短跑途中跑支撐擺動動作系統研究

王志強

摘 要：途中跑是短跑最重要的技術過程，在支撐階段，支撐腿與擺動腿在時空上的精確協同是途中跑技術的核心，并構成一個動作系統。通過運動學測試分析、數理統計、灰色關聯分析等方法，對短跑途中跑支撐擺動動作系統的結構、功能及各環節的協同機制進行深入分析，并探討下肢運動學參數是如何通過系統的改變影響跑速的。

關鍵詞： 短跑；途中跑；支撐擺動動作系統；運動學

中圖分類號： G 822.11 文章編號：1009783X（2012）06056904 文獻標志碼： A

支撐腿與擺動腿在時間空間上的精確協同是途中跑技術的核心，其中髖的運動學特征（大腿的角速度、幅度、工作范圍）在很大程度上影響著跑速；但對諸如支撐階段兩大腿如何協調，兩腿的膝、踝如何配合大腿進行相應的運動以提高兩大腿的工作效率等問題還缺乏系統的認識。對短跑途中跑支撐擺動動作系統的結構、功能及各環節的協同機制的認識將告訴我們這些運動學參數是如何通過系統的改變影響跑速的，從而有利于我們更加深入了解途中跑技術的本質特征和核心技術。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

上海市田徑隊及上海體育學院短跑運動員15人。其中：一級及一級以上運動員7人，本研究將其界定為優秀運動員；二級運動員8人。

1.2 研究方法

1.2.1 運動生物力學測試分析法

為了減小由于肢體的重疊造成的解析誤差，采用2架高速攝像機（JVC9800）對距起點50 m處的途中跑的支撐過程進行雙側定點定焦拍攝，機高1.05 m，取景范圍5 m，主光軸與人體運動平面垂直，拍攝距離分別是14.20 m和10.80 m，拍攝頻率為100幀/s，快門速度（1/250） s。

為了提高圖像解析的精度，在實驗對象身體兩邊外側跖趾關節、踝、膝、髖、肩、肘、腕、耳屏等關節、環節點，以及身體內側膝、踝、肘等關節點上貼放反光膜標志（美國3M公司出品）。標志大小為（2.5×2.5）cm。測試在全塑膠田徑館進行，為改善光照條件，攝像機主光軸兩側共加設3盞攝影燈。

使用上海體育學院運動生物力學教研室魏文儀教授編制的Sbcas運動分析系統，對運動員兩側高速錄像進行數字化及平滑處理。

1.2.2 數理統計法

本研究對不同水平運動員的運動學參數進行了一般統計描述，并對不同水平運動員有關參數進行了均值比較（獨立樣本t檢驗）。為探尋運動學參數之間的關系，本研究對所有運動學參數進行了兩兩間的皮爾森相關分析。統計學分析均通過SPSS 11.0完成。

1.2.3 灰色關聯分析法

短跑支撐過程中的水平速度及垂直速度的變化均可看作灰色系統，影響其功能的因素多而復雜。本研究以支撐過程中的水平速度和垂直速度變化為母因素，以有關肢體運動學參數為子因素，通過子因素與母因素的關聯序，探尋影響跑速更為關鍵的運動學參數。

2 結果與分析

2.1 短跑途中跑支撐擺動動作系統的結構與功能

2.1.1 途中跑支撐擺動動作的系統觀

系統的基本屬性是結構與功能。結構是指系統內部各個組成要素之間的相對穩定的聯系方式、組織秩序及其時空關系的內在表現形式。結構反映系統的內部關系，是系統的一種內在的規定性。系統的結構不同，其質的規定性就不同，系統就有質的區別。而功能是指系統與外部環境相互聯系和相互作用中多表現出來的性質、能力和功效，是系統內部相對穩定的聯系方式、組織秩序及時空形式的外在表現。因為系統的結構是系統功能的基礎，所以只有系統的結構合理，系統的功能才能得到良好的發揮[1]。從這個意義上說，動作系統的最優化是基于動作系統結構最優化基礎上的功能的最優化。

動作系統是一個多級系統，一般包括基本動作元—二級動作元—三級動作元等不同層次。其中，每級動作元都對于次級動作元構成動作系統，而次級動作元則相對上級動作元形成動作子系統。動作元相互之間按一定的秩序組織起來，從而在一定的時空中構成縱向有序和橫向有序的、多層次、多維的有機整體。良好的動作系統是一個統一的整體，它的整體性來自于它的各組成動作元相互間的融貫和系統間的統協。顯而易見，動作系統的運動效應（功能）依賴于基本動作元的功能以及同層次動作元相互作用，而動作系統功能的最優化不僅與基本動作元的功能有關，還與基本動作元間的平衡與協調有關[2]。

影響途中跑速度的關鍵是支撐過程的技術效果。其中，支撐腿與擺動腿在時空上的精確協同是途中跑技術的核心，并構成一個動作系統，我們稱之為支撐擺動動作系統。對途中跑支撐擺動動作系統各環節協同機制分析，首先須明確系統結構及各級動作元的功能及相互關系，進而了解影響系統功能的主要因素。

2.1.2 支撐擺動動作系統的結構

動作系統的結構是系統元素（子系）之間相互作用的最固定和起決定作用的規律，它決定著系統本身的質的方面、系統同外界相互作用當中的完善程度，以及系統新性能的發生和系統能力的發展。對運動技術的內涵和本質特征認識的不斷深入總是與對技術動作系統結構認識的創新緊密聯系在一起的[3]。

跑進過程中下肢主要是在矢狀面運動的，支撐階段下肢的運動實際是大腿、小腿，以及足在矢狀面上的一系列角運動，因而支撐擺動動作系統的基本動作元包括支撐腿和擺動腿的髖角、膝角和踝角，支撐過程中此6個關節角運動的時空特征的不同形成了不同的技術。由于支撐階段最重要的目的是保持水平速度，因而，對該動作系統而言，支撐階段的水平速度體現著系統的功能，并取決于系統結構的優化程度。

如前所述，可以把支撐腿與擺動腿在整個支撐階段的實時配合看作一個動作系統。這個動作系統的基本動作元包括支撐腿和擺動腿的髖角、膝角和踝角。在傳統的觀點中，以與地面是否接觸為標準，將這個動作系統分為支撐腿與擺動腿2個一級動作元，在支撐腿與擺動腿之下又有髖、膝、踝6個二級動作元，而在技術上要求蹬（支撐腿）、擺（擺動腿）配合，如圖2所示。

然而，隨著大量研究的深入，對于支撐階段下肢髖、膝、踝的作用與功能也日趨深入。目前，已成為共識的觀點是，在高速運動的途中跑中，髖是人體保持水平速度和產生必要垂直速度的動力之源，在擺動腿積極屈髖前擺配合下，支撐腿快速伸髖后擺是決定跑速的核心技術。為此，區別于傳統觀點中支撐擺動動作系統的結構，支撐腿髖與擺動腿的髖應成為該動作系統的一級動作元，而兩腿的膝與踝則分別構成該動作系統的二、三級動作元，它們服從并服務于一級動作元的活動。

重構的支撐擺動動作系統結構如圖3所示。該結構強調了支撐腿髖和擺動腿髖對該動作系統功能（跑速）發揮的重要作用，以及兩腿膝、踝的從屬地位與服務功能。相對于傳統觀點，它更深入地揭示了途中跑技術的本質特征。

2.1.3 各級動作元的工作特征與作用

在高速運動的途中跑中，髖是人體保持水平速度和產生必要垂直速度的動力之源的觀點已為人們普遍接受，但如前所述，在支撐腿的伸髖后擺與擺動腿的屈髖前擺中哪一個因素對跑速起著更為重要的作用的問題上尚未達成共識。

實際上，擺動腿的折疊前擺與支撐腿的伸髖后擺是一個相對運動。在支撐腿與擺動腿膝、踝的有效協同下，較快的支撐腿伸髖速度必然有助于擺動腿的快速折疊前擺，反之亦然。如果沒有占人體質量17%的擺動腿折疊前擺的協同配合，支撐腿便無法有效地工作；同樣，沒有支撐腿良好的支撐和積極的后劃配合，擺動腿快速折疊前擺帶動人體的快速前移的作用也無從表現，二者密切聯系、互為條件，統一于在前支撐階段減少制動沖量，后支撐階段增加動力沖量的過程中[4]。為此，可以把兩髖的剪絞速度（支撐階段支撐腿髖角與擺動腿髖角相對運動的平均速度）作為反映一級動作元工作效率的指標，從而兼顧支撐腿伸髖后擺與擺動腿屈髖前擺的重要作用。

當前大多數研究結果認為，支撐階段支撐腿較高的大腿后擺角速度是成功運動員的技術特點[510]；也有研究者認為短跑時人體向前運動的速度，主要是由于擺動腿的技術動作特征所決定，擺動速度快，幅度大，則跑速越快[11]。

從表1和表2中的灰色關聯序可知，對于支撐階段人體水平速度和垂直速度變化影響的程度依次均是髖的剪絞速度，支撐腿伸髖的速度，擺動腿屈髖前擺的速度。

可見，作為一個更加綜合的指標，髖的剪絞速度在更大程度上決定著支撐過程人體的水平速度和垂直速度變化，它是評價支撐階段人體動作效果更為全面、有效的指標，并在更大程度上反映著支撐擺動動作系統中一級動作元的本質特征。

綜上所述，支撐腿髖與擺動腿髖構成了支撐擺動動作系統的一級動作元，兩髖的剪絞速度可反映一級動作元工作效率。兩髖的快速剪絞對支撐過程中人體水平速度的保持、增加，以及必要的垂直速度變化均發揮著首屈一指的作用。髖的剪絞速度是評價途中跑技術更為全面、綜合的指標，較快的此速度意味著更快的跑速。由于支撐過程中髖的剪絞速度經歷了加速—減速，因而一級動作元的工作特征是剪絞—制動。

而支撐腿與擺動腿的膝與踝構成支撐擺動動作系統的二、三級動作元，其工作特征是屈與伸，它們主要是通過適時、適度的屈與伸，配合一級動作元的工作，使兩髖的剪絞在更適宜的工作范圍、以更快的工作速度和更有序的協同方式有效地推動人體的快速向前，實現其工作效率的最優化。

2.2 影響支撐擺動動作系統功能的主要運動學因素及其關系

2.2.1 支撐擺動動作系統功能評價的基本思路

對每一個技術系統中的因素及它們之間的相互作用，不能簡單地看成一因一果的因果鏈，而應將其看作為因果網絡。在評價每一個技術系統中的因素時，既不能孤立起來評價，也不能僅局限于其與另外一個因素的相互作用，而應從整體出發，從服務于整體目的的因果網絡來評價。從這個意義上說，對影響支撐擺動動作系統功能的主要運動學因素的認識應基于一個運動學指標的因果關系的網絡。在此因果關系網絡中，支撐階段的人體水平速度體現著系統整體功能，而相關肢體的角運動指標則代表著系統的各要素。

為了使這個因果關系模型更簡潔、實用并更具代表性，從而更好地解釋支撐擺動動作系統中各環節協同的關系，在指標的選取上本研究主要依據以下幾點。

首先，在指標選取上考慮到了優秀運動員的運動學趨勢（見表3）以檢驗這個因果關系網絡模型的可預測性。

其次，著眼于需要重點考慮的因果關系，而對非主流的枝節關系則進行簡化或忽略。譬如特別強調了一級動作元——髖的運動學特征，并注意所選取運動學參數對系統整體功能（支撐階段的水平速度）的敏感性，兼顧指標間的相互關系，見表4中反映出來的相關指標間的相關關系。

最后，考慮到支撐擺動動作系統結構的合理性以及運動實踐的需要，選取了更綜合和更具操作性的指標。譬如，以支撐過程中支撐腿與擺動腿的平均髖角作為反映髖的工作范圍相對于人體額狀面前移程度的指標；以支撐過程中支撐腿的平均膝角和平均踝角之和作為人體重心高度的指標；以擺動腿平均膝角作為擺動腿屈曲程度的指標等。

2.2.2 支撐擺動動作系統各環節協同模型的建立

研究結果表明，本研究中110多個運動學指標之間具有頗為復雜的兩兩相關關系，基于前述指標篩選原則，指標B、C、D入選本相關模型，是影響支撐擺動動作系統功能的主要因素。而考慮到系統結構的全面性、合理性，以及運動學參數之間的交互作用，指標E也入選了本相關矩陣，以更好地說明下肢各環節是如何通過系統的改變來提高跑速的（如圖4所示）。

指標B為兩大腿的剪絞速度，也就是支撐過程中兩大腿相對運動的速度。人體在跑進過程中經歷了騰空與支撐2次剪絞，優秀運動員剪絞速度尤其是支撐階段的剪絞速度更快（見表3）；因而，指標B在很大程度上反映了支撐擺動動作系統的工作效率，對跑速的影響也是最大的。

指標C為總均髖角（支撐腿平均髖角與擺動腿平均髖角之平均數），它可以作為兩大腿剪絞的工作范圍評價指標。由于優秀運動員的支撐腿和擺動腿在整個支撐階段均具有較小的髖角，因而其此值較?。ㄒ姳?），即兩大腿更多地在人體額狀面以前運動。指標C與B一起，從時空特征上界定了作為支撐擺動動作系統一級動作元的兩髖是如何工作以有效地提高跑速的。

指標D為支撐腿平均膝、平均踝角之和，它可以作為重心高度的評價指標，并體現著作為二、三級動作元之一的支撐腿膝與踝的工作狀態。優秀運動員在整個支撐階段均具有相對較小的支撐腿膝角和踝角，因而這個指標較小，支撐過程中其身體重心更低（見表3）。由表4可知，該指標與其他4個指標的相關均呈顯著性，也就是重心越低，擺動腿的折疊越緊，兩大腿的剪絞速度越快，兩大腿更多地在人體額狀面以前運動。由此可見，低重心對跑速的重要影響作用。

指標E為支撐過程中擺動腿的平均膝角，它反映著作為二級動作元之一的擺動腿膝的工作狀態。雖然它與跑速并沒有顯著的相關關系，但它與影響跑速的另2個重要指標B、D存在著顯著相關。優秀運動員在整個支撐過程中的膝角均較小，因而該指標較小。較小的擺動腿膝角有利于擺動腿的快速前擺，進而加快兩大腿的剪絞速度，并與較低的重心聯系在一起。

影響支撐階段水平速度主要運動學指標的相關模型表明，對于代表系統功能的支撐階段水平速度而言，兩大腿的剪絞速度越快，跑速越快（R=0.784，P<0.001）；重心越低，跑速越快（R=-0.544，P<0.05）；兩髖的活動在額狀面以前越多，跑速越快（R=-0.531，P<0.05）。而且，影響跑速的這3個重要指標之間也呈兩兩相關的趨勢。此外，體現擺動腿工作狀態的擺動腿平均膝角則是通過影響重心高度和兩大腿剪絞速度間接地影響跑速。該相關模型所選用的指標基本涵蓋了支撐擺動動作系統中所有動作元，因而綜合了更多的人體運動學信息，它從時空特征上更全面、動態地界定了“好”的技術模式，并更有效地解釋了跑速增加時，支撐擺動動作系統中各環節協同的機制。

3 結論

1）支撐腿髖與擺動腿髖構成了短跑途中跑支撐擺動動作系統的一級動作元，而兩腿的膝與踝則為該動作系統的二、三級動作元。二、三級動作元服從并服務于一級動作元的活動。該動作系統的結構強調了支撐腿髖和擺動腿髖對該動作系統功能（跑速）發揮的重要作用，以及兩腿膝、踝的從屬地位與服務功能，更深入地揭示了途中跑技術的本質特征。

2）作為一個更加綜合的指標，髖的剪絞速度在更大程度上決定著支撐過程人體的水平速度和垂直速度變化，它是評價支撐階段人體動作效果更為全面、有效的指標，并在更大程度上反映著支撐擺動動作系統中一級動作元的工作特征：剪絞—制動。

3）支撐腿與擺動腿的膝與踝構成支撐擺動動作系統的二、三級動作元，其工作特征是屈與伸，它們主要是通過適時、適度的屈與伸，配合一級動作元的工作，使兩髖的剪絞在更適宜的工作范圍、以更快的工作速度和更有序的協同方式有效地推動人體的快速向前，實現其工作效率的最優化。

4）本研究提出了支撐擺動動作系統各環節的協同模型，其所選用的指標基本涵蓋了支撐擺動動作系統中所有動作元，因而綜合了更多的人體運動學信息，它從時空特征上更全面、動態地界定了“好”的技術模式，并更有效地解釋了跑速增加時，支撐擺動動作系統中各環節協同的機制。

5）支撐擺動動作系統各環節的協同模型表明，人的快速跑進得益于這個動作系統整體功能的最優化，而髖是人體快速向前跑進的“發動機”。兩大腿更多地前擺、更早地退出后蹬，以及更快地剪絞是決定跑速度的關鍵；擺動腿折疊更緊配合以支撐腿低重心姿勢則是發揮“發動機”工作效率的重要保證。