蹲踞式起跑的生物力學分析

楊 文，安李秀酈

（北京體育大學，北京 100084）

蹲踞式起跑的生物力學分析

楊 文，安李秀酈

（北京體育大學，北京 100084）

短跑運動是在瞬間內(nèi)完成的項目，對于高水平短跑運動員而言，想要提高0.01s，無不付出相當代價，特別是當今短跑運動水平的提升，甚至0.001s就決定著比賽的勝負。起跑的目的是讓身體盡快從靜止轉(zhuǎn)入運動，所以起跑比別人快，在心理上占有一定優(yōu)勢，同時起跑的好壞對其后的加速跑、途中跑和沖刺這3個階段的水平能否正常發(fā)揮起著決定作用，因此起跑對短跑成績影響是很大的，運動員的起跑技術和能力對提高短跑成績勢必會產(chǎn)生重要作用。當今國際大賽均適用蹲踞式起跑的方式，蹲踞式起跑是雙手支撐于地面的一種起跑方法，身體重心較低，起跑時通過蹬地動作而獲得較大向前的速度，適用于田徑短距離的比賽，與站立式起跑相比，蹲踞式起跑能夠獲得更多的速度。因此，近年來國內(nèi)外的眾多專家學者從生物力學角度對蹲踞式起跑進行了研究，以探究蹲鋸式起跑相關的力的科學數(shù)據(jù)，從而進一步提高起跑時力的使用，提高短跑運動員的比賽成績。

短跑分為4個部分：起跑、加速跑、途中跑和沖刺。眾多文獻研究中對加速跑和途中跑更加青睞，尤其是蹬伸擺動支撐擺動及運動中肢體的力學特點等技術細節(jié)。但隨著短跑的紀錄不斷刷新，以及中國人逐漸出現(xiàn)在短跑舞臺，國內(nèi)學者們對短跑的認識開始不局限于加速跑和途中跑，更多的視角轉(zhuǎn)向起跑，力求從起跑上獲得更多的優(yōu)勢。

通過對國內(nèi)外文獻的分析，發(fā)現(xiàn)相關研究主要圍繞以下4個內(nèi)容：起跑器使用、身體重心、上肢動作和起跑角度。本文從這4個內(nèi)容對蹲踞式起跑進行生物力學分析。

1 起跑器使用

起跑器的使用主要包括起跑器安裝方式、使用方式和起跑器距離3個方面。首先， 李永智等人的研究中提到，起跑器安裝方式主要分為3種：普通式、拉長式和接近式，其中普通式的起跑器安裝更有利于讓運動員合理地利用小腿伸?。枘c肌和比目魚肌的牽張反射，讓運動員獲得最佳的小腿發(fā)力位置，產(chǎn)生更大的推動身體向前的沖力。同時，李勇智等人的研究中還指出，普通式的起跑方式兩腳間距離適當，髖關節(jié)位置下降，身體重心上升，頭微微上抬，髖關節(jié)、身體重心和頭形成一個平衡體，可以防止身體過分前傾。

為了更好地使用起跑器，姜自立等人也進行了“個人習慣”和“左前有后”這2種方式的研究。研究發(fā)現(xiàn)，肢體主要受對側(cè)大腦半球的控制， 即右側(cè)大腦控制左側(cè)肢體，左側(cè)大腦控制右側(cè)肢體，由于右腦具有更強的空間和口令處理能力（對信號的察覺能力），而左腦則具有更強的執(zhí)行肌肉力量的能力 。因此，從理論上看，“左前右后”的蹲踞方式可以使運動員獲得更快的反應速度和動作速度。這一假設也得到 Eikenberry 等的證實。他們的研究表明，右腳在后比左腳在后的反應時間快80ms，而右腳在后比左腳在后的動作時間快104ms。因此，當右腳在后時，運動員能得到近80ms的反應時間優(yōu)勢和104ms的動作時間優(yōu)勢。 除了腳的放置位置，姜自立等人還對蹬離起跑器的方式進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，“單腳蹬離起跑器技術”容易導致運動員起跑后的第1步過大、身體重心的過早抬起和產(chǎn)生過大的垂直分量，進而導致“起跑-加速”技術銜接的脫節(jié)，最終導致運動表現(xiàn)的降低?！半p腳蹬離起跑器技術”減少了擺動腿的擺動幅度，因而可以防止運動員身體重心的過早抬起和避免產(chǎn)生過大的垂直分量。另一方面，“雙腳同時蹬離起跑器”可以比“單腳蹬離起跑器”產(chǎn)生更大的動作沖量。

Otsuka和Slawinski等人的研究均表明，寬距離起跑器下施加的最大下肢力大于窄距離起跑器，這可能是由于增強了后腿髖延伸角速度的原因，在寬距離起跑器下的髖部峰值功率比在正常條件下更大。同時，劉海斌等人通過研究證明了帶旋轉(zhuǎn)角度的起跑器踏板能夠增加運動員前腳側(cè)向蹬伸力。這對起跑器的設計和開發(fā)均有重要作用。姚位宇等人的研究中還提到，若能有效提高起跑時兩腿的蹬地力量和加快蹬地的動作速度，提高爆發(fā)力，減少蹬離起跑器的時間，這對提高起跑速度有重要的意義，以上這些研究也為提升起跑速度提供了重要的理論指導。

這些研究設計的優(yōu)點在于將實際與生物力學的理論結(jié)合，研究了起跑器的方式選擇、雙腳的位置和蹬離起跑器的方式將對起跑產(chǎn)生一定影響以及起跑器踏板和雙腳協(xié)同性的的作用。但不足之處有以下3點：（1）較多實驗忽略了不同人群間的差別，不同運動員如高水平運動員、非高水平運動員和普通人群在起跑器的方式方面不能一概而論，因為不同人群的運動能力不同，反應時間和肌肉特點不同，這些均是影響實驗效果的混雜因素，應在實驗設計階段進行控制。（2）大部分研究忽略了起跑器及其寬度、前后距離之間的組合，很多實驗是在忽略起跑器基本寬度的情況下進行，因此缺乏實驗的科學性。（3）起跑器的調(diào)整除了要滿足科學性，更應根據(jù)運動員的身材情況而定，同時更要與運動員的舒適度相結(jié)合。

2 身體重心

在預備姿勢方面，呂燕等人將“一般”預備姿勢和“高重心”預備姿勢進行比較，發(fā)現(xiàn)“一般”預備姿勢前腳距離起跑線近，而“高重心”預備姿勢前腳距離起跑線較遠，當兩腳距離起跑線較遠時，可使預備姿勢時的重心更多的前移，以至起跑時后蹬角較小，產(chǎn)生身體向前的分力較大，另一方面使身體前方的穩(wěn)定角進一步較少，因而認為“高重心”預備姿勢更有利于運動員更快突破平衡，加快起動速度。

在縱向力和垂直力方面，劉海濱等人提到，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(jù)主導地位，這為身體重心變化過程中力的區(qū)別和分析提供了依據(jù)。同時Otsuka等人的研究中還提到，向前傾斜角度大產(chǎn)生更大的地面反作用力，這是訓練有素的短跑運動員比普通和非訓練的短跑運動員產(chǎn)生更大的起跑器平均加速度的原因，這說明重心更向前時能產(chǎn)生更大的地面反作用力，這將為提升起跑速度提供科學依據(jù)。

通過分析以上文獻，發(fā)現(xiàn)“高重心”預備姿勢、重心傾斜角度、力的區(qū)分和重心合力矢量均對起跑有重要影響，但是國內(nèi)外的研究較多是經(jīng)過分析世界優(yōu)秀短跑運動員得出，無法確定此研究是否適用于不同類型運動員，同時對于世界優(yōu)秀運動員的研究渠道少，其中很多實驗僅通過錄像等方式獲得數(shù)據(jù)，且獲得最新數(shù)據(jù)的途徑較少，因此實驗缺乏實際操作性，并且難以設置對照組，無法確定結(jié)果是否有效。在重心的合力矢量方面，研究結(jié)果通過公式計算得出，并未結(jié)合實際情況加以檢驗，研究結(jié)果的科學性和實用性有待進一步檢驗，需要后續(xù)研究加以證實。

3 上肢動作

上肢動作對蹲踞式起跑有重要影響。姚衛(wèi)宇等人提到，提高上肢的推動和擺動力量，對推動和促進上體的抬體動作，較快達到適當?shù)母叨群臀恢茫纬闪己玫纳眢w姿態(tài)有著極其重要的作用。除上肢力量外，運動員的手指位置會影響肘關節(jié)和肩關節(jié)的固定，還會分散身體的重量，有利于提高起跑速度，因此也是起跑中應當重視的問題。Otsuka等人的研究結(jié)果表明，肩胛的3D運動與短跑的沖刺速度有關，對于肩胛靈活程度較低的運動員，通過肩胛骨松弛訓練來改善鍛煉是十分重要的，因為它可以改進短跑起跑速度。

部分學者中認為肩關節(jié)的角度最好接近90°，以減輕上肢的負荷并保持其他關節(jié)的舒適性，但也有研究提到在80°～ 90°這個范圍內(nèi)有利于獲得更好地起跑效果，肩關節(jié)角度的具體大小可以由運動員的自我感覺舒適程度來決定。唐斥非的研究還表明上肢的擺動并不能直接增加運動員向前的水平速度，而是有助于協(xié)調(diào)腿的運動，提高運動員步長。Chakravarty的研究中也提到，肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)對于起跑速度無顯著影響。

上述研究證明了上肢的適宜角度和作用，為后續(xù)研究提供了依據(jù)，但部分研究主要是通過對視頻資料的觀察得出，并未經(jīng)過實驗組和對照組的具體研究，缺乏科學的依據(jù)；同時部分研究者均認為上肢關節(jié)對起跑速度無顯著影響，對上肢動作存在爭議，因此上肢的作用仍需進一步研究討論。

4 起跑角度

起跑角度也是影響蹲踞式起跑的重要因素，其中膝關節(jié)角度和髖關節(jié)角度影響起跑速度的重要內(nèi)容，因為在蹬離起跑器時，雙腿所發(fā)揮的蹬離起跑器的力量，在一定范圍內(nèi)是受到膝關節(jié)和髖關節(jié)影響的。

呂燕等人的研究中提到膝關節(jié)處于130°～140°時蹬地的效果較好，腿部力量強的運動員比弱的運動員角度還可以小一些，且隨著兩腿膝關節(jié)開放角的增大，后蹬及后蹬前的準備動作時間短，向前擺動快，有利于提高步頻，身體重心向上移動幅度小，省力而輕松，不易引起過分緊張。潘靈等人為了考慮不同被試的差異，對兩組人群（有一定運動基礎和運動水平為二級運動員）進行研究，研究結(jié)果表明高水平受試者整體膝關節(jié)開放角度較大，前膝角在95°～115°之間，后膝角度在115°～130°之間。這說明較大的膝關節(jié)開放角度能夠使得在起跑發(fā)令瞬間獲得較快的起跑速度，此時運動員的伸膝動作幅度小，蹬地時間短，便于提高頻率。Milanese等人的研究表明，當后膝關節(jié)角度從135°切換到115°然后到90°后膝角時，質(zhì)心的水平速度在蹬離起跑器和前兩步的速度顯著增加，較小的膝關節(jié)角度能促進后腿在開始的起跑器階段內(nèi)獲得更多加速度，研究還表明預備時90°后膝角度對于短跑運動員是一個提升后腿推動作用的策略。

Bezodis等人的研究中提到，增強膝伸肌力量有可能通過調(diào)整落地技術或加強相關肌肉組織來提高早期加速表現(xiàn)；他還提到后髖伸展角度可以明顯促進起跑效果，后腿的更大推動持續(xù)時間也與更高水平的起跑表現(xiàn)相關。Bezodis等人的研究突破了以往研究的局限，將后髖伸展角度引入研究中，進一步提升了研究的深度和科學性。Charalambous等人的研究也表明膝關節(jié)和髖關節(jié)有明顯的動力學差異，因此在訓練時應針對不同的關節(jié)部位，注意增強訓練的特異性，這將有利于教練員和運動員區(qū)分膝關節(jié)和髖關節(jié)的差異，從而針對性改善起跑動作。Debaere等人的研究中還提到，前腿髖關節(jié)內(nèi)收與加速度呈負相關，此研究進一步論證了髖關節(jié)與加速度的關系，為后續(xù)研究提供了借鑒。

上述研究分析了起跑器角度以及膝關節(jié)、髖關節(jié)對于起跑的影響，其中膝關節(jié)的研究較多，關于膝關節(jié)角度的數(shù)據(jù)也更為具體，但是研究者們尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論，關于膝關節(jié)角度仍需進一步論證；同時關于起跑器角度和髖關節(jié)角度的文獻較少，在起跑器角度方面考慮到前后起跑器角度的研究較少，忽略了前后起跑器的差異；在髖關節(jié)角度方面，僅強調(diào)了髖關節(jié)的重要作用，且缺少具體的數(shù)據(jù)說明，這說明髖關節(jié)的研究不足，后續(xù)研究者應提高重視。同時在膝關節(jié)和髖關節(jié)方面，多數(shù)研究忽略了膝關節(jié)和髖關節(jié)的聯(lián)系和協(xié)調(diào)作用，后續(xù)研究者應注意兩個關節(jié)的協(xié)調(diào)配合。

5 結(jié) 語

短跑比賽是人們關注的熱點，百米大戰(zhàn)更是各大田徑賽事的熱門話題，短跑的蹲踞式起跑更是與短跑沖刺有相同視覺和聽覺沖擊的環(huán)節(jié)，這足以證明蹲踞式起跑的重要性。同時對于短跑起跑的研究更有利于全方面分析短跑的環(huán)節(jié)和技術，提升短跑研究的水平，強化短跑研究的深度。通過對蹲踞式起跑的相關文獻進行分析發(fā)現(xiàn)，部分研究者在研究方法、研究內(nèi)容和研究設計上存在不足，但這些研究從起跑器、身體重心、上肢動作和起跑角度這方面進行研究，彌補了以往研究的不足，將研究關注點從中后程轉(zhuǎn)移到起點，從爆發(fā)力轉(zhuǎn)移到起跑速度，豐富了短跑研究的框架和體系，促進短跑研究的發(fā)展，從而更好地理論應用于實踐，有利于提升運動員的起跑水平。

G822

A

1674-151X（2017）20-019-02

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.20.009

投稿日期：2017-08-10

楊文（1994—），在讀碩士研究生。研究方向：休閑體育、智力運動、大眾健身。