùn)練的方式之一，常用于競走運動員的日常訓(xùn)練。跑步機的速度恒定，可精確控制訓(xùn)練速度，有助于運動員嚴格執(zhí)行訓(xùn)練方案，更好地完成訓(xùn)練目標（Hanley，2015）。Van Hooren等（2020）對比了跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的跑步動作，認為在跑步機上跑步會使步時變長，足跟著地時膝關(guān)節(jié)角度變大，踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度變小。因此，有理由假設(shè)跑步機訓(xùn)練和場地訓(xùn)練的競走動作存在差異，長時間的跑步機訓(xùn)練可能會破壞運動員原有的動作節(jié)奏，增加犯規(guī)風(fēng)險。

此外，競走技術(shù)動作也可能會受到速度的影響（Hanley et al.，2011）。有研究表明，速度的提高會導(dǎo)致騰空時間、步幅和步頻增加，支撐時間減少（Hanley et al.，2013a），而步幅增加與骨盆旋轉(zhuǎn)角有緊密聯(lián)系（Cazzola et al.，2016）。由于競走運動員在比賽中會采取不同的速度策略（馬杰，2020；楊鋒 等，2017），明確在不同速度狀態(tài)下跑步機訓(xùn)練和場地訓(xùn)練的動作區(qū)別，可以為跑步機訓(xùn)練提供更詳細的參考（Hanley et al.，2018）。由此，本研究擬通過實驗驗證高水平競走運動員跑步機與場地訓(xùn)練的動作技術(shù)差異。本研究提出研究假設(shè)H1：跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的競走動作技術(shù)存在顯著性差異；H2：高速與常速狀態(tài)下競走動作技術(shù)存在顯著性差異。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本研究根據(jù)張美珍等（2011）的膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，應(yīng)用G*Power 3.1軟件進行樣本量估算。場地為174.5°±2.4°，跑步機為170.2°±3.9°。設(shè)置統(tǒng)計效能為0.8，Ⅰ類誤差為0.05，效應(yīng)量為1.26，計算出所需最小樣本量為6人。本研究共招募13名國家一級男子競走運動員，主項均為20 km競走，年齡為（22.2±2.9）歲，身高為（178.6±4.4） cm，體質(zhì)量為（61.9±2.8） kg，身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）為（19.4±0.9） kg/m2，訓(xùn)練年限為（7.6±2.7）年。受試者身體狀態(tài)及運動能力良好，近半年內(nèi)無運動損傷，無下肢及足踝病痛史，不存在影響正常訓(xùn)練的其他因素。

2.2 測試方案

受試者身著其慣用衣、鞋進行測試，在正式測試前，進行10 min熱身活動，并熟悉實驗環(huán)境（Hanley et al.，2018）。之后，受試者按照隨機順序在跑步機和場地兩種環(huán)境下分別進行兩種速度（常速/高速跑步機競走，常速/高速場地競走）的測試。跑步機測試是指在跑步機（T19，阿迪達斯，德國）上競走，此型號跑步機為受試者訓(xùn)練常用跑步機；場地測試是指在實驗室地面上競走，實驗室地面覆蓋0.8 cm乙烯丙烯二烯單體，與常規(guī)田徑場鋪設(shè)材料一致。高速狀態(tài)的速度為受試者個人最好成績對應(yīng)的速度，計算后平均速度為（14.6±0.9） km/h；常速狀態(tài)的速度為受試者個人最好成績對應(yīng)速度的85%，計算之后平均速度為（12.5±1.4） km/h，此速度也是高水平競走運動員的常用訓(xùn)練速度（Padulo et al.，2013）。

跑步機測試時，將跑步機速度逐漸增加至測試速度，受試者以測試速度競走3 min后進行正式數(shù)據(jù)收集（Fellin et al.，2010），共采集12個連續(xù)的步態(tài)周期；場地測試時，受試者在距離拍攝范圍前15 m開始競走，選取拍攝范圍內(nèi)的4個步態(tài)周期進行數(shù)據(jù)分析，每人至少完成3次競走（Hanley et al.，2013a），共采集12個步態(tài)周期。場地競走速度通過計時系統(tǒng)測量（Smartspeed，F(xiàn)usion Sport Compa‐ny，Australia），測量范圍為8 m。在跑步機及場地測試時，采用搭載12個攝像頭的紅外三維動作分析系統(tǒng)（Vicon，Oxford Metrics Ltd.， England）捕捉步態(tài)和關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，相機拍攝頻率為100 Hz。使用Vicon Plug-In Gait 13段全身模型進行建模。

2.3 測試指標

步態(tài)周期定義為從一側(cè)腿的足跟著地到另一側(cè)腿的足跟著地周期（Zeni et al.，2010），步時為一個步態(tài)周期的持續(xù)時間，步頻為步時的倒數(shù)。跑步機競走測試的步幅為步時×跑步機速度，場地競走測試的步幅為一側(cè)腳跟著地到另一側(cè)腳跟著地的重心水平位移。重心垂直位移為步態(tài)周期中重心的最低點和最高點之間的垂直位移。膝關(guān)節(jié)角度為大腿與小腿在矢狀面的夾角，髖關(guān)節(jié)角度為軀干與大腿在矢狀面的夾角，踝關(guān)節(jié)角度為小腿遠端與足在矢狀面的夾角，肩關(guān)節(jié)角度為軀干與上臂在矢狀面的夾角，肘關(guān)節(jié)角度為上臂與前臂在矢狀面的夾角，骨盆旋轉(zhuǎn)角為左、右髖關(guān)節(jié)坐標的額狀面旋轉(zhuǎn)值（Cazzola et al.，2016）。使用運動學(xué)數(shù)據(jù)確定跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練期間腳跟著地和腳尖離地的瞬間（Cazzola et al.，2016）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Vicon系統(tǒng)的配套軟件Nexus 1.9.1和Visual 3D運動解析軟件對運動員跑步機訓(xùn)練和場地訓(xùn)練動作的運動學(xué)數(shù)據(jù)進行處理。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用雙因素重復(fù)性方差分析（two-way repetitive ANO‐VA）比較競走運動員在跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練兩種環(huán)境下，不同速度區(qū)間的運動學(xué)指標差異。如果存在環(huán)境與速度的交互效應(yīng)，使用Bonferroni調(diào)整后的事后檢驗進行兩兩比較。使用效應(yīng)量（η2p）確定交互效應(yīng)和兩個主效應(yīng)的效果，使用效應(yīng)量（Cohen’d）確定事后檢驗兩兩比較的效果。

3 結(jié)果

騰空時間、步幅、步頻和步時存在顯著的環(huán)境×速度交互效應(yīng)；重心垂直位移存在環(huán)境主效應(yīng)和速度主效應(yīng)（表1）。

表1 時空指標Table 1 Spatio-Temporal Index n=13

與場地訓(xùn)練動作相比，常速跑步機訓(xùn)練動作的步頻增高，步時減少；高速跑步機訓(xùn)練動作的騰空時間減少，步幅縮短，步頻降低，步時增加；在兩種速度狀態(tài)下，跑步機訓(xùn)練動作的重心垂直位移減小；與常速訓(xùn)練動作相比，高速跑步機訓(xùn)練動作和場地訓(xùn)練動作的重心垂直位移增大。

腳跟著地時踝關(guān)節(jié)角度、肩關(guān)節(jié)角度、肘關(guān)節(jié)角度和腳尖離地時肩關(guān)節(jié)角度存在顯著的環(huán)境主效應(yīng)；腳跟著地時髖關(guān)節(jié)角度、肩關(guān)節(jié)角度、骨盆旋轉(zhuǎn)角度和腳尖離地時肩關(guān)節(jié)角度、骨盆旋轉(zhuǎn)角度存在顯著的速度主效應(yīng)（表2）。與場地訓(xùn)練動作相比，跑步機訓(xùn)練動作腳跟著地時踝關(guān)節(jié)角度減小，肩關(guān)節(jié)角度和肘關(guān)節(jié)角度增加，腳尖離地時肩關(guān)節(jié)角度增加；與常速訓(xùn)練動作相比，高速下訓(xùn)練動作在腳跟著地時髖關(guān)節(jié)角度和肩關(guān)節(jié)角度減小，骨盆旋轉(zhuǎn)角度增加，腳尖離地時肩關(guān)節(jié)角度減小，骨盆旋轉(zhuǎn)角度增加。

表2 運動學(xué)角度指標Table 2 Kinematic Joint Angle Index n=13

4 討論

本研究實證了假設(shè)H1：跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的競走動作技術(shù)存在顯著性差異；H2：高速與常速狀態(tài)下競走動作技術(shù)存在顯著性差異。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，相對于常速狀態(tài)，高速狀態(tài)下跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的動作技術(shù)差異更大。

4.1 跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的動作技術(shù)存在差異

本研究顯示，競走運動員在跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練時動作的騰空時間、重心垂直位移、步幅、步頻和步時存在顯著性差異（圖1a，圖1b），在腳跟著地和腳尖離地的兩個關(guān)鍵時刻，髖、踝、肩、肘關(guān)節(jié)和骨盆旋轉(zhuǎn)角度存在顯著性差異（圖1c，圖1d）。

圖1 跑步機和場地競走動作的差異Figure 1. Difference of Movements between Treadmill and Field Race Walking

在避免犯規(guī)的前提下，合理的步幅和步頻是提升步速和取得優(yōu)異成績的關(guān)鍵。當步幅穩(wěn)定時，步頻與競走運動員的競走速度呈正相關(guān)，但當步幅增大到一定程度時，步頻會受到一定限制（Hanley et al.，2013b）。本研究顯示，在常速狀態(tài)下，與場地訓(xùn)練動作相比，競走運動員跑步機訓(xùn)練動作的步頻和步幅增加，步時減少；在高速狀態(tài)下，競走運動員跑步機訓(xùn)練動作的步頻和步幅降低，步時增加。這說明競走運動員進行跑步機訓(xùn)練時技術(shù)動作發(fā)生了改變，長期的高速跑步機訓(xùn)練可能會影響場地訓(xùn)練的技術(shù)特征。本研究借鑒了走路或跑步時在跑步機與場地訓(xùn)練的動作差異的相關(guān)文獻提供解釋指標差異的思路（高玉花，2013； Strathy et al.，1983； Van Hooren et al.，2020； Zeni et al.，2010）。在高速狀態(tài)下，步頻和步時指標方面，本研究結(jié)果與相關(guān)研究（Abbasi et al.，2020）不一致。Abbasi等（2020）研究認為，相對于地面跑步，跑步機上跑步的步頻和步時都有所增加。本研究與相關(guān)研究之間的差異可能是由跑步和競走之間的動作固有差異以及受試者的運動能力水平差異造成的，Abbasi等（2020）研究的受試者是大學(xué)生，而本研究的受試者是專業(yè)運動員，有豐富的跑步機訓(xùn)練經(jīng)驗。

與場地訓(xùn)練相比，競走運動員在跑步機訓(xùn)練時髖關(guān)節(jié)角度增加，這表明其傾向于將擺動腿擺動到距離身體質(zhì)心前面更遠的位置，并依靠履帶的轉(zhuǎn)動帶回擺動腿（Nelson et al.，1972）。與場地訓(xùn)練相比，競走運動員在跑步機訓(xùn)練時踝關(guān)節(jié)角度減小，與現(xiàn)有比較跑步機和場地跑步動作的研究結(jié)果（Abbasi et al.，2020；Yao et al.，2019）一致。競走規(guī)則限制了膝關(guān)節(jié)的發(fā)力，因而踝關(guān)節(jié)是推進力產(chǎn)生的重要來源（Hanley et al.，2013a； Tucker et al.，2017）。踝關(guān)節(jié)角度的減小可能與跑步機競走動作需要的推進力更小有關(guān)。Nelson等（1972）的研究認為，跑步機履帶的轉(zhuǎn)動可以減少腳跟著地時地面制動力的負面影響，因此在腳跟著地時不需要過大的踝關(guān)節(jié)背屈來產(chǎn)生推進力以補償?shù)孛嬷苿恿?。這也可以解釋跑步機競走時步頻的降低。電動跑步機增加了髖關(guān)節(jié)的屈曲程度，競走運動員需要更多的時間將髖關(guān)節(jié)屈曲到更遠的位置并從該位置恢復(fù)，因此步頻下降。

競走運動員的上肢擺動技術(shù)動作能夠有效帶動下肢運動，對維持人體平衡非常重要（高玉花，2013）。本研究顯示，無論是在常速還是高速狀態(tài)下，跑步機訓(xùn)練動作在腳跟著地和腳尖離地的兩個關(guān)鍵時刻的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的角度均大于場地訓(xùn)練動作，表明在不同速度下，競走運動員在跑步機上競走時，會增大上肢擺動的幅度，與Han‐ley等（2013b）的研究結(jié)果一致。本研究認為，腳跟著地時肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)角度的增加與步頻降低相關(guān)（Hanley et al.，2013b），在跑步機訓(xùn)練時，競走運動員通過幅度更大的擺臂動作來降低步頻，從而降低能量消耗。

4.2 跑步機訓(xùn)練不會增加競走運動員的犯規(guī)風(fēng)險

本研究的測試指標中，騰空時間、重心垂直位移和膝關(guān)節(jié)角度與犯規(guī)風(fēng)險密切相關(guān)。競走比賽規(guī)則規(guī)定，比賽時不能存在“人眼可見”的騰空（苑廷剛 等，2014；趙慶彬 等，2007； Zeni et al.，2010）。人眼成像的頻率平均約為24 Hz（Pavei et al.，2014），即低于 42 ms的騰空時間難以被人眼識別。本研究顯示，無論在何種條件下（常速/高速，跑步機訓(xùn)練/場地訓(xùn)練），競走運動員的騰空時間都低于42 ms。高速狀態(tài)下，跑步機訓(xùn)練動作的騰空時間下降，因此，相對于場地訓(xùn)練動作，跑步機訓(xùn)練動作的犯規(guī)風(fēng)險更低。在實際執(zhí)裁中，由于受到人眼成像頻率的限制（Pavei et al.，2014），裁判員通常用重心垂直位移判斷騰空犯規(guī)，更小的重心垂直位移代表更低的犯規(guī)風(fēng)險（Hanley et al.，2011）。本研究顯示，無論在常速還是在高速狀態(tài)下，跑步機訓(xùn)練動作的重心垂直位移均小于場地訓(xùn)練動作，說明跑步機訓(xùn)練動作的犯規(guī)風(fēng)險更低。競走比賽規(guī)則規(guī)定，支撐腿從著地瞬間至垂直支撐期間，膝關(guān)節(jié)不能彎曲（文超，1995；趙慶彬 等，2007）。本研究顯示，環(huán)境和速度兩個因素均不會對膝關(guān)節(jié)彎曲程度造成影響。

4.3 不同速度下的競走動作存在差異

本研究顯示，在跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的兩種測試環(huán)境下，常速與高速狀態(tài)下動作的騰空時間、重心垂直位移、步幅、步頻和步時存在顯著性差異；腳跟著地時髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和骨盆旋轉(zhuǎn)角度和腳尖離地時肩關(guān)節(jié)和骨盆旋轉(zhuǎn)角度存在顯著性差異，說明不同速度下的競走動作存在較大差異。

競走動作的步幅和步頻共同影響競走速度（王林 等，2012）。競走速度與步幅和步頻呈正相關(guān)（Hanley et al.，2013b）。本研究顯示，與常速狀態(tài)相比，高速狀態(tài)下步幅增加，步頻升高。但由于步幅與步頻呈負相關(guān)，步幅過大會導(dǎo)致步頻降低，從而影響競走速度，因此，在技術(shù)動作規(guī)范的前提下，增加步幅長度、加快步頻，有利于提高競走速度（敬龍軍 等，2011）。步頻由步時決定，步時由騰空時間和支撐時間組成，競走速度與支撐時間呈負相關(guān)，與騰空時間呈正相關(guān)（Hanley et al.，2011）。

本研究顯示，與常速狀態(tài)相比，高速狀態(tài)下競走運動員腳跟著地與腳尖離地時肩關(guān)節(jié)角度顯著減小，這可能是步頻變化的原因之一。有研究發(fā)現(xiàn)，步頻與肩關(guān)節(jié)角度呈負相關(guān)（Hanley et al.，2013b），肩關(guān)節(jié)運動幅度的減小能夠降低上肢擺動的周期，從而允許更高的步頻。相較于常速狀態(tài)，高速狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度增加，這可能是造成高速狀態(tài)下步幅變大的原因。相較于步行，競走動作的骨盆旋轉(zhuǎn)角度更大，這有助于競走運動員維持較小的步寬并增加步長（Hanley et al.，2013b）。有研究發(fā)現(xiàn)，骨盆旋轉(zhuǎn)角度和步長比之間存在正相關(guān)關(guān)系（Cazzola et al.，2016），進一步印證了本研究的觀點。本研究認為，競走運動員通過增加骨盆旋轉(zhuǎn)角度從而增加步長來維持高速運動。

5 結(jié)論

高水平競走運動員跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的動作技術(shù)存在差異，但跑步機訓(xùn)練不會增加競走運動員的犯規(guī)風(fēng)險；高速狀態(tài)下，跑步機訓(xùn)練與場地訓(xùn)練的動作技術(shù)差異更大，跑步機訓(xùn)練更容易打破原有的技術(shù)節(jié)奏。