運動生物力學在課余田徑運動訓練中的應用

張愉 胡龍威 張彥龍

(牡丹江師范學院 黑龍江牡丹江 157000)

1 研究目的

田徑比賽分為徑賽項目和田賽項目，其中在校園訓練中，短跑、跳遠是常見項目[1]。不同訓練階段有不同的訓練目標，訓練初期主要是培養興趣，該文主要研究的是大學期間課余體育訓練中短跑、跳遠的生物力學的應用，通過研究，總結出田徑訓練中涉及的生物力學知識，在課余訓練中運用生物力學知識促進學生對田徑運動技術動作的理解，從而提高成績。

2 研究方法

通過知網、書籍查閱有關體育訓練和教學中運用到的生物力學知識。

3 結果與分析

3.1 課余訓練中生物力學應用的重要性

運動生物力學的應用貫穿于學生體育活動中的每個動作，對身體的鍛煉、體育訓練和體育教學有重要作用。體育教師應熟練掌握有關訓練的知識，不能只會運動項目的技術動作，要熟悉運動生物力學的概念、原理、生物力學和人體運動的相互關系，以及對人體運動時關節的受力和肌肉伸展、收縮狀態等的理解。只有教師了解動作要領、原理、訓練的相關知識及訓練中可能出現的問題，才能在學生訓練時發現問題，從而解決訓練過程中遇到的難題，進而提高運動成績。在田徑訓練過程中結合運動生物力學的知識，不僅能夠增強學生的體質，提高理解思考能力，塑造良好身體形態、還能使教學過程更為豐富，讓學生能夠對技術掌握得更快。因此，運動生物力學在體育教學和體育訓練中起到了不可替代的作用[2]。

3.2 短跑訓練中生物力學的應用

短跑是學校運動會比賽的熱門項目，比賽前很多教師會根據參賽者的體型來判斷參賽者是否跑得快，認為大腿肌肉發達的人更有力量，會跑得更快，在鍛煉時也著重訓練大腿的肌肉群，但比賽的成績并不理想。很多學者根據肌肉的不同形態和功能以及肌肉力量和速度的關系，研究出短跑速度快的理論機制。在奔跑時可將人體看作是有支點的無實體軸轉動，奔跑的速率為步頻和步速的乘積，要想提高成績，可以加大步長，提高步頻。不要以定向思維認為身高矮的學生奔跑速度較慢，若其掌握了技巧也可使成績很快提高。

3.2.1 起跑前準備活動

無論進行何種運動，訓練前的準備活動一定要組織好。在短跑訓練中，不僅要進行基礎的準備活動，還要進行短跑訓練的專門性準備活動，如壓腿牽拉腿部肌肉、腳尖點地轉動足部、雙手叉腰轉動腰部等。這樣才能在短跑訓練中減少肌肉拉傷等風險，也有利于訓練效果的提升。肌肉拉伸運動可以在很大程度上避免運動損傷，加速周身的血液循環，提高呼吸系統在大強度訓練前的適應能力，增加肌肉牽拉力，還可以使訓練時的動作更規范，同時也能緩解運動訓練后肌肉的酸痛感[3]，緩解運動后的疲勞。若不進行準備活動，較為安靜的身體突然進行大量的活動，會使心臟、肌肉、骨骼受到損傷，久而久之會使身體機能下降。

3.2.2 起跑姿勢訓練的生物力學應用

在比賽中可以看到，在奔跑的準備階段有人處于下蹲姿勢（雙腳分別一前一后踩后面的踏板，雙手撐在兩邊，而另一部分人則是弓步站立的姿勢，在大型比賽如奧運會中，短跑、跨欄等起步姿勢都是下蹲姿勢。蹲式起跑能夠使身體快速擺脫靜止的狀態，不僅是向前沖的一瞬間有很大的速度，而且也為起跑后的加速提供有利幫助。在后腿蹬離起跑器并結束前擺后，上身盡量下壓靠近地面，為騰空的一瞬間儲存勢能。短跑運動員的后腳與起跑器之間處于適當角度（60°～40°）可增大加速度[4]，前腿邁出時，著地點應盡可能地靠近身體重心的投影點，使腳著地后馬上進入后蹬階段。如果第一步太靠前，重心還在后面，要移動到前面需要很大的力量，會減慢起跑速度；如果太靠后，剛起身的一瞬間身體還有較大慣性，如果第一步靠后，雙腳間距太短，穩定性減小，會有摔倒的危險。前腿在離開跑器后，迅速以最大力屈膝向前。

3.2.3 擺動腿訓練的生物力學應用

用力騰空后，身體開始直立，支撐腿從屈曲狀態脫離，膝關節從屈曲狀態開始伸直，人體重心則會以很快的速度向上方移動。擺動腿要隨著支撐腿的運動而運動，如果單靠擺動腿的力量向前擺動，則達不到較好的效果，要充分、合理地利用地面對支撐腿的反作用力，利用膝關節和髖關節靈活性的特點，使擺動腿擺動到最大程度。在擺動時要注意以下問題。第一，在保持高頻率步頻的前提下，擺動腿需要做最大幅度的轉動。這樣既可以保證步頻，又可以保證步長；第二，最大限度增加擺動半徑，目的在于提高轉動慣量，使支撐腿在后蹬階段時能有較大的力量發力蹬地；增加擺動半徑就是髖關節和膝關節盡量伸展，有學生在跑步過程中為了單純追求速度，髖關節和膝關節伸展不充分，很容易累，成績還不理想；第三，擺動時擺動腿膝關節應優先擺動，用足夠大的力量向正前上方盡力抬高，使大腿和地面保持平行。大腿的抬高能增加擺動腿向下擺動時的勢能，腳落地時又能增加較大的反作用力和彈力，后蹬更有力量；第四，身體上部分保持與地面垂直的狀態，可以給髖關節以足夠的運動空間，還能保持胸廓不受擠壓，使呼吸能夠暢快，為身體持續、快速供氧。同時兩臂前后擺動，轉動慣量的增加，會使向前的力量增大。且兩只腳的著地點要在一條直線上，能夠減小髖關節不必要的外展，使髖關節的力量集中在向前的發力上；第五，因膝關節最先做主動動作與發力，髖關節有一定的緩沖，能夠使髂腰肌在近端固定下快速收縮，如果單靠大腿肌肉發力，力量較小，與膝關節發力相結合能夠加快大腿向前的擺動速度[5]。

綜上所述，要想獲得較快的向前水平移動速度，必須擁有合理的向前水平推力，即支撐腿在蹬離地面時，地面對人的反作用力。擺動腿的擺動是否合理在很大程度上決定后蹬效果, 因此擺動腿的擺動技術對速度有著非常重要的作用[6]。

3.3 跳遠訓練的生物力學應用

跳遠又名急行跳遠，屬于田徑運動跳躍類項目，由助跑、起跳、騰空和落地等動作組合構成。在訓練跳遠時，不要單一訓練起跳，其他各部分內容也要訓練，跳遠選手沿直線助跑一段距離后，在起跳板前沿線后起跳，經騰空階段后，將雙足在沙坑落下的第一個腳印作為最遠點，通過測量起跳點到落腳點的距離來決定名次。之前人們認為身高高的選手跳得遠，因為腿比較長，可能會增加距離，但實則不然，跳遠看的是起跳的一瞬間所做的動作是否有利于遠跳。

3.3.1 起跳前動作中的生物力學的應用

研究方法，起跳時的起跳初速度和起跳的角度是影響運動成績的重要因素, 在訓練時要著重訓練這兩部分內容，讓身體形成記憶，這兩個因素是跳遠的起跳階段中最重要的因素。助跑可以增加整個身體的速度，速度越快，才能在起跳時更好地增加速度。當助跑結束后，起跳腳在支撐點時突然受到制動, 此時人體就會繞制動點的軸而發生轉動，雙腳著地不動，踝關節、膝關節、髖關節都開始發生轉動。人體繞制動點轉動效果的好壞，與雙腳著地時的穩定性密切相關。如果穩定性差，很可能會因為助跑時慣性過大而發生摔倒，甚至扭傷。人體的踝關節是由上下兩塊骨組成的梯形活動結構，直立時上下兩塊骨相互契合，踮腳尖時兩塊骨中間會有縫隙，穩定性減小，容易扭傷。為了提高著板時的穩定度, 運動員著板時需要腳跟首先接觸地面并迅速轉動，這樣就增大了腳和地面的接觸面積，減小了慣性帶來沖撞力，從而減小腳部的損傷[7]。

3.3.2 起跳時擺動姿勢的生物力學特性

在助跑后起跳點制動，身體獲得較大能量，但能量遠遠不夠，還需要雙臂的擺動。擺動動作在跳遠中有很重要的作用，起跳時的擺動動作能明顯提高重心的相對高度及垂直速度，增加起跳力和起跳速度，在起跳階段中擺動腿及擺動臂的擺動角速度大致經歷增加—最大—減小3個階段[8]。當起跳腿進行踏跳動作時，身體的擺動環節將進行加速擺動，擺動環節的豎直加速度呈規律性變化。以腳為支點，雙臂的擺動也能加大身體的轉動慣量，使身體在起跳時有更大的力量。在起跳緩沖階段，加速度值急劇增加，并在最大緩沖時刻能夠達到最大值，踏跳蹬伸階段，擺動環節的加速度值開始減少。雙腳離開地面時向上跳躍有一個騰起角，理論上的要求是騰起角在45°時，能夠獲得最佳的跳遠成績。在訓練時，有意訓練學生的騰起角，可以通過參照物的方法讓學生不斷試驗，逐步找到感覺，形成肌肉記憶。

綜上所述，要想取得跳遠的好成績，必須要有合理的起跳力、起跳角度和擺動動作相互配合。如果嘗試沒有擺動動作起跳，可以明顯看到跳遠的距離很短，如果起跳時身體過高或過低也不會有好的成績。

3.4 投擲訓練的生物力學應用

鉛球是一項重器械投擲項目，是速度與力量的考驗。優秀的成績主要取決于推球的最后用力階段。出手速度、出手角度和出手高度是影響鉛球運動成績的三要素[9]。鉛球的出手速度越大，鉛球的運動距離就相應越大，出手之前需要有向前滑步的動作，滑步動作可增大鉛球的出手的初速度。出手角度理論上為45°，但也要因人而異。優秀運動員出手高度最大可達2.20m，這與運動員的身高、體重、臂長、肌肉募集等有關。在鉛球運動中，合理利用慣性可以發揮出更好的優勢。左腳接觸地面用力瞬間運動員右腳立即用力蹬轉，同時需要完成屈膝向投擲方向蹬轉。此過程中，運動員身體、鉛球和運動方向的一致，可最大發揮所有肌肉的募集作用。

擲鐵餅同樣也是機械投擲項目，對力量與速度有要求，對速度的要求主要為角速度，旋轉效果是影響鐵餅投擲成績的主要因素[10]。在旋轉半徑固定的情況下，角動量越大，出手速度越快，投擲越遠。在投擲規程中，需要穩定旋轉手臂，以防速度流失[11]。

4 結語

在田徑運動訓練中，運用生物力學知識進行訓練，發現的優點與不足如下。

（1）運動生物力學能夠使體育教學過程中動作理論化，使運動技術技巧在教學過程中更容易被理解。教師在教學過程中，通過對生物力學原理的講解，再在實踐中教會學生如何發力，提高學生的訓練效果，使學生能快速掌握動作要領。在跑步時，大腿帶動小腿跑步，應用角動量傳遞原理，可提高奔跑速度。

（2）在訓練時，通過生物力學知識的講解，以討論的方式讓學生思考鉛球如何扔得遠、跳遠如何跳得遠等，在討論后進行實踐，學生更容易掌握動作要領和發力方法。

（3）許多學生的跑步姿勢已較為固定，要更改發力部位及發力姿勢有很大難度，雖然教師有明確講解，但在練習時，學生很容易忽略，依然按原來的方式奔跑。

在課間運動訓練中, 非常需要運動生物力學的有關理論知識和分析方法來促進學生學習運動技術技巧，提高成績。根據運動學與動力學的相關知識，結合人體解剖學、生理學等，分析優秀運動員運動時的生物力學特性，總結出提高成績的訓練方法。將運動生物力學的知識應用到體育教學與運動訓練的實踐中, 不僅可以使學生在長期訓練中逐步摸索出一套適合自身身體機能的運動技巧和訓練方法, 還可以使體育教師自身綜合素質得到提升。