科技动态 短跑起跑姿势的运动生物力学分析
http://www.athletics.org.cn/ 2005-09-09 11:10:00 《田径科技动态》
 
前言
短跑被分成两个主要阶段,每个主阶段又包含着相应的子阶段,如图1所示:
 
图1:100m跑时相划分(Mendoza&Scholihorn,1993).
一个最佳的起跑动作(包括反应时和起动速度)应该是运动员用力蹬离起跑器后,能获得最大蹬离效益,获得最好的反应时和最快的起动速度,并且让运动员在起跑后的几步内获得正确的身体跑动姿势。
在任何一个短距离跑的项目中,起跑对整个过程都是非常重要的。多年来很多研究都集中在模仿优秀运动员的起跑姿势或以试正误的研究方法来评价运动员起跑技术的优劣,随着当今计算机模拟和仿真技术的发展和完善,短跑起跑技术应该得到更大程度的提高。
一些研究表明在短跑起跑时身体的每一个关节都有特定的角度,主要是使身体各环节在短时间内承担最佳负荷和产生最大的起动力量。这些关节角度对任何一个短跑运动员来说在本质上都应该是相同的(Harland&Steele,1997)。
下面就起跑技术各方面的运动生物力学研究内容做一简单综述。
1.起跑器位置
教练开始教运动员起跑技术时,首要做的事情是研究和决定该运动员起跑器放置的距离,早期运动员采用两抵脚板缩短(一般是14--28cm)、高躬腰或起跑器接近起跑线的接近式起跑技术,其理论基础是身体重心越靠近起跑线越,完成起跑动作就会越快(Dickinson,1934; Doherty,1985)。但随着肌肉“牵张反射”理论的发现和重要应用,由于接近式起跑不利于肌肉的预拉伸产生牵张反射,已经不再适用了(Doherty,1985;Kistler, 1934)。逐渐取而代之的是拉长式起跑技术。就是起跑器安放和两抵脚板的距离都拉长(一般为50--70cm),让运动员的身体过分的拉长,但结果是适得其反,过分拉长的肌肉使起跑动作更加慢了(Harland&Steele, 1997)。目前广泛采用的是中等距离的中等式起跑技术,运动员一般是采用距离起跑线30-50厘米的距离(Doherty, 1985)。Henry(1952) 和 Stock(1962)的研究都发现:“与拉长式和缩短式起跑相比,中等式起跑技术能够产生最佳的短跑技术动作(最短的反应时和最快的起动速度),帮助运动员在20码至50码的距离中跑出(三种起跑形式中)个人的最好成绩。”
Schot 和Knutzen(1992)建议中等式起跑技术起跑器最佳安放位置是:“两抵脚板间的距离应设置为个人的小腿胫骨长度(约占整个腿长的45%),前抵脚板到起跑线后沿的距离为个人胫骨长度的60%(即两踏脚座之间距离的60%)。”
从理论上讲,中等式起跑技术能让运动员更加合理的利用小腿伸肌-腓肠肌和比目鱼肌的牵张反射(Stock, 1962),让运动员获得最佳的小腿发力位置,产生更大的推动身体向前的冲力(Hoster&May,1979)。
2.起跑器抵脚板的安放角度
设定好起跑器位置后,运动员还要调节起跑器抵脚板的角度,以适合双脚的放置。Guissard、Duchateau和Hainaut(1992)对中等式起跑技术起跑器前抵脚板不同的角度对起跑速度的影响进行了研究。研究方法是在其它条件相同的情况下,将起跑器前抵脚板与水平面的夹角分别设置为70°、50°和30°,测定不同角度下小腿三头肌的肌电图和最大蹬力。他们发现随着前抵脚板角度从70°--50°--30°的逐渐减小,蹬力数值在逐渐加大,起跑速度加快。而反应时没有显著变化,三个角度下的肌电活动也没有显著变化。由此他们认为,前抵脚板角度为30°时,运动员小腿三头肌肌肉在“拉长-缩短”周期中能够获得最大利益,能够更有效地提高收缩速度(如图2)。
 
 
图2:同一受试者在三种不同角度下,比目鱼肌和腓肠肌的长度典型变化情况。变量△L表示肌肉长度变化百分比,设定参考长度(原始长度)为膝关节和踝关节都在90度(双膝)时的两肌肉长度,正值或负值分别表示肌肉的伸长或缩短。(Guissard、Duchatea和Hainaut 1992)。
从图示可以看出,在30°时二者变化是非常协调一致的,这可能是由神经系统支配和肌肉系统收缩机械运动共同的结果。所以在30°时能够提高小腿的蹬离力量,增加短跑起跑的速度。因此,改变起跑器抵脚板的倾斜角度,能够改变肌肉发力的力量,实现在短时间内更快地完成起动动作。
3.在预备姿势下的膝关节角度
运动员首先必须知道自己的优势腿,并把优势腿放在前抵脚板上,劣势腿放在后抵趾板上。原因是优势腿不必要在起动阶段从肌肉“预拉伸”中获取更大的益处,而劣势腿更需要。在预备姿势中优势腿比劣势腿接触起跑器的时间更长,施加力量更大,支撑体重更多。优势腿的确定可以通过单腿负荷大小,或习惯性反转身体(教练员也可以在运动员毫无知觉的情况下,向前或向后推动运动员,运动员习惯用来抓地保护自己的那条腿即是主动腿)等方法来决定(USATF, 1997)。
对世界高水平短跑运动员预备姿势模型研究得出:“最佳的膝关节角度是前腿一般在90°到111°之间,后腿一般在118°到136°之间”(Harland&Steele,1997)。但这些角度范围是否对所有短跑运动员适用?还值得探讨。
4.在预备姿势中的髋关节角度
Mero、Luhtanen和Komi(1983)研究了世界最优秀短跑运动员的髋关节角度,并与普通短跑运动员的髋关节角度进行比较。发现世界最优秀运动员髋关节角度明显小于普通运动员的髋关节角度。他们认为髋关节角度不同,其伸肌群产生的力量也有很大的不同。角度降低,能够有效地提高髋部伸肌群的“牵张反射”和肌群“长度-张力”的关系,使髋部产生更大的力量。然而Harland和Steele(1997)研究也发现,如果髋关节角度过分地减小,将会直接导致髋关节伸肌群的强直、工作效率降低和增大双臂的支撑负荷。
因为随着髋关节角度降低,会使整个身体重心前移,使双臂承受更大的身体重量。而不是由强大下肢来承担较大的身体重量,这是极为不利的。Mero、Luhtanen和Komi(1983)研究表明,世界优秀短跑运动员预备姿势的最佳髋关节角度,前腿平均为41°,后腿平均是80°左右。然而普通运动员两个髋关节角度比优秀选手都要大一些(前腿平均为52°,后腿平均是89°),因此相对于优秀运动员来说,普通运动员利用髋关节伸肌群的“牵张反射”的效率会降低。
5.身体重心
很多学者认为短跑运动员的身体重心应该尽可能的靠近起跑线(Harland&Steele, 1997),过去运动员们也大都使用缩短式起跑来尽力使身体重心前移。现在已经证明这是一种效率很低的起跑方式,要获得更多肌群“预拉伸”的益处,最佳起跑方式是使用中等式起跑技术。
一些运动员也试图在中等式起跑中采用把双肩前伸,使重心前移,尽可能的靠近起跑线,或把重心前移稍微越过起跑线的起跑技术。然而Atwater(1982)和Ozolin(1988)研究发现:“发令枪响后,双手从身体开始起动到离开跑道的时间接近0.15到0.20秒,这就意味着发令枪响后,运动员的双臂已经不再承担支撑身体的重量,双手也不再给身体施力,整个身体重心向前快速运动只能靠两腿的力量了”。由于双手支撑在地面的时间比较短暂,因此Henry认为,在预备姿势中双臂应该尽可能少的承担身体重量。Atwater(1982)的研究发现,世界级优秀短跑运动员预备姿势时,身体重心距离起跑线的水平长度为0.12--0.20米,身体重心的垂直范围为0.48--0.66米。不同的运动员之间,这些数据有着很大的不同,但是对不同的起跑动作技术方式并没有明显的影响。这个变化范围主要是为运动员主动改善自己起跑技术上的不足,提供一个空间(Francis&Coplon, 1991),只要在这个变化范围内,运动员可以找到一个最好的、感觉最舒适和最适合自己的起跑范围,而不需要硬性规定一个一成不变的数值范围。
6.手,胳膊和肩的位置
手应该以一个舒服的宽度分开放置在起跑器的正后沿(约与肩同宽)(USATF, 1997),手指的形状为弓型,指尖触地。双手的这种放置能确保运动员不会用上肢来承担较大的身体重量,把身体大部分重量留给双腿来承担。
胳膊也应该尽可能少的承担身体的重量,因为与地面作用的时间短,产生的爆发力量有限(Atwater, 1982;Henry,1952;Ozolin, 1988)。预备姿势时胳膊应该在肘关节处成一条直线,在发令枪响之前上肢要作为一个整体单位参与预备姿势的姿态构成。
Schot和Knutzen(1992)的研究发现,两个肩关节的角度最好接近90°,以减轻上肢的负荷并保持其他关节的舒适性。Harland&Steele(1997)研究建议,短跑运动员的肩关节应该稍微向前伸接近到80°。在80°~90°这个范围内,肩关节角度的大小可以由运动员的自我感觉舒适程度来决定。
预备姿势最为重要的特征是胳膊的位置及其对后继动作的影响,运动员一定要确保发令枪响后,上肢的摆动立即达到一个正确的运动姿势(USATF, 1997)。Bhowmick和Bhattacharyya(1988)研究发现,上肢的摆动并不能增加运动员向前的水平速度,而是有助于协调腿的运动,提高运动员的步长。
上肢的水平摆动也有助于平衡髋关节旋转产生的角动量,在垂直方向上为腿的爆发用力创造一个适宜的发力环境。他们发现如果上肢的摆动是正确的运动形式的话,身体的其他部分也能够进行正确的运动。图3就是短跑运动员起跑后两步结构的棍图图示。
 
 
图3  短跑运动员从起跑开始两步棍图图示,Mero、Luhtanen和Komi(1983)
Korchemny(1992)赞成上肢的有力摆动是快速起动的关键要素之一,也非常关心起跑开始后前几步的运动技术特征,因为前几步本质上已经建立了剩余比赛步的基本特征。他的观点是短跑运动员在起跑器上就一定要让身体各环节处于正确的姿势中,高水平的短跑运动员还必须学会如何在正确的蹬离起跑器后,进入正确的跑动模式之中。Korchemny还设计了决定短跑运动员起跑能力和加速能力的直接和间接测试表。如表1和表2所示:
表1 运动训练新概念的间接指标测试结果(Korchemny ,1992)
测试
成绩
男子
女子
深蹲到90°(一次)
181--227Kg
140--181Kg
使用体重的80%负荷5次快速深蹲到90°
不超过4.30s
不超过5.00s
提拉
90.50--113.50Kg
54.50--68.00Kg
立定跳远
3.00--3.30m
2.55--2.70m
立定三级跳远
8.23--9.14m
7.62--8.23m
立定纵跳
80.5--85cm
70--75cm
一步纵跳
87.5--90cm
75--80cm
从箱上跳深
(单腿着地即刻前跳)
(45cm)
6.75--6.90m
(30cm)
6.30--6.60m
 
表2  运动训练新概念直接指标测试结果(Korchemny ,1992)
测试
成绩
男子
女子
最大速度(从接近30米之后的10米)
步长
步频
0.91s或更好
 
10.00m/s
 
2.35m或更长
4.65/s或更好
1.0s或更好
 
10.00m/s
 
2.15m或更长
4.70/s或更好
起跑30m距离
(从起动开始)
平均速度
步长
步频
步数
3.85s或更好
 
7.80m/s
1.82m
4.30/s
16.5步
4.20s或更好
 
7.15m/s
1.72m
4.15/s
17.5步
30米平均速度占最大速度百分比
71%
71%
反应时
0.130-0.160s
0.150-0.180s
7.合力矢量
一旦运动员在起跑器上有了正确的预备姿势后,起动的身体重心也要有一个最适宜角度。技术不好的运动员往往是在刚刚蹬离起跑器后,就把身体直立身来,这样就会把蹬离起跑器时所获得的利益损失殆尽(USATF, 1997)。
Harland&Steele(1997)研究发现,从起跑线到运动员的后足,身体重心水平方向合矢量为0.16-0.31m(在这个范围内的角度都是正确的);垂直方向的合矢量(或者是从地面到运动员背部的高度)是0.55-0.66m。因此对短跑运动员来说,蹬离起跑器的出发角度为45°或者更少。Korchemny(1992)的研究观点则与此不同,他认为运动员蹬离起跑器的角度应该在45°--50°之间。建议运动员应该以比较大的出发角度蹬离起跑,这样能够使运动员更快速地从静止状态跑动起来。同时他也建议运动员要适当地增加起跑后的第一步步长,第一步步长的加大也是出发角度增大后的必然结果。
Atwater(1982)研究得出,美国最优秀短跑运动员的第一步长度通常介于0.98-1.20m之间,这是由于起跑后肌肉群都是处于中度范围内的快速收缩运动。Harland&Steele(1997)研究认为通过加大前几步的步长,可以缩短地面与足底接触瞬间和对身体重心的制动力,产生更大的向前加速能力。
Schot和Knutzen(1992)研究得出,运动员离起跑线的位置(中等式,缩短式或拉长式)和肩关节向前的倾斜程度都会影响其蹬离起跑器的第一步步长。使用中距离的起跑器设置,肩关节前倾较少或没有前倾,蹬离起跑器的角度是45°或着更小,短跑运动员将能获得最佳的起跑技术和最佳的第一步步长(Harland和Steele,1997)。
8.本研究的结论和建议
我们将短跑运动员所有的最佳关节角度概括总结为图4所示。不过,很难保证这些角度能对每一位短跑运动员都是最适合的,但是这应该是一个很好的预备姿势结构图示,教练员可以给自己队员提供一个最基本的参照。当然在实际操作中,还要根据自己的队员的个性和力量特征、队员的自我感觉、舒适程度和形成的技术动力定型情况等,来作相应的调整。
所有的短跑运动员髋关节和小腿跟腱的力量水平都不会相同,因此必须根据运动员的不同力量特点来把起跑器的位置调整到最佳,并从中获取最大的利益。如上所述,本研究中所提到的各种角度,并不一定是完全正确的,每个人都要根据个性特点来做相应的调整。
目前有一个关于短跑运动员最佳起跑器和预备姿势设置的特别计算机程序,我们不需要花费过多的时间来研究和计算世界优秀运动员起跑姿势的角度参数数据,因为计算机程序中都已经存储了。关于计算机程序原理和计算方法,可以通过互联网查询《体育教练员》杂志获得其详细的信息(体育教练员,2001)。教练员们只需要测量自己运动员的臂长,背长,大腿长,小腿长和足长。然后把这些数据然后输入计算机,就能获得自己队员的正确起跑器设置和预备姿势的数据来。
 
 
苑廷刚译自国际田联“田径教练员”2003年第165期