起跑器抵腳板水平旋轉角度對短跑運動員起跑蹬伸力的前導性研究

劉海斌，夏培玲，元文學，孟昭莉

短距離賽跑如100m、200m和400m跑，由于比賽時間較短，對運動員來說，千分之一秒都顯得尤為重要［8］。因此，有效的起跑是取得比賽成功的關鍵因素之一［11］。蹲踞式起跑是國際上先進主流的短距離起跑方式，它是完整短跑技術的起始技術，影響著后續(xù)技術的發(fā)揮以及比賽時的心理狀態(tài)［5］。

《田徑競賽規(guī)則》［7］規(guī)定：“國際賽事中，所有400m 跑或以下的起跑徑賽項目，必須采用蹲踞式起跑及起跑器”。2008年，孫亮［4］就起跑器后抵腳板不同傾斜度對起跑速度的影響研究后認為，后抵腳板最佳傾斜度為30°～50°，后蹬腿踝關節(jié)角度是確定后抵腳板傾斜度的必要因素。2010年，司文等［2］將三維測力傳感器安裝在起跑器抵腳板上，對起跑器距離和傾斜角度研究得出：運動員在獲得較大向前動量時，起跑完成動作時間和保持平衡的力也相應增加。但選擇起跑器位置要綜合考慮時間和力兩者之間的關系，過分追求最大受力反而不利于跑出最佳成績。

多 年 來 ，圍 繞 起 跑 器 設 置 的 爭 論 一 直 沒 有 停 止［1，2，4］。多數(shù)討論起跑與起跑器關系的文獻都圍繞著起跑器長度和傾斜度對運動員起跑速度的影響［4，18，22］。

起跑器限制有效起跑的因素有4個：1）兩抵腳板前、后距離；2）抵腳板與地面傾斜角度；3）兩抵腳板之間寬度；4）抵腳板水平旋轉角度。目前，徑賽較多使用的起跑器可調節(jié)第1和第2個因素，固定第3和第4個因素。為使運動員從起跑器限定因素中解放出來，1992年，Guissard［10］設計了一款帶有內旋角度的三角形起跑器（Gill Athletics），但由于其安裝的不穩(wěn)定性而沒有被推廣和使用。

現(xiàn)有起跑器設計結構已嚴重影響運動員高水平發(fā)揮，更不利于短距離賽跑世界紀錄的再次刷新［11］。因此，本次研究目的為探討起跑器前、后抵腳板水平旋轉角度是否會對運動員起跑蹬伸力產生積極影響。根據研究目的，提出2個實驗假設：1）起跑器前、后抵腳板水平旋轉角度對蹬伸力沒有改變；2）起跑器前、后抵腳板水平旋轉角度的主觀調整與固定調整對起跑蹬伸力沒有差異。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

大學高水平短跑運動員8名，均為男性（年齡20.94±2.23歲，身高179.13±3.14cm，體重179.13±3.14kg）。實驗前，就實驗目的和內容進行了相關培訓，并簽訂志愿參加，無報酬實驗協(xié)議。

1.2 實驗儀器與場地設置

實驗采用兩臺壓電式三維測力平臺［6］（型號：YDT4060－2；尺寸：40×60cm；采樣頻率：800Hz；大連理工大學研制）。兩臺測力平臺并排水平擺放（圖1A標號b1，b2），兩支抵腳板（圖1A標號c1，c2）通過鋼板（圖2A）分別固定于兩測力平臺（實物圖1B）。起跑器長度（圖1A標號1），起跑器寬度（圖1A標號2），起跑器傾斜度（圖1D標號3），起跑器旋轉角度設置見2.5實驗設計部分。

圖1 本研究起跑器安裝與場地設置示意圖Figure 1. Starting Block and Experiment Setting

1.3 概念界定

起跑器一般由一個鋁合金支架和兩支可調節(jié)抵腳板組成，通常起跑器設置為兩抵腳板前、后各一支。

起跑器長度：兩抵腳板前、后距離（圖1A標號1）。起跑器寬度：兩抵腳板左、右寬度（圖1A標號2）。起跑器傾斜度：抵腳板在坐標系YZ平面（圖1C）內繞X軸旋轉角度（圖1D標號3）。

起跑器旋轉角度：抵腳板在坐標系XY平面（圖1C）內繞Z軸旋轉角度（圖1D標號4）。

1.4 起跑器改造

通過一塊長60cm、寬16.5cm、厚0.5cm的鋼板將測力平臺將起跑器抵腳板連接起來（圖2A）。方法：首先，在鋼板上鉆4個羅眼（圖2A標號d）。通過這4個羅眼將鋼板固定于測力臺；然后，在抵腳板底座鉆2個羅眼（圖2B標號c和f），通過c和f完成起跑器與鋼板的連接。利用車床在圖2B的f處加工出一從c圓心到f圓心半徑為10 cm的半圓弧；最后，采用起跑器底座羅眼c固定，外旋f的方法實現(xiàn)起跑器水平旋轉。根據三角公式（1）可得出：

已知等腰三角形兩腰：e＝e＝10cm和一邊：g＝0.437 cm或h＝0.813cm：

2A固定于測力平臺的鋼板上（1號測力臺）：

圖2 本研究起跑器固定裝置與起跑器旋轉角度設置示意圖Figure 2. Starting Block Fixing and Rotation Design

因為使用量角器測量起跑器旋轉2.5°和5°比較困難。所以，通過圖2B中的c固定，借助于高精度游標卡尺，調節(jié)圖2B中f就比較容易了，外旋2.5°，g＝0.437cm；外旋5°，h＝0.813cm。

1.5 實驗設計

要求每名運動員按照個人習慣對起跑器長度和傾斜度進行調節(jié)設置，設置后實驗過程中不做改變。實驗只對起跑器旋轉角度進行控制，設定4種條件：

條件1：兩支起跑器旋轉角度0°（圖2B），即常規(guī)起跑方式，起跑4次；

條件2：兩支起跑器旋轉角度2.5°（圖2C），起跑4次；

條件3：兩支起跑器旋轉角度5°（圖2D），起跑4次；

條件4：運動員根據前3種起跑器旋轉角度主觀體驗，對兩支抵腳板旋轉角度分別進行個性化調整后，起跑4次（表1，每名運動員的主觀最佳旋轉角度）。

1.6 數(shù)據處理與統(tǒng)計

為消除體重對蹬伸力的影響，待運動員起跑姿勢穩(wěn)定后對測力平臺0點漂定處理，而后測試所得數(shù)據為運動員去體重后的實際蹬伸力。所得力學數(shù)據均除以本人身高，單位：N／m。對一個完整起跑器蹬離過程進行標準化處理，0%為蹬伸開始時相，100%為蹬伸結束時相。

采用SPSS 17.0（美國）對所得數(shù)據進行統(tǒng)計學處理。第1個實驗假設驗證采用一般線性模型重復度量方差分析（one－way repeated－measures ANOVA），統(tǒng) 計 學 顯 著 P＝0.05水平。方差分析后，3種旋轉角度（0°，2.5°和5°）采用簡單比較（Simple Contrasts）：級別1為“0°旋轉角度”；級別2為“2.5°旋轉角度”；級別3為“5°旋轉角度”，統(tǒng)計學顯著水平P＝0.05。第2個實驗假設驗證采用配對t檢驗（Paired t Test），比較“0°旋轉角度”與“最佳旋轉角度”，統(tǒng)計學顯著水平P＝0.05。

表1 本研究實驗測試基本參數(shù)一覽表Table 1 Basic Parameters for Sprint Starting

2 結果

2.1 前抵腳板力學特征比較與分析

圖2顯示，前腳抵腳板3種旋轉角度在3個方向的地面反作用力總體趨勢基本一致。表2顯示，帶有水平旋轉角度的前抵腳板在X、Y和Z方向均增大了0°轉角時的峰值；2.5°與5°轉角均提前了0°轉角峰值時相，最佳轉角延后了0°轉角峰值時相。

X方向檢驗1：3種轉角峰值之間呈顯著性差異F（2，29）＝3.367，P＜0.05。差異由 0°與5°轉角產生（P＜0.05）。3 種 轉 角 時 相 之 間 沒 有 顯 著 性 差 異 F（2，29）＝2.744，P＞0.05。檢驗2：0°與最佳轉角峰值之間呈非常顯著性差異t（31）＝3.502，P＜0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t（31）＝1.232，P＞0.05。

Y方向檢驗1：3種轉角峰值之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.778，P＞0.05。3種轉角時相之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.429，P＞0.05；檢驗2：0°與最佳轉角峰值之間沒有顯著性差異t（31）＝1.196，P＞0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t（31）＝0.935，P＞0.05。

Z方向檢驗1：3種轉角峰值之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.345，P＞0.05。3種轉角時相之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.194，P＞0.05；檢驗2：0°轉角與最佳轉角峰值之間沒有顯著性差異t（31）＝0.658，P＞0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t（31）＝0.812，P＞0.05。

2.2 后抵腳板力學特征比較與分析

圖3顯示，后腳抵腳板3種水平旋轉角度在3個方向的地面反作用力總體趨勢基本一致。從表2可以明顯看出，帶有水平旋轉角度的后抵腳板在X方向上均減小了0°轉角時波峰數(shù)值，而Y和Z方向均增大了0°轉角時峰值；2.5°、5°和最佳轉角在 X 和Y 方向上提前了0°峰值時相，在Z方向延后了0°峰值時相。

表2 本研究前、后抵腳板不同旋轉角度相關指標一覽表Table 1 Parameters for Starting Block with Different Rotational Angle

X方向檢驗1：3種轉角峰值之間呈顯著性差異F（2，29）＝3.650，P＜0.05。差異由0°與2.5°轉角產生（P＜0.05）。3種轉角時相之間呈顯著性差 異 F（2，29）＝3.842，P＜0.05。差異由0°與5°轉角產生（P＜0.05）。檢驗2：0°與最佳轉角的峰值之間呈非常顯著性差異t（31）＝2.303，P＜0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t（31）＝1.037，P＝0.316＞0.05。

Y方向檢驗1：3種轉角峰值之間沒有顯著性差異F（2，29）＝1.45，P＞0.05。3種轉角時相之間沒有顯著性差異F（2，29）＝1.099，P＞0.05；檢驗2：0°與最佳轉角的峰值之間呈顯著性差異t（31）＝2.243，P＜0.05。峰值出現(xiàn)時相沒有顯著性差異t（31）＝0.391，P＞0.05。

Z方向檢驗1：3種轉角峰值之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.078，P＞0.05。3種轉角時相之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.261，P＞0.05。檢驗2：0°與最佳轉角的峰值之間沒有顯著性差異t（31）＝1.776，P＞0.05。峰值出現(xiàn)時相呈顯著性差異t（31）＝2.656，P＜0.05。

圖3 本研究蹲踞式起跑蹬伸時起跑器對前腿反作用力示意圖Figure 3. Force of Reaction Sprint Block on Fore Leg

2.3 起跑蹬伸時間

表2顯示，前腳在0°轉角時蹬伸時間為0.3799±0.0406s，2.5°轉角延長了蹬伸時間，而5°與最佳轉角均減少了蹬伸時間。檢驗1：3種轉角之間呈顯著性差異F（2，29）＝3.849，P＜0.05。差異由 0°與5°轉角產 生（P＜0.05）；檢驗2：0°與最佳轉角之間沒有顯著性差異t（31）＝0.782，P＞0.05。

后腳在0°轉角時蹬伸時間為0.2072±0.0372s，2.5°和最佳轉角延長了蹬伸時間，5°轉角減少了蹬伸時間。檢驗1：3種轉角之間沒有顯著性差異F（2，29）＝0.120，P＞0.05；檢驗2：0°與最佳轉角之間沒有顯著性差異t（31）＝0.181，P＞0.05。

2.4 運動員主觀評價

8名短跑運動員在完成前3種實驗控制條件測試后，進行第4種實驗控制實驗，要求運動員選擇最適合自己起跑的抵腳板旋轉角度組合測試。表1顯示，沒有一名運動員選擇標準起跑器旋轉角度（0°）。3名運動員選擇前、后腳一致的旋轉角度，5名運動員選擇前、后腳不一致的旋轉角度。

3 討論

起跑器是為蹲踞式起跑而特別設計的助跑器材，其設計原理為牛頓第三定律，即作用力與反作用力的關系。X方向為起跑蹬伸時受到的側向反作用力，Y方向為縱向推力，即與起跑同向的動力，Z方向為垂直力。研究表明［13］，短距離起跑過程中，最大垂直力為1.86倍體重，途中跑垂直力為2.62倍體重。蹬離起跑器階段垂直力大就會延長騰空時間，進而影響身體重心加速。本研究結果顯示，運動員后腿蹬離起跑器時，縱向力峰值比垂直力峰值大30.87%，前腿蹬離起跑器時，縱向力峰值比垂直力峰值小8.31%。也就是說，由后腿向前腿過渡的過程中，隨身體重心提升，垂直力已開始逐漸占據主導地位。

圖4 本研究蹲踞式起跑蹬伸時起跑器對后腿反作用力示意圖Figure 4. Force of Reaction Sprint Block on Behind Leg

通常認為，人體要獲得向前加速就需要地面反作用力越向前越好［16］。然而，在身體姿勢一定的情況下，要改變力方向就要通過身體環(huán)節(jié)的非對稱角速度來實現(xiàn)［15］，并伴隨整個身體角動量的改變［16］。如要短時間內獲得身體角動量的增加就需要其脫離起跑器后通過加大步寬，最大限度增加側向蹬伸力，平滑提高身體重心位移的辦法［12，13］。本研究結果顯示，帶旋轉角度的抵腳板增加了運動員前腳側向蹬伸力。

Ito［14］對2005年第10屆世界田徑錦標賽100m跑18名男性預賽運動員起跑后兩腳著地長度、寬度和頻率研究得出：運動員蹬離起跑器后，接觸地面的第1步步寬0.39±0.07m，逐漸過渡到途中跑0.17±0.04m。運動員蹬離起跑器后，第一步著地距起跑器前抵腳板距離1.22±0.16m。根據勾股定理，已知直角三角形鄰邊（0.39m，運動員脫離起跑器第一步步寬）和對角邊（1.22m，運動員脫離起跑器后第一步步長）得出，蹬離起跑器后將與運動方向夾角17.72°向側向蹬伸以踏出第一步。然而，要以鄰邊0.15m，即起跑器固定寬度，步長1.22m計算，該角度只有7°。由此可以推理，運動員在沒有旋轉角度的情況下，要獲得17.72°側向蹬伸是十分困難的。這也可以解釋為什么國際大賽經常出現(xiàn)運動員起跑的蹬空現(xiàn)象。

假設100m跑比賽時間為10s，聽到槍聲到雙腳離開起跑器用掉的時間約占整個比賽時間5%左右［11］。這個時間分為兩個部分：1）運動員聽到槍聲到開始產生蹬起跑器的動作稱為反應時間；2）開始蹬起跑器到雙腳離開起跑器的蹬離時間。國際100m跑大賽中，運動員平均反應時0.164s，約占整體比賽時間1.6%［9］。本研究只記錄了起跑器蹬離時間，約占到100m跑時間3.8%左右。對于以0.01s為單位的比賽項目來說，縮短運動員蹬離時間就顯得尤為重要了。本研究結果，抵腳板旋轉5°比旋轉0°的蹬離時間縮短0.0166s，并具有顯著性差異。最佳旋轉角度比旋轉0°的蹬離時間縮短0.0063s，這對于短距離比賽來說是具有絕對重要的意義。

時相特征分析，抵腳板水平旋轉5°與2.5°沒有改變起跑蹬伸過程的垂直力，縱向力和側向力峰值出現(xiàn)時相，即沒有改變原有抵腳板旋轉0°的時相特征；力學特征分析，雖然不具有統(tǒng)計學的顯著性差異，但抵腳板旋轉5°與2.5°均增加了前腳側向力。也就是說，帶有旋轉角度的抵腳板顯著性增加側向力的同時，非但沒有減少垂直力和縱向力反而還使其略有增加。

工程心理學是基于人類心理能力和極限來設計儀器設備和改善環(huán)境［17］。體育比賽中，每一個細節(jié)都會影響運動員高水平的發(fā)揮。田徑賽場也不例外，如比賽期間的風速、風向、空氣的溫度和濕度等［19］。那么，起跑器對運動員的影響就更不言而喻了，會直接影響運動員心理狀態(tài)，進而影響其有效起跑。因此，起跑器設計也要考慮其使用過程對運動員心理狀態(tài)的積極影響。由于起跑器抵腳板沒有水平旋轉角度，國際短跑比賽現(xiàn)場經常爆出運動員抱怨起跑器影響賽場發(fā)揮的事件，比如2012年，美國田徑奧運選拔賽揭幕站，博爾特就表達了其對起跑器的強烈不滿［3］。為減少運動員起跑蹬空，一些國際大賽（如近幾年的世界錦標賽和奧運會）將起跑器抵腳板面積增大。但由于抵腳板與運動員前進方向夾角為90°，仍不利于運動員第一步的側向蹬伸。

因此，本研究對第1個假設的回答：起跑器抵腳板水平角度旋轉可增加運動員起跑蹬伸力，尤其是側向力；對第2個假設的回答：運動員對起跑器最佳轉角的主觀調整改變了起跑蹬伸力，并增加了運動員起跑信心。但與固定轉角調整（前、后轉角均為2.5°或5°）相比，5°轉角縮短整體蹬離時間更顯著。

研究不足與未來研究方向：此次研究只探討了起跑器設置4個因素中的一個因素，即抵腳板水平旋轉角度對起跑蹬伸力的影響，對其他3個因素進行了控制。那么，起跑器兩抵腳板之間的寬度因素也是限定蹬伸力的重要研究內容。另外，如果4個限定因素都開啟，那么，它們之間的優(yōu)化組合將會成為今后起跑器研究的重要內容。

4 結論

1.帶有旋轉角度的前抵腳板在X、Y和Z方向均增加了起跑蹬伸力峰值，尤其在X方向更為顯著；雖然后抵腳板在X方向減小蹬伸力峰值，但其增加了Y和Z方向蹬伸力峰值，尤其是最佳轉角在Y方向上增加10%的向前推力。

2.2.5 °轉角幾乎沒有改變前、后腳蹬伸力出現(xiàn)時相，但5°和最佳轉角改變了蹬伸力峰值出現(xiàn)時相。

3.5 °轉角顯著性地縮短蹬離時間0.0166s，最佳轉角縮短蹬離時間0.0063s。

4.帶有旋轉角度的抵腳板有利于運動員起跑后第一步側向蹬伸，可減少蹬伸側滑現(xiàn)象，主觀上會增加運動員對起跑的自信。

建議未來起跑器改進與優(yōu)化應重點考慮抵腳板水平旋轉角度因素。

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