男子百米一級(jí)與二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑和前3步加速三維技術(shù)分析

畢志遠(yuǎn)，王澤峰，李長東，何文捷，李建新

(1.太原師范學(xué)院，山西 晉中 030619;2.國家體育總局體育科學(xué)研究所，北京 100061；3.遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563006；4.國家體育總局體育信息中心，北京 100061；5.河北省體育科學(xué)研究所，石家莊 050011)

1 問題的提出

百米運(yùn)動(dòng)根據(jù)研究需要通?？煞譃槠鹋?、加速跑、途中跑以及沖刺跑4個(gè)技術(shù)階段[1-2]。在短跑比賽中，即使是表面上很小的進(jìn)步也能影響比賽的最終結(jié)果，如2004年雅典奧運(yùn)會(huì)男子100米決賽中排名第2的選手僅以0.01秒的差距落后于金牌得主。多數(shù)研究已經(jīng)證明，盡快從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最大速度，從而減少在次最大速度下跑步所花費(fèi)的時(shí)間，是提高整體短跑成績(jī)的有利策略[3-4]。強(qiáng)有力的起跑可使運(yùn)動(dòng)員盡快脫離靜止?fàn)顟B(tài)，盡早實(shí)現(xiàn)水平速度最大化，從而為后續(xù)加速階段創(chuàng)造有利條件，起跑加速質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員獲取最大跑速和速度耐力發(fā)揮著關(guān)鍵作用[5-6]。為了達(dá)到最大速度，起跑器上階段和后續(xù)1到3步的加速階段是影響百米成績(jī)的兩個(gè)極其重要的階段(Slawinski，2010)，對(duì)短跑整體成績(jī)的提高發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。國外有研究對(duì)預(yù)備姿勢(shì)、起跑器上階段、第1步、第2步加速技術(shù)進(jìn)行了生物力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)起跑器上階段與第1步、第2步加速技術(shù)指標(biāo)存在差異[7]。國內(nèi)關(guān)于起跑技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究較匱乏[1-2，5]，已有的研究主要圍繞優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員預(yù)備、著地、離地等特征時(shí)相參數(shù)進(jìn)行分析[1-2]，缺乏不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員間起跑技術(shù)差異的研究。本文選取男子百米一級(jí)與二級(jí)運(yùn)動(dòng)員作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其起跑器上階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，以及前3步加速身體重心水平速度、步頻、步長、支撐—騰空時(shí)間和距離等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員間起跑技術(shù)差異和影響起跑加速效果的主要因素。

2 研究對(duì)象與研究方法

2.1 研究對(duì)象

本文選取男子百米一級(jí)運(yùn)動(dòng)員6名、二級(jí)運(yùn)動(dòng)員7名作為研究對(duì)象(表1)，對(duì)其起跑和前3步加速技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析。

表1 研究對(duì)象基本信息

2.2 研究方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法：三維高速攝像解析法

表2 測(cè)試運(yùn)動(dòng)員身體Mark點(diǎn)粘貼位置

本實(shí)驗(yàn)使用14個(gè)攝像頭的Qualisys紅外光點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)捕獲測(cè)試系統(tǒng)(Oqus300，Qualisys Track Manager，瑞典)，頻率為250 Hz，采集運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為北京體育大學(xué)室內(nèi)田徑跑道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求布置攝像機(jī)并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定區(qū)域范圍為1.9 m×1 m×6 m，標(biāo)定的誤差為1 mm以內(nèi)。

對(duì)參加測(cè)試的13名一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員身上粘貼30枚Mark點(diǎn)，在跑道上進(jìn)行3次10 m全速起跑沖刺，每?jī)纱螠y(cè)試之間安排充分休息時(shí)間，選取速度最快一次起跑進(jìn)行解析，解析軟件采用Qualisys Track Manager。

2.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

采用SPSS17.0對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員間參數(shù)均值比較采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)，P<0.05為顯著性差異水平。當(dāng)r值為正值時(shí)表示正相關(guān)，當(dāng)r值為負(fù)值時(shí)表示負(fù)相關(guān)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 預(yù)備姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

表3 一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員預(yù)備姿勢(shì)關(guān)鍵參數(shù)比較

起跑之前運(yùn)動(dòng)員較好的起跑預(yù)備姿勢(shì)，有利于肌肉達(dá)到最佳發(fā)力位置，改善肌肉做功和發(fā)力的效果，使運(yùn)動(dòng)員獲得更大的起跑器上蹬離速度，實(shí)現(xiàn)理想的起跑和加速效果[5]。由研究結(jié)果可知，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員預(yù)備姿勢(shì)時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)上存在差異(P<0.05)的指標(biāo)有：后側(cè)腿膝角、軀干前傾角、后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)中心矢狀軸位置。經(jīng)相關(guān)性分析結(jié)果可知，后側(cè)腿屈膝峰值角速度與后側(cè)腿膝角呈正相關(guān)(r=0.857，P<0.05)，起跑器上階段平均水平速度與后側(cè)腿屈髖峰值角速度呈正相關(guān)(r=0.573，P<0.05)，后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)中心矢狀軸位置與起跑線到人體重心水平距離呈高度正相關(guān)(r=0.915，P<0.05)，預(yù)備姿勢(shì)時(shí)軀干前傾角與起跑器上階段后側(cè)腿伸膝幅度呈負(fù)相關(guān)(r=-0.563，P<0.05)。

預(yù)備姿勢(shì)時(shí)的后側(cè)腿在起跑器上階段發(fā)揮著重要作用，Van Coppenolle等(1989)對(duì)2名國際級(jí)選手與1名國家級(jí)選手起跑器上階段蹬離速度和前后起跑器的峰值力進(jìn)行比較分析[8]，發(fā)現(xiàn)國家級(jí)選手蹬離起跑器時(shí)速度(3.34 m/s)低于國際級(jí)選手(3.80 m/s和3.94 m/s)，國家級(jí)選手前起跑器峰值力(981 N)與國際級(jí)短跑選手(774 N和1 062 N)相似，而國家級(jí)選手后起跑器峰值力(442 N)卻遠(yuǎn)低國際級(jí)選手(1 487 N和1 333 N)，由此得出高水平運(yùn)動(dòng)員后側(cè)腿在起跑器上階段的作用非常重要。本研究預(yù)備姿勢(shì)一級(jí)運(yùn)動(dòng)員后側(cè)腿膝角大于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員，與Slawinski的研究結(jié)論一致，即高水平運(yùn)動(dòng)員后側(cè)腿膝角在預(yù)備姿勢(shì)時(shí)更大，Mero等(1983)認(rèn)為準(zhǔn)備姿勢(shì)時(shí)的關(guān)節(jié)角度差異主要是由于運(yùn)動(dòng)員力量水平的差異導(dǎo)致的，關(guān)節(jié)角度變化會(huì)引起下肢肌肉—肌腱單元長度的改變，從而對(duì)后蹬力的效果產(chǎn)生影響[9]。王澤峰[5]指出預(yù)備姿勢(shì)較大的后側(cè)腿膝角有利于縮短起跑器上蹬伸時(shí)間從而加快蹬離速度。本研究相關(guān)性分析結(jié)果顯示，預(yù)備姿勢(shì)時(shí)后側(cè)腿屈膝峰值角速度與后側(cè)腿膝角呈正相關(guān)(r=0.857，P<0.05)，起跑器上階段平均水平速度與后側(cè)腿屈髖峰值角速度呈正相關(guān)(r=0.573，P<0.05)，這說明預(yù)備姿勢(shì)較大的后側(cè)腿膝關(guān)節(jié)角度有利于提高后側(cè)腿擺動(dòng)過程中的屈膝角速度峰值，對(duì)起跑器上階段的加速效果有間接影響作用。

起跑線和人體重心間水平距離是評(píng)價(jià)短跑技術(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，Slawinski研究表明精英選手起跑線和人體重心間水平距離比優(yōu)秀選手要小，提出運(yùn)動(dòng)員相對(duì)較近的起跑線和人體重心間水平距離對(duì)運(yùn)動(dòng)員前3步起跑加速有利。Harland and Steele等研究的百米成績(jī)分別為10.35 s、11.11 s、11.85 s的3組運(yùn)動(dòng)員對(duì)應(yīng)的起跑線和人體重心間水平距離分別為：0.16 m、0.20 m、0.27 m，我國著名短跑運(yùn)動(dòng)員蘇炳添這一距離為0.23±0.01 m，本研究一級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑線和人體重心間水平距離比二級(jí)運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出更小的運(yùn)動(dòng)學(xué)趨勢(shì)(一級(jí)為0.24±0.04 m；二級(jí)為0.27±0.03 m)，與前人研究結(jié)果一致。一級(jí)運(yùn)動(dòng)員后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)中心在前后方向上位置比二級(jí)運(yùn)動(dòng)員更靠前，相關(guān)性分析結(jié)果顯示，后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)中心矢狀軸位置與起跑線和人體重心間水平距離呈高度正相關(guān)(r=0.915，P<0.05)，因此預(yù)備姿勢(shì)時(shí)較為向前的后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)中心位置更有利于縮短起跑線和人體重心間水平距離，從而可能更有利于加速起動(dòng)效果。

預(yù)備姿勢(shì)時(shí)二級(jí)運(yùn)動(dòng)員軀干前傾角顯著性小于一級(jí)運(yùn)動(dòng)員，相關(guān)性分析結(jié)果顯示后側(cè)腿起跑器上階段的伸膝幅度與軀干前傾角呈負(fù)相關(guān)(r=-0.563，P<0.05)，即預(yù)備姿勢(shì)時(shí)軀干前傾角越小起跑器上階段后側(cè)腿伸膝的幅度越大。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為支撐過程中應(yīng)減小伸膝角度，并指出支撐技術(shù)的關(guān)鍵是在擺動(dòng)腿折疊前擺配合下，支撐腿要快速有力地伸髖而不是伸膝，支撐腿的膝應(yīng)隨從和配合髖的運(yùn)動(dòng)，過大地伸膝不利于有效伸髖，因此預(yù)備姿勢(shì)時(shí)軀干適當(dāng)?shù)厍皟A有利于協(xié)調(diào)膝關(guān)節(jié)合理的蹬伸幅度從而影響起跑加速效果。

3.2 起跑器上階段角速度峰值特征

表4 一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑器上階段角速度峰值參數(shù) °/s

通過研究下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，從預(yù)備姿勢(shì)開始到起跑器上階段結(jié)束，前側(cè)腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)只完成伸髖和伸膝的動(dòng)作，前側(cè)腿髖和膝在起跑器上階段只出現(xiàn)1次關(guān)節(jié)角速度峰值，前側(cè)腿踝關(guān)節(jié)先后完成屈踝—伸踝動(dòng)作，整個(gè)過程前側(cè)腿踝關(guān)節(jié)共出現(xiàn)2次角速度峰值。預(yù)備姿勢(shì)時(shí)的后側(cè)腿在起跑器上階段先后完成了蹬伸和擺動(dòng)2個(gè)動(dòng)作，后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在起跑器上階段先后完成了伸膝—屈膝動(dòng)作，后側(cè)腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)共出現(xiàn)2次角速度峰值，后側(cè)腿踝關(guān)節(jié)先后經(jīng)歷了屈踝—伸踝—屈踝3個(gè)階段共出現(xiàn)3次角速度峰值。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員之間只有擺動(dòng)腿屈髖峰值角速度存在差異(P<0.05)，其余峰值角速度均未見顯著性差異，一級(jí)運(yùn)動(dòng)員擺動(dòng)腿屈髖峰值角速度(-489.49±62.17 °/s)顯著大于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員(-428.05±53.55 °/s)，經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑器上階段平均水平速度與擺動(dòng)腿屈髖峰值角速度呈正相關(guān)(r=0.573，P<0.05)，擺動(dòng)腿屈髖峰值角速度與支撐時(shí)間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.559，P<0.05)，因此在起跑器上階段擺動(dòng)腿的屈髖擺動(dòng)速度越快，起跑器上階段的支撐時(shí)間就越短，越有利于增大起跑器上階段的水平速度。

3.3 起跑和前3步加速的速度及步頻、步長特征

3.3.1 起跑和前3步速度特征

表5 一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑和前3步整體技術(shù)參數(shù)

目前很多研究已經(jīng)證實(shí)，百米成績(jī)與起跑加速速度以及起跑加速結(jié)束后人體重心所能達(dá)到的最大水平速度密切相關(guān)(Delecluse et al.，1995；Munro，1987；Frederick Hagy，1986)，而起跑器上階段和前3步加速技術(shù)是起跑加速技術(shù)的核心。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，起跑器上階段和前3步加速支撐階段重心平均水平與垂直速度，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員之間均不具有顯著性差異，但是一級(jí)運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出每一步平均水平速度均大于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)趨勢(shì)。對(duì)一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑器上階段開始到第3步結(jié)束時(shí)的每一步水平和垂直方向上的平均速度進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果顯示，每一步重心平均水平速度之間均具有顯著性差異(V3step>V2step>V1step>V蹬離，P<0.05)，重心平均垂直速度起跑器上階段與第1步、第2步、第3步之間均具有非常顯著性差異(P<0.05)，第1步、第2步、第3步間均不具有顯著性差異。該結(jié)果也揭示了起跑加速技術(shù)的本質(zhì)特征，即起跑加速的目的在于快速提高人體水平方向速度，而在蹬離起跑器后要減小垂直方向上速度的增加，從而獲得較大的重心水平速度和保持相對(duì)較小的重心垂直速度，從起跑器上階段開始到第3步結(jié)束水平速度增長節(jié)奏逐漸加快，每一步支撐加速的水平速度增長率分別為：10.40%、23.93%、30.54%、35.13%。

3.3.2 起跑和前3步步長、步頻特征

根據(jù)Hay James(1978)的觀點(diǎn)，在影響跑速的各因素中，步長和步頻等生物力學(xué)參數(shù)對(duì)跑速的影響程度是最大的。由表5可知，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑步長變化均呈“V”字型，起跑器上階段步長大于第1步，第1步步長最小，從第1步開始步長逐漸增大，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員步頻從起跑器上階段開始到第3步結(jié)束始終增大，除了第3步步頻一級(jí)運(yùn)動(dòng)員顯著大于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員外，其他階段步長與步頻一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員間均不具有顯著性。

目前關(guān)于步長、步頻與跑速的研究主要集中于百米全程和最大速度階段，相關(guān)研究顯示，當(dāng)跑速在3.33—8.33 m/s范圍內(nèi)時(shí)，跑速與步長之間呈顯著性正相關(guān)(Sinning，1979；Deshon，1964)，在較高速度時(shí)，步長變化不大甚至?xí)p小，而步頻成為跑速的主要影響因素(Dillman，1975；Mero，1986)[10]。本文對(duì)起跑器上階段開始至前3步起跑加速階段的各技術(shù)參數(shù)相關(guān)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，平均水平速度與平均步頻之間呈顯著性正相關(guān)(r=0.726，P<0.05)，即平均步頻越快平均水平速度就越快，平均步長與平均水平速度之間不具有相關(guān)性，因此起跑加速過程中的步頻是影響起跑加速水平速度的關(guān)鍵因素。

3.3.3 起跑加速前3步支撐與騰空階段運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

百米起跑加速過程中人體重心的快速向前移動(dòng)是通過一系列的支撐—騰空階段的快速交替運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)支撐和騰空階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析有助于我們從整體上了解起跑加速技術(shù)的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，起跑器上階段和前3步的支撐距離、支撐時(shí)間、騰空距離、騰空時(shí)間、支撐腿腳趾與重心間水平距離等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員之間均不具有顯著性差異。進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，蹬離平均水平速度與起跑器上階段支撐時(shí)間呈顯著性負(fù)相關(guān)(r=-0.846，P<0.05)，說明起跑器上階段較小的支撐時(shí)間對(duì)提升該階段的水平速度是有利的，本研究一級(jí)運(yùn)動(dòng)員支撐時(shí)間為0.36±0.06 s，二級(jí)運(yùn)動(dòng)員支撐時(shí)間為0.40±0.05 s，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員起跑器上階段支撐時(shí)間雖然無統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異，但是一級(jí)運(yùn)動(dòng)員比二級(jí)運(yùn)動(dòng)員有更短的運(yùn)動(dòng)學(xué)趨勢(shì)。

第1步水平速度增量與第1步支撐時(shí)間(r=0.767，P<0.05)、第1步支撐距離(r=0.762，P<0.05)呈顯著正相關(guān)，第2步水平速度增量與第2步支撐時(shí)間(r=0.595，P<0.05)、第2步支撐距離(r=0.589，P<0.05)呈顯著正相關(guān)，第2步水平速度增量與第2步騰空時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.735，P<0.05)。研究結(jié)果表明，起跑器上階段與第1步、第2步支撐與騰空階段的作用是不同的，起跑器上階段為了獲得較大起動(dòng)速度要求更短的支撐時(shí)間，而第1步和第2步加速階段則需要更長的支撐時(shí)間和支撐距離同時(shí)要減少騰空時(shí)間來提高水平速度。目前關(guān)于支撐—騰空時(shí)間與距離與跑速關(guān)系的研究并沒有形成一致的結(jié)論，Taylor(1977)與Mann(1985)發(fā)現(xiàn)，隨著跑速的增大，運(yùn)動(dòng)員支撐的時(shí)間縮短，騰空時(shí)間增長。王志強(qiáng)研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員水平速度與騰空時(shí)間呈負(fù)相關(guān)(r=-0.649，P<0.05)，并指出運(yùn)動(dòng)員加速的動(dòng)力只有通過支撐階段來獲得，并應(yīng)盡可能地縮短騰空時(shí)間。劉健生認(rèn)為，正確的技術(shù)應(yīng)該是騰空時(shí)間短、支撐時(shí)間也短(在支撐時(shí)間盡可能長的前提下)，因?yàn)檫@說明蹬地加速的機(jī)會(huì)多。

4 研究結(jié)論

(1)一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員預(yù)備姿勢(shì)時(shí)存在差異的指標(biāo)有：后側(cè)腿膝角、軀干前傾角、后腿髖關(guān)節(jié)中心矢狀軸位置，預(yù)備姿勢(shì)較大的后腿膝角、更為前傾的軀干以及更為向前的后腿髖關(guān)節(jié)中心矢狀軸位置與較好的后蹬起跑器效果有關(guān)。

(2)起跑器上階段一級(jí)運(yùn)動(dòng)員擺動(dòng)腿屈髖角速度峰值顯著性大于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員，較大的擺動(dòng)腿屈髖角速度峰值，有利于縮短起跑器上階段的支撐時(shí)間，提高起跑器上階段的平均水平速度。

(3)起跑器上階段和前3步，一級(jí)運(yùn)動(dòng)員重心平均水平速度比二級(jí)運(yùn)動(dòng)員有更大的運(yùn)動(dòng)學(xué)趨勢(shì)，起跑加速的目的在于快速地提高人體重心水平方向速度，減小蹬離起跑器后垂直方向上速度的增加，從而獲得較大的重心水平速度和保持相對(duì)較小的重心垂直速度。

(4)起跑器上階段至第3步加速階段，一二級(jí)運(yùn)動(dòng)員步長增長均呈“V”字型，平均步長與平均水平速度之間無相關(guān)性，平均步頻與平均水平速度之間呈顯著正相關(guān)(r=0.726，P<0.05)，起跑較快的步頻有利于水平速度的提高。

(5)起跑器上階段與第1步、第2步騰空與支撐階段的技術(shù)特點(diǎn)是不同的，起跑器上階段為了獲得較大起動(dòng)速度要求更短的支撐時(shí)間，而第1步和第2步加速階段提高水平速度則需要更長的支撐時(shí)間、支撐距離和更短的騰空時(shí)間。