4×100 m接力接棒運動員起跑方式運動學及動力學特征分析

陳錫航，周玉斌

4×100 m接力是我國田徑重點發展項目（蘇炳添等，2019），如今“接力促單項”策略取得明顯成效。2020東京奧運會男子4×100 m接力決賽，中國隊以37.79 s追平全國紀錄并可能獲得銅牌（第2名英國隊因違反《反興奮劑規則》可能被取消成績），蘇炳添100 m半決賽以9.83 s打破亞洲紀錄闖入決賽，實現歷史性突破。

國際田徑聯合會（International Association of Athletics Federation，IAAF）2017年發布的2018—2019田徑競賽規則將4×100 m接力區的長度修改為30 m，把舊規則中10 m預跑區設為接力區的一部分。4×100 m接力比賽中，合理的棒次安排、高效的交接棒技術、恰當的交接棒時機等因素至關重要（曾理 等，2012；Ward-Smith et al.，2002）。新規則讓運動員可以更早完成交接棒，為隊伍的棒次安排及比賽戰術提供了更多選擇。因此，接棒運動員的起跑將影響到比賽成績。

4×100 m接力接棒運動員主要采用站立式或單臂支撐的蹲踞式（單撐式）進行起跑，通過比賽錄像統計發現，2008—2021年4屆奧運會男、女4×100 m比賽，獲得前3名隊伍中的72名接棒運動員，49人選擇單撐式起跑，23人選擇站立式起跑。中國男子接力隊在東京奧運會平全國紀錄以及在里約奧運會打破亞洲紀錄的比賽中，接棒運動員均使用單撐式起跑。而中國隊在亞洲的主要競爭對手日本隊，在里約奧運會打破亞洲紀錄并獲亞軍以及2019年多哈田徑世錦賽打破亞洲紀錄并獲季軍的比賽中，接棒運動員均使用站立式起跑。從中、日兩隊來看，同隊3名接棒運動員都使用相同的起跑方式，并未根據起跑方式特點及運動員自身特點做出區分。

已有對4×100 m接力的研究主要為交接棒技術（張守偉等，2009；鄭建華等，1999）、交接棒時間（湯作夫清等，1997）、交接棒時的速度-時間狀態（曾理 等，2012；Ward-Smith et al.，2002）、標志距離與棒次安排（Radford et al.，2003；Suchy，2012）以及接力戰術（陳鵬程 等，2017）等，對接棒運動員起跑方式的研究較少，且對起跑方式的研究主要為蹲踞式與站立式起跑下肢肌電及動力學對比（李永智，2002）、蹲踞式和站立式起跑位移速度對比（Ostarello，2001；Salo et al.，2004；Schultz，1973）以及單獨對蹲踞式或站立式起跑的運動學研究（王國杰等，2019；馬杰 等，2017；Debaere et al.，2013；Slawinski et al.，2013）、動力學研究（陳錫航 ，2019；Mero，1988；Otsuka et al.，2014）、相關性研究（Standing et al.，2017）及表面肌電研究（王延鵬，1995），對單撐式起跑的相關研究較少（Bonnechere et al.2014；Haugen et al.，2012）。

在新規則下，接棒運動員起跑方式的選擇對比賽成績具有重要意義。因此，本研究旨在分析單撐式起跑與站立式起跑的運動學及動力學特征。

1 研究對象與方法

1.1 實驗受試者

北京體育大學14名短跑運動員作為實驗受試者，包括1名國際健將級運動員、3名健將級運動員、8名一級運動員、2名二級運動員。受試者年齡23.4±2.1歲，身高177.4±6.0 cm，體重68.50±6.76 kg，其中有2名女性以及1名男性俄羅斯人、1名男性泰國人。林某某為2014年亞運會及第13屆全運會4×100 m接力冠軍，楊某某為第13屆全運會400 m、4×400 m接力冠軍，另有3名運動員獲得過全國大獎賽、錦標賽等賽事前3名，14名受試者均參加過全國大學生及以上級別的4×100 m接力比賽。

1.2 實驗設備

動力學數據選用2臺瑞士產Kistler 9281EA三維測力臺進行采集，數據采集頻率為1 000 Hz，所用軟件為Bioware 5.1.0.0，測力臺固定于北京體育大學田徑館測力臺專用凹槽中，測力臺四周空隙為2 mm，由于運動員穿釘鞋進行實驗，因此，在測力臺表面鋪設塑膠跑道墊。

運動學數據使用1臺高速攝影機進行二維平面定點定焦拍攝，拍攝頻率為200 Hz，分辨率1 280×720，攝影機擺放在距離跑道中線左側3 m、高1 m處，攝影機主光軸正對2塊測力臺中點并垂直于運動平面。

1.3 測試流程

每一次起跑測試前，在確保測力臺周圍1 m范圍內無人的情況下，實驗人員先進行測力臺的“清零”校準操作，校準完畢后開始測試。受試者在預備姿勢時，將前、后足分別置于相鄰的兩塊測力臺上，并用粉筆在受試者足尖處畫標記點，以確保在使用兩種方式起跑時雙腿足間距相同，在單撐式起跑時，支撐臂在測力臺外的地面支撐。受試者聽到發令聲后，以設定的起跑方式盡全力起跑。每種方式起跑兩次，按ABBA或BAAB順序完成，每次起跑間歇3 min以上。

1.4 數據處理

1.4.1 運動學數據處理

將拍攝的原始錄像導入北京體育大學的視訊軟件進行解析，選擇扎齊奧爾斯基模型計算人體重心，使用軟件自帶的低通濾波平滑對數據進行平滑處理，平滑頻率10 Hz。由于4×100 m接棒運動員的起跑線在身后，設定運動員預備姿勢時的后足著地點后端為起點。

本研究選取的運動學參數為：起動-蹬離時間、前后腿蹬伸時間、騰空時間、重心高度、重心至起點水平距離、重心水平位移距離、重心垂直位移距離、離地瞬時速度、軀干前傾角（軀干與軀干上方地面垂線的夾角）、髖關節角、膝關節角。

1.4.2 動力學數據處理

動力學數據使用Bioware 5.1.0.0軟件導出至Excel中完成相應參數的計算。由于短跑起跑主要在運動員矢狀面的二維運動平面中完成，因此，設定運動員跑進方向為水平正方向，重力方向為垂直負方向，動力學數據僅使用水平方向的力Fx和垂直方向的力Fz進行相關參數的計算，動力學計算結果按運動員身體質量進行標準化處理。

本研究選取的動力學參數為：水平沖量、垂直沖量、水平地面反作用力、垂直地面反作用力、水平發力率、垂直發力率。

沖量是力對時間的積累效應（FΔt）的量度，計算公式：

力的峰值指運動員在起跑蹬伸時產生的地面反作用力最大值。

發力率指單位時間內力的增加量，即力量-時間曲線的斜率，也稱發力率或力的梯度。本研究選用從起動時刻至蹬力峰值的力量差值與所用時間的比值計算發力率：

1.4.3 作圖

為了對比運動員采用兩種技術動作產生的地面反作用力等參數的曲線波形，以開始起跑蹬伸時前腿或后腿蹬伸至離地時刻的時間為100%，將所有數據導入Origin-Pro 2018C進行3次樣條插值，之后取1%標準化時刻的數值進行處理（施寶興，2005；鐘運健 等，2011）。

1.4.4 時刻界定

設定雙腿蹬伸的水平合力開始上升并超過一定閾值時為運動員的起動時刻，閾值為運動員預備姿勢時選取100 ms穩定水平合力計算的平均值加2倍標準差（Bezodis et al.，2010，2014）。設定2塊測力臺垂直合力小于10 N為界定離地時刻的閾值（Otsuka et al.，2014）。

1.5 統計學方法

將處理后的數據導入SPSS 19.0軟件中，對運動員在使用單撐式起跑與站立式起跑時的數據進行配對樣本t檢驗，設定P＜0.05為2組數據的差異具有統計學意義，各數值以平均值±標準差（M±SD）表示。

2 結果

2.1 單撐式起跑與站立式起跑運動學參數

表1顯示，運動員在使用單撐式起跑時，相比站立式起跑，起動-蹬離時間、前腿蹬伸時間、后腿蹬伸時間較短，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。運動員在預備姿勢時，單撐式相比站立式的重心高度、前腿髖關節角、前腿膝關節角更低或更小，單撐式的重心至起點水平距離、軀干前傾角相比站立式較大，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。在起跑離地時刻，兩種起跑方式的身體重心及各關節角度的差異不具有統計學意義（P＞0.05）。重心位移距離為預備姿勢身體重心到離地時刻身體重心的距離，單撐式起跑的重心垂直位移距離較長，站立式起跑的水平位移距離較長，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。運動員采用單撐式起跑的離地瞬時水平速度及瞬時合速度相比站立式較慢，瞬時垂直速度較快，且差異具有統計學意義（P＜0.05）。

表1 4×100 m接力接棒運動員單撐式與站立式起跑運動學參數Table 1 Kinematic Parameters of Single-arm Supported Start and Standing Start of the 4×100 m RelayAthletes

2.2 單撐式起跑與站立式起跑動力學參數

運動員使用單撐式起跑時的總水平沖量、總垂直沖量、垂直合力峰值、后腿水平沖量、后腿垂直沖量、前腿水平沖量、前腿垂直沖量、前腿水平力峰值、前腿垂直力峰值、前腿垂直發力率相比站立式較低，且差異具有統計學意義（P＜0.05）；運動員使用單撐式起跑時的水平合力峰值、后腿水平力峰值、后腿水平發力率、后腿垂直發力率、前腿水平發力率相比站立式較高，且差異具有統計學意義（P＜0.05）（表2）。兩種起跑方式雙腿蹬伸產生的水平方向和垂直方向的地面反作用力曲線波形均為雙波峰、單波谷（圖1）。

表2 4×100 m接力接棒運動員單撐式與站立式起跑動力學參數Table 2 Dynamics Parameters of Single-arm Supported Start and Standing Start of the 4×100 m RelayAthletes

圖1 4×100 m接力接棒運動員單撐式與站立式起跑雙腿蹬伸產生的地面反作用力合力Figure 1. Ground Reaction Force Generated by the Speed Force of the Legs of the 4×100 m RelayAthletes

2.3 前腿與后腿運動學、動力學參數

運動員使用單撐式起跑時，前腿與后腿參數進行比較，前腿蹬伸時間較長，在水平方向上，前腿產生的水平沖量較大、蹬伸時間較長、水平力峰值較大，而水平發力率則是后腿較大；在垂直方向上，前腿產生的垂直沖量較大、垂直力峰值較大，以上差異均具有統計學意義（P＜0.05，表3）。

圖2 4×100 m接力接棒運動員后腿水平（Fx）與垂直（Fz）方向地面反作用力Figure 2. Horizontal（Fx）and Vertical（Fz）Ground Reaction Force of Rear Leg of the 4×100 m RelayAthletes

運動員使用站立式起跑時，前腿與后腿參數進行比較，前腿蹬伸時間較長，在水平方向上，前腿產生的水平沖量較大、蹬伸時間較長、水平力峰值較大；在垂直方向上，前腿產生的垂直沖量較大、垂直力峰值較大、垂直發力率較大，差異均具有統計學意義（P＜0.05，表3）。

表3 4×100 m接力接棒運動員兩種起跑方式前腿與后腿參數Table 3 Parameters of the Front and Rear Legs on the Two Startings of the 4×100 m RelayAthletes

3 分析與討論

3.1 預備姿勢特征及分析

運動員使用單撐式起跑時，預備姿勢身體重心相比站立式更靠前更低，這與預備姿勢時的身體關節角度差異有關。運動員使用單撐式起跑在預備姿勢時，重心至起點的水平距離相比站立式較遠（表1），由于起點設定為運動員后足著地點后端，并且要求運動員使用站立式和單撐式時的雙腿足間距相同，因此，重心至起點的水平距離越遠，重心相對雙腿支撐點則越靠前。從運動員的軀干前傾角和下肢大關節角度對比來看，單撐式時的軀干前傾角更大，并且前腿的髖關節角、膝關節角要比站立式小。關節角度的差異是讓重心降低與前移的主要因素，并且單撐式增加了單臂支撐，更利于身體重心前移，在一定范圍內，預備姿勢的身體重心較低和較靠前有利于產生更大的水平地面反作用力峰值（李永智，2002；馬杰等，2017；王澤峰 等，2018）。

3.2 離地瞬時速度特征及分析

運動員使用站立式起跑時的離地瞬時水平速度與瞬時合速度相比單撐式起跑更快，這與站立式起跑雙腿蹬伸產生的總水平沖量較大有關。茅鵬（2013）研究認為，支撐階段是運動員獲得位移速度的關鍵階段，離地瞬時水平速度是支撐階段加速效果的衡量標準。速度是由沖量決定的，根據動量定理，當物體從靜止起動且質量一定時，速度與沖量大小成正比，運動員使用站立式起跑時產生的總水平沖量大于單撐式起跑，因此，出現了運動員使用站立式起跑離地瞬時水平速度較快的結果，這一結果與Salo等（2004）研究中站立式起跑離地瞬時速度快于蹲踞式起跑的結果相近。影響沖量大小的因素有力的作用時間、力的峰值、單位時間內力的增量（發力率）以及波峰波谷的變化形態（劉宇，2010）。

圖3 4×100 m接力接棒運動員前腿水平（Fx）與垂直（Fz）方向地面反作用力Figure 3. Horizontal（Fx）and Vertical（Fz）Ground Reaction Force of Front Leg of the 4×100 m RelayAthletes

3.3 沖量相關參數特征及分析

運動員使用站立式起跑時，蹬伸力的作用時間較長是其產生較大總水平沖量的主要原因。雖然單撐式起跑產生的總水平沖量較低，但其起動至蹬離的時間短，這或許與較大的水平合力峰值、水平發力率以及較短的重心水平位移距離有關。運動員起跑過程中，使用站立式起跑的蹬伸作用力時間較長。作用力的時間取決于作用力推進身體重心加速的距離和作用力的大小。由于兩種起跑方式在離地時刻的重心至起點水平距離無明顯差異，且使用站立式起跑時身體重心相比單撐式起跑在水平方向上更偏后，因此，站立式起跑時的重心水平位移距離較長，較長的位移距離提供了更長的加速時間（劉宇，2010）。

單撐式起跑產生的水平合力峰值要比站立式起跑高。馬杰等（2017）、王澤峰等（2018）研究認為，重心與前腳跖趾關節水平距離在一定范圍內越大越有利于增大水平蹬力。單撐式的預備姿勢重心至起點水平距離更長，且同一運動員兩種方式起跑時的兩足間距相同，因此，預備姿勢的重心與前腳跖趾關節水平距離要比站立式更大，這也是造成單撐式水平合力峰值較大的原因之一。另外，李永智（2002）研究發現，蹲踞式起跑產生的水平力峰值比站立式起跑高，且兩種方式起跑時下肢肌肉活動順序及肌電活動時間與幅度存在差異，單臂支撐的蹲踞式起跑和站立式起跑可能也存在肌電活動方面的差異，進而導致蹬力峰值出現差異。

發力率或力的梯度（Rate of Force Development，RFD）主要反映運動員爆發力能力（劉宇，2010；曲峰等，2007）。前、后腿在水平方向上的發力率均是單撐式起跑更大，運動員在使用單撐式起跑時表現出了較大的爆發力。兩種方式起跑雙腿蹬伸產生的地面水平合力的曲線形態均為雙波峰、單波谷曲線波形。雙波峰的出現主要源于前腿和后腿蹬伸產生峰值力的時間不同，從前后腿蹬伸時間與作用力曲線圖對照可知，后腿能較早產生水平蹬力峰值，前腿產生水平蹬力峰值則較晚。從地面水平合力曲線波形中可以看出，站立式起跑水平合力第一波峰之前存在作用力、斜率較低的一段曲線，約占蹬伸期50%，而單撐式起跑水平合力第一波峰之前，作用力、斜率較低的曲線僅占蹬伸期約10%，表明運動員使用站立式起跑時的預備姿勢不利于快速產生較大力量。

3.4 前腿與后腿參數特征及分析

運動員在起跑時，前腿產生沖量的能力在更大程度上決定了總沖量大小，這與前腿蹬伸作用力時間較長且產生的峰值力較大有關。運動員起跑產生的總沖量由前腿與后腿蹬伸產生的沖量構成。運動員在使用單撐式起跑和站立式起跑時，兩種方式前腿產生的水平力峰值和垂直力峰值均要大于后腿，且前腿蹬伸力的作用時間均長于后腿，這與蹲踞式起跑前腿蹬力峰值較大且蹬伸時間較長的結果相同。因此，使用這兩種方式起跑時，前腿產生的兩方向沖量均比后腿產生的大。雖然單撐式起跑后腿水平發力率比前腿大，但并未對沖量大小造成明顯影響。另外，前腿產生的水平沖量（1.72 Ns/kg、1.93 Ns/kg）占總水平沖量（2.51 Ns/kg、2.83 Ns/kg）約69%，因此，前腿蹬伸產生的水平沖量占總水平沖量的主要部分。

3.5 研究局限性

站立式起跑時下肢產生的總垂直沖量以及前、后腿的垂直沖量均比單撐式大，且產生的垂直合力峰值、前腿垂直力峰值、前腿垂直發力率也大于單撐式起跑，此結果也印證了預備姿勢重心偏后會增加垂直力峰值的觀點（馬杰等，2017；王澤峰等，2018），但由于只采集了兩種起跑方式的下肢動力學數據，缺少單撐式支撐臂產生的垂直沖量數據，因此，結果中的垂直沖量無法用于評價離地瞬時垂直速度，僅作為兩種起跑方式的下肢參數對比。

在使用測力臺采集動力學數據過程中需要鋪設塑膠跑道墊，塑膠跑道墊會與周圍地面發生力學作用而影響數據精度，但兩種起跑方式是在相同實驗條件下進行的，因此，采集的數據可以用于對比研究。

3.6 對后續研究展望

單撐式起跑時的離地瞬時垂直速度要比站立式快。較快的離地瞬時垂直速度會增加騰空時間，但兩種技術在騰空時間上沒有明顯差異，可能是由于兩種方式在第2步的支撐階段存在技術動作差異，此問題有待后續進一步研究。

本研究僅對單撐式、站立式起跑的第1步進行了運動學、動力學研究，關于兩種起跑方式的表面肌電特點、運動控制機制以及起跑后30 m接力區內的特征等方面有待進一步的研究。

4 結論與建議

4.1 結論

1）運動員使用站立式起跑時，具有離地瞬時水平速度快的優勢，這與站立式的預備姿勢重心偏后，重心水平位移距離較大，使雙腿有較長的蹬伸力作用時間，進而產生了較大的總水平沖量有關。

2）運動員使用單撐式起跑時，具有起動至蹬離時間短的優勢，這與預備姿勢重心靠前、重心水平位移距離短、雙腿蹬伸產生的水平合力峰值較高、雙腿水平方向發力率較高有關。但由于使用單撐式時雙腿蹬伸作用力時間短，產生的總水平沖量低，導致離地瞬時水平速度較慢。

3）無論運動員使用單撐式或站立式起跑，前腿產生水平沖量的能力對離地瞬時水平速度的快慢起更大作用，這與前腿蹬伸產生的水平力峰值及作用力時間相比后腿更大、更長有關。

4.2 建議

1）運動員在選用站立式起跑時，為了獲得更快的離地瞬時水平速度，可以將預備姿勢時的重心進一步后移，增加重心水平位移距離，進而增加蹬伸力的作用時間，使水平方向總沖量增大。

2）運動員使用單撐式或站立式起跑時，前腿蹬伸產生的水平力峰值更大且作用時間更長，建議運動員將優勢腿作為預備姿勢的前腿。

3）單撐式起跑時，雙腿蹬伸具有更大的水平發力率，適合爆發力強的運動員使用。

4）站立式起跑或許適合絕對速度快，且速度保持能力強的運動員。運動員選用站立式起跑時具有更快的離地瞬時水平速度，或許能在較短的距離內加速到交接棒所需的位移速度，運動員可更早完成交接棒，進而增加此名接棒運動員的持棒跑動距離。

5）接棒運動員起跑至交接棒時刻的時間包含起動-蹬離時間和加速時間，且在一定程度上決定了預跑標志點距離。單撐式起跑具有較短的起動-蹬離時間，預跑標志點距離相比站立式起跑應適當縮短，但仍要根據運動員的實際加速能力進行調整。