蹲踞式起跑的生物力學(xué)分析

楊 文，安李秀酈

（北京體育大學(xué)，北京 100084）

蹲踞式起跑的生物力學(xué)分析

楊 文，安李秀酈

（北京體育大學(xué)，北京 100084）

短跑運(yùn)動是在瞬間內(nèi)完成的項(xiàng)目，對于高水平短跑運(yùn)動員而言，想要提高0.01s，無不付出相當(dāng)代價，特別是當(dāng)今短跑運(yùn)動水平的提升，甚至0.001s就決定著比賽的勝負(fù)。起跑的目的是讓身體盡快從靜止轉(zhuǎn)入運(yùn)動，所以起跑比別人快，在心理上占有一定優(yōu)勢，同時起跑的好壞對其后的加速跑、途中跑和沖刺這3個階段的水平能否正常發(fā)揮起著決定作用，因此起跑對短跑成績影響是很大的，運(yùn)動員的起跑技術(shù)和能力對提高短跑成績勢必會產(chǎn)生重要作用。當(dāng)今國際大賽均適用蹲踞式起跑的方式，蹲踞式起跑是雙手支撐于地面的一種起跑方法，身體重心較低，起跑時通過蹬地動作而獲得較大向前的速度，適用于田徑短距離的比賽，與站立式起跑相比，蹲踞式起跑能夠獲得更多的速度。因此，近年來國內(nèi)外的眾多專家學(xué)者從生物力學(xué)角度對蹲踞式起跑進(jìn)行了研究，以探究蹲鋸式起跑相關(guān)的力的科學(xué)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高起跑時力的使用，提高短跑運(yùn)動員的比賽成績。

短跑分為4個部分：起跑、加速跑、途中跑和沖刺。眾多文獻(xiàn)研究中對加速跑和途中跑更加青睞，尤其是蹬伸擺動支撐擺動及運(yùn)動中肢體的力學(xué)特點(diǎn)等技術(shù)細(xì)節(jié)。但隨著短跑的紀(jì)錄不斷刷新，以及中國人逐漸出現(xiàn)在短跑舞臺，國內(nèi)學(xué)者們對短跑的認(rèn)識開始不局限于加速跑和途中跑，更多的視角轉(zhuǎn)向起跑，力求從起跑上獲得更多的優(yōu)勢。

通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究主要圍繞以下4個內(nèi)容：起跑器使用、身體重心、上肢動作和起跑角度。本文從這4個內(nèi)容對蹲踞式起跑進(jìn)行生物力學(xué)分析。

1 起跑器使用

起跑器的使用主要包括起跑器安裝方式、使用方式和起跑器距離3個方面。首先， 李永智等人的研究中提到，起跑器安裝方式主要分為3種：普通式、拉長式和接近式，其中普通式的起跑器安裝更有利于讓運(yùn)動員合理地利用小腿伸肌－腓腸肌和比目魚肌的牽張反射，讓運(yùn)動員獲得最佳的小腿發(fā)力位置，產(chǎn)生更大的推動身體向前的沖力。同時，李勇智等人的研究中還指出，普通式的起跑方式兩腳間距離適當(dāng)，髖關(guān)節(jié)位置下降，身體重心上升，頭微微上抬，髖關(guān)節(jié)、身體重心和頭形成一個平衡體，可以防止身體過分前傾。

為了更好地使用起跑器，姜自立等人也進(jìn)行了“個人習(xí)慣”和“左前有后”這2種方式的研究。研究發(fā)現(xiàn)，肢體主要受對側(cè)大腦半球的控制， 即右側(cè)大腦控制左側(cè)肢體，左側(cè)大腦控制右側(cè)肢體，由于右腦具有更強(qiáng)的空間和口令處理能力（對信號的察覺能力），而左腦則具有更強(qiáng)的執(zhí)行肌肉力量的能力 。因此，從理論上看，“左前右后”的蹲踞方式可以使運(yùn)動員獲得更快的反應(yīng)速度和動作速度。這一假設(shè)也得到 Eikenberry 等的證實(shí)。他們的研究表明，右腳在后比左腳在后的反應(yīng)時間快80ms，而右腳在后比左腳在后的動作時間快104ms。因此，當(dāng)右腳在后時，運(yùn)動員能得到近80ms的反應(yīng)時間優(yōu)勢和104ms的動作時間優(yōu)勢。 除了腳的放置位置，姜自立等人還對蹬離起跑器的方式進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，“單腳蹬離起跑器技術(shù)”容易導(dǎo)致運(yùn)動員起跑后的第1步過大、身體重心的過早抬起和產(chǎn)生過大的垂直分量，進(jìn)而導(dǎo)致“起跑-加速”技術(shù)銜接的脫節(jié)，最終導(dǎo)致運(yùn)動表現(xiàn)的降低。“雙腳蹬離起跑器技術(shù)”減少了擺動腿的擺動幅度，因而可以防止運(yùn)動員身體重心的過早抬起和避免產(chǎn)生過大的垂直分量。另一方面，“雙腳同時蹬離起跑器”可以比“單腳蹬離起跑器”產(chǎn)生更大的動作沖量。

Otsuka和Slawinski等人的研究均表明，寬距離起跑器下施加的最大下肢力大于窄距離起跑器，這可能是由于增強(qiáng)了后腿髖延伸角速度的原因，在寬距離起跑器下的髖部峰值功率比在正常條件下更大。同時，劉海斌等人通過研究證明了帶旋轉(zhuǎn)角度的起跑器踏板能夠增加運(yùn)動員前腳側(cè)向蹬伸力。這對起跑器的設(shè)計(jì)和開發(fā)均有重要作用。姚位宇等人的研究中還提到，若能有效提高起跑時兩腿的蹬地力量和加快蹬地的動作速度，提高爆發(fā)力，減少蹬離起跑器的時間，這對提高起跑速度有重要的意義，以上這些研究也為提升起跑速度提供了重要的理論指導(dǎo)。

這些研究設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于將實(shí)際與生物力學(xué)的理論結(jié)合，研究了起跑器的方式選擇、雙腳的位置和蹬離起跑器的方式將對起跑產(chǎn)生一定影響以及起跑器踏板和雙腳協(xié)同性的的作用。但不足之處有以下3點(diǎn)：（1）較多實(shí)驗(yàn)忽略了不同人群間的差別，不同運(yùn)動員如高水平運(yùn)動員、非高水平運(yùn)動員和普通人群在起跑器的方式方面不能一概而論，因?yàn)椴煌巳旱倪\(yùn)動能力不同，反應(yīng)時間和肌肉特點(diǎn)不同，這些均是影響實(shí)驗(yàn)效果的混雜因素，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行控制。（2）大部分研究忽略了起跑器及其寬度、前后距離之間的組合，很多實(shí)驗(yàn)是在忽略起跑器基本寬度的情況下進(jìn)行，因此缺乏實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。（3）起跑器的調(diào)整除了要滿足科學(xué)性，更應(yīng)根據(jù)運(yùn)動員的身材情況而定，同時更要與運(yùn)動員的舒適度相結(jié)合。

2 身體重心

在預(yù)備姿勢方面，呂燕等人將“一般”預(yù)備姿勢和“高重心”預(yù)備姿勢進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“一般”預(yù)備姿勢前腳距離起跑線近，而“高重心”預(yù)備姿勢前腳距離起跑線較遠(yuǎn)，當(dāng)兩腳距離起跑線較遠(yuǎn)時，可使預(yù)備姿勢時的重心更多的前移，以至起跑時后蹬角較小，產(chǎn)生身體向前的分力較大，另一方面使身體前方的穩(wěn)定角進(jìn)一步較少，因而認(rèn)為“高重心”預(yù)備姿勢更有利于運(yùn)動員更快突破平衡，加快起動速度。

在縱向力和垂直力方面，劉海濱等人提到，運(yùn)動員后腿蹬離起跑器時，縱向力峰值比垂直力峰值大30.87%，前腿蹬離起跑器時，縱向力峰值比垂直力峰值小8.31%。也就是說，由后腿向前腿過渡的過程中，隨身體重心提升，垂直力已開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，這為身體重心變化過程中力的區(qū)別和分析提供了依據(jù)。同時Otsuka等人的研究中還提到，向前傾斜角度大產(chǎn)生更大的地面反作用力，這是訓(xùn)練有素的短跑運(yùn)動員比普通和非訓(xùn)練的短跑運(yùn)動員產(chǎn)生更大的起跑器平均加速度的原因，這說明重心更向前時能產(chǎn)生更大的地面反作用力，這將為提升起跑速度提供科學(xué)依據(jù)。

通過分析以上文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)“高重心”預(yù)備姿勢、重心傾斜角度、力的區(qū)分和重心合力矢量均對起跑有重要影響，但是國內(nèi)外的研究較多是經(jīng)過分析世界優(yōu)秀短跑運(yùn)動員得出，無法確定此研究是否適用于不同類型運(yùn)動員，同時對于世界優(yōu)秀運(yùn)動員的研究渠道少，其中很多實(shí)驗(yàn)僅通過錄像等方式獲得數(shù)據(jù)，且獲得最新數(shù)據(jù)的途徑較少，因此實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)際操作性，并且難以設(shè)置對照組，無法確定結(jié)果是否有效。在重心的合力矢量方面，研究結(jié)果通過公式計(jì)算得出，并未結(jié)合實(shí)際情況加以檢驗(yàn)，研究結(jié)果的科學(xué)性和實(shí)用性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)，需要后續(xù)研究加以證實(shí)。

3 上肢動作

上肢動作對蹲踞式起跑有重要影響。姚衛(wèi)宇等人提到，提高上肢的推動和擺動力量，對推動和促進(jìn)上體的抬體動作，較快達(dá)到適當(dāng)?shù)母叨群臀恢茫纬闪己玫纳眢w姿態(tài)有著極其重要的作用。除上肢力量外，運(yùn)動員的手指位置會影響肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的固定，還會分散身體的重量，有利于提高起跑速度，因此也是起跑中應(yīng)當(dāng)重視的問題。Otsuka等人的研究結(jié)果表明，肩胛的3D運(yùn)動與短跑的沖刺速度有關(guān)，對于肩胛靈活程度較低的運(yùn)動員，通過肩胛骨松弛訓(xùn)練來改善鍛煉是十分重要的，因?yàn)樗梢愿倪M(jìn)短跑起跑速度。

部分學(xué)者中認(rèn)為肩關(guān)節(jié)的角度最好接近90°，以減輕上肢的負(fù)荷并保持其他關(guān)節(jié)的舒適性，但也有研究提到在80°～ 90°這個范圍內(nèi)有利于獲得更好地起跑效果，肩關(guān)節(jié)角度的具體大小可以由運(yùn)動員的自我感覺舒適程度來決定。唐斥非的研究還表明上肢的擺動并不能直接增加運(yùn)動員向前的水平速度，而是有助于協(xié)調(diào)腿的運(yùn)動，提高運(yùn)動員步長。Chakravarty的研究中也提到，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)對于起跑速度無顯著影響。

上述研究證明了上肢的適宜角度和作用，為后續(xù)研究提供了依據(jù)，但部分研究主要是通過對視頻資料的觀察得出，并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)組和對照組的具體研究，缺乏科學(xué)的依據(jù)；同時部分研究者均認(rèn)為上肢關(guān)節(jié)對起跑速度無顯著影響，對上肢動作存在爭議，因此上肢的作用仍需進(jìn)一步研究討論。

4 起跑角度

起跑角度也是影響蹲踞式起跑的重要因素，其中膝關(guān)節(jié)角度和髖關(guān)節(jié)角度影響起跑速度的重要內(nèi)容，因?yàn)樵诘烹x起跑器時，雙腿所發(fā)揮的蹬離起跑器的力量，在一定范圍內(nèi)是受到膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)影響的。

呂燕等人的研究中提到膝關(guān)節(jié)處于130°～140°時蹬地的效果較好，腿部力量強(qiáng)的運(yùn)動員比弱的運(yùn)動員角度還可以小一些，且隨著兩腿膝關(guān)節(jié)開放角的增大，后蹬及后蹬前的準(zhǔn)備動作時間短，向前擺動快，有利于提高步頻，身體重心向上移動幅度小，省力而輕松，不易引起過分緊張。潘靈等人為了考慮不同被試的差異，對兩組人群（有一定運(yùn)動基礎(chǔ)和運(yùn)動水平為二級運(yùn)動員）進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明高水平受試者整體膝關(guān)節(jié)開放角度較大，前膝角在95°～115°之間，后膝角度在115°～130°之間。這說明較大的膝關(guān)節(jié)開放角度能夠使得在起跑發(fā)令瞬間獲得較快的起跑速度，此時運(yùn)動員的伸膝動作幅度小，蹬地時間短，便于提高頻率。Milanese等人的研究表明，當(dāng)后膝關(guān)節(jié)角度從135°切換到115°然后到90°后膝角時，質(zhì)心的水平速度在蹬離起跑器和前兩步的速度顯著增加，較小的膝關(guān)節(jié)角度能促進(jìn)后腿在開始的起跑器階段內(nèi)獲得更多加速度，研究還表明預(yù)備時90°后膝角度對于短跑運(yùn)動員是一個提升后腿推動作用的策略。

Bezodis等人的研究中提到，增強(qiáng)膝伸肌力量有可能通過調(diào)整落地技術(shù)或加強(qiáng)相關(guān)肌肉組織來提高早期加速表現(xiàn)；他還提到后髖伸展角度可以明顯促進(jìn)起跑效果，后腿的更大推動持續(xù)時間也與更高水平的起跑表現(xiàn)相關(guān)。Bezodis等人的研究突破了以往研究的局限，將后髖伸展角度引入研究中，進(jìn)一步提升了研究的深度和科學(xué)性。Charalambous等人的研究也表明膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)有明顯的動力學(xué)差異，因此在訓(xùn)練時應(yīng)針對不同的關(guān)節(jié)部位，注意增強(qiáng)訓(xùn)練的特異性，這將有利于教練員和運(yùn)動員區(qū)分膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的差異，從而針對性改善起跑動作。Debaere等人的研究中還提到，前腿髖關(guān)節(jié)內(nèi)收與加速度呈負(fù)相關(guān)，此研究進(jìn)一步論證了髖關(guān)節(jié)與加速度的關(guān)系，為后續(xù)研究提供了借鑒。

上述研究分析了起跑器角度以及膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)對于起跑的影響，其中膝關(guān)節(jié)的研究較多，關(guān)于膝關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)也更為具體，但是研究者們尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論，關(guān)于膝關(guān)節(jié)角度仍需進(jìn)一步論證；同時關(guān)于起跑器角度和髖關(guān)節(jié)角度的文獻(xiàn)較少，在起跑器角度方面考慮到前后起跑器角度的研究較少，忽略了前后起跑器的差異；在髖關(guān)節(jié)角度方面，僅強(qiáng)調(diào)了髖關(guān)節(jié)的重要作用，且缺少具體的數(shù)據(jù)說明，這說明髖關(guān)節(jié)的研究不足，后續(xù)研究者應(yīng)提高重視。同時在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)方面，多數(shù)研究忽略了膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的聯(lián)系和協(xié)調(diào)作用，后續(xù)研究者應(yīng)注意兩個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合。

5 結(jié) 語

短跑比賽是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，百米大戰(zhàn)更是各大田徑賽事的熱門話題，短跑的蹲踞式起跑更是與短跑沖刺有相同視覺和聽覺沖擊的環(huán)節(jié)，這足以證明蹲踞式起跑的重要性。同時對于短跑起跑的研究更有利于全方面分析短跑的環(huán)節(jié)和技術(shù)，提升短跑研究的水平，強(qiáng)化短跑研究的深度。通過對蹲踞式起跑的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，部分研究者在研究方法、研究內(nèi)容和研究設(shè)計(jì)上存在不足，但這些研究從起跑器、身體重心、上肢動作和起跑角度這方面進(jìn)行研究，彌補(bǔ)了以往研究的不足，將研究關(guān)注點(diǎn)從中后程轉(zhuǎn)移到起點(diǎn)，從爆發(fā)力轉(zhuǎn)移到起跑速度，豐富了短跑研究的框架和體系，促進(jìn)短跑研究的發(fā)展，從而更好地理論應(yīng)用于實(shí)踐，有利于提升運(yùn)動員的起跑水平。

G822

A

1674-151X（2017）20-019-02

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.20.009

投稿日期：2017-08-10

楊文（1994—），在讀碩士研究生。研究方向：休閑體育、智力運(yùn)動、大眾健身。