高水平男子短跑運動員步長和步頻的評價標準與發展規律

姜自立，李　慶，鄧　暉

(1. 清華大學 體育部，北京　100084；2. 長沙學院 體育部，長沙　410003)

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高水平男子短跑運動員步長和步頻的評價標準與發展規律

姜自立1，李慶1，鄧暉2

(1. 清華大學 體育部，北京100084；2. 長沙學院 體育部，長沙410003)

采用文獻資料法、數理統計法、錄像分析法和專家訪談法，對100 m運動中步長與步頻的影響因素及其內在聯系、步長與步頻合理比例的評價指標，以及短跑訓練中步長與步頻的發展規律進行分析和討論，得出如下結論：運動員的腿長、觸地角度和驅動力量是步長與步頻相互影響和制約的調節變量；騰起角度和著地角度分別為50 °-55 °和90 °、觸地時間和騰空時間分別占步頻時間的40%和60%、步長指數與步頻指數分別達到1.24和8.28或以上，是評價步長與步頻及其比例合理性的重要標準。在短跑訓練實踐中，教練員應使青少年運動員的步頻在9-15歲階段得到充分發展；15歲以后，教練員應在運動員固有動作頻率的基礎上，重視步長的發展；當步長指數達到1.24或以上后，教練員應該在保持運動員步長穩定的前提下，再次提高步頻。

100 m；步長；步頻；影響因素；評價標準；發展規律

1　問題的提出

步長與步頻及其比例是決定短跑成績和評價短跑技術經濟性的重要指標。在數學上，“跑速=步長×步頻”是一個非常簡單直觀的公式，在保持其中一個變量穩定的情況下，步長或步頻的增加都可以提高速度。然而，在訓練實踐中，步長與步頻卻是兩個相互影響和制約的變量，一個變量的增加，必然會引起另外一個變量的減少[1]。有研究認為，步長是速度增加的主導變量[2-3]，但也有研究表明，步頻才是速度增加的主導變量[4]。因此，100 m運動中步頻與步頻及其比例成為了國內外學者和教練關注和爭論的熱點問題。此外，在短跑訓練實踐中步長與步頻的發展順序問題也一直困擾著許多教練員。

本文試圖從生物學和動力學的視角對步長和步頻的影響因素進行分析，以厘清步長與步頻相互影響和制約的調節變量，并以此為基礎，制定評價步長與步頻比例合理性的標準，然后再以步長和步頻的影響因素及評價標準為依據，對訓練實踐中運動員步長和步頻的發展規律進行梳理和總結，以期為短跑訓練實踐提供參考。

2　步長與步頻的影響因素及其調節變量

在短跑訓練實踐中，步長與步頻及其比例問題之所以爭論不休，原因在于沒有厘清步長與步頻相互影響和制約的調節變量。步長的大小或步頻的快慢屬于運動能力范疇，需要從生物學視角進行分析。而步長與步頻之間的比例則屬于運動技術范疇，應該從動力學視角進行分析。

2.1影響步長和步頻的生物學因素

從生物學角度來看(圖1)，步長主要取決于運動員的腿長、腿部力量和髖關節的柔韌性。下肢越長、髖關節活動范圍越大、腿部力量越強，運動員的步幅就越大；步頻主要取決于大腦皮質運動中樞的靈活性和各中樞間的協調性，以及快肌纖維的百分比及其肥大程度。神經過程的靈活性和協調性越好、快肌纖維數量越多及比例越高，步頻越快。因此，加強運動員腿部力量、髖關節柔韌性、肌肉放松能力的訓練，尤其是加強神經—肌肉間協調能力的訓練，能使運動員的步長和步頻得到有效的發展。

圖1　影響步長與步頻的主要生物學因素[5]

從生物學視角對步長和步頻的影響因素進行分析，可以為短跑運動員選材及步長和步頻的專門性練習提供理論依據。然而，此分析方法并不能直觀全面地反映出步長與步頻之間的相互影響和制約關系。

2.2影響步長和步頻的動力學因素

從動力學角度分析，步長主要由蹬伸距離、騰空距離和著地距離組成(圖 2)。蹬伸距離是指支撐腳觸地點與身體重心間的水平距離，主要由下肢長度和騰起角度決定；騰空距離是指支撐腳蹬離地面瞬時至擺動腿觸地時身體重心移動的水平距離，主要由驅動力量和騰起角度決定；著地距離是指身體重心與擺動腿觸地點間的水平距離，主要由著地角度和腿長決定。步頻主要由觸地時間和騰空時間組成。觸地時間是指運動員在跑動中擺動腿接觸地面瞬時至支撐腿騰離地面時所歷時間，主要由制動時間和驅動時間決定。其中，制動時間是指支撐腿觸地并產生與運動方向相反的阻力瞬時至產生與運動方向相同的助力時所歷時間，主要由腿長和著地角度決定。驅動時間是指支撐腿產生與運動方向相同的助力瞬時至騰離地面時所歷時間，主要由驅動力量和騰起角度決定。騰空時間是指運動員從騰起瞬時至落地時所歷時間，主要由騰起角度和驅動力量決定。

圖2　影響步長和步頻的動力學因素

2.3步長與步頻的調節變量

由圖3可知，蹬伸距離對應的是驅動時間，著地距離對應的是制動時間，騰空距離對應的是騰空時間。進一步分析可知，同時影響制動時間和驅動時間(步頻)、蹬地距離和著地距離(步長)的因素有腿長、觸地角度(騰起角度和著地角度)和驅動力量；同時影響騰空時間(步頻)和騰空距離(步長)的因素為腿長、觸地角度(騰起角度和著地角度)和驅動力量。由此可見，步長與步頻相互影響和制約的調節變量為運動員的腿長、觸地角度(騰起角度和著地角度)和驅動力量，即在運動能力既定的情況下，腿長、觸地角度和驅動力量的改變必然會使步長和步頻之間出現此消彼長的變化。因此，在短跑訓練實踐中，若想在不降低步頻的前提下增加步長，必須增加腿部力量，即在相同的觸地時間內產生更大的動作沖量；若想在不降低步長的同時增加步頻，同樣需要腿部力量的增加，即在更短觸地時間內產生相同的動作沖量。

圖3　步長與步頻的內在聯系圖

綜上所述，從動力學的視角對步長和步頻的影響因素進行分析，不僅有助于我們厘清步長與步頻之間相互影響和制約的關系，也為步長和步頻的訓練及其評價提供了理論依據。

3　步長和步頻合理比例的評價標準

步長與步頻及其比例的評價標準是短跑訓練實踐的重要指南。運動員的腿長、驅動力量和觸地角度是步長與步頻相互影響和制約的調節變量，調節變量的改變必然會引起步長和步頻同時發生變化。因此，腿長、驅動力量和觸地角度可作為制定步長與步頻比例合理性評價標準的重要依據。

3.1騰起角度與著地角度

3.1.1騰起角度

“騰起角度”是指運動員支撐腿騰離地面時身體重心的騰越方向與水平方向的夾角(圖3)。從動力學視角來看，騰起角度的改變既會影響蹬伸距離，也會影響騰空距離，步長由蹬伸距離、騰空距離和著地距離決定，因此，騰起角度的變化會對步長產生影響；另外，騰空距離與騰空時間緊密相關，騰起角度對騰空距離的影響必然會引起騰空時間的改變，步頻由觸地時間和騰空時間決定，因此，騰起角度的變化也會對步頻產生影響。綜上，騰起角度可以作為評價步長與步頻合理性的重要依據。

在跑動過程中，運動員的機械效率在很大程度上由身體姿勢決定[6]。研究表明，當騰起角度約為45 °時的身體姿勢最有助于運動員克服重力、充分“蹬伸”，產生最大的水平驅動力，以推動運動員迅速擺脫靜止[7]；進入途中跑階段后，運動員需要逐漸抬高上體，騰起角度也隨之增加，當騰起角度達到50 °—55 °時，最有利于運動員完成“伸髖”動作，同時產生一個與地面作用力大小相等且方向相反的驅動力，有效地推動運動員向水平方向位移[8]。研究表明，騰起時的垂直速度是對跑速影響最大的“負面因素”[9]。若騰起角度過大，就會產生垂直方向的動作沖量，從而產生過大的垂直速度，增加騰空時間，導致步頻的降低，且不會增加步長。如果騰起角度過小，則不利于髖部屈肌和股后肌群的發力。

3.1.2著地角度

“著地角度”是指運動員擺動腿落地時速度方向與水平方向的夾角(圖3)。著地角度的變化會影響著地距離，從而影響步長；同時，著地角度的變化也會影響制動時間，觸地時間由制動時間和驅動時間構成，步頻由觸地時間和騰空時間決定，因此，著地角度的變化也會對步頻產生影響。可見，著地時間也可成為評價運動員步長和步頻比例合理性的重要指標。

在100 m運動中，運動員為了增加步長往往會主動將擺動腿“前伸”，而該動作會使擺動腿的觸地點遠離身體重心，從而產生“制動力”，制動力是與運動方向相反的阻力，因此會造成運動速度的下降[10]。同時，觸地時間由制動時間和驅動時間組成，“制動力”越大，制動時間就會越長，觸地時間的增加，必然會降低運動員的步頻。此外，“制動力”還是增加運動損傷風險的重要誘因。研究證實，優秀短跑運動員的制動時間明顯短于一般短跑運動員[11]。當著地角約為90°時，制動階段與驅動階段的比例約為40%和60%，跑步的經濟性最強[12-14]。當著地角小于90°時，觸地點就會遠離身體重心，產生“制動力”，降低水平速度，同時增加觸地時間，降低動作頻率。而當著地角大于90°時，會造成蹬擺效率降低，驅動力量減小，步長縮短，步頻增加。步頻過快會導致肌肉緊張，磷酸原消耗過快?？傊?，在100 m運動中步長的增加不應來自“前伸”，而應依靠驅動力的增加[15]。

以騰起角度和著地角度作為評價步長與步頻合理性的標準，能適用于不同水平的短跑運動員，且直觀簡單，尤其可作為評價青少年短跑運動員步長和步頻合理性的重要指標。

3.2觸地時間與騰空時間

在一定范圍內，觸地時間越長，產生的驅動力量越大，驅動力量的增加會增加運動員的騰空距離，增加步長。與此同時，騰空距離增加，騰空時間就會增加，也必然會導致步頻的降低。由此可知，觸地時間與騰空時間的比例充分反映了步長和步頻的合理性，可作為評價步長與步頻比例合理性的重要指標。

以觸地時間和騰空時間作為評價步長與步頻合理性的標準，能準確反映出運動員步長和步頻的比例，但該評價模式的檢測和評價過程較為復雜，需要大量的儀器設備和科研人員，操作難度較大。

3.3步長指數與步頻指數

運動員的下肢越長，步長越大，但下肢越長，轉動慣量也越大，角速度就會越小，步頻越慢，反之亦然。可見，下肢長度是影響運動員步長與步頻及其比例的重要參數。在前期研究中，以運動員的腿長為依據對理想步長和步頻進行推算的公式主要有三種：

(1)20世紀70年代，美國著名學者詹森-弗希爾提出：“適宜步長=身高×1.17+10 cm”[18]。依據詹森-弗希爾的計算公式，男子100 m史上排名前9(以下簡稱“Top9”)運動員的理想步長應為2.23 m。事實上，Top9運動員在創造個人最好成績時的實際步長為2.27 m，兩者相差4 cm。Top9運動員平均用44.05步跑完100 m全程，如果每步相差4 cm，100 m相差1.76 m，對于100 m這樣一個決勝于毫厘之間的項目而言，近0.2 s的差距是非常巨大的?？梢?，詹森-弗希爾提出的適宜步長計算公式已不符合當今短跑運動實踐的發展。

(2)1995年，Donati提出了“理想步長= 1.1×(100 m/腿長×2.60)”的計算公式[12]。按此公式進行推算，Top9運動員的理想步長應為2.41 m。顯然，Donati提出的理想步長計算公式與運動員的實際步長(2.27 m)之間存在顯著差距，參考意義不大。

(3)1971年，Hoffman等人對56名優秀運動員的步長和步頻間的線性關系進行了分析，提出了“理想步長=平均步長/身高≥1.14，理想步頻=平均步頻×身高≥8.1”的評價標準[19]。該公式不僅充分考慮了運動員的個體差異性，而且還可以與時俱進地反映出世界優秀短跑運動員的步長指數與步頻指數，因此，自提出以來就成為了短跑訓練實踐中應用最為廣泛的步長和步頻計算公式。值得注意的是，該評價指標主要適用于高水平短跑運動員，而對青少年運動員或水平較低的運動員參考意義不大。

本文根據Hoffman提出的公式，對Top9運動員在創造個人最好成績時的步長指數和步頻指數進行了計算(表1)。結果顯示，Top9運動員在創造個人最好成績時平均用44.05步完成100 m比賽，平均步長為2.272 m，步長身高指數為1.239；平均步頻為4.519 Hz，步頻身高指數為8.278。因此，步長指數達到1.239或以上，步頻指數達到8.278或以上，是評價優秀短跑運動員步長與步頻比例合理性的重要標準。

表1　Top9運動員創造個人最好成績時步長指數和步頻指數一覽表

事實上，在100 m跑的不同階段，步長與步頻始終處于不斷變化和組合中。圖4顯示，在加速階段，世界優秀短跑運動員的步長約由第1步時的1.09 m提高到第11步時的2.10 m，而步頻則穩定在4.12 Hz左右；在轉換階段，速度的增加源于步長和步頻的同步增加，步長約由2.10 m增加到2.35 m，步頻約由4.1 Hz提高到4.8 Hz；在最大速度階段，步長和步頻略有增加，二者達到最佳組合；在降速階段，隨著磷酸原的耗竭，能量代謝以糖酵解為主，乳酸的堆積導致步頻急劇下降，運動員通過步長的增加來彌補步頻下降引起的速度損失。

圖4　世界優秀男子運動員100 m分段速度與步長和步頻變化關系圖

4　短跑訓練中步長和步頻的發展規律

在一定程度上，速度的發展水平取決于步長和步頻的發展水平，而步長和步頻的發展受到身體素質的發展規律、能量代謝特征和動力學原理等因素的影響。因此，在短跑訓練實踐中，根據生物學、能量學和動力學的特點安排訓練是步長和步頻得到充分發展的基本前提。

4.1生物學規律對步長和步頻發展順序的影響

從生物學規律來看，身體素質的發展具有階段性，即在不同的年齡階段各項素質的增長速度不同。在生理學中，一般把身體素質增長速度快的年齡階段叫做“增長敏感期”。在增長敏感期內對運動員的某項素質進行針對性的訓練，有助于獲得最佳的訓練效果。從生物學角度分析，步頻主要取決于中樞神經系統的靈活性和各中樞間的協調性，以及快肌纖維的百分比及其肥大程度。而當外部阻力較小時，動作頻率主要取決于神經中樞的靈活性和協調性，即神經系統對主動肌、協同肌和對抗肌間的調節能力。研究表明，9—15歲階段是協調性發展的敏感期[20]。在運動中，協調性主要體現在平衡感、節奏感、空間感、肌肉本體感覺以及對聲音和視覺信號的反應能力等方面[21]。因此，在此階段對上述素質進行針對性訓練有助于兒童少年運動員的步頻得到充分的發展。值得注意的是，兒童少年階段的訓練目標是為高水平訓練打下堅實的基礎，因此此階段在突出身體協調性訓練的同時，還應重視全面的身體訓練和正確的專項運動技術能力的培養。

4.2能量代謝特征對步長和步頻發展順序的影響

15歲以后，隨著協調性發展“敏感期”的逐漸消退，在訓練中是優先發展步長，還是進一步提高步頻，再次成為困擾眾多教練員的難題。

研究表明，在周期性運動中肌肉收縮的能量消耗與肌肉的收縮速度成立方比，即肌肉收縮速度增加一倍，其氧的消耗量就會增加七倍[22]。此外，動作頻率的加快，必然會增加肌肉的收縮速度，增加肌肉的緊張度，最終導致肌肉的供血過程更加艱難，導致肌肉缺氧，肌肉的工作效率會明顯下降[14]。相反，步長的增加，會導致騰空時間的增加，在騰空階段運動員的肌肉處于放松狀態。因此，步長的增加有利于延長肌肉的放松時間，加快乳酸的緩沖，促進ATP-CP的合成。由此可見，步長的增加比步頻的增加更具經濟性。

表2　世界優秀男子100 m運動員步長與步頻演化規律一覽表

本文對近40年男子100 m優秀運動員步長和步頻的變化規律進行了對比(表2)。結果顯示，1970—2009年間，男子100 m世界紀錄由10.06 s提高至9.58 s。與此同時，世界優秀男子短跑運動員的步頻指數由8.541降至8.278，而步長指數由1.140增加至1.239。以上數據說明，增加步幅是提高100 m跑經濟性的重要趨勢。此外，100 m屬于周期性運動項目，周期性運動項目比的是單位時間內的位移，而不是單位時間內的動作頻率。因此，在15歲以后，隨著協調性發展“敏感期”的逐漸消退，教練員應該在保持青少年運動員較高動作頻率的基礎上，優先發展動作幅度，以贏得更大的位移，提高跑的經濟性。

在短跑訓練實踐中，增加步幅的一般步驟是：①根據Hoffman提出的步長推算公式，計算出運動員身高所對應的理想步長(Top9運動員的步長指數均值為1.239)；②在跑動中確定運動員的自然步長，做好標記；③在自然步長的基礎上，每步增加1—2 cm，在跑道上放好標記物；④在不降低步頻的前提下，進行增加步長的練習，直到達到理想的步長指數[24]。在腿部力量不變的條件下，步幅的增加必然導致步頻的降低。因此，在短跑訓練實踐中，增加步長的前提是增加腿部力量，即在相同的觸地時間內產生更大的動作沖量。

4.3動力學特征對步長與步頻發展順序的影響

本文對張培萌、博爾特和布雷克等優秀短跑運動員步長和步頻的發展模式進行了追蹤(表3)。結果顯示，上述運動員在步長和步頻的發展模式上具有共同的特征，即在青少年階段已經具備了較高的步頻，在隨后的階段，步長出現了大幅增加，這一規律也與我們在上文得出的結論一致。尤其值得注意的是，當步幅指數達到理想的范圍后，在保持步長基本穩定的情況下，他們的步頻得到了再次提高，而這也正是他們的速度水平再次提高的關鍵變量。

表3　中外優秀短跑運動員步長與步頻發展規律一覽表

從動力學視角分析，騰空時間主要反映步長，觸地時間和騰空時間的總和主要反映步頻。研究表明，優秀短跑運動員和一般短跑運動員在騰空時間上沒有顯著差異，而優秀短跑運動員的觸地時間明顯少于一般短跑運動員[12]。這說明優秀運動員在步頻上的優勢得益于能夠在更短的觸地時間內產生同樣的動作沖量。在100 m運動中，運動員的腿部肌肉始終處于一個拉長—縮短收縮的過程，因此，動作沖量的增加取決于“快速反應收縮力量”的增加。研究認為，在100 m運動中，增加“快速反應收縮力量”是節約能量消耗[26]、達到最大速度水平[10]的重要途徑。在運動訓練實踐中，跳深、多級跳等超等練習是增加快速反應收縮力量、提高單位時間內動作沖量的有效手段。

綜上所述，在運動訓練實踐中，短跑運動員步長與步頻的發展可分為3個階段。第1階段：9—15歲是協調性發展的敏感期，教練員應該在此階段進行針對性訓練，使青少年運動員的步頻得到最充分的發展；第2階段：在15歲后，隨著協調性發展敏感期的逐漸消退，教練員應該在運動員固有動作速度和動作頻率基礎上，增加步幅，以提高跑的經濟性；第3階段：當運動員的步長指數達到理想的范圍(≥1.24)后，訓練的主要任務和目標是通過增加動作沖量，減少觸地時間，在不降低步長的前提下再次增加運動員的步頻。

5　結論

(1)運動員的腿長、觸地角度和驅動力量是100 m運動中步長和步頻相互影響和制約的調節變量。若想在不降低步長的情況下增加步頻或在不降低步頻的情況下增加步長，必須通過增加動作沖量才能實現。

(2)騰起角度和著地角度、觸地時間和騰空時間，以及步長指數和步頻指數是評價步長和步頻合理性的重要指標，其中，“步長指數和步頻指數”是短跑訓練實踐中應用最為廣泛的評價指標。

(3)在青少年時期強化協調性的訓練是使運動員步頻得到充分發展的基本前提。此后，與步頻發展密切相關的運動素質“敏感期”消退后，進入最大力量的發展敏感期，訓練的首要任務是在保持步頻的基礎上發展步長。當步長指數達到1.24或以上后，通過增加動作沖量再次增加步頻成為了訓練的重點。

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Evaluation Criterion and Regular Developing Patterns of Elite Male Sprinters’ Stride Length and Stride Frequency

JIANG Zi-li1, LI Qing1, DENG Hui2

(1.Department of Physical Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2.Department of P.E.，Changsha College, Changsha 410003, China)

Through the methodology of literature, mathematical statistic, video analysis and expert interview, this paper analyzes and discusses the influential factors and inner correlation of stride length and stride frequency, evaluation indicators of the optimal ratio of stride length and frequency, and the developing rules of stride length and frequency in sprint training. The findings show that leg length, touchdown angle and drive force are three moderating variables of mutual influence and restriction between stride length and stride frequency, takeoff with an angle of 50-55 degrees and touchdown with an angle of 90 degrees, touchdown with a duration of 40% in the duration of stride frequency and takeoff with a duration of 60% in the duration of stride frequency, stride length indicators of 1.24 or higher and stride frequency indicators of 8.28 or higher are the important standards in evaluating stride length, stride frequency and its ratio reasonableness. In training practice, the coaches should enable the athletes’ stride frequency to fully develop between the age of nine and fifteen. After the age of fifteen, coaches should pay more attention to the development of stride length based on their developed stride frequency. When stride length indicator reaches 1.24 or higher, coaches should enhance their stride frequency again on the basis of maintaining the stability of athletes’ stride length.

100-meter sprint; stride length; stride frequency; influential factors; evaluation criterion; regular developing patterns

2016-01-10

國家自然科學基金資助項目(A020503)

姜自立(1983-)，男，湖南寧鄉人，田徑一級教練，在讀博士，研究方向為短跑訓練理論與實踐。

G822.1

A

1008-3596(2016)03-0064-09