施寶興

（廣州體育學院，廣東廣州510500）

在我國田徑各類教科書中均有關于跑的技術原理的論述，技術原理都是基于當時研究水平對跑的認識總結。多年來對跑的技術一直有爭論，包括跑步時動力來源等問題。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展、多學科綜合研究及對短跑研究的不斷深入，研究方法的革新有可能讓我們做出更接近真實規(guī)律的認識?，F(xiàn)提出本研究對短跑周期新的觀點，與國內同行商榷，期望短跑的技術理論能真正指導實踐訓練。

1 研究方法

采用2臺JVC9800高速攝像機對我國10名優(yōu)秀短跑運動員（運動水平在一級、二級）在起跑后50m 處進行定點定焦常規(guī)拍攝，一臺拍攝全身，一臺拍攝下肢，攝像機主光軸與運動平面垂直，拍攝距離為20m，拍攝頻率為100Hz，曝光時間為1/250s。測力臺（Kistler 9281B 型）埋于塑膠跑道距起點50m 處的中間，測力臺臺面上粘貼塑膠皮，厚16mm，現(xiàn)場安裝后測力臺上的塑膠皮與跑道塑膠皮齊平。運動員一旦踏上測力臺時發(fā)出同步電壓信號，送到置于攝像機鏡頭前的發(fā)光二極管處。

采用動力學數(shù)據(jù)積分平滑運動學數(shù)據(jù)的方法。利用測力臺測量地面的反作用力，根據(jù)已知的身體質量計算身體重心加速度變化的規(guī)律，根據(jù)加速度積分計算速度值。

圖像解析采用德國SIMI運動分析系統(tǒng)，得到原始關節(jié)點坐標后自編程序進行其他計算。

肌電測量：芬蘭產ME6000 八通道遙測肌電儀以1 000Hz頻率測量下肢8塊跑動中主要肌肉的表面肌電。

利用基于肌肉起止點、代起止點的肌骨模型計算途中跑中肌肉長度。

2 研究分析與討論

2.1 前人關于動作階段劃分的理論基礎

跑是支撐與擺動相結合、蹬與擺相結合的周期性運動，就途中跑而言，一個周期包括一個復步，即一個周期中一條腿經(jīng)歷了支撐到騰空再到著地支撐的過程［1］。由于運動的復雜性，不同的研究者對動作技術的理解往往也不盡相同。技術環(huán)節(jié)過程中根據(jù)人體所處狀態(tài)下人體姿態(tài)，依據(jù)已經(jīng)有的運動學和動力學特征，綜合考慮動作方向、人體與周圍環(huán)境的關系、作用力的性質和肌肉工作形式來進行合理的劃分，選用何種劃分方式關鍵點在于是否更有利于揭示動作技術點的生物力學機制。支撐階段根據(jù)水平支撐反作用力的方向劃分為前支撐和后支撐無疑是可以的，但不一定非常準確。支撐時期按照著地瞬間到離地瞬間階段劃分主要考慮身體總重心軌跡，我國權威田徑運動高級教程根據(jù)身體總重心軌跡把其劃分為緩沖階段和后蹬階段［1］，體育學院通用田徑教材也做同樣的劃分［2］。田徑運動高級教程是目前田徑教材的權威，書中描述，“在垂直支撐階段約過0.01s，身體總重心的位置處于最低點，這時除了膝關節(jié)的屈度最大以外……”［3］；李誠志（1987）對我國優(yōu)秀運動員技術分析表明，重心最低點不是在垂直時刻，膝關節(jié)最小也不是在垂直時刻，而是在身體重心過垂直線之后［4］，垂直位移在途中跑的支撐階段變化較小，垂直位移的變化在0.044m 左右（李誠志1987）。如果基于以上的運動學結果，把支撐階段劃分為緩沖和后蹬無疑是有道理的。但根據(jù)本人的研究結果，在采用了特別的積分平滑方法后，身體重心在支撐階段總重心的變化規(guī)律并非如前人所述，另外，動力學數(shù)據(jù)及其他可參考的肌電和肌肉長度變化等生物學研究數(shù)據(jù)也可為跑的周期劃分提供基礎。運動生物力學測量的精度得到了許多學者的關注，各種自動跟蹤系統(tǒng)為解決數(shù)字化過程中坐標點的精度做出了巨大的貢獻，然而用關節(jié)點坐標推算反映身體總重心的運動規(guī)律尚不能把占人體體重較大的內臟質量因為慣性不隨身體一起運動考慮在內，根據(jù)模型所得的人體總重心只能說明常規(guī)測量計算得到的規(guī)律，不能反映真實重心的變化。

2.2 途中跑支撐階段人體總重心的真實變化規(guī)律

影像解析首先是確定剛體模型，根據(jù)確定的模型將關節(jié)點數(shù)字化。由影像解析得到的人體重心位移，其位移精度水平既受模型類型的影響，也受拍攝及數(shù)字化過程中各種系統(tǒng)誤差和隨機誤差的影響。研究者一般對關節(jié)點坐標進行平滑處理，以消除隨機誤差，然而以前所有常規(guī)的數(shù)據(jù)平滑處理方法都不能保證平滑后的數(shù)據(jù)更向真實值接近。尤其目前較多采用錄像解析的方法精度受拍攝畫面像素影響更大，誤差的存在使從位移坐標中得到的速度與加速度結果有時并不符合機械運動的規(guī)律。

圖1 短跑途中跑支撐階段人體重心真實加速度變化Figure 1 The true acceleration of the human center of gravity during the support phase of the sprint

一般平滑方法并不能保證數(shù)據(jù)向真實值靠攏，當數(shù)據(jù)波動范圍比較小時，誤差就可能掩蓋了真實值的微小差異，得出的結論就截然不同。蔡國鈞（1982）在研究跑的技術的時候，發(fā)現(xiàn)通過高速攝影得到的速度數(shù)據(jù)在前蹬階段速度沒有下降，反而升高，垂直階段達到高峰，而后轉入后蹬的前半部分，水平速度明顯下降，是整個速度圖像中的最低點［6］，這樣的研究顯示了誤差的存在。由于現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，由于途中跑支撐階段支撐反作用力的測量精度較好，根據(jù)支撐反作用力的變化來推算人體真實重心的變化，有助于更進一步揭示支撐階段身體重心的真實變化規(guī)律。根據(jù)運動員的體重和測力臺的測量結果很容易計算出支撐階段身體重心的真實加速度的變化規(guī)律（見圖1）。如果知道途中跑著地瞬間的人體總重心初速度，包括水平和垂直速度，那么就很容易得出后續(xù)的速度與位移變化，垂直方向上因速度較小可以不考慮空氣阻力，水平方向雖然在人體跑動中還受空氣阻力的影響，但因阻力較小也能得到一定模型測量的估計與補償。這樣我們只要知道著地的初速度就可以擬合人體真實的速度。由于理論上的人體總重心的軌跡與通過影像解析后根據(jù)剛體模型計算的人體總重心的軌跡存在一一對應的關系，如果使得兩者同一點坐標差值的平方和最小，可以計算出初速度，這樣就能理論上計算出真實重心的變化，這個利用動力學、運動學數(shù)據(jù)的積分平滑方法早就成功應用于真實總重心重構［6］。

圖2 支撐階段人體總重心影像解析坐標與重構真實坐標對比Figure 2 Comparison of the analytic coordinates of the human body’s total center of gravity image and the reconstructed real coordinates

圖2 是百米最好成績?yōu)?0.28s 的運動員重心水平位移與身體重心“真實”水平位移的比較，可以看到真實重心早于模型重心上升時刻（見圖2）。二級以上短跑運動員在支撐著地后24ms到34ms身體重心開始上升，通過對單獨拍攝足著地圖像的踝關節(jié)坐標看出，重心上升與踝關節(jié)的提起有關。

圖3 著地階段支撐腿踝關節(jié)點的垂直坐標變化（原始解析結果，未經(jīng)平滑處理）Figure 3 Changes in the vertical coordinates of the bare joints of the supporting legs during the landing phase（original analytical results,without smoothing）

圖4 支撐階段壓心位置變化Figure 4 Changes in the position of the pressure center during the support phase

途中跑中測力臺得到的壓力中心（壓心）變化也可助證踝關節(jié)的運動比想象中的要更早，由于壓心的計算需要根據(jù)場地覆蓋的塑膠跑道的厚度更改計算方式，Ax=（Fx*az0-My）/Fz，且當Fz很小的時候，對壓心的計算結果有很大的影響，因為離地瞬間壓心的位置就在腳尖附近，所以把離地前超過腳尖位置的壓心坐標處理為腳尖位置的坐標。優(yōu)秀的短跑運動員踝關節(jié)具有很好的彈性，且前后移動非?？?，從運動員的壓心軌跡變化中可以看到，運動員著地瞬間的壓心位置靠近第二跖趾關節(jié)，然后有個急速向踝關節(jié)轉移的過程，很快又向前移動到第二跖趾關節(jié)附近，后移的壓心有助于降低水平速度的損失，這樣快速的變化使得地面反作用力的矢量圖在前支撐階段力的方向更接近于垂直位置。途中跑時足著地的部位一般是前腳掌外側著地，并有瞬間被動的屈踝動作，測力臺顯示足著地的壓心位置約在踝關節(jié)中心前6cm 處，緊接著快速的向前運動，一般短于24ms的動作被認為是不能受人的意識所控制的被動伸長，踝關節(jié)這樣的快速彈性能力可作為短跑運動員選材的依據(jù)。實驗中觀察到有一位達到一級水平的短跑運動員著地時是腳后跟先觸地，其下肢三關節(jié)肌肉力矩的變化規(guī)律與其他運動員有很大的差別，因為其特殊的技術動作阻礙了運動成績的進一步提高。

繼續(xù)觀察下肢膝關節(jié)的角度變化，發(fā)現(xiàn)膝關節(jié)最小角度確實在支撐的中間時刻，前人的所有研究報道中也多為在垂直位置時最低，以前的劃分以膝關節(jié)屈曲最小角度來表示人體最大緩沖時刻有一定的合理性。但以膝關節(jié)屈曲最小角度來表示人體最大緩沖時刻顯然不如以人體整體重心最低點時刻更為合理，因為身體總重心的變化才體現(xiàn)著地緩沖重心由下降轉化為上升本身說明了人體系外力作用的結果。如果通過再造下肢運動桿圖（見圖6）也發(fā)現(xiàn)除了踝關節(jié)提起比較早，膝關節(jié)中心的垂直坐標最低點是在膝關節(jié)最大屈曲時刻之后，而髖關節(jié)中心的坐標實際與身體總重心真實坐標上升時刻相吻合，由于軀干與頭部占人體相對百分比較大，因而研究結果顯示的身體總重心上升時刻早于前人研究。

圖5 健將級短跑運動員途中跑的支撐力矢量圖（1 000Hz）Figure 5 Supporting force vector diagram of the master sprinter on the way（1 000Hz）

圖6 支撐階段下肢三環(huán)節(jié)桿圖Figure 6 Three-link rod diagram of lower limbs in support stage

2.3 途中跑支撐階段的主要任務與肌肉用力規(guī)律

近20年來，利用半逆向動力學來計算途中跑中下肢三關節(jié)的凈肌力矩得到了廣泛的重視，從利用理論力學模型探索計算方法［8］，到計算的可靠性分析，再到結合肌電和肌肉長度可以分析下肢主要肌肉的肌肉工作性質，也為更加深入研究肌肉在支撐階段到底是向心還是離心或等長收縮提供了更好的依據(jù)。肌肉長度的變化和肌電圖與采用逆向動力學計算的下肢關節(jié)凈力矩更可以相互佐證。逆向動力學計算的關節(jié)力矩可靠性已得到實驗的驗證［11］。

二級以上短跑運動員除了腳后跟著地者外，在途中跑支撐階段下肢關節(jié)力矩有相同的變化趨勢，說明優(yōu)秀的短跑運動員基本具有相同的動作結構，踝關節(jié)跖屈肌力矩在跑支撐階段的相關研究中占很重要的地位，運動員踝關節(jié)跖屈肌的最大力矩與跑的速度成顯著相關（見圖7、圖8、圖9）。踝關節(jié)的跖屈肌先做離心收縮，然后做向心收縮。膝關節(jié)的伸肌在接近一半的支撐時間內是做離心收縮，而且表現(xiàn)出比較大的伸膝力矩，退讓性的離心收縮肌力矩的峰值要高于向心收縮的肌力矩峰值，膝關節(jié)在離地前的20ms已經(jīng)顯示凈力矩為屈肌力矩。髖關節(jié)在支撐階段存在關節(jié)屈伸肌群交替工作，在著地后瞬間有較大的屈肌力矩，此屈肌力矩實際減弱了髖關節(jié)的繼續(xù)伸展，有利于膝關節(jié)的緩沖，在離地前髖關節(jié)伸肌起重要作用。健將級短跑運動員著地瞬間的屈肌力矩比任何其他級別的運動員大很多，顯示著地瞬間，髖關節(jié)的伸展能力與髖關節(jié)的前群屈肌退讓性工作能力直接相關。

圖7 健將級短跑運動員途中跑支撐階段下肢關節(jié)力矩的變化Figure 7 Changes in the joint torque of the lower limbs during the support phase of the master sprinter

圖8 一級短跑運動員（10.7s）途中跑支撐階段下肢關節(jié)力矩的變化Figure 8 Changes in joint torque of lower limbs during the support phase of a first-level sprinter（10.7s）

圖9 一級短跑運動員途中跑支撐階段下肢關節(jié)力矩的變化Figure 9 Changes in the joint torque of the lower limbs of the first-level sprinters during the support stage

圖10 途中跑支撐階段股四頭肌與小腿三頭肌長度變化Figure 10 Changes in the length of quadriceps and calf triceps during the support phase during running

雖然關節(jié)凈力矩的計算有助于考察肌肉的主要原動肌，但肌肉究竟是做向心和離心收縮僅僅依靠關節(jié)角度的變化來說明還是明顯不足，尤其對支撐中起重要作用的雙關節(jié)肌的功能判斷更難，肌電可以為我們提供一些證據(jù)，但單純肌電在離心、向心和等長收縮中并不一一對應，跑動中下肢膝關節(jié)伸肌的主要肌肉股四頭肌和三頭肌的肌肉長度與肌電特征與前期猜測有較大誤差。

從圖10 中可以看出，在支撐著地開始階段腓腸肌與比目魚肌均伸長，踝關節(jié)提起也沒有引起小腿三頭肌的縮短，反而顯示退讓性收縮特征，在中間超過一半支撐時刻，小腿三頭肌幾乎是等長收縮，此階段恰恰是蹬地力比較大的階段，而離地前有快速縮短趨勢，這與人體慣性上升時腿部壓力的減少并伴隨小肌肉協(xié)同快速蹬伸有關。膝關節(jié)肌肉股直肌在整個支撐階段幾乎都在伸長，股內肌基本也呈梯形變化，股外肌在前支撐階段一直在伸長，并延續(xù)到后支撐階段中間，在膝關節(jié)角度開始增大時卻顯示繼續(xù)做退讓收縮，說明從單純考慮單關節(jié)角度來判斷單關節(jié)肌肉長度變化也不完全正確，原因就在于關節(jié)瞬時轉動中心一直在變化，髕骨的滑動引起肌肉代止點變化，肌肉的總長度反而不是縮短而是伸長，只是到了離地前才縮短；肌肉退讓性收縮所產生的力一般大于向心收縮，而所需能量要小于肌肉向心收縮，雖然是極限強度下的短跑也存在人體機能節(jié)省化的現(xiàn)象，而以前按照膝關節(jié)角度變化，劃分支撐階段為肌肉退讓收縮、等長收縮和離心收縮顯然沒有根據(jù)肌肉長度來劃分。支撐階段肌肉長度的變化也可以從肌電圖來得到支持，股直肌、股內肌、股外肌的支撐階段在從起跑開始的跑動中一直存在肌電信號不活躍現(xiàn)象，原來占重要地位的支撐膝關節(jié)的肌肉在做退讓收縮，我們認為肌肉長度變化有助于更加正確判斷肌肉做何種收縮。當然，根據(jù)肌肉三元素模型，肌肉內部肌節(jié)收縮受串聯(lián)彈性元和并聯(lián)彈性元的影響，退讓性收縮中也肯定存在肌肉剛度增強的現(xiàn)象，所謂跑動中緩沖大于蹬伸也早為大家所熟悉，但多方面研究途中跑中肌肉工作性質，有助于更好進行專項力量訓練。

觀看KOMI 顯示的優(yōu)秀長跑運動員肌電和肌肉長度變化時可知，后支撐階段前半部分比目魚肌肌電信號強，而后支撐后半部分肌電信號明顯減弱，腓腸肌在后支撐后半階段比后支撐的前半階段更加強烈，離地后腓腸肌信號相對減弱（見圖11），著地前脛骨前肌有著較強的電活動，但著地后基本電活動很弱，說明長跑運動員具有很高的運動中放松能力。短跑運動員脛骨前肌在著地后還有較強信號，短跑運動員腓腸肌的肌電也如同長跑運動員一樣，表現(xiàn)出兩波特征（見圖12），在離地前的15ms 這一段時間內又表現(xiàn)為更高的激活水平，第二波的峰值要明顯高于第一波的峰值，離地后腓腸肌依然具有強烈的肌電信號。更加說明腓腸肌在離地前不但參與踝關節(jié)的蹬伸，同時也對膝關節(jié)屈曲起作用，且在小腿后擺屈曲中繼續(xù)起作用。說明以前我們曾經(jīng)把支撐階段劃分為著地緩沖和前蹬和后蹬不盡合理，根據(jù)支撐階段后半部分的膝關節(jié)肌肉工作特征和人體總重心的加速度變化規(guī)律，且考慮到下肢隨髖做圓弧運動，小腿后續(xù)的擺動也必須提高到一個更重要的地位來考慮。從人體支撐關節(jié)角度和運動性質判斷，第一波峰值體現(xiàn)的是足蹠屈力矩，而第二波峰值體現(xiàn)的是足蹠屈力矩與膝關節(jié)屈肌力矩的綜合。腓腸肌同時對兩個關節(jié)起重要作用，以完成短跑后蹬階段后半部分“屈蹬”的動作，并與小腿折疊后擺。就比如人靜止站立位時，雖然支撐反作用力等于體重，但人體還是靜止的，跑中支撐反作用力的分析也不要糾結于還有地面反作用力，由于膝關節(jié)呈現(xiàn)的屈曲力矩，把后支撐階段后半部分劃進后擺，不僅考慮了肌肉工作特征，還考慮了力學特征，后續(xù)的騰空后擺實際上是一個整體，其動作效率很可能如打網(wǎng)球這種擊拍碰撞動作之后的揮拍速度一樣重要。

圖11 長跑運動員肌電與肌肉長度變化（引自COMI）Figure 11 Changes in electromyography and muscle length of long-distance runners（quoted from COM1）

圖12 蹲踞式起跑后腓腸肌外側長頭肌電變化Figure 12 Electrical changes of the long head muscle of the lateral gastrocnemius after a squatting start

腓腸肌內外側頭長度變化基本相似，著地瞬間腓腸肌外側頭長43.87cm，著地后迅速伸長為46.80cm 左右，在整個支撐階段幾乎形如梯形變化，值得注意的是當后蹬階段支撐腿水平力大于垂直力時腓腸肌外側頭肌肉長度開始縮短，離地時已縮短到45.00cm，在騰空后的后擺過程中繼續(xù)縮短為42.19cm，整個過程一氣呵成，與向心收縮肌電特征也比較吻合。根據(jù)肌肉工作特點，離地前的后支撐階段后小半部分與騰空后的小腿后擺，腓腸肌的工作特征體現(xiàn)連續(xù)的過程。研究認為，即使其還在支撐階段，但垂直力已經(jīng)小于身體體重，膝關節(jié)也體現(xiàn)屈肌凈力矩，腓腸肌很可能在此時存在主動不足，這也有助于提高對擺動重要性的認識，也是專項力量訓練的方向。

膝關節(jié)和踝關節(jié)肌肉工作特征顯示，支撐階段依靠增強該環(huán)節(jié)肌肉向心收縮力量來提高整個支撐階段垂直用力是錯誤的，水平方向正沖量與蹬伸階段膝關節(jié)力矩成顯著性相關（r=0.643），垂直方向上的總沖量與踝關節(jié)的最大力矩的呈高度相關（r=0.909，P＜0.01），因而提高短跑途中跑支撐階段垂直力的任務落到擺動腿上來，只有通過擺動，提高大腿擺動的角度才能提高擺動腿的角速度。許多學者提出的短跑以擺為主的理論有其很好的力學理論和生物學因素基礎。因為短跑運動員垂直支撐力大小與運動水平相關系數(shù)達0.9 以上，而在支撐腿肌肉做退讓性收縮時只有加大擺動腿力量才能提高支撐腿反作用力。

圖13 途中跑支撐階段運動學和動力學特征Figure 13 Kinematics and dynamics characteristics during the support phase of running

2.4 途中跑支撐階段運動學與動力學總特征

圖14 短跑途中跑周期劃分示意圖Figure 14 Schematic diagram of the division of the running cycle during the sprint

運動學與動力學總特征必須通過精確的測量方法才能得到，研究的精度必須得到重視，數(shù)據(jù)平滑方法起的作用非常大（見圖13）?？筛鶕?jù)運動學、動力學和生物學特征考慮把短跑途中跑的周期進行劃分（見圖14）。

3 結論

以膝關節(jié)屈曲最小角度來表示人體最大緩沖時刻顯然不如表示人體整體重心最低點時刻更為合理。人體重心的提起以踝關節(jié)為最優(yōu)先，膝關節(jié)最大屈曲角度時刻身體重心已經(jīng)升高。

途中跑在支撐著地開始階段腓腸肌與比目魚肌均伸長，在中間超過一半支撐時刻小腿三頭肌幾乎是等長收縮，而離地前有快速縮短趨勢，股直肌在整個支撐階段幾乎都在伸長，股內肌基本也呈梯形變化，股外肌在前支撐階段一直在伸長，并延續(xù)到后支撐階段中間，在膝關節(jié)角度開始增大的時候卻顯示繼續(xù)做退讓收縮，單純考慮單關節(jié)角度來判斷單關節(jié)肌肉長度變化也不完全正確。短跑以擺為主的理論有很好的力學理論和生物學因素的基礎。

短跑支撐階段可以劃分為著地緩沖、蹬伸、后擺，這有助于對短跑技術理論的理解。此時，后擺是支撐時的后擺，與其后的騰空后的后擺是一個連續(xù)的整體。短跑前支撐階段的蹬伸可稱為前蹬，后支撐階段的蹬伸可以稱為后蹬，后支撐階段同時包含著擺動，與騰空后隨慣性屈膝后擺統(tǒng)一稱為后擺，是人體下肢繞髖部做圓周運動時動作的需要。

要想更進一步劃分跑的周期理論，基于運動學和動力學特征并不完全準確，需要結合生物學特征中肌肉長度與肌電變化才能更清晰地分析下肢肌肉的工作特征。