耦合振蕩子與生物同步理論對(duì)現(xiàn)代百米技戰(zhàn)術(shù)的影響

姜雪婷　程其練　周美芳

摘要：采用文獻(xiàn)資料法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等研究方法，以2013年世界田徑錦標(biāo)賽冠亞軍Blot、Justin Gatlin的百米全程分段數(shù)據(jù)及與在世錦賽跑進(jìn)前10 s的5名選手進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)為研究重點(diǎn)，從中探索現(xiàn)代百米戰(zhàn)術(shù)突破點(diǎn)。結(jié)果表明：Blot、Justin Gatlin在100 m決賽中，Justin Gatlin的起跑及加速跑的步頻“從快到慢，從慢到快”的探索性調(diào)整；在途中跑階段，其步頻與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻相同Blot的起跑在整場(chǎng)所有運(yùn)動(dòng)員中滯后，但他沒有極力地去追趕，而是做出調(diào)整，與整場(chǎng)步頻保持相同的速度，且與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻保持在+0.15 s的幅度。Blot、Justin Gatlin在幾秒的百米競賽過程中，不斷變化著自身的步頻，即使處于不利地位也不奮力追趕，只為尋求與整場(chǎng)步頻同步的戰(zhàn)術(shù)，節(jié)約體力，只為最后一搏。由此猜想Blot、Justin Gatlin在百米競賽中運(yùn)用同步耦合的效應(yīng)，從而大大提高運(yùn)動(dòng)員體能的輸出效率，利用最小的消耗，獲得勝利。

關(guān)鍵詞：Blot、Justin Gatlin；百米戰(zhàn)術(shù)；耦合振蕩子；生物同步；步頻；體能

中圖分類號(hào)：G 808.1 文章編號(hào)：1009-783X（2017）01-0063-04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)今，各大型田徑百米賽場(chǎng)，已經(jīng)成為牙買加、美國的天下。牙買加運(yùn)動(dòng)員Bolt在百米跑道上不斷打破人類極限，將百米的世界紀(jì)錄提升至9.58 s。Justin Gatlin是雅典奧運(yùn)會(huì)冠軍，最好成績9.77 s，他們的百米技戰(zhàn)術(shù)成為了很多學(xué)者研究的內(nèi)容。在國內(nèi)，對(duì)技戰(zhàn)術(shù)的研究主要是圍繞速度、力量、心理、技戰(zhàn)術(shù)等幾方面。本文從物理學(xué)的角度，分析耦合振蕩子與生物同步理論對(duì)現(xiàn)代的百米戰(zhàn)術(shù)作用，為今后的百米戰(zhàn)術(shù)提供理論參考。

1耦合振蕩子與生物同步的概念界定

1.1耦合振蕩子與生物同步釋義

1665年2月，荷蘭物理學(xué)家、鐘擺的發(fā)明人克里斯蒂安·惠更斯開辟了一個(gè)數(shù)學(xué)分支：耦合振蕩子理論?！榜詈稀笔钦袷幾又g相互作用的一個(gè)概念，在物理學(xué)上任何一個(gè)顯示周期性運(yùn)動(dòng)的過程都屬于振蕩；因此，人體的跑步也是一種振蕩，在具有耗散結(jié)構(gòu)的振蕩體系中，當(dāng)各振蕩子處于同步的耦合狀態(tài)時(shí)，其能量的釋放過程會(huì)被增強(qiáng)。

1.2耦合振蕩子與生物同步的作用

同步耦合作用能提高能量的輸出效率，任何一個(gè)具有周期性的振蕩系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，位置和速度的關(guān)系都在一個(gè)相空間中表現(xiàn)出一個(gè)收尾相接的閉合曲線；因此，步頻在相空間中表現(xiàn)為一種環(huán)狀的振蕩結(jié)構(gòu)。由于人體內(nèi)能源供給系統(tǒng)具有惰性，運(yùn)動(dòng)員總是習(xí)慣保持在一定限度范圍內(nèi)的能耗狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，步頻在相空間閉合曲線上表現(xiàn)為一種相對(duì)穩(wěn)定的震蕩狀態(tài)。我們?cè)噲D提高這種振蕩節(jié)律時(shí)，體內(nèi)能耗的穩(wěn)定性會(huì)使震蕩曲線很快恢復(fù)到原來水平；因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員提高跑速過程中，對(duì)能量的最大耗費(fèi)點(diǎn)不是花費(fèi)在肌肉收縮上，而是在神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)“能耗級(jí)別控制閥”的不斷突破上。但如果想利用神經(jīng)內(nèi)部能量突破這個(gè)平衡點(diǎn)非常困難，為此必須耗費(fèi)很多的人力、物力和時(shí)間；但從外部，只要輕微觸動(dòng)誘導(dǎo)就可形成對(duì)“控制閾值”的低耗突破。利用同步耦合對(duì)神經(jīng)控制閾的低耗能突破作用，運(yùn)動(dòng)員可在競技的過程中，用最少能耗，賽出最好成績。

1.3耦合振蕩子與生物同步的運(yùn)用

1.3.1單個(gè)生物體中的運(yùn)用

自然界中耦合振蕩子隨處可見，但在生物體中尤其顯著：心臟中的起搏細(xì)胞；胰腺中分泌胰島素的細(xì)胞，以及大腦和脊柱中負(fù)責(zé)控制有的動(dòng)作，例如呼吸、跑步和咀嚼等的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

1.3.2不同生物體之間的運(yùn)用

事實(shí)上，并不是所有的耦合振蕩子都必定局限在同一個(gè)生物體內(nèi)，例如：在具有耗散結(jié)構(gòu)的生物體中，相互之間的同步耦合振蕩能節(jié)約能量消耗，提高行為的有效輸出功率，在大自然中，不乏有這些現(xiàn)象，在池塘里的青蛙、放在一起的鐘擺都保持在同步的狀態(tài)中。

1.3.3人運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)用

人的奔跑也是一種振蕩性的運(yùn)動(dòng)。在中長跑的比賽運(yùn)動(dòng)中，我們常?？梢钥吹接薪?jīng)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員總是緊跟在對(duì)手的后面，利用同步跑動(dòng)的耦合作用來節(jié)約自己的體能。只是在關(guān)鍵的時(shí)候，才利用所節(jié)約下來的體力進(jìn)行突然性的加速?zèng)_刺，把對(duì)手甩在后面去奪取勝利。而在短距離跑的比賽中，距離、時(shí)間短，往往運(yùn)動(dòng)員們都認(rèn)為去注意對(duì)手的步頻節(jié)奏是一種浪費(fèi)時(shí)間的舉措。在Thomas和Farlow所研究的動(dòng)物捕捉過程中，處于攻擊狀態(tài)的動(dòng)物，在發(fā)動(dòng)捕食攻擊之前先調(diào)整自己的步伐頻率，使自己和被攻擊動(dòng)物的步頻保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻擊。其發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的這個(gè)捕食行為，在距離還是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m爭奪戰(zhàn)，而不是長距離的運(yùn)動(dòng)，且在追捕過程中根據(jù)獵物的步頻節(jié)奏來調(diào)整自己，其作用在于保存節(jié)省能量，等待最后的出擊。

2研究對(duì)象與研究方法

2.1研究對(duì)象

2013年田徑世錦賽100 m冠亞軍Blot、Justin Gatlin的步頻數(shù)據(jù)，以及前5名跑進(jìn)10 s的選手的步頻數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

2.2.1文獻(xiàn)資料法

查閱田徑專業(yè)本科（普、專修）教科書6部，關(guān)于現(xiàn)在短跑技、戰(zhàn)術(shù)及耦合振蕩子理論等相關(guān)期刊文獻(xiàn)共30篇。

2.2.2數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用Office For Win-dows EXCEL軟件輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)制作。

3研究結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)分析

3.1.1數(shù)據(jù)選擇及依據(jù)

所選的比賽資料為2013年世界田徑世錦賽100 m的前5名并跑進(jìn)10 s的選手，原因是進(jìn)入世界田徑100 m決賽的運(yùn)動(dòng)員都是世界優(yōu)秀的百米運(yùn)動(dòng)員，且破10 s，他們的100 m步頻數(shù)據(jù)對(duì)研究百米戰(zhàn)術(shù)具有代表性意義。endprint

運(yùn)動(dòng)員在比賽的過程中為后來者居上，分析運(yùn)動(dòng)員是否在100 m競賽的過程運(yùn)用耦合振蕩子與生物同步的方式節(jié)約能量，最后盡全力一博。

3.1.2數(shù)據(jù)來源

本資料數(shù)據(jù)來源于2014年山東體育學(xué)院學(xué)報(bào)。其采用一種以一定的步數(shù)為分段依據(jù)的方法來解析數(shù)據(jù)，使得沒有放置分段標(biāo)志物的錄像資料也可進(jìn)行全程節(jié)奏分析，由于頂尖選手在一定時(shí)期內(nèi)百米跑所用的步數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，宏觀上主要的變化在于各分段步頻的變化，見表1。

3.1.3研究數(shù)據(jù)結(jié)果

在2013年田徑世錦賽100 m決賽的視頻中可看出，Justin Gatlin在8名運(yùn)動(dòng)員中，起跑及起跑的加速跑中，都處于相對(duì)靠前的名次，在表1中起跑（即2～5步）的步頻在這5名運(yùn)動(dòng)員中位居第二，且高于平均步頻水平；在起跑后的加速跑過渡到途中跑的過程中，Justin Gatlin在6～10步的步頻與自身起跑步頻一致，卻低于平均步頻，在11～15的步頻，不僅低于平均步頻且低于自身步頻，降低近0.1 s。Bolt在起跑階段（2～5步），與其余4名運(yùn)動(dòng)員相比步頻是最慢的，處于劣勢(shì)狀態(tài)，只有4.26 s，也與在2～5步的步頻總平均值相差近0.2 s。而在起跑后的加速跑及途中跑，他卻一直保持很穩(wěn)定的步頻，每個(gè)階段的步頻（2～15步）都保持在4.46 s。從成績上分析，2位運(yùn)動(dòng)員，在2～15步中，不斷地在調(diào)整自己的步頻，并沒有因?yàn)閮?yōu)勢(shì)乘勝追擊或是因?yàn)闇蠖F追不舍。如圖1所示，也可更加直觀地看出5名運(yùn)動(dòng)員步頻走向。Justin Gatlin在2～15步的階段，線段起伏較大，Bolt在起跑到起跑的加速跑起伏很大。

從2～15步的步頻分析，Justin Gatlin、Bolt都有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，都在保持或?qū)ふ乙粋€(gè)穩(wěn)定的步頻，沒有不斷地提高自己的跑速，占據(jù)速度上的優(yōu)勢(shì)。表明2位運(yùn)動(dòng)員重點(diǎn)在于調(diào)整自身的競技狀態(tài)，而不是隨著場(chǎng)上的因素影響，打亂速度節(jié)奏。卡爾·劉易斯的教練特勒茲說：“比賽時(shí)他（劉易斯）始終遵循如下方針：發(fā)令槍聲響后，急速從起跑器上沖出，啟動(dòng)應(yīng)當(dāng)均勻，在疾速跑段不與那些起跑速度快的對(duì)手競爭，注意身體放松，并將所達(dá)到的最大速度保持到終點(diǎn)?！彼赃@2位優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，在開始階段沒有與其他對(duì)手進(jìn)行較量，原因在于他們注意保持身體放松，去尋求與在場(chǎng)幾位運(yùn)動(dòng)員保持相同的步頻節(jié)奏。

在16～30步的步頻分析，Justin Gatlin經(jīng)過在前15步由快到慢，再由慢到快的尋求性的調(diào)整，在16～30步的關(guān)鍵階段，他的步頻調(diào)整到幾乎與其余5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻一致。Bolt在這一階段，依然保持在4.46 s的成績，很驚奇地發(fā)現(xiàn)，Bolt每一階段的步頻與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻成近等差的關(guān)系，他的每個(gè)分段步頻都與步頻平均值是+0.1 s的關(guān)系。如圖1所示，Justin Gatlin的步頻不斷趨于平均值，且有重合。Bolt的步頻非常一致，且與平均步頻保持一定的數(shù)值。這是一種耦合同步狀態(tài)，利用同步耦合對(duì)神經(jīng)控制閾的低耗能突破作用，運(yùn)動(dòng)員可在競技的過程中，用最少的能耗，提高運(yùn)動(dòng)員體能的輸出率。也可發(fā)現(xiàn)，Bolt與Justin Gatlin相比，Bolt的保持耦合步頻的能力比JustinGatlin強(qiáng)，繼而他所消耗的能量更小，且體能的輸出效率也更高。

在分析數(shù)據(jù)中，為了更加直觀地發(fā)現(xiàn)耦合振蕩子與生物同步的特征，本文將每位運(yùn)動(dòng)員的步頻值，保留整數(shù)及小數(shù)點(diǎn)后1位數(shù)。如圖1所示：首先從橫向分析，Justin Gatlin的步頻幅度相對(duì)其他選手比較穩(wěn)定，都很好地控制在4.6 s的范圍內(nèi)；其次從縱向分析，Justin Gatlin每個(gè)分段步頻與其他前5名選手相比，他每一分段的步頻與下一分段步頻的起伏差值小于0.1 s，而其他的選手起伏大于0.1 s甚至大于0.4 s；最后從總體上分析，通過表2可清晰地看出，Justin Gatlin的每一分段步頻與本場(chǎng)5名運(yùn)動(dòng)員每分段的步頻平均值相比，在起跑到加速跑階段（2～10步）與平均值相同，在過渡到途中跑的階段中出現(xiàn)了0.1 s的差異，但卻在之后的途中跑到最后的沖刺與平均值都完全相同。而Bolt的每一分段的步頻波多幅度都有效地控制在0～0.1 s的范圍內(nèi)，其他4位選手步頻的幅度較大（Justin Gat-lin：0～0.2 s；Nesta Carter：0～0.3 s；Kemar Bailey-Cole和Nickel Ashmeade：0～0.4 s；）；從總體上分析，Bolt每一階段的步頻與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻成近等差的關(guān)系，他的每個(gè)分段步頻都與步頻平均值是+0.1 s的關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)的分析顯示，Bolt在比賽的過程中，不斷調(diào)節(jié)自身的頻率，并且超越了不僅與其他4名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻相同的節(jié)奏，而且在4名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻基礎(chǔ)上再加上自己相對(duì)穩(wěn)定的步頻，進(jìn)一步達(dá)到耦合振蕩子與生物同步狀態(tài)。

以上分析表明：Justin Gatlin在16～20步、21～25步、26～30步、31～36步的步頻分別與其余5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻4.7s、4.6 s、4.6 s、4.5 s完全相同，Blot的步頻分別是4.5 s、4.5 s、4.5 s、4.4 s與平均值都保持在正負(fù)O.1 s。由此數(shù)據(jù)可以判定：Justin Gatlin、Blot的步頻出現(xiàn)了耦合振蕩同步效應(yīng)，Justin Gatlin、Blot的耦合振蕩相應(yīng)出現(xiàn)在21～35步，處于百米競技的關(guān)鍵期，也是體能消耗最大的關(guān)鍵期，他們通過耦合振蕩子同步的作用，為其產(chǎn)生最大的競賽效益。還可從數(shù)據(jù)中得出，Bolt在與其余5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻發(fā)生振蕩耦合同步之外，再有效地控制自己的步頻與平均步頻保持正負(fù)0.1 s，與Justin Gatlin在體能上相比，大大提高了體能的輸出效益；所以，在最后沖刺階段，Bolt將節(jié)省下來的能量與自己高超的技術(shù)和生理?xiàng)l件，最終獲得2013年世界錦標(biāo)賽的百米冠軍。

4結(jié)論

1）“耦合”是振蕩子之間相互作用的一個(gè)概念，在物理學(xué)上任何一個(gè)顯示周期性運(yùn)動(dòng)的過程都屬于振蕩；因此，人體的跑步也是一種振蕩，在具有耗散結(jié)構(gòu)的振蕩體系中，當(dāng)各振蕩子處于同步的耦合狀態(tài)時(shí)，其能量的釋放過程會(huì)被增強(qiáng)。人在奔跑也是一種振蕩性的運(yùn)動(dòng)。在Thomas和Farlow所研究的動(dòng)物捕食過程中，處于攻擊狀態(tài)的動(dòng)物，在發(fā)動(dòng)捕食攻擊之前先調(diào)整自己的步伐頻率，使自己和被攻擊動(dòng)物的步頻保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻擊。其發(fā)現(xiàn)動(dòng)物捕食的這個(gè)行為，在距離還是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m爭奪戰(zhàn)，而不是長距離的運(yùn)動(dòng)；且在追捕過程中根據(jù)獵物的步頻節(jié)奏來調(diào)整自己，其作用在于保存節(jié)省能量，等待最后的出擊。

2）在神經(jīng)系統(tǒng)的興奮與抑制機(jī)制中，人無法長時(shí)間維持高強(qiáng)度高頻率的運(yùn)動(dòng)，只有依靠不斷升降頻率來維持較高的跑速來完成百米全程。本研究中其余選手在第2～5步的步頻已經(jīng)達(dá)到相對(duì)較高的數(shù)值，而Bolt在36～40步依然可以保持且高于第2～5步的步頻，其他選手則低于第2～5步的步頻，而且，其余的選手在開始就保持較高的步頻，就必須在后面的過程中利用較低的步頻來維持體力。而Bolt、Justin Gatlin在自身所擁有優(yōu)異的百米技術(shù)的前提下，利用耦合振蕩子與生物同步戰(zhàn)術(shù)，即使起跑滯后于其他運(yùn)動(dòng)員，也沒有極力地去追趕，而是做出步頻上調(diào)整，尋求與全場(chǎng)步頻耦合，節(jié)省體力奮力一搏。

3）Justin Gatlin在2～5步、6～10步、u～15步、1～20步的步頻“從快到慢、從慢到快”進(jìn)行探索性調(diào)整，在21～45步（途中跑及沖刺階段）時(shí)個(gè)人的步頻幾乎等于其余運(yùn)動(dòng)員的平均步頻；Blot在2～5步的步頻與其他幾名運(yùn)動(dòng)員處于最后一名，而后6～30步都保持一個(gè)步頻4.46 s，在6～10步、11～15步、21～25步、26～30步、31～35步都是4.5 s，與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻都保持在正負(fù)0.1 s的狀態(tài)。由此可以判定，Justin Gatlin、Blot的步頻出現(xiàn)了耦合振蕩同步效應(yīng)，Justin Gatlin、Blot的耦合振蕩相應(yīng)出現(xiàn)在21～35步，處于百米競技的關(guān)鍵期，也是體能消耗最大的關(guān)鍵期，他們通過耦合振蕩子同步的作用，為其產(chǎn)生最大的競賽效益。

4）由于耦合振蕩子與生物同步的作用可以節(jié)約運(yùn)動(dòng)員的體能，提高輸出效率，例如Justin Gatlin、Blot發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)加大步長來提高自身的速度。通過耦合振蕩子的同步雖可以提高體能的輸出效率，但Justin Gatlin、Blot也通過與5名運(yùn)動(dòng)員的平均步頻保持一致，速度不變，從而起到儲(chǔ)存體能的作用。endprint