短跑運(yùn)動(dòng)中的生理機(jī)制及影響因素研究

趙友

摘要：短跑運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)極限強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，是人體在極度缺氧條件下進(jìn)行的爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)，是典型的無(wú)氧運(yùn)動(dòng)。本文從影響短跑運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)因素出發(fā)，探討了ATP-CP系統(tǒng)供能、無(wú)氧糖酵解供能、有氧供能在短跑運(yùn)動(dòng)中的供能特點(diǎn)，認(rèn)為在100m、200m、400m的短跑中，距離越短的情況下，無(wú)氧供能占比越高、ATP-CP供能系統(tǒng)的作用越凸顯;此外，探討了神經(jīng)系統(tǒng)興奮/抑制的轉(zhuǎn)換靈活度對(duì)短跑者水平的影響，認(rèn)為轉(zhuǎn)換靈活度能顯著影響短跑者的肌群協(xié)調(diào)性，進(jìn)而影響其ATP的消耗和合成速度，從而影響短跑者的速度;認(rèn)為在訓(xùn)練中，一方面可以針對(duì)性訓(xùn)練神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，另一方面可以針對(duì)肌體能量存儲(chǔ)增加進(jìn)行訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：短跑運(yùn)動(dòng);生理機(jī)制;供能系統(tǒng);神經(jīng)系統(tǒng)

一、引言

短跑是一種典型的無(wú)氧運(yùn)動(dòng)，是一項(xiàng)極限強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，需要人體在極度缺氧的情況下進(jìn)行的爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)。從人體機(jī)能供給的角度來(lái)看，短跑的主要表現(xiàn)是探索人體最大速度的最大潛能，而速度極限則主要基于無(wú)氧代謝在100米短跑項(xiàng)目上，從1960年的10秒到2009年的9.58秒，僅僅降低了0.42秒，至今9.58秒的記錄也沒(méi)有被打破，可以說(shuō)9.58秒已經(jīng)逼近人體力量發(fā)揮的極致了。在200米短跑項(xiàng)目中，也從1968年湯姆·史密斯首破20秒大關(guān)，以19.83秒的成績(jī)奪冠，到如今同樣為100米紀(jì)錄保持者博爾特，2008年創(chuàng)造了200米19.19秒的新世界紀(jì)錄，至如今也未有人能打破。雖然在生理結(jié)構(gòu)、人體能力供應(yīng)、運(yùn)動(dòng)理論和實(shí)踐上的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，但對(duì)于短跑速度提升的作用越來(lái)越小。以“短跑運(yùn)動(dòng)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行的核心期刊檢索結(jié)果表明，從2010年以來(lái)的文獻(xiàn)研究方向主要集中于耐力訓(xùn)練[1，2]、力量訓(xùn)練[3，4]、技巧研究[5，6]等方面，對(duì)于短跑運(yùn)動(dòng)中的生理機(jī)制，如能量變化、肌肉變化的研究相對(duì)比較少。

二、短跑的關(guān)鍵影響因素

任何運(yùn)動(dòng)都必須基于能量供應(yīng)。短跑是一種典型的無(wú)氧運(yùn)動(dòng)，其能量來(lái)源包括原磷酸鹽供應(yīng)（ATP-CP），無(wú)氧糖酵解供應(yīng)和有氧供應(yīng)。姜自立[7]研究表明，在200米短跑的極限強(qiáng)度下，原始磷酸鹽的能量供應(yīng)為45%。就強(qiáng)度而言，無(wú)氧糖酵解為35%，有氧能量供應(yīng)占20%，有氧能量供應(yīng)的比例隨距離的增加而增加。在100米短跑中有氧供能僅占3%，而有氧能量比在400米處達(dá)到30%。因此，可以認(rèn)為人體在100米極限條件下的能量供應(yīng)主要來(lái)自磷酸鹽和無(wú)氧糖酵解。

ATP為人體活動(dòng)直接提供的能量。在人體細(xì)胞中，ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)能量的貯存和釋放，從而保證人體細(xì)胞各種生命活動(dòng)的能量供應(yīng)。當(dāng)ATP消耗后，CP與無(wú)氧乳酸分解產(chǎn)生能量促進(jìn)ATP的再次合成，涉及的分解速率、合成速率、肌體能源存儲(chǔ)等會(huì)影響短跑者的短跑速度，也決定了短跑者的最高速度維持時(shí)間。在由ATP和CP組成的能源供應(yīng)系統(tǒng)中，ATP的最大輸出能量可以持續(xù)約2秒，而CP的最大輸出能量是ATP的3～5倍。在劇烈運(yùn)動(dòng)中，ATP的含量變化不大，而CP的含量卻急劇下降。它的特點(diǎn)是總能量供應(yīng)低，持續(xù)時(shí)間短，輸出功率最快，無(wú)氧和無(wú)乳酸。

在眾多體育項(xiàng)目中，短跑、跳躍以及舉重都是依靠此系統(tǒng)進(jìn)行供能。運(yùn)動(dòng)者短跑能力的提升與訓(xùn)練方式、能量代謝密切相關(guān)，運(yùn)動(dòng)員不僅僅要在訓(xùn)練上下功夫，也要認(rèn)清自身的能量代謝水平，保持穩(wěn)定的心理參加訓(xùn)練和比賽才是重點(diǎn)。

三、肌體能量代謝對(duì)短跑的影響

短跑運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，專(zhuān)業(yè)男性運(yùn)動(dòng)員100m賽跑時(shí)間在10秒左右[8]，200m賽跑時(shí)間在20.3秒左右[9]，總體能量消耗并不大，但是否在極限強(qiáng)度下的運(yùn)動(dòng)對(duì)能量消耗影響較大，根據(jù)姜自立的研究[7]，200m短跑時(shí)，極限強(qiáng)度下的能量消耗為255kJ左右，中-高等強(qiáng)度下的能量消耗為450kJ左右，后者耗能比前者多80%。另外，在100m的極限強(qiáng)度下，糖酵解的供能率為35%，有氧供能為20%，中高強(qiáng)度為17%，有氧供能為35%。因此，可以認(rèn)為在短跑中，極限強(qiáng)度的距離越短與極限強(qiáng)度的維持時(shí)間越長(zhǎng)，則糖酵解和厭氧代謝的能量供給率越高。以上結(jié)果與李宏印[10]的研究結(jié)果相似。他的研究發(fā)現(xiàn)400米比賽無(wú)氧供能占比為81%，200m跑無(wú)氧供能占比為91.5%，100m跑無(wú)氧供能為96.3%。

無(wú)氧代謝是短跑的主要能源。距離越短，能量供應(yīng)對(duì)無(wú)氧代謝的依賴性越強(qiáng)。因此，有必要研究ATP-CP系統(tǒng)和厭氧糖酵解。在100米以內(nèi)，該項(xiàng)目受到磷酸供應(yīng)的限制。在100米的沖刺中，僅靠磷酸系統(tǒng)的存儲(chǔ)已不能滿足項(xiàng)目的需求。因此，必須參與糖酵解和有氧氧化。相關(guān)研究表明，運(yùn)動(dòng)100 m后，ATP和CP消耗更多，能量供應(yīng)轉(zhuǎn)化為糖酵解以維持ATP的合成。結(jié)果，血液乳酸增加。當(dāng)糖酵解參與能量供應(yīng)時(shí)，輸出功率降低，運(yùn)行速度自然降低。

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行100m項(xiàng)目時(shí)，必須加強(qiáng)糖酵解系統(tǒng)的訓(xùn)練能力。任何活動(dòng)的能量直接來(lái)源都是ATP，其他物質(zhì)，如CP、糖等都是保證ATP再次合成的物質(zhì)，ATP的合成速度對(duì)于維持短跑最高速度有決定性影響。在ATP合成過(guò)程中，CP分解并釋放能量以最快地促使ATP的再合成效率，這也決定了CP是無(wú)氧運(yùn)動(dòng)（如短跑）的主要能量提供者，但其可用量太少。

王曉輝[11]的研究表明，純ATP供能，在最大輸出情況下只能維持2秒，ATP-CP系統(tǒng)供能持續(xù)7.5秒，之后由糖酵解供能。

有資料顯示[12]，磷酸原供能容量最高為420J/kg，最大輸出功率為56J/kg/s;對(duì)應(yīng)的糖酵解供能最大容量為962J/kg，最大輸出功率為29.3J/kg/s，這表明磷酸原供能量小，但是輸出快，能讓運(yùn)動(dòng)者在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高速度;糖酵解量大，但輸出速度慢，對(duì)于維持運(yùn)動(dòng)者速度有重要作用。兩種能量供給方式，決定了不同距離的鍛煉和賽跑策略，在100m跑步訓(xùn)練中要盡量加大磷酸原供能的容量能力，在200m跑步訓(xùn)練中則需要盡量加大糖酵解供能輸出能力。

四、神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)的影響

短跑的關(guān)鍵是ATP，促進(jìn)ATP的合成和減少ATP的消耗是關(guān)注的重點(diǎn)，從肌體運(yùn)動(dòng)角度看，肌肉內(nèi)阻力降低，會(huì)減少ATP的消耗;血液循環(huán)加快會(huì)促進(jìn)ATP的合成。從中樞神經(jīng)系統(tǒng)角度看，肌肉的活動(dòng)和神經(jīng)的活動(dòng)高度一致：在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，力量由各個(gè)肌肉群收縮合力產(chǎn)生，收縮速度越快產(chǎn)生的力量就大，運(yùn)動(dòng)者的速度就快，其中肌肉群的協(xié)調(diào)性是重點(diǎn);也就是說(shuō)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮和壓抑協(xié)調(diào)性非常好的情況下，肌肉的活動(dòng)會(huì)變得迅速和協(xié)調(diào)，能促進(jìn)肌肉更快的收縮和放松，即促進(jìn)速度的提升，同時(shí)減少ATP-CP的消耗。

短跑者的短跑技術(shù)，除了與所受的訓(xùn)練有關(guān)外，和其生理結(jié)構(gòu)、條件反射等關(guān)系更大，短跑者肌肉和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)對(duì)其速度起著決定性作用。短跑者的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮/抑制協(xié)調(diào)性密切相關(guān)，一旦短跑者產(chǎn)生了緊張心理，就會(huì)造成興奮的擴(kuò)散，導(dǎo)致興奮和抑制功能失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)跑步動(dòng)作變形、能量消耗加快等負(fù)面作用。在腿部抬高運(yùn)動(dòng)中，大腿屈肌中心的刺激會(huì)刺激屈肌群的收縮。同時(shí)，抑制伸肌中心，伸展肌肉群，確保屈肌群最大收縮，并提供最大的肌肉力量。如果短跑運(yùn)動(dòng)員太緊張，將導(dǎo)致屈伸中心的激發(fā)/抑制傳導(dǎo)的偏離，導(dǎo)致屈伸中心的工作不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致短跑運(yùn)動(dòng)員的力量發(fā)揮不足，短跑速度提升和維持不足。有研究表明，肌肉收縮和放松的潛伏時(shí)間能顯著影響短跑者的水平，潛伏時(shí)間越短的運(yùn)動(dòng)者，其運(yùn)動(dòng)水平越高，這也表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)的柔韌性與興奮和抑制轉(zhuǎn)換的能力密切相關(guān)，而轉(zhuǎn)換越靈活則肌肉力量的釋放越協(xié)調(diào)。

因此，通過(guò)提高神經(jīng)系統(tǒng)興奮和抑制的靈活性，可以抑制短跑運(yùn)動(dòng)員的神經(jīng)心理。它可以有效地促進(jìn)肌肉群的協(xié)調(diào)并減少ATP的消耗。

五、結(jié)語(yǔ)

短跑運(yùn)動(dòng)中的生理機(jī)制的核心就是ATP，其次就是圍繞ATP的一系列生理活動(dòng)。在短跑中，為了維持最高速度的時(shí)間，就要盡量減少不必要的ATP消耗和促進(jìn)ATP的合成。減少ATP消耗的主要方法是減少肌肉群之間的對(duì)抗作用，并增強(qiáng)活躍肌肉和對(duì)抗肌肉之間的協(xié)調(diào)性;而確保肌肉群之間的協(xié)調(diào)性就需要從神經(jīng)系統(tǒng)的興奮和抑制入手，訓(xùn)練、提高興奮和抑制轉(zhuǎn)換的靈活性是有效的辦法。此外，短跑者的心理狀態(tài)作為影響神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，也需要密切關(guān)注。

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