耦合振蕩子與生物同步理論對現代百米技戰術的影響

姜雪婷　程其練　周美芳

摘要：采用文獻資料法、數理統計法等研究方法，以2013年世界田徑錦標賽冠亞軍Blot、Justin Gatlin的百米全程分段數據及與在世錦賽跑進前10 s的5名選手進行對比的數據為研究重點，從中探索現代百米戰術突破點。結果表明：Blot、Justin Gatlin在100 m決賽中，Justin Gatlin的起跑及加速跑的步頻“從快到慢，從慢到快”的探索性調整；在途中跑階段，其步頻與5名運動員的平均步頻相同Blot的起跑在整場所有運動員中滯后，但他沒有極力地去追趕，而是做出調整，與整場步頻保持相同的速度，且與5名運動員的平均步頻保持在+0.15 s的幅度。Blot、Justin Gatlin在幾秒的百米競賽過程中，不斷變化著自身的步頻，即使處于不利地位也不奮力追趕，只為尋求與整場步頻同步的戰術，節約體力，只為最后一搏。由此猜想Blot、Justin Gatlin在百米競賽中運用同步耦合的效應，從而大大提高運動員體能的輸出效率，利用最小的消耗，獲得勝利。

關鍵詞：Blot、Justin Gatlin；百米戰術；耦合振蕩子；生物同步；步頻；體能

中圖分類號：G 808.1 文章編號：1009-783X（2017）01-0063-04 文獻標志碼：A

當今，各大型田徑百米賽場，已經成為牙買加、美國的天下。牙買加運動員Bolt在百米跑道上不斷打破人類極限，將百米的世界紀錄提升至9.58 s。Justin Gatlin是雅典奧運會冠軍，最好成績9.77 s，他們的百米技戰術成為了很多學者研究的內容。在國內，對技戰術的研究主要是圍繞速度、力量、心理、技戰術等幾方面。本文從物理學的角度，分析耦合振蕩子與生物同步理論對現代的百米戰術作用，為今后的百米戰術提供理論參考。

1耦合振蕩子與生物同步的概念界定

1.1耦合振蕩子與生物同步釋義

1665年2月，荷蘭物理學家、鐘擺的發明人克里斯蒂安·惠更斯開辟了一個數學分支：耦合振蕩子理論。“耦合”是振蕩子之間相互作用的一個概念，在物理學上任何一個顯示周期性運動的過程都屬于振蕩；因此，人體的跑步也是一種振蕩，在具有耗散結構的振蕩體系中，當各振蕩子處于同步的耦合狀態時，其能量的釋放過程會被增強。

1.2耦合振蕩子與生物同步的作用

同步耦合作用能提高能量的輸出效率，任何一個具有周期性的振蕩系統中，運動情況復雜，位置和速度的關系都在一個相空間中表現出一個收尾相接的閉合曲線；因此，步頻在相空間中表現為一種環狀的振蕩結構。由于人體內能源供給系統具有惰性，運動員總是習慣保持在一定限度范圍內的能耗狀態下運動，步頻在相空間閉合曲線上表現為一種相對穩定的震蕩狀態。我們試圖提高這種振蕩節律時，體內能耗的穩定性會使震蕩曲線很快恢復到原來水平；因此，當運動員提高跑速過程中，對能量的最大耗費點不是花費在肌肉收縮上，而是在神經系統對“能耗級別控制閥”的不斷突破上。但如果想利用神經內部能量突破這個平衡點非常困難，為此必須耗費很多的人力、物力和時間；但從外部，只要輕微觸動誘導就可形成對“控制閾值”的低耗突破。利用同步耦合對神經控制閾的低耗能突破作用，運動員可在競技的過程中，用最少能耗，賽出最好成績。

1.3耦合振蕩子與生物同步的運用

1.3.1單個生物體中的運用

自然界中耦合振蕩子隨處可見，但在生物體中尤其顯著：心臟中的起搏細胞；胰腺中分泌胰島素的細胞，以及大腦和脊柱中負責控制有的動作，例如呼吸、跑步和咀嚼等的神經網絡。

1.3.2不同生物體之間的運用

事實上，并不是所有的耦合振蕩子都必定局限在同一個生物體內，例如：在具有耗散結構的生物體中，相互之間的同步耦合振蕩能節約能量消耗，提高行為的有效輸出功率，在大自然中，不乏有這些現象，在池塘里的青蛙、放在一起的鐘擺都保持在同步的狀態中。

1.3.3人運動中的運用

人的奔跑也是一種振蕩性的運動。在中長跑的比賽運動中，我們常常可以看到有經驗的運動員總是緊跟在對手的后面，利用同步跑動的耦合作用來節約自己的體能。只是在關鍵的時候，才利用所節約下來的體力進行突然性的加速沖刺，把對手甩在后面去奪取勝利。而在短距離跑的比賽中，距離、時間短，往往運動員們都認為去注意對手的步頻節奏是一種浪費時間的舉措。在Thomas和Farlow所研究的動物捕捉過程中，處于攻擊狀態的動物，在發動捕食攻擊之前先調整自己的步伐頻率，使自己和被攻擊動物的步頻保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻擊。其發現動物的這個捕食行為，在距離還是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m爭奪戰，而不是長距離的運動，且在追捕過程中根據獵物的步頻節奏來調整自己，其作用在于保存節省能量，等待最后的出擊。

2研究對象與研究方法

2.1研究對象

2013年田徑世錦賽100 m冠亞軍Blot、Justin Gatlin的步頻數據，以及前5名跑進10 s的選手的步頻數據。

2.2研究方法

2.2.1文獻資料法

查閱田徑專業本科（普、專修）教科書6部，關于現在短跑技、戰術及耦合振蕩子理論等相關期刊文獻共30篇。

2.2.2數理統計法

運用SPSS軟件對數據進行統計分析；用Office For Win-dows EXCEL軟件輸入進行數據制作。

3研究結果

3.1數據分析

3.1.1數據選擇及依據

所選的比賽資料為2013年世界田徑世錦賽100 m的前5名并跑進10 s的選手，原因是進入世界田徑100 m決賽的運動員都是世界優秀的百米運動員，且破10 s，他們的100 m步頻數據對研究百米戰術具有代表性意義。endprint

運動員在比賽的過程中為后來者居上，分析運動員是否在100 m競賽的過程運用耦合振蕩子與生物同步的方式節約能量，最后盡全力一博。

3.1.2數據來源

本資料數據來源于2014年山東體育學院學報。其采用一種以一定的步數為分段依據的方法來解析數據，使得沒有放置分段標志物的錄像資料也可進行全程節奏分析，由于頂尖選手在一定時期內百米跑所用的步數相對穩定，宏觀上主要的變化在于各分段步頻的變化，見表1。

3.1.3研究數據結果

在2013年田徑世錦賽100 m決賽的視頻中可看出，Justin Gatlin在8名運動員中，起跑及起跑的加速跑中，都處于相對靠前的名次，在表1中起跑（即2～5步）的步頻在這5名運動員中位居第二，且高于平均步頻水平；在起跑后的加速跑過渡到途中跑的過程中，Justin Gatlin在6～10步的步頻與自身起跑步頻一致，卻低于平均步頻，在11～15的步頻，不僅低于平均步頻且低于自身步頻，降低近0.1 s。Bolt在起跑階段（2～5步），與其余4名運動員相比步頻是最慢的，處于劣勢狀態，只有4.26 s，也與在2～5步的步頻總平均值相差近0.2 s。而在起跑后的加速跑及途中跑，他卻一直保持很穩定的步頻，每個階段的步頻（2～15步）都保持在4.46 s。從成績上分析，2位運動員，在2～15步中，不斷地在調整自己的步頻，并沒有因為優勢乘勝追擊或是因為滯后而窮追不舍。如圖1所示，也可更加直觀地看出5名運動員步頻走向。Justin Gatlin在2～15步的階段，線段起伏較大，Bolt在起跑到起跑的加速跑起伏很大。

從2～15步的步頻分析，Justin Gatlin、Bolt都有一個明顯的特點，都在保持或尋找一個穩定的步頻，沒有不斷地提高自己的跑速，占據速度上的優勢。表明2位運動員重點在于調整自身的競技狀態，而不是隨著場上的因素影響，打亂速度節奏。卡爾·劉易斯的教練特勒茲說：“比賽時他（劉易斯）始終遵循如下方針：發令槍聲響后，急速從起跑器上沖出，啟動應當均勻，在疾速跑段不與那些起跑速度快的對手競爭，注意身體放松，并將所達到的最大速度保持到終點。”所以這2位優秀的運動員，在開始階段沒有與其他對手進行較量，原因在于他們注意保持身體放松，去尋求與在場幾位運動員保持相同的步頻節奏。

在16～30步的步頻分析，Justin Gatlin經過在前15步由快到慢，再由慢到快的尋求性的調整，在16～30步的關鍵階段，他的步頻調整到幾乎與其余5名運動員的平均步頻一致。Bolt在這一階段，依然保持在4.46 s的成績，很驚奇地發現，Bolt每一階段的步頻與5名運動員的平均步頻成近等差的關系，他的每個分段步頻都與步頻平均值是+0.1 s的關系。如圖1所示，Justin Gatlin的步頻不斷趨于平均值，且有重合。Bolt的步頻非常一致，且與平均步頻保持一定的數值。這是一種耦合同步狀態，利用同步耦合對神經控制閾的低耗能突破作用，運動員可在競技的過程中，用最少的能耗，提高運動員體能的輸出率。也可發現，Bolt與Justin Gatlin相比，Bolt的保持耦合步頻的能力比JustinGatlin強，繼而他所消耗的能量更小，且體能的輸出效率也更高。

在分析數據中，為了更加直觀地發現耦合振蕩子與生物同步的特征，本文將每位運動員的步頻值，保留整數及小數點后1位數。如圖1所示：首先從橫向分析，Justin Gatlin的步頻幅度相對其他選手比較穩定，都很好地控制在4.6 s的范圍內；其次從縱向分析，Justin Gatlin每個分段步頻與其他前5名選手相比，他每一分段的步頻與下一分段步頻的起伏差值小于0.1 s，而其他的選手起伏大于0.1 s甚至大于0.4 s；最后從總體上分析，通過表2可清晰地看出，Justin Gatlin的每一分段步頻與本場5名運動員每分段的步頻平均值相比，在起跑到加速跑階段（2～10步）與平均值相同，在過渡到途中跑的階段中出現了0.1 s的差異，但卻在之后的途中跑到最后的沖刺與平均值都完全相同。而Bolt的每一分段的步頻波多幅度都有效地控制在0～0.1 s的范圍內，其他4位選手步頻的幅度較大（Justin Gat-lin：0～0.2 s；Nesta Carter：0～0.3 s；Kemar Bailey-Cole和Nickel Ashmeade：0～0.4 s；）；從總體上分析，Bolt每一階段的步頻與5名運動員的平均步頻成近等差的關系，他的每個分段步頻都與步頻平均值是+0.1 s的關系。對數據的分析顯示，Bolt在比賽的過程中，不斷調節自身的頻率，并且超越了不僅與其他4名運動員的平均步頻相同的節奏，而且在4名運動員的平均步頻基礎上再加上自己相對穩定的步頻，進一步達到耦合振蕩子與生物同步狀態。

以上分析表明：Justin Gatlin在16～20步、21～25步、26～30步、31～36步的步頻分別與其余5名運動員的平均步頻4.7s、4.6 s、4.6 s、4.5 s完全相同，Blot的步頻分別是4.5 s、4.5 s、4.5 s、4.4 s與平均值都保持在正負O.1 s。由此數據可以判定：Justin Gatlin、Blot的步頻出現了耦合振蕩同步效應，Justin Gatlin、Blot的耦合振蕩相應出現在21～35步，處于百米競技的關鍵期，也是體能消耗最大的關鍵期，他們通過耦合振蕩子同步的作用，為其產生最大的競賽效益。還可從數據中得出，Bolt在與其余5名運動員的平均步頻發生振蕩耦合同步之外，再有效地控制自己的步頻與平均步頻保持正負0.1 s，與Justin Gatlin在體能上相比，大大提高了體能的輸出效益；所以，在最后沖刺階段，Bolt將節省下來的能量與自己高超的技術和生理條件，最終獲得2013年世界錦標賽的百米冠軍。

4結論

1）“耦合”是振蕩子之間相互作用的一個概念，在物理學上任何一個顯示周期性運動的過程都屬于振蕩；因此，人體的跑步也是一種振蕩，在具有耗散結構的振蕩體系中，當各振蕩子處于同步的耦合狀態時，其能量的釋放過程會被增強。人在奔跑也是一種振蕩性的運動。在Thomas和Farlow所研究的動物捕食過程中，處于攻擊狀態的動物，在發動捕食攻擊之前先調整自己的步伐頻率，使自己和被攻擊動物的步頻保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻擊。其發現動物捕食的這個行為，在距離還是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m爭奪戰，而不是長距離的運動；且在追捕過程中根據獵物的步頻節奏來調整自己，其作用在于保存節省能量，等待最后的出擊。

2）在神經系統的興奮與抑制機制中，人無法長時間維持高強度高頻率的運動，只有依靠不斷升降頻率來維持較高的跑速來完成百米全程。本研究中其余選手在第2～5步的步頻已經達到相對較高的數值，而Bolt在36～40步依然可以保持且高于第2～5步的步頻，其他選手則低于第2～5步的步頻，而且，其余的選手在開始就保持較高的步頻，就必須在后面的過程中利用較低的步頻來維持體力。而Bolt、Justin Gatlin在自身所擁有優異的百米技術的前提下，利用耦合振蕩子與生物同步戰術，即使起跑滯后于其他運動員，也沒有極力地去追趕，而是做出步頻上調整，尋求與全場步頻耦合，節省體力奮力一搏。

3）Justin Gatlin在2～5步、6～10步、u～15步、1～20步的步頻“從快到慢、從慢到快”進行探索性調整，在21～45步（途中跑及沖刺階段）時個人的步頻幾乎等于其余運動員的平均步頻；Blot在2～5步的步頻與其他幾名運動員處于最后一名，而后6～30步都保持一個步頻4.46 s，在6～10步、11～15步、21～25步、26～30步、31～35步都是4.5 s，與5名運動員的平均步頻都保持在正負0.1 s的狀態。由此可以判定，Justin Gatlin、Blot的步頻出現了耦合振蕩同步效應，Justin Gatlin、Blot的耦合振蕩相應出現在21～35步，處于百米競技的關鍵期，也是體能消耗最大的關鍵期，他們通過耦合振蕩子同步的作用，為其產生最大的競賽效益。

4）由于耦合振蕩子與生物同步的作用可以節約運動員的體能，提高輸出效率，例如Justin Gatlin、Blot發揮自身的優勢加大步長來提高自身的速度。通過耦合振蕩子的同步雖可以提高體能的輸出效率，但Justin Gatlin、Blot也通過與5名運動員的平均步頻保持一致，速度不變，從而起到儲存體能的作用。endprint