高速下坡跑動力學特征研究

羅 炯

高速下坡跑動力學特征研究

羅 炯

運用攝像及三維力同步測試4種不同坡角的下坡跑，結果表明：下坡跑步長短于平道跑，支撐腿在離地時人體重心比著地時低，從而使單步支撐過程中下坡跑比平道跑要省能；下坡跑導致受試者的著地方式發(fā)生很大變化，使得受試者受地面作用力大小、方向與平道跑差異明顯，其中垂直作用力沖擊峰值隨坡角增加而增加，而活動峰值變化不明顯，水平制動沖量增加的幅度比驅(qū)動沖量下降的幅度要大，制動力占主導地位，這種作用效果顯然是由著地腿肌肉收縮形式的改變有關，并最終導致下坡跑單步支撐過程中出現(xiàn)能量節(jié)省化。

下坡跑；機械能；三維力；生物力學

下坡跑訓練的主要目的是讓運動員完成超出本人當前最大水平速度的練習，來增加步長和步頻。目前國外對這種訓練模式（上坡與下坡跑）十分重視，并廣泛用于改善長距離耐力性項目運動員有氧代謝能力及下肢肌肉力量訓練的常用手段。查閱相關研究報道，與平道跑相比，上、下坡跑氧耗、心率和血乳酸濃度等生理指標差異較大[1-2]，這意味著下坡跑訓練方式下肢肌肉可能承受的機械載荷有較大的不同。然而，就目前能檢索到的關于下坡訓練的研究文獻中，多數(shù)屬于運動學研究方面的報道，而下肢動力學和肌電方面的研究卻很少，從查閱到的最新幾位學者的研究結果都是在生物力學實驗室的跑臺上完成的，而未查閱到真正在室外塑膠下坡跑道上快速跑時相關動力學方面的研究報告，究其原因主要是在跑道上安裝測力臺是一件相當困難的事情。本研究借助于北京體育大學東田徑場所修建了4條下坡跑道（它是目前我國唯一的較完善的下坡訓練跑道，見圖1），并運用攝像、肌電及三維力同步測試了4種不同下坡跑，其相關運動學研究結果已做了報道[3]，本文重點對其動力學特征進行報道。

圖1 北京體育大學東田徑場斜場訓練基地布置示意Fig.1 The East track and field of Beijing University of Phys'cal Education about slope training base diagram

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

12名短跑運動員（來自北京體育大學）自愿參與本次實驗，他們的運動等級均為2級且在測試前均未進行過下坡跑訓練。

1.2 研究方法

1.2.1 運動學參數(shù)測試 2臺JVC9800高速攝像機A、B，兩機固定在距跑道16 m處（鏡頭高分別為1.1 m、1.4 m），兩機主光軸與助跑道垂直，拍攝速度100幀/s。

1.2.2 動力學參數(shù)測試 4臺國產(chǎn)JP4060WP測力平臺（先測兩道，運動員休息時換成另外兩道），對受試者處于平道及坡道著地腿著地緩沖及蹬伸的三維力進行監(jiān)測，采樣頻率為500 Hz。測力臺平面鋪設與助跑道相同的塑膠，并與跑道塑膠齊平。同步信號由測力臺觸發(fā)，通過發(fā)光二極管與高速攝像機測試同步（實驗現(xiàn)場見圖1）。為了確保圖像盡可能大而清晰，拍攝前進行了多次試拍，以便對攝像機的鏡頭高度、拍攝距離、拍攝角度、爆光時間等方面作出多種調(diào)整方案，確保每臺攝像機處于最佳的位置。

1.2.3 實驗安排 每個受試者必須在每種下坡跑道上完成2次有效測試。先讓受試者進行試跑，以屈蹲姿勢從起跑線開始，通過調(diào)整起始點找準各自的步長以便能踩上測力臺，同時要求受試者“無視”測力臺的存在，離開水平跑道時要求與進入下坡道的跑速相同（本研究有效測試的人體質(zhì)心水平速度要求為6±0．2 m/s），且完全踏上了測力臺的有效區(qū)域，下肢圖像清晰。如果受試者為了踏上測力臺而有意改變步幅則要求立即重新收集。為了提高圖像解析的精度，實驗對象被要求穿深色緊身短褲、赤膊，并在身體兩側跖趾關節(jié)、踝、膝、髖、肩、肘、腕、耳屏等關節(jié)、環(huán)節(jié)點貼放反光膜標志（美國3M公司出品）。圖像解析采用北京體育大學自行開發(fā)的視訊運動圖像解析系統(tǒng)，獲得原始坐標數(shù)據(jù)后采用自編程序分析計算。

1.2.4 數(shù)據(jù)標準化處理與統(tǒng)計分析 由于運動攝像100幀/s，測力臺采樣頻率為500 Hz，為了比較不同運動員在平道與坡道每個單步全過程相關參數(shù)間的差異，本研究對所有受試者下肢各關節(jié)和環(huán)節(jié)的生物力學參數(shù)進行時間標準化處理——取支撐過程時間為100%進行插值。對1%標準化時刻所插之值采用低通數(shù)字濾波進行數(shù)據(jù)平滑，圖像解析選用扎齊奧爾斯基模型，最后，不同水平運動員標準化后的相關指標值分別進行曲線擬合。全部數(shù)據(jù)處理使用spss13．0分析模塊進行處理，所有統(tǒng)計檢驗的顯著水平設置為α=0．05。

2 結果與分析

2.1 支撐過程中軀體機械能變化特征分析

為了比較平道與下坡跑支撐過程中的軀體能量變化，我們假定整個步幅周期中，右側著地腿從踩上測力臺瞬間至離臺瞬間人體質(zhì)心以下部位各環(huán)節(jié)的機械能（動能和勢能）相同，換言之，就是說這兩個瞬間下肢各環(huán)節(jié)相對于軀體質(zhì)心的位置和速度在觸地和離地是相同的[4－6]。用ΔKE表示動能凈增量，ΔPE表示勢能凈增量。

從圖2可以看出：5種跑單步支撐過程中的動能增量ΔKE變化不大，4種跑（4°坡角例外）情況下的變化值無統(tǒng)計學意義（P＞0．05），4°下坡跑變化值相對大些，且變化趨勢與其他 4種跑相反（－1．04 J）；多重比較分析可知平道、1°、2°、3°之間 ΔPE 及總機械能增量差異有統(tǒng)計學意義（P＜0．05），隨著坡角的增加，ΔPE從 20．41 J降至 16．69 J，而總機械能增量從 20．52 J降至 16．44 J；然而，4°下坡與 1°、2°、3°下坡表現(xiàn)的規(guī)律卻明顯差異，總機械能及勢能增量與平道跑幾無差異，其深層原因有待于進一步探討。從單步支撐過程中軀體的能量變化數(shù)據(jù)特征不難發(fā)現(xiàn)：下坡跑比平道跑似乎要省能（因為人體質(zhì)心水平速度是基本不變的）。通過對步長進行分析，結果發(fā)現(xiàn)，受試者在下坡跑時步長短于平道跑，平均縮短約5%（3．65 m對3．47 m）?？梢?，下坡跑引起受試者著地方式發(fā)生了很大變化，從而引起著地腿在著地與離地瞬間人體質(zhì)心垂直位移產(chǎn)生較大的差異。

圖2 平道與坡道跑一個完整支撐過程中動能、勢能及總機械能增量的變化趨勢圖Fig.2 The Trends diagram about kinetic energy，potential energy and total mechanical energy changes of a full support process of Flat Road and the slope running.

2.2 支撐腿受垂直力變化特征

表1數(shù)據(jù)并結合圖3可以獲得不同下坡跑垂直力的變化特征：

（1）不同下坡跑，支撐過程受試者所受垂直力變化基本相似——存在兩個垂直峰值（A峰與B峰），A峰被稱作沖擊峰，主要由運動員后腳跟觸地的沖擊震蕩引起，與跑道特征及運動鞋及鞋墊特征有關，B峰稱為運動峰，它受支撐期間運動員的肌肉活動特征引起的。

（2）與水平跑相比，下坡跑垂直沖擊峰值戲劇性增大，其中1°、2°、3°、4°增加比例依次為 13．2%、20．3%、34．5%、38．4%；平道跑時，沖擊峰僅為體重2．81倍，而4°下坡跑，該值達體重的3．89倍，甚至已超過了活動峰值（說明表中3．82BW，BW（Body weight即體重的縮寫）；多重比較結果顯示，5種跑之間差異顯著（P＜0．05）。

（3）活動峰峰值與坡角無關，5種跑之間均無顯著差異（P＞0．05），峰值大小約為體重的3．8倍，波動范圍不超過2%。攝像慢放發(fā)現(xiàn)，下坡跑沖擊峰值顯著增加與受試者力平臺腿著地方式有很大關系，下坡跑時，12名受試者都采用后腳跟觸地，而平道跑時，只有5名運動員存在輕微的后腳跟觸地現(xiàn)象，而有7名運動員后腳跟幾乎不觸地。

（4）不同下坡引起的兩個垂直峰出現(xiàn)時間不一樣，表現(xiàn)為沖擊峰隨坡角增加而出現(xiàn)越早，平均約在支撐階段標準化時刻的17%左右出現(xiàn)；活動峰峰值大約出現(xiàn)在支撐階段的標準化時刻的35%±5%左右，但出現(xiàn)時刻有一定的差異（早晚似乎是隨機的）．

（5）在支撐時間的5%左右垂直分力超過體重（見圖3R點），約在支撐時間的83%左右垂直力低于體重（見圖3Q點）。由此可見，人體重心的垂直加速是在支撐時間的5%～83%的范圍內(nèi)產(chǎn)生的，雖然平道跑與下坡跑R、Q位置出現(xiàn)有些波動，但重心垂直加速范圍變化很小，而在支撐的其余時間內(nèi)，人體才是水平加速。

圖3 受試者張××5種跑支撐腿垂直反作用力隨時間變化擬合曲線Fig.3 The perpendicular reaction force of the supporting leg versus time curve about the subject Zhang××during the five kinds of slope running

2.3 支撐腿受水平作用力變化特征

表1數(shù)據(jù)并結合圖4可以獲得不同下坡跑水平方向作用力變化特征：

（1）明顯存在兩個階段（制動與驅(qū)動）、兩個峰及兩個谷（谷只是方向上的區(qū)別，故本文都稱為峰）。與平道相比，制動C峰值隨坡角增加而增加，1°、2°、3°、4°下坡跑，該峰值增加比例依次為3．94%、9．58%、18．77%、29．32%，平道跑中 C 峰值約為體重 0．858倍，而4°下坡跑，該值達體重的1．110倍，且多重比較分析顯示，2°、3°、4°下坡與平道及 1°間差異顯著（P＜0．05）。此外，C 峰出現(xiàn)在支撐階段標準化時刻的15%左右，坡角增加，出現(xiàn)更晚。

圖4 受試者張××五種跑支撐腿受水平方向用用力隨時間變化擬合曲線Fig.3 The horizontal reaction force of the supporting leg versus time curve about the subjects Zhang××during the five kinds of slope running

（2）坡角增加，制動D峰值下降，而制動E峰值變化不明顯；與平道跑相比，E峰大約出現(xiàn)在支撐階段標準化時刻的33%±5%左右，其出現(xiàn)時刻不受坡角影響。

（3）驅(qū)動G峰值隨坡角增加亦呈下降趨勢，但下降的幅度并不大，其中 1°、2°、3°、4°下坡跑下降比例依次約為 4．12%、4．56%、5．27%、9．67%，在平道跑時 G 峰值約為體重 0．534 倍，而 4°下坡跑，該值降為體重的0．482倍；多重比較顯示G峰值的差異主要體現(xiàn)在4°下坡與 1°、2°、3。、平道間的差異。G 峰出現(xiàn)大約在支撐階段標準化時刻的78%左右，坡角增加其出現(xiàn)時刻前移。

（4）平道跑中，最大緩沖瞬間大約在支撐標準化時刻時間的45%左右，坡度增加，其出現(xiàn)時刻前移，也就是說緩沖時間縮短，也與運動學分析結論是一致的；制動沖量與驅(qū)動沖量均隨坡角增加而顯著增加（P＜0．05），但兩者基本保持平衡，與平道跑相比，1°、2°、3°、4°制動制量經(jīng)計算平均增加依次約為 15．57%、37．21%、47．15%、64．21%，驅(qū)動沖量下降平均比例依次約為11．56%、25．43%、38．43%、45．41%。

綜合垂直與水平力作用變化特征，下坡跑引起的地面反作用力差異是明顯的。從人體解剖及生物力學相關原理來看[7－8]，作用力相對于關節(jié)中心的方向顯然受到坡角影響，相比下坡跑，平道跑雖然地面對人體的反作用力小些，但地面支反力相對于髖和踝的力臂要長些，這是否降低了該兩個關節(jié)處肌肉的某些力學優(yōu)勢，最終引起較大的總力矩、功率和功。其次，研究認為下坡跑地面反作用力比平道跑大很多，這個反作用力是通過足與地面接觸作用于骨、肌肉及其他組織的，這種沖擊載荷可能存在增加肌肉骨骼系統(tǒng)損傷的可能性，因此，對于那些受到?jīng)_擊性損傷的患者想要盡快康復時，應盡量避開下坡跑而改為上坡跑也許更為合理。最后，4種下坡跑條件下，垂直作用力沖擊峰值隨坡角增加而增加，而活動峰值變化不明顯，這種變化趨勢似乎與新陳代謝能消耗相一致[9]，即代謝能消耗與不同的肌肉收縮類型有聯(lián)系，在單步支撐過程中，平道跑比下坡跑所需能量消耗要高，因為其驅(qū)動力占支配地位，下坡跑時能耗低，是由于制動力占支配地位，而驅(qū)動過程中肌肉向心收縮比制動過程肌肉的離心作用需要更多的代謝能消耗[10]。

3 結 論

（1）一個單步支撐過程中，下坡跑比平道跑似乎要省能，這種能量節(jié)省化可能是由下坡跑受試者著地方式變化引起的，因為下坡跑受試者的平均步長短于平道跑約5%，這種著地方式改變引起著地腿在著地與離地瞬間人體質(zhì)心垂直位移產(chǎn)生較大的差異。（2）下坡跑受試者著地腳跟幾乎都與地面有瞬間接觸，該特征隨著坡角的增加變得愈加明顯；下坡跑時，受試者受地面垂直作用力沖擊峰值隨坡角增加而增加，而活動峰值變化不明顯，這種變化趨勢與新陳代謝能消耗相一致。（3）平道跑時，水平制動和驅(qū)動沖量大小基本相等而方向相反，而下坡跑時，制動沖量增加的幅度比驅(qū)動沖量下降的幅度要大，即隨著坡角的增加，所需制動力比驅(qū)動力更大些，所以不能成比例地減少制動力，故下坡跑，制動沖量占支配地位。（4）不同下坡跑引起的地面反作用力的差異主要是由于作用力方向的變化導致，這些變化勢必影響到地面支反力相對于髖、膝、踝3關節(jié)中心的力臂，從而使控制這三大關節(jié)的一些主要肌群獲得一定的力學優(yōu)勢，從而更有利于SSC（strechshortening cycle離心—向心收縮）功能的發(fā)揮。

[1]Gottschall，Kram.Ground reaction forces during downhill and uphill running[J].Journal of Biomechanics，2005，38（3）：45-47.

[2]Paradisis，CookeCB.Kinematicandposturalcharacteristicsofsprintrunning onslopingsurfaces[J].Journal of Sports Sciences，2001，19：149-159.

[3]羅炯.下坡超速訓練對短跑運動技術影響的生物力學分析[J].北京體育大學學報，2010，33（6）：123-128.

[4]施寶興.短跑途中跑支撐階段支撐腿關節(jié)肌肉生物力學特性的研究[J].天津體育學院學報，2006,21（6）：495-499.

[5]Dalleau A，Belli F，Viale J R.A simple method for field measurements of leg stiffness in hopping[J].International Journal of Sports Medicine，2004，25（3）：170-176.

[6]黃宗成，百米跑技術——緩沖與后蹬[A]//上海：第四屆生物學體會論文集，1993：77-79.

[7]AndrewHoward Payne.優(yōu)秀運動員腳對地面的接觸力[A]//運動生物力學譯文集Ⅱ.北京：清華大學出版社，1989.

[8]Uhtanen P L，Komi P V.影響跑速的力學因素[A]//運動生物力學譯文集Ⅰ.北京：清華大學出版社，1989.

[9]Santello.Reviewof motor control mechanisms underlyingimpact absorption fromfalls[J].Gait and Posture，2005，21：85-94.

[10]Yokozawa.Muscle activities of the lower limb during level and uphill running[J].Journal of Biomechanics，2007，40：3 467-3 475.

A Dynamics Research about Slope Overspeed Running Training

LUO Jiong
（School of PE，Southwest University，Chongqing 400715，China）

The camera and three-dimensional force simultaneously technique was used to test four different slopes running.The results showed that the downhill running had shorter step length and the body center of gravity was lower in support legs touchdown than off the ground，which make lower energy consumption during in slope running.The size of the ground reaction force and direction had significantly differences in slope running，the vertical force impact peak increase following the slope angle increasing and the peak activity did not change significantly，the level of braking impulse increases scope is larger than driving impulse decrease range，and therefore its brake power is dominant in slope speeding training.The downhill running cause many changes in the way of touchdown，which shows single-step lower energy consumption in downhill running.

slope running；mechanical energy；three-dimensional force；biomechanics

G 804.6

A

1005-0000（2012）01-0046-03

2011-06-14；

2011-11-21；錄用日期：2011-11-23

羅 炯（1966-），男，湖南邵陽人，博士，副教授，研究方向為運動技術診斷與全民健身。

西南大學體育學院，重慶400715。