對(duì)影響短跑成績(jī)提高的外源性生物力學(xué)因素的研究

李 堅(jiān)

(四川理工學(xué)院 體育部，四川 自貢 643000)

對(duì)影響短跑成績(jī)提高的外源性生物力學(xué)因素的研究

李 堅(jiān)

(四川理工學(xué)院 體育部，四川 自貢 643000)

影響短跑成績(jī)提高的因素很多，其中外源性生物力學(xué)因素容易被大多數(shù)教練員忽視。外源性生物力學(xué)因素屬力學(xué)類范疇，它是由身體質(zhì)量、空氣助力和地球的引力等構(gòu)成。通過對(duì)影響短跑成績(jī)提高的這些力學(xué)因素，對(duì)如何通過訓(xùn)練手段、鞋、服裝以及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)來克服這些力學(xué)因素，以求達(dá)到提高速度的目的。

外源性力學(xué)；短跑；速度；阻力；引力

在短跑訓(xùn)練中，技術(shù)訓(xùn)練和素質(zhì)訓(xùn)練是提高速度的主要訓(xùn)練手段和方法。我們?cè)谟?xùn)練計(jì)劃和訓(xùn)練內(nèi)容上很難看到與力學(xué)有關(guān)的訓(xùn)練信息，忽視了力學(xué)因素在短跑訓(xùn)練中對(duì)提高速度有著極其重要的作用。而許多可提高速度成績(jī)的輔助手段都具有生物力學(xué)性質(zhì)，這些具有輔助手段的生物力學(xué)因素可劃分內(nèi)源性生物力學(xué)因素和外源性生物力學(xué)因素兩大類。內(nèi)源性生物力學(xué)因素是通過使身體最佳力學(xué)結(jié)構(gòu)來提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。外源性生物力學(xué)因素是指能提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的身體以外的一切方法和條件，其作用機(jī)制是能有效的改變從而減少力學(xué)因素對(duì)成績(jī)影響。本文將以外源性生物力學(xué)因素作為分析對(duì)象，運(yùn)用舉例法找出影響短跑成績(jī)提高的外源力學(xué)因素，從而解決影響短跑訓(xùn)練中的力學(xué)因素，為在訓(xùn)練上提高短跑成績(jī)提供理論依據(jù)。

1 影響短跑成績(jī)的力學(xué)因素

影響短跑成績(jī)的力學(xué)因素主要是空氣動(dòng)力學(xué)和外部力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)有空氣阻力和升力兩種形式，外部力學(xué)由萬(wàn)有引力、摩擦力和同心力三種形式。以上力學(xué)因素常出現(xiàn)在田徑比賽和訓(xùn)練中，如何掌握這一力學(xué)規(guī)律對(duì)提高短跑成績(jī)有重要的意義。

1.1萬(wàn)有引力

根據(jù)牛頓力學(xué)，萬(wàn)有引力的大小與兩相作用物體質(zhì)量的乘積成正比，而與兩物體間距離的平方成反比(萬(wàn)有引力=GmM/r^2)。萬(wàn)有引力對(duì)人類從事的各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目都有約束性影響，只有當(dāng)人類到不存在萬(wàn)有引力的空間去從事體育活動(dòng)時(shí)，這種情況才會(huì)改變?nèi)f有引力的影響，不僅直接施加到人體和各種體育器械上，而且作為大多數(shù)限制性力學(xué)因素的一部分，而間接作用到人和器械上。重力是地球引力和繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力心力的合力，海拔越高引力越小(f=GMm/r^2)r在這里表示道地心的距離而慣性力心力越大，(f=mrw^2)r在這里表示到地軸的距離，w表示繞地軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，它不會(huì)因?yàn)槟闩赖缴缴隙?，但r確大了，故離心力變大，海拔高了重力就會(huì)小，緯度越高。到地心的距離不變，而到地軸的距離確越來越小，即引力大小不變而離心力越來越小。所以緯度越高，重力越大。因此，體育比賽在緯度地區(qū)舉行時(shí)，會(huì)隨著緯度的不同，重力加速度也隨之變化，甚至達(dá)到具有顯著影響的地步，所以赤道的重力加速度比高緯度的重力加速度小，2008年北京奧運(yùn)會(huì)田徑記錄多次被刷新，和北京位于北緯39度有很大的關(guān)系。

1.2摩擦力

兩個(gè)物體互相作用的力，這個(gè)力叫摩擦力。隨著運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，物體形變部位的變換，即動(dòng)態(tài)形變也會(huì)消耗一部分能量而顯示出阻力性；有些變形較大的物體還會(huì)產(chǎn)生明顯的形位阻力。如跑鞋與塑膠地面接觸時(shí)，塑膠表面就會(huì)向下凹陷，增大了跑道與鞋的摩擦力。

1.3向心力

物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿半徑指向圓心方向的外力(或外力沿半徑指向圓心方向的分力)稱為向心力。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度可以證明，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的加速度大小為a=v^2/r=ω^2r，方向總是指向圓心，因此勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度，叫向心加速度．向心加速度只改變速度的方向，不改變速度的大小。在200m短跑項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何有效的提高向心加速度，是提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的有效途徑。

1.4空氣阻力

是指空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻礙力，是運(yùn)動(dòng)物體受到空氣的彈力而產(chǎn)生的。在短跑這類速度項(xiàng)目中，空氣阻力是有礙運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)空氣阻力的公式：F=(1/2)CρSV^2 計(jì)算。式中：C為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；S物體迎風(fēng)面積；V為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。運(yùn)動(dòng)員可以通過高速身體姿勢(shì)來減小S，還可以運(yùn)動(dòng)著裝來減小C，減小速度一般不會(huì)對(duì)成績(jī)產(chǎn)生不利影響，而空氣密度ρ在正常氣候條件下，海平面的空氣密度約為1.22 Kg/m3，在海拔2000m的高度，空氣密度下降為1.00Kg/m3，如果其它條件不變，則空氣阻力也將下降。這對(duì)于提高短跑運(yùn)動(dòng)員克服空氣阻力具有重要的意義。1968年，在海拔2206m的墨西哥城舉行的奧運(yùn)會(huì)創(chuàng)下一批優(yōu)異的成績(jī)，充分印證了成績(jī)的創(chuàng)造與空氣密度下降的緊密關(guān)系。

2 外源性力學(xué)因素對(duì)短跑成績(jī)的影響

2.1服裝對(duì)速度的影響

在參加世界大賽上，可以看到一些短跑運(yùn)動(dòng)員身穿一種類似速度滑運(yùn)動(dòng)員所穿的緊身服，希望能以此來降低比賽時(shí)遇到的空氣阻力。短跑的最大速度要比速滑的速度低得多，雖然速度比較低，但穿上減小阻力的服裝還是會(huì)有此優(yōu)勢(shì)的，尤其在迎風(fēng)的情況下。考慮到迎風(fēng)跑時(shí)克服空氣阻力的高能耗，穿緊身服對(duì)運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高具有良好的作用。穿這樣的服裝而不是通常穿寬松的背心和運(yùn)動(dòng)短褲，將有助于減小形狀阻力，潛在提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。

2.2跑鞋對(duì)速度的影響

近年來，鞋對(duì)運(yùn)動(dòng)成績(jī)的影響也逐漸被重視起來。為增加鞋與地面的摩擦力，跑鞋的設(shè)計(jì)以及鞋釘?shù)姆植级紘@提高速度進(jìn)行開發(fā)，為追求輕質(zhì),要求跑鞋全面緊鎖腳面的力量型短跑運(yùn)動(dòng)員而設(shè)計(jì)適用于短跑專業(yè)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)型鞋釘。因此，就僅僅鞋子的重量就會(huì)對(duì)跑的成績(jī)產(chǎn)生很大的影響，增加腳部的重量會(huì)增加每個(gè)步幅周期中抬腳和向前加速時(shí)所作的功。例如，假設(shè)以4.5m/s的速度跑時(shí)每只腳的動(dòng)作頻率大約為90周期/min。在選擇6.5m/s為腳的平均水平速度，0.6m為腳的平均垂直位移，這樣就可以從計(jì)算跑速度為4.5m/s時(shí)，腳上附加重量所引起的額外能耗。

解 1：設(shè)抬起每只鞋增加了0.10kg重量的腳所作額外功。計(jì)算公式為：dw =dm·g·h dw為額外功(單位為j)

dm是加到每只腳上的額外質(zhì)量(單位為kg)

b為重力加速度，大小為9.8m/s

h為腳抬的高度，單位為m

將上面數(shù)據(jù)代入公式，則有：dw=(0.1)·(9.8)·(0.6)=0.588j/每周期。

在1分鐘的90個(gè)周期里，兩只腳共做額外功：(2)·(90)·(0.588)=52.9j/min。

解2：鞋增加的重量所多作的額外功的總量為：52.9+379.8=432.7j/min

所以每只腳增加0.1kg所多消耗的能量約占總能耗的1.2%，以上數(shù)據(jù)表明，一個(gè)穿較輕型號(hào)跑步的運(yùn)動(dòng)員，比穿較重型號(hào)鞋跑步的運(yùn)動(dòng)員在相同生理負(fù)荷下能將跑速提高，這一數(shù)據(jù)具有潛在的重要意義。

2.3運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地對(duì)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的力學(xué)影響

2.3.1當(dāng)有圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)有離心力和向心力

短跑中的200m和400m屬圓周運(yùn)動(dòng)的項(xiàng)目。這里我們主要講針對(duì)橢圓彎道跑的影響，即在不同的跑道上維持運(yùn)動(dòng)員圓周所需的力量(F=mv`/r；m為運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量，v速度及彎道的半徑r)。由于有一部分肌肉力量要用于維持運(yùn)動(dòng)員沿彎弧線跑，所以跑速必然會(huì)有所下降，通過將200m直道跑與帶一個(gè)彎道的200m跑相比較可以發(fā)現(xiàn)，彎道跑將使用的總時(shí)間增加0.4s。運(yùn)動(dòng)員利用跑到來獲得彎道跑所需要的向心力。這個(gè)力主要是摩擦力，指向道圓心，作用在運(yùn)動(dòng)員的腳上。跑彎道時(shí)，運(yùn)動(dòng)員身體向內(nèi)圈傾斜，內(nèi)低外高的彎道可以減小對(duì)摩擦力的要求，因?yàn)檫@種斜面能產(chǎn)生一定的水平反作用力，由于室外場(chǎng)地缺乏坡度，彎道上的各

2.3.2在彈性硬度極好的跑道上跑，能縮短支撐時(shí)間，增加步長(zhǎng)，提高成績(jī)

美國(guó)哈佛大學(xué)己經(jīng)鋪設(shè)了彈性硬度為運(yùn)動(dòng)員彈性節(jié)奏三倍的跑道，而且在這種跑道上跑成績(jī)將提高2%；北京奧運(yùn)會(huì)塑膠跑道采用了意大利進(jìn)口的新技術(shù)，比以往的跑道在性能和彈性硬度上都有很大的提高，特別是速度性項(xiàng)目，對(duì)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提高起到了一定作用。

3 小結(jié)

許多對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)成績(jī)有不利影響的力學(xué)因素都可通過外源性生物力學(xué)手段來部分消除。這些外源性生物力學(xué)手段包括穿戴按動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的服裝、比較輕的鞋和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地等，速度性項(xiàng)目在考慮技術(shù)、素質(zhì)等訓(xùn)練的諸多因素下，作為教練員應(yīng)對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員自身?xiàng)l件以外的因素加以考慮，在訓(xùn)練中解決力學(xué)因素對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果的影響。如選擇訓(xùn)練場(chǎng)地、地點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)員的比賽裝備、訓(xùn)練的手段等。這些外部因素都有利于短跑運(yùn)動(dòng)員在比賽中成績(jī)的提高。通過上述特點(diǎn)，在訓(xùn)練中注意克服和運(yùn)用這些外源性力學(xué)，采用相應(yīng)的方法和手段有助于進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

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StudyontheEffectofExogenousBiomechanicsonSprintRacePerformanceImprovement

Li Jian

(P.E.Department of Sichuan University of Science&Engineering,Zigong,643000,Sichuan,China)

There are many factors effects dash race performance,while exogenous factors,including biomechanical easily overlooked by most coaches.Exogenous biomechanics belongs to category of force.It consists of body mass,air resistance and gravity.This paper,based on those factors,discussed the combination of training method,shoe design,costume design and playground design and those factors,targeting improving racing speed.

exogenous biomechanics;sprint;speed;resistance

2009-12-09；

2010-03-03

李堅(jiān)(1971-)，男，四川人，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。

G804.6

A

1672-1365(2010)03-0037-02