對影響短跑成績提高的外源性生物力學因素的研究

李 堅

(四川理工學院 體育部，四川 自貢 643000)

對影響短跑成績提高的外源性生物力學因素的研究

李 堅

(四川理工學院 體育部，四川 自貢 643000)

影響短跑成績提高的因素很多，其中外源性生物力學因素容易被大多數教練員忽視。外源性生物力學因素屬力學類范疇，它是由身體質量、空氣助力和地球的引力等構成。通過對影響短跑成績提高的這些力學因素，對如何通過訓練手段、鞋、服裝以及運動場地的設計來克服這些力學因素，以求達到提高速度的目的。

外源性力學；短跑；速度；阻力；引力

在短跑訓練中，技術訓練和素質訓練是提高速度的主要訓練手段和方法。我們在訓練計劃和訓練內容上很難看到與力學有關的訓練信息，忽視了力學因素在短跑訓練中對提高速度有著極其重要的作用。而許多可提高速度成績的輔助手段都具有生物力學性質，這些具有輔助手段的生物力學因素可劃分內源性生物力學因素和外源性生物力學因素兩大類。內源性生物力學因素是通過使身體最佳力學結構來提高運動成績。外源性生物力學因素是指能提高運動成績的身體以外的一切方法和條件，其作用機制是能有效的改變從而減少力學因素對成績影響。本文將以外源性生物力學因素作為分析對象，運用舉例法找出影響短跑成績提高的外源力學因素，從而解決影響短跑訓練中的力學因素，為在訓練上提高短跑成績提供理論依據。

1 影響短跑成績的力學因素

影響短跑成績的力學因素主要是空氣動力學和外部力學，空氣動力學有空氣阻力和升力兩種形式，外部力學由萬有引力、摩擦力和同心力三種形式。以上力學因素常出現在田徑比賽和訓練中，如何掌握這一力學規律對提高短跑成績有重要的意義。

1.1萬有引力

根據牛頓力學，萬有引力的大小與兩相作用物體質量的乘積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比(萬有引力=GmM/r^2)。萬有引力對人類從事的各種運動項目都有約束性影響，只有當人類到不存在萬有引力的空間去從事體育活動時，這種情況才會改變萬有引力的影響，不僅直接施加到人體和各種體育器械上，而且作為大多數限制性力學因素的一部分，而間接作用到人和器械上。重力是地球引力和繞地軸轉動的慣性力心力的合力，海拔越高引力越小(f=GMm/r^2)r在這里表示道地心的距離而慣性力心力越大，(f=mrw^2)r在這里表示到地軸的距離，w表示繞地軸的轉動角速度，它不會因為你爬到山上而變，但r確大了，故離心力變大，海拔高了重力就會小，緯度越高。到地心的距離不變，而到地軸的距離確越來越小，即引力大小不變而離心力越來越小。所以緯度越高，重力越大。因此，體育比賽在緯度地區舉行時，會隨著緯度的不同，重力加速度也隨之變化，甚至達到具有顯著影響的地步，所以赤道的重力加速度比高緯度的重力加速度小，2008年北京奧運會田徑記錄多次被刷新，和北京位于北緯39度有很大的關系。

1.2摩擦力

兩個物體互相作用的力，這個力叫摩擦力。隨著運動的發生，物體形變部位的變換，即動態形變也會消耗一部分能量而顯示出阻力性；有些變形較大的物體還會產生明顯的形位阻力。如跑鞋與塑膠地面接觸時，塑膠表面就會向下凹陷，增大了跑道與鞋的摩擦力。

1.3向心力

物體做圓周運動時，沿半徑指向圓心方向的外力(或外力沿半徑指向圓心方向的分力)稱為向心力。從運動學角度可以證明，做勻速圓周運動的物體的加速度大小為a=v^2/r=ω^2r，方向總是指向圓心，因此勻速圓周運動的加速度，叫向心加速度．向心加速度只改變速度的方向，不改變速度的大小。在200m短跑項目中，運動員在做圓周運動時，如何有效的提高向心加速度，是提高運動員成績的有效途徑。

1.4空氣阻力

是指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產生的。在短跑這類速度項目中，空氣阻力是有礙運動員提高成績的一個重要環節。根據空氣阻力的公式：F=(1/2)CρSV^2 計算。式中：C為空氣阻力系數；ρ為空氣密度；S物體迎風面積；V為物體與空氣的相對運動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數及迎風面積成正比，與速度平方成正比。運動員可以通過高速身體姿勢來減小S，還可以運動著裝來減小C，減小速度一般不會對成績產生不利影響，而空氣密度ρ在正常氣候條件下，海平面的空氣密度約為1.22 Kg/m3，在海拔2000m的高度，空氣密度下降為1.00Kg/m3，如果其它條件不變，則空氣阻力也將下降。這對于提高短跑運動員克服空氣阻力具有重要的意義。1968年，在海拔2206m的墨西哥城舉行的奧運會創下一批優異的成績，充分印證了成績的創造與空氣密度下降的緊密關系。

2 外源性力學因素對短跑成績的影響

2.1服裝對速度的影響

在參加世界大賽上，可以看到一些短跑運動員身穿一種類似速度滑運動員所穿的緊身服，希望能以此來降低比賽時遇到的空氣阻力。短跑的最大速度要比速滑的速度低得多，雖然速度比較低，但穿上減小阻力的服裝還是會有此優勢的，尤其在迎風的情況下。考慮到迎風跑時克服空氣阻力的高能耗，穿緊身服對運動成績的提高具有良好的作用。穿這樣的服裝而不是通常穿寬松的背心和運動短褲，將有助于減小形狀阻力，潛在提高運動員的成績。

2.2跑鞋對速度的影響

近年來，鞋對運動成績的影響也逐漸被重視起來。為增加鞋與地面的摩擦力，跑鞋的設計以及鞋釘的分布都圍繞提高速度進行開發，為追求輕質,要求跑鞋全面緊鎖腳面的力量型短跑運動員而設計適用于短跑專業運動員技術型鞋釘。因此，就僅僅鞋子的重量就會對跑的成績產生很大的影響，增加腳部的重量會增加每個步幅周期中抬腳和向前加速時所作的功。例如，假設以4.5m/s的速度跑時每只腳的動作頻率大約為90周期/min。在選擇6.5m/s為腳的平均水平速度，0.6m為腳的平均垂直位移，這樣就可以從計算跑速度為4.5m/s時，腳上附加重量所引起的額外能耗。

解 1：設抬起每只鞋增加了0.10kg重量的腳所作額外功。計算公式為：dw =dm·g·h dw為額外功(單位為j)

dm是加到每只腳上的額外質量(單位為kg)

b為重力加速度，大小為9.8m/s

h為腳抬的高度，單位為m

將上面數據代入公式，則有：dw=(0.1)·(9.8)·(0.6)=0.588j/每周期。

在1分鐘的90個周期里，兩只腳共做額外功：(2)·(90)·(0.588)=52.9j/min。

解2：鞋增加的重量所多作的額外功的總量為：52.9+379.8=432.7j/min

所以每只腳增加0.1kg所多消耗的能量約占總能耗的1.2%，以上數據表明，一個穿較輕型號跑步的運動員，比穿較重型號鞋跑步的運動員在相同生理負荷下能將跑速提高，這一數據具有潛在的重要意義。

2.3運動場地對運動員成績的力學影響

2.3.1當有圓周運動運動時就會有離心力和向心力

短跑中的200m和400m屬圓周運動的項目。這里我們主要講針對橢圓彎道跑的影響，即在不同的跑道上維持運動員圓周所需的力量(F=mv`/r；m為運動員質量，v速度及彎道的半徑r)。由于有一部分肌肉力量要用于維持運動員沿彎弧線跑，所以跑速必然會有所下降，通過將200m直道跑與帶一個彎道的200m跑相比較可以發現，彎道跑將使用的總時間增加0.4s。運動員利用跑到來獲得彎道跑所需要的向心力。這個力主要是摩擦力，指向道圓心，作用在運動員的腳上。跑彎道時，運動員身體向內圈傾斜，內低外高的彎道可以減小對摩擦力的要求，因為這種斜面能產生一定的水平反作用力，由于室外場地缺乏坡度，彎道上的各

2.3.2在彈性硬度極好的跑道上跑，能縮短支撐時間，增加步長，提高成績

美國哈佛大學己經鋪設了彈性硬度為運動員彈性節奏三倍的跑道，而且在這種跑道上跑成績將提高2%；北京奧運會塑膠跑道采用了意大利進口的新技術，比以往的跑道在性能和彈性硬度上都有很大的提高，特別是速度性項目，對運動員成績提高起到了一定作用。

3 小結

許多對短跑運動成績有不利影響的力學因素都可通過外源性生物力學手段來部分消除。這些外源性生物力學手段包括穿戴按動力學設計的服裝、比較輕的鞋和運動場地等，速度性項目在考慮技術、素質等訓練的諸多因素下，作為教練員應對短跑運動員自身條件以外的因素加以考慮，在訓練中解決力學因素對運動員訓練效果的影響。如選擇訓練場地、地點、運動員的比賽裝備、訓練的手段等。這些外部因素都有利于短跑運動員在比賽中成績的提高。通過上述特點，在訓練中注意克服和運用這些外源性力學，采用相應的方法和手段有助于進一步提高運動成績。

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StudyontheEffectofExogenousBiomechanicsonSprintRacePerformanceImprovement

Li Jian

(P.E.Department of Sichuan University of Science&Engineering,Zigong,643000,Sichuan,China)

There are many factors effects dash race performance,while exogenous factors,including biomechanical easily overlooked by most coaches.Exogenous biomechanics belongs to category of force.It consists of body mass,air resistance and gravity.This paper,based on those factors,discussed the combination of training method,shoe design,costume design and playground design and those factors,targeting improving racing speed.

exogenous biomechanics;sprint;speed;resistance

2009-12-09；

2010-03-03

李堅(1971-)，男，四川人，講師，研究方向：體育教學與訓練。

G804.6

A

1672-1365(2010)03-0037-02