短跑途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)研究

王志強(qiáng)

摘 要：途中跑是短跑最重要的技術(shù)過程，在支撐階段，支撐腿與擺動腿在時空上的精確協(xié)同是途中跑技術(shù)的核心，并構(gòu)成一個動作系統(tǒng)。通過運(yùn)動學(xué)測試分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法，對短跑途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及各環(huán)節(jié)的協(xié)同機(jī)制進(jìn)行深入分析，并探討下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)是如何通過系統(tǒng)的改變影響跑速的。

關(guān)鍵詞： 短跑；途中跑；支撐擺動動作系統(tǒng)；運(yùn)動學(xué)

中圖分類號： G 822.11 文章編號：1009783X（2012）06056904 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

支撐腿與擺動腿在時間空間上的精確協(xié)同是途中跑技術(shù)的核心，其中髖的運(yùn)動學(xué)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(xié)調(diào)，兩腿的膝、踝如何配合大腿進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動以提高兩大腿的工作效率等問題還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識。對短跑途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及各環(huán)節(jié)的協(xié)同機(jī)制的認(rèn)識將告訴我們這些運(yùn)動學(xué)參數(shù)是如何通過系統(tǒng)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(shù)的本質(zhì)特征和核心技術(shù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

上海市田徑隊(duì)及上海體育學(xué)院短跑運(yùn)動員15人。其中：一級及一級以上運(yùn)動員7人，本研究將其界定為優(yōu)秀運(yùn)動員；二級運(yùn)動員8人。

1.2 研究方法

1.2.1 運(yùn)動生物力學(xué)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(jī)（JVC9800）對距起點(diǎn)50 m處的途中跑的支撐過程進(jìn)行雙側(cè)定點(diǎn)定焦拍攝，機(jī)高1.05 m，取景范圍5 m，主光軸與人體運(yùn)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(shí)驗(yàn)對象身體兩邊外側(cè)跖趾關(guān)節(jié)、踝、膝、髖、肩、肘、腕、耳屏等關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)點(diǎn)，以及身體內(nèi)側(cè)膝、踝、肘等關(guān)節(jié)點(diǎn)上貼放反光膜標(biāo)志（美國3M公司出品）。標(biāo)志大小為（2.5×2.5）cm。測試在全塑膠田徑館進(jìn)行，為改善光照條件，攝像機(jī)主光軸兩側(cè)共加設(shè)3盞攝影燈。

使用上海體育學(xué)院運(yùn)動生物力學(xué)教研室魏文儀教授編制的Sbcas運(yùn)動分析系統(tǒng)，對運(yùn)動員兩側(cè)高速錄像進(jìn)行數(shù)字化及平滑處理。

1.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

本研究對不同水平運(yùn)動員的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行了一般統(tǒng)計(jì)描述，并對不同水平運(yùn)動員有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了均值比較（獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)）。為探尋運(yùn)動學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，本研究對所有運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行了兩兩間的皮爾森相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均通過SPSS 11.0完成。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)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(tǒng)，影響其功能的因素多而復(fù)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(guān)肢體運(yùn)動學(xué)參數(shù)為子因素，通過子因素與母因素的關(guān)聯(lián)序，探尋影響跑速更為關(guān)鍵的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 短跑途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1.1 途中跑支撐擺動動作的系統(tǒng)觀

系統(tǒng)的基本屬性是結(jié)構(gòu)與功能。結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部各個組成要素之間的相對穩(wěn)定的聯(lián)系方式、組織秩序及其時空關(guān)系的內(nèi)在表現(xiàn)形式。結(jié)構(gòu)反映系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系，是系統(tǒng)的一種內(nèi)在的規(guī)定性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，其質(zhì)的規(guī)定性就不同，系統(tǒng)就有質(zhì)的區(qū)別。而功能是指系統(tǒng)與外部環(huán)境相互聯(lián)系和相互作用中多表現(xiàn)出來的性質(zhì)、能力和功效，是系統(tǒng)內(nèi)部相對穩(wěn)定的聯(lián)系方式、組織秩序及時空形式的外在表現(xiàn)。因?yàn)橄到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，所以只有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理，系統(tǒng)的功能才能得到良好的發(fā)揮[1]。從這個意義上說，動作系統(tǒng)的最優(yōu)化是基于動作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化基礎(chǔ)上的功能的最優(yōu)化。

動作系統(tǒng)是一個多級系統(tǒng)，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(gòu)成動作系統(tǒng)，而次級動作元則相對上級動作元形成動作子系統(tǒng)。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(gòu)成縱向有序和橫向有序的、多層次、多維的有機(jī)整體。良好的動作系統(tǒng)是一個統(tǒng)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(tǒng)間的統(tǒng)協(xié)。顯而易見，動作系統(tǒng)的運(yùn)動效應(yīng)（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(tǒng)功能的最優(yōu)化不僅與基本動作元的功能有關(guān)，還與基本動作元間的平衡與協(xié)調(diào)有關(guān)[2]。

影響途中跑速度的關(guān)鍵是支撐過程的技術(shù)效果。其中，支撐腿與擺動腿在時空上的精確協(xié)同是途中跑技術(shù)的核心，并構(gòu)成一個動作系統(tǒng)，我們稱之為支撐擺動動作系統(tǒng)。對途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)同機(jī)制分析，首先須明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各級動作元的功能及相互關(guān)系，進(jìn)而了解影響系統(tǒng)功能的主要因素。

2.1.2 支撐擺動動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)元素（子系）之間相互作用的最固定和起決定作用的規(guī)律，它決定著系統(tǒng)本身的質(zhì)的方面、系統(tǒng)同外界相互作用當(dāng)中的完善程度，以及系統(tǒng)新性能的發(fā)生和系統(tǒng)能力的發(fā)展。對運(yùn)動技術(shù)的內(nèi)涵和本質(zhì)特征認(rèn)識的不斷深入總是與對技術(shù)動作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的創(chuàng)新緊密聯(lián)系在一起的[3]。

跑進(jìn)過程中下肢主要是在矢狀面運(yùn)動的，支撐階段下肢的運(yùn)動實(shí)際是大腿、小腿，以及足在矢狀面上的一系列角運(yùn)動，因而支撐擺動動作系統(tǒng)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(guān)節(jié)角運(yùn)動的時空特征的不同形成了不同的技術(shù)。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(tǒng)而言，支撐階段的水平速度體現(xiàn)著系統(tǒng)的功能，并取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(shí)時配合看作一個動作系統(tǒng)。這個動作系統(tǒng)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(tǒng)的觀點(diǎn)中，以與地面是否接觸為標(biāo)準(zhǔn)，將這個動作系統(tǒng)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(shù)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(diǎn)是，在高速運(yùn)動的途中跑中，髖是人體保持水平速度和產(chǎn)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(shù)。為此，區(qū)別于傳統(tǒng)觀點(diǎn)中支撐擺動動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，支撐腿髖與擺動腿的髖應(yīng)成為該動作系統(tǒng)的一級動作元，而兩腿的膝與踝則分別構(gòu)成該動作系統(tǒng)的二、三級動作元，它們服從并服務(wù)于一級動作元的活動。

重構(gòu)的支撐擺動動作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了支撐腿髖和擺動腿髖對該動作系統(tǒng)功能（跑速）發(fā)揮的重要作用，以及兩腿膝、踝的從屬地位與服務(wù)功能。相對于傳統(tǒng)觀點(diǎn)，它更深入地揭示了途中跑技術(shù)的本質(zhì)特征。

2.1.3 各級動作元的工作特征與作用

在高速運(yùn)動的途中跑中，髖是人體保持水平速度和產(chǎn)生必要垂直速度的動力之源的觀點(diǎn)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(dá)成共識。

實(shí)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(yùn)動。在支撐腿與擺動腿膝、踝的有效協(xié)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(zhì)量17%的擺動腿折疊前擺的協(xié)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(xiàn)，二者密切聯(lián)系、互為條件，統(tǒng)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(yùn)動的平均速度）作為反映一級動作元工作效率的指標(biāo)，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(dāng)前大多數(shù)研究結(jié)果認(rèn)為，支撐階段支撐腿較高的大腿后擺角速度是成功運(yùn)動員的技術(shù)特點(diǎn)[510]；也有研究者認(rèn)為短跑時人體向前運(yùn)動的速度，主要是由于擺動腿的技術(shù)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(guān)聯(lián)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(biāo)，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(biāo)，并在更大程度上反映著支撐擺動動作系統(tǒng)中一級動作元的本質(zhì)特征。

綜上所述，支撐腿髖與擺動腿髖構(gòu)成了支撐擺動動作系統(tǒng)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(fā)揮著首屈一指的作用。髖的剪絞速度是評價途中跑技術(shù)更為全面、綜合的指標(biāo)，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(jīng)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(gòu)成支撐擺動動作系統(tǒng)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(xié)同方式有效地推動人體的快速向前，實(shí)現(xiàn)其工作效率的最優(yōu)化。

2.2 影響支撐擺動動作系統(tǒng)功能的主要運(yùn)動學(xué)因素及其關(guān)系

2.2.1 支撐擺動動作系統(tǒng)功能評價的基本思路

對每一個技術(shù)系統(tǒng)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(yīng)將其看作為因果網(wǎng)絡(luò)。在評價每一個技術(shù)系統(tǒng)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(yīng)從整體出發(fā)，從服務(wù)于整體目的的因果網(wǎng)絡(luò)來評價。從這個意義上說，對影響支撐擺動動作系統(tǒng)功能的主要運(yùn)動學(xué)因素的認(rèn)識應(yīng)基于一個運(yùn)動學(xué)指標(biāo)的因果關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)。在此因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中，支撐階段的人體水平速度體現(xiàn)著系統(tǒng)整體功能，而相關(guān)肢體的角運(yùn)動指標(biāo)則代表著系統(tǒng)的各要素。

為了使這個因果關(guān)系模型更簡潔、實(shí)用并更具代表性，從而更好地解釋支撐擺動動作系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)協(xié)同的關(guān)系，在指標(biāo)的選取上本研究主要依據(jù)以下幾點(diǎn)。

首先，在指標(biāo)選取上考慮到了優(yōu)秀運(yùn)動員的運(yùn)動學(xué)趨勢（見表3）以檢驗(yàn)這個因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型的可預(yù)測性。

其次，著眼于需要重點(diǎn)考慮的因果關(guān)系，而對非主流的枝節(jié)關(guān)系則進(jìn)行簡化或忽略。譬如特別強(qiáng)調(diào)了一級動作元——髖的運(yùn)動學(xué)特征，并注意所選取運(yùn)動學(xué)參數(shù)對系統(tǒng)整體功能（支撐階段的水平速度）的敏感性，兼顧指標(biāo)間的相互關(guān)系，見表4中反映出來的相關(guān)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。

最后，考慮到支撐擺動動作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性以及運(yùn)動實(shí)踐的需要，選取了更綜合和更具操作性的指標(biāo)。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(biāo)；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(biāo)；以擺動腿平均膝角作為擺動腿屈曲程度的指標(biāo)等。

2.2.2 支撐擺動動作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)同模型的建立

研究結(jié)果表明，本研究中110多個運(yùn)動學(xué)指標(biāo)之間具有頗為復(fù)雜的兩兩相關(guān)關(guān)系，基于前述指標(biāo)篩選原則，指標(biāo)B、C、D入選本相關(guān)模型，是影響支撐擺動動作系統(tǒng)功能的主要因素。而考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全面性、合理性，以及運(yùn)動學(xué)參數(shù)之間的交互作用，指標(biāo)E也入選了本相關(guān)矩陣，以更好地說明下肢各環(huán)節(jié)是如何通過系統(tǒng)的改變來提高跑速的（如圖4所示）。

指標(biāo)B為兩大腿的剪絞速度，也就是支撐過程中兩大腿相對運(yùn)動的速度。人體在跑進(jìn)過程中經(jīng)歷了騰空與支撐2次剪絞，優(yōu)秀運(yùn)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(biāo)B在很大程度上反映了支撐擺動動作系統(tǒng)的工作效率，對跑速的影響也是最大的。

指標(biāo)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(shù)），它可以作為兩大腿剪絞的工作范圍評價指標(biāo)。由于優(yōu)秀運(yùn)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，因而其此值較小（見表4），即兩大腿更多地在人體額狀面以前運(yùn)動。指標(biāo)C與B一起，從時空特征上界定了作為支撐擺動動作系統(tǒng)一級動作元的兩髖是如何工作以有效地提高跑速的。

指標(biāo)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(biāo)，并體現(xiàn)著作為二、三級動作元之一的支撐腿膝與踝的工作狀態(tài)。優(yōu)秀運(yùn)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(biāo)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(biāo)與其他4個指標(biāo)的相關(guān)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(yùn)動。由此可見，低重心對跑速的重要影響作用。

指標(biāo)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(tài)。雖然它與跑速并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，但它與影響跑速的另2個重要指標(biāo)B、D存在著顯著相關(guān)。優(yōu)秀運(yùn)動員在整個支撐過程中的膝角均較小，因而該指標(biāo)較小。較小的擺動腿膝角有利于擺動腿的快速前擺，進(jìn)而加快兩大腿的剪絞速度，并與較低的重心聯(lián)系在一起。

影響支撐階段水平速度主要運(yùn)動學(xué)指標(biāo)的相關(guān)模型表明，對于代表系統(tǒng)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(biāo)之間也呈兩兩相關(guān)的趨勢。此外，體現(xiàn)擺動腿工作狀態(tài)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(guān)模型所選用的指標(biāo)基本涵蓋了支撐擺動動作系統(tǒng)中所有動作元，因而綜合了更多的人體運(yùn)動學(xué)信息，它從時空特征上更全面、動態(tài)地界定了“好”的技術(shù)模式，并更有效地解釋了跑速增加時，支撐擺動動作系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)協(xié)同的機(jī)制。

3 結(jié)論

1）支撐腿髖與擺動腿髖構(gòu)成了短跑途中跑支撐擺動動作系統(tǒng)的一級動作元，而兩腿的膝與踝則為該動作系統(tǒng)的二、三級動作元。二、三級動作元服從并服務(wù)于一級動作元的活動。該動作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了支撐腿髖和擺動腿髖對該動作系統(tǒng)功能（跑速）發(fā)揮的重要作用，以及兩腿膝、踝的從屬地位與服務(wù)功能，更深入地揭示了途中跑技術(shù)的本質(zhì)特征。

2）作為一個更加綜合的指標(biāo)，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(biāo)，并在更大程度上反映著支撐擺動動作系統(tǒng)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(gòu)成支撐擺動動作系統(tǒng)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(xié)同方式有效地推動人體的快速向前，實(shí)現(xiàn)其工作效率的最優(yōu)化。

4）本研究提出了支撐擺動動作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的協(xié)同模型，其所選用的指標(biāo)基本涵蓋了支撐擺動動作系統(tǒng)中所有動作元，因而綜合了更多的人體運(yùn)動學(xué)信息，它從時空特征上更全面、動態(tài)地界定了“好”的技術(shù)模式，并更有效地解釋了跑速增加時，支撐擺動動作系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)協(xié)同的機(jī)制。

5）支撐擺動動作系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的協(xié)同模型表明，人的快速跑進(jìn)得益于這個動作系統(tǒng)整體功能的最優(yōu)化，而髖是人體快速向前跑進(jìn)的“發(fā)動機(jī)”。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(guān)鍵；擺動腿折疊更緊配合以支撐腿低重心姿勢則是發(fā)揮“發(fā)動機(jī)”工作效率的重要保證。