短跑支撐階段運動生物力學分析

施寶興

短跑支撐階段運動生物力學分析

施寶興

采用測力、高速錄像及特殊的數據平滑處理方法研究短跑運動員途中跑技術的運動學和動力學特征，進行田徑技術原理的探索。結果表明，支撐時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刻，前蹬時下肢一定程度的垂直加速用力雖影響水平速度，但對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動的階段。著地緩沖后的前蹬用力也是實現良好成績的技術之一。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充。著地點過近對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身體重心速度已經開始下降。

短跑；途中跑；水平速度；垂直速度；周期；凈肌力矩

跑是人類活動的基本技能之一，是人體實現快速位移的手段。短跑技術理論爭論最多，包括對跑的周期劃分、短跑動力的來源、著地點遠近、下肢關節肌肉工作狀況等問題。本研究在實驗基礎上根據支撐階段的運動學和動力學特征探索短跑的技術理論。

1 對象與方法

1.1 采用2臺JVC9800高速攝像機對15名健將、一、二級短跑運動員起跑后50 m處途中跑的支撐階段進行定點定焦常規拍攝，一臺拍攝全身，一臺拍攝下肢，攝像機主光軸與運動平面垂直，拍攝距離為20 m，拍攝頻率為100 Hz，曝光時間為1/250 s。測力臺（Kistler 9281B型）埋于塑膠跑道距起點50 m處的中間，測力臺臺面上粘貼塑膠皮，厚16 mm，現場安裝后測力臺上的塑膠皮與跑道塑膠皮齊平。運動員一旦踏上測力臺時發出同步電壓信號，送到置于攝像機鏡頭前的發光二極管。

1.2 采用動力學數據積分平滑運動學數據的方法。利用測力臺測量地面的反作用力，根據已知的身體質量計算身體重心加速度變化的規律，根據加速度積分計算速度值。

1.3 圖像解析采用德國SIMI運動分析系統，得到原始關節點坐標后自編程序進行其他計算。

2 結果與分析

2.1 重新認識短跑途中跑支撐階段的運動學和動力學特征

圖1是我國優秀運動員楊某在起跑后50 m處途中跑支撐階段的運動學和動力學特征合成直觀視圖，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節凈力矩和腳底壓心的變化，圖中的關節凈力矩數據為逆向動力學計算的結果，其計算方法經過驗證[1]。仔細分析水平速度與垂直速度的變化，發現水平速度著地時下降比較快，在支撐時刻的中間段變化相對比較平緩。垂直速度的曲線走向就與傳統的理論相差比較大，本研究顯示垂直速度上升的時刻在支撐著地后的28 ms時刻，垂直速度也在離地前20 ms開始下降。田徑運動高級教程認為“在垂直支撐階段約過0.01 s,身體總重心的位置處于最低點，這時除了膝關節的屈度最大以外…”[2]；李誠志(1987)對我國優秀運動員技術分析表明，重心最低點不是在垂直時刻，膝關節最小也不是在垂直時刻，而是在身體重心過垂直線之后[3]。顯然與本研究的結果有很大差別。

短跑途中跑支撐階段時間非常短，一般在100 ms左右，水平方向的身體重心位移變化比較大，能比較正確地進行水平速度的計算，而垂直方向上的位移和速度由于垂直位移量比較小，如李誠志（1987）研究的垂直位移的變化在0.044 m左右，這樣導致一階導數計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。

運動中人體重心的運動學變化應嚴格遵循力學定律，即其運動應與地面反力呈現良好的力學匹配關系，即應符合質心運動定律的規律。人體重心運動學數據通常都是基于人體剛體模型對影像解析后再計算得到的，不存在個體的差異，更有簡化所帶來的生物體實際不是剛體而形成的誤差。相反，地面反作用力則可以通過測力臺精確地測量得到，在認為力值數據是可靠的基礎上去考察人體重心運動，自然就會發現兩者之間存在不匹配的力學關系。為能揭示出短跑中人體重心變化的真實規律，本研究采用高速錄像同時測量地面的反力，對解析的坐標數據計算的人體重心坐標利用積分平滑進行重新平滑處理，即在常規解析結果的基礎上對重心的運動學數據進行重構，從而在理論上解決這個不匹配問題。所謂積分平滑其原理是根據已知的身體重心加速度變化規律及人體重心的初始位置，假設一個初始的速度變量，求得理論上重心位置運動的函數表達式，再進一步將各時刻人體重心的理論坐標與同時刻解析所得到的重心坐標進行最小二乘法擬合便可求得更為正確的初始速度，這樣就可根據已知的重心加速度算出完全符合力學定律的任意時刻人體重心的速度及位置[4]。

圖2是對剛體模型身體重心位移進行積分平滑前后的對比，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”重心的上升時刻要早于影像解析模型結果中的時刻。因為模型一般把人體處理為剛體，但實際上人體不是個真正的剛體，著地沖擊階段，包含內臟器官及其他部位軟組織組成的人體的真實重心的運動與人體剛體模型重心的運動肯定有一定的區別。采用了積分平滑的方法能更加明顯地看出重心真實的變化規律。

在圖1中，我們在各相關變量變化重要的時刻畫了豎虛線，就垂直反力來說，顯示的是典型的三波上升，線B所示時刻是反力第2波開始增加瞬間，此時著地時水平反力在經過著地的沖擊后已經變得較小，水平速度在著地到著地后17 ms的AB段下降最快，B時刻后水平速度下降較小，足底壓心位置從著地時的趾關節處急速向踝關節轉移后又快速向前移動到第二跖趾關節附近，技術上表現為踝關節的彈性對減少前支撐的水平阻力有重要的意義。而膝關節的肌力矩從著地時的急劇增大經過上升后又回到比較小的時刻，髖關節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，無論從壓心的快速變化和肌肉的工作特點都符合一個動作技術的拐點，所以我們把從著地時刻到B時刻AB這段17 ms稱為著地時期。

時刻C是人體重心垂直位移最低點時刻，也是垂直加速度最大時刻。C時刻后人體的重心開始上升，從時刻B到C階段人體垂直反力絕對值逐漸達到最大。BC時段身體重心垂直加速度比較大的時刻，有助于克服人體著地瞬間垂直速度的下降，至C點時身體重心將開始升高。BC段垂直反力加速上升，是人體蹬地用力的結果，蹬地使已經變小的水平反力又開始增加，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顯得很小，而人體的向下的運動得到克制。

從著地到身體重心越過壓心時刻，水平速度的減少與支撐水平反力所形成的沖量直接相關，跟瞬間的力值大小無關。BD段的水平沖量比較小與壓心快速移動有關，良好的踝關節彈性可降低水平速度減少。從踝關節和膝關節的凈力矩來看，BC段也是兩關節肌力矩增加比較大的時刻，踝關節肌力矩在C時刻達整個支撐階段最大，膝關節在D時刻達到整個支撐階段的最大值，兩關節的肌肉在此階段表現為比較大的力矩。

BD段是跑動中支撐階段比較關鍵的時刻，從圖1的數據分析可以看出，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時身體重心垂直速度開始向上增加，身體重心開始升高，垂直速度至離地前20 ms時達到最大值。身體處于垂直支撐位置前后時刻階段的加速蹬伸對于取得垂直速度并對人體的騰空具有重要意義，雖然這個加速從沖量角度看實際上影響水平速度的，但對獲得垂直速度具有重大的意義，也是將來結束支撐時形成垂直方向騰起初速度的一個“動力”來源。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力，如果不認真考慮垂直方向上的運動規律，也就無法認清短跑的本質規律，這個也是多年來關于前支撐階段動力來源爭論不休的原因，最根本的原因是缺少垂直方向上速度的正確描述。

BD段雖然處于膝關節和踝關節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凈力矩，前支撐階段由于身體重心與慣性的作用，下肢關節被迫做退讓性工作，下肢關節屈曲呈被壓縮的狀態，我們的教科書稱之為緩沖動作。在著地20 ms后的碰撞行為中，非但沒有緩和，肌肉收縮元中主動張力“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節生物學因素而被迫讓踝、膝兩關節退讓，實際踝關節關節點的坐標位置已經證明在那個時間段上升。一般的教科書均認為，后蹬時是動力，前蹬是阻力，姜姚黃認為短跑中主要的階段是后蹬，并強調蹬地的力量，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描述著地和著地后的用力很普遍，而根據跑時前支撐時所表現出來的運動學和動力學特征我們認為前支撐階段可以劃分為著地和前蹬。著地技術講究彈性，前蹬的目的是提高身體重心速度，并與后支撐時的蹬伸組成統一的連貫動作技術。

從D時刻開始垂直方向上的蹬伸力度開始減弱，是人體水平速度由減少到增加的分界點，此時身體重心投影點越過壓心位置，此時人體的垂直反力開始減少，水平分力逐漸增加，水平速度隨之提高，逐漸彌補AD段損失的水平速度。在關節力矩上表現為踝關節力矩的減少，但踝關節肌肉功率急劇增加，膝關節雖然凈肌力矩逐漸減少，但膝關節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減少垂直波動差有一定意義。

E時刻后是人體垂直分力不足于支撐人體向上加速運動而表現出人體支撐階段身體重心垂直速度出現下降，此時身體重心位移繼續升高，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階段人體雖然繼續向上運動，下肢關節肌肉的功率發生了一些變化，踝關節肌肉功率變小，膝關節出現屈肌力矩，也就是“屈蹬現象”。屈肌力矩表現出比較大的功率，髖關節肌肉功率也達到后蹬階段的最大。

2.2 支撐階段的周期劃分

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

根據支撐階段總體的運動學和動力學特征，也參考下肢主要關節凈肌力矩的實際情況，在支撐階段，我們把AB稱為著地階段，如果把BD和DF合并稱為蹬伸階段，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稱為前蹬時期，DF段還是可以按照習慣稱為后蹬，把整個后蹬階段的DE稱為后蹬前期，EF稱為后蹬后期。在整個支撐階段的中間時刻BE段是最重要的垂直蹬伸階段，后蹬階段DF是獲得水平速度補償的重要階段。這樣更有利于對技術的理解，也符合人體意識用力的實際情況。跑的周期劃分改進為如圖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。后蹬后段膝關節以屈群肌肉工作為主。

3.2 前蹬階段運動員加速用力，此加速用力雖影響水平速度，但對提高垂直速度有積極意義。支撐階段離地前的20 ms身體重心速度已經開始下降，前蹬和后蹬前段是身體重心垂直向上加速運動的階段。著地后充分的前支撐用力也是實現良好成績的技術之一。

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充，著地點過近對前支撐獲得垂直速度不利，片面強調著地點接近身體投影點的理論會破壞動作的合理性。

3.4 本研究采用的積分平滑處理的數學方法可提高研究的精度。支撐階段劃分理論可有助于根據下肢關節肌肉的工作特點來選擇合適的訓練方法。

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(責任編輯：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，碩士生導師.主要研究方向：運動技術的生物力學研究.

廣州體育學院田徑教研室， 廣州 510500