不同速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員下肢動(dòng)力學(xué)特征研究

關(guān)鍵詞：不同速度；競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員；動(dòng)作技術(shù)；下肢動(dòng)力學(xué)

競(jìng)走是我國田徑傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，在國際重大比賽中屢創(chuàng)佳績。競(jìng)走項(xiàng)目兼具“競(jìng)速”與“競(jìng)技”的雙重特征，“速度”與“技術(shù)”是影響比賽結(jié)果的關(guān)鍵因素。目前，關(guān)于競(jìng)走動(dòng)作技術(shù)和速度的研究主要集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，這些研究對(duì)競(jìng)走動(dòng)作技術(shù)和成績的提高發(fā)揮了積極作用，但運(yùn)動(dòng)學(xué)分析更多的反映動(dòng)作技術(shù)的外在表象，很難深刻揭示運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)。有學(xué)者提出將運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)測(cè)試相結(jié)合，可以為分析和探討人體動(dòng)作技術(shù)的生物力學(xué)機(jī)制提供更好的依據(jù)。優(yōu)秀競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員由于具有完全成熟且技術(shù)完善的競(jìng)走步態(tài)，對(duì)這一群體的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)合研究，有助于優(yōu)化動(dòng)作技術(shù)，降低不合理動(dòng)作造成的能量過度消耗，減少運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率，還有望繪制出運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)模式，為指導(dǎo)教練員和運(yùn)動(dòng)員日?？茖W(xué)訓(xùn)練提供參考依據(jù)。

苑廷剛等對(duì)我國優(yōu)秀男、女競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員的最大速度能力和足底壓力特征進(jìn)行了研究，指出男、女運(yùn)動(dòng)員最大水平速度和垂直速度沒有明顯差異，足底最大壓力主要分布在足后部，最大壓力和壓強(qiáng)沒有明顯差異，左右足底壓力分布呈現(xiàn)不均衡分布。然而這一研究僅對(duì)不同性別優(yōu)秀競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員最大速度下的足底壓力進(jìn)行了比較分析，對(duì)于實(shí)踐訓(xùn)練的指導(dǎo)意義仍需深化。馬杰通過不同速度區(qū)間下我國青少年競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的探討，建立了不同速度區(qū)間競(jìng)走技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員不同速度區(qū)間的確立提供了參考。然而不同速度的變化，運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作和肌肉用力特征也會(huì)發(fā)生變化，同一運(yùn)動(dòng)員在不同速度區(qū)間所表現(xiàn)出的技術(shù)特征也不一樣。因此，以“速度”與“技術(shù)”為切人點(diǎn)，獲取不同速度優(yōu)秀男性和女性競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的數(shù)據(jù)顯得更為重要。

為深入探討競(jìng)走運(yùn)動(dòng)，揭示競(jìng)走的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，本研究選取一定數(shù)量的優(yōu)秀男性及女性競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員，通過分析他們不同速度競(jìng)走運(yùn)動(dòng)過程中，一個(gè)步態(tài)周期下肢承受的地面反作用力、下肢各關(guān)節(jié)方向力等力值變化曲線，探討不同性別競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中下肢動(dòng)力學(xué)特征，為優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技術(shù)、預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷、提高競(jìng)走表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)成績提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

選取中國競(jìng)走學(xué)校優(yōu)秀男、女運(yùn)動(dòng)員各8名，運(yùn)動(dòng)等級(jí)均為一級(jí)及以上，所有運(yùn)動(dòng)員簽署知情同意書，受試者基本情況如表1所示。

1.2研究方法

1.2.1儀器設(shè)備

使用SONY DSC-RXIOM4高速攝像機(jī)1臺(tái)，拍攝頻率為100Hz，三腳架、框架、標(biāo)尺、皮尺等完成運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集。采用一塊瑞士KISTLER 9287C三維測(cè)力臺(tái)，其長寬高規(guī)格為90cmx60cmx9cm，采樣頻率為1000Hz，高速攝像和三維測(cè)力臺(tái)同步采集數(shù)據(jù)。

1.2.2測(cè)試流程

測(cè)試前：確定拍攝方位，按照L=（5～6） xD確定攝像機(jī)架設(shè)位置，將高速攝像機(jī)、三維測(cè)力臺(tái)同步連接（見圖1）；測(cè)力臺(tái)以1000Hz記錄并覆蓋有合成運(yùn)動(dòng)跑步表面，以便測(cè)試區(qū)域與跑道的其余部分齊平。攝像機(jī)放置在距步行線約12.5m且垂直于步行線的位置，其中心距軌道表面1.10m。以100Hz的頻率收集同步高速視頻數(shù)據(jù)，手動(dòng)調(diào)節(jié)電子快門時(shí)間、焦距，使受試者在拍攝范圍內(nèi)清晰可見，并將信號(hào)燈放置拍攝范圍內(nèi)（但不遮擋受試者）。地面用反光膠帶粘貼2條外緣相距2.5m垂直于跑道的平行線，作為標(biāo)尺。由于受試者進(jìn)行的是矢狀面的運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)采用一臺(tái)高速攝像機(jī)，進(jìn)行了2D分析。Alkjaer等人發(fā)現(xiàn)使用關(guān)節(jié)力矩的2D模型適合人類步態(tài)分析。

測(cè)試中：在數(shù)據(jù)收集之前，每名受試者均需進(jìn)行10min的自選熱身活動(dòng)，包括慢跑、技術(shù)走和訓(xùn)練前的關(guān)節(jié)活動(dòng)練習(xí)。受試者站在室內(nèi)田徑館100m跑道起始處等待命令，起始位置距離拍攝區(qū)域約為30m，確保受試者按照目標(biāo)配速和規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作到達(dá)拍攝區(qū)域，減速距離設(shè)定為20m。操作人員發(fā)出“準(zhǔn)備、開機(jī)”命令時(shí)，攝像機(jī)開機(jī)，當(dāng)操作人員發(fā)出“開始”命令以后，受試者以競(jìng)走不同配速（中速即比賽速度，男子為250～260s/km，女子為290～300s/km；高速即比賽沖刺速度，男子為240～250s/km，女子為260～290s/km）經(jīng)過拍攝區(qū)域和三維測(cè)力臺(tái)，如果受試者以設(shè)定的速度右腳踩上三維測(cè)力臺(tái)，采集信號(hào)正常記錄為成功，然后進(jìn)行下一個(gè)速度區(qū)間的測(cè)試，在2種速度下數(shù)據(jù)采集成功之后，進(jìn)行下一位受試者測(cè)試，并做好相應(yīng)記錄。

1.2.3動(dòng)力學(xué)模型建立

依據(jù)人體下肢比例關(guān)系，建立下肢各環(huán)節(jié)質(zhì)量和質(zhì)心的回歸方程。本研究只探討矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，因而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只探討繞額狀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將人體下肢簡(jiǎn)化為大腿、小腿和足3個(gè)剛性環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間均以光滑鉸鏈連接（見圖2）。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

將高速攝像機(jī)所拍攝數(shù)據(jù)以AVI格式導(dǎo)入SIMI運(yùn)動(dòng)解析軟件中進(jìn)行解析，對(duì)原始數(shù)據(jù)采用3次樣條平滑處理，將KISTLER三維測(cè)力臺(tái)所得有效數(shù)據(jù)導(dǎo)人Excel中。對(duì)拍攝數(shù)據(jù)和測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理以達(dá)到匹配；同時(shí)為了便于比較，將每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作過程按100%進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。下肢各環(huán)節(jié)質(zhì)量按照下肢質(zhì)量回歸方程計(jì)算獲得。動(dòng)力學(xué)模型所有數(shù)據(jù)獲得后導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算。最終數(shù)據(jù)在SPSS 22.0和Origin 2020進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪圖處理。為了避免體重對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造成的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行體重的標(biāo)準(zhǔn)化處理，即測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)與體重的比值，單位為BW。

加速度誤差估計(jì)：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)儀器擺放、幀數(shù)、比例尺等和實(shí)驗(yàn)時(shí)完全一致（采樣頻率100Hz，經(jīng)3次樣條平滑，標(biāo)準(zhǔn)誤0.001）。讓網(wǎng)球做斜拋運(yùn)動(dòng)，拍攝其運(yùn)動(dòng)軌跡，并測(cè)量出實(shí)際的運(yùn)動(dòng)距離。將SIMI Motion運(yùn)動(dòng)解析軟件解析所得重力加速度值與網(wǎng)球重力加速度作比較，將9.8m/S2作為重力加速度標(biāo)準(zhǔn)，確定解析加速度的最大誤差在合理范圍，對(duì)單點(diǎn)加速度解析的結(jié)果是具有一定的可信度，對(duì)于位移和速度誤差來講，與加速度誤差相比會(huì)更小。

1.2.5統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 22.0軟件對(duì)研究所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理，用Matlab進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，用Origin 2020處理曲線圖。計(jì)量資料采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x+s）進(jìn)行描述，不同速度之間比較采用單因素方差分析，使用S-W（Shapiro-Wilk）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，Plt;0.05為具有顯著性差異。

2研究結(jié)果

本研究競(jìng)走步態(tài)周期為右腳開始接觸測(cè)力臺(tái)至右腳蹬離測(cè)力臺(tái)為止，分為著地階段、單支撐階段和后蹬階段。各階段的受力分量分為內(nèi)外、水平（前后）和垂直5個(gè)方向，分別為X、y、Z方向（X軸為內(nèi)外方向，內(nèi)為正值，外為負(fù)值；y軸為前后方向，前為正值，后為負(fù)值；Z軸為垂直方向）的反作用力、峰值力。采用逆向動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)男、女運(yùn)動(dòng)員競(jìng)走過程中下肢動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)容包括：足著地、緩沖和蹬離地面各階段地面反作用力及峰值力、下肢各關(guān)節(jié)反作用力及峰值力。

2.1 2種速度下地面反作用力與峰值力

2.1.1地面反作用力

如圖3所示，男運(yùn)動(dòng)員足內(nèi)、外方向的力在步態(tài)周期的40%，高速和中速均出現(xiàn)負(fù)方向上的最大值，此時(shí)高速大于中速，70%時(shí)兩者均達(dá)到正方向上的最大值，且無顯著性差異。水平（前后）方向的力在步態(tài)周期20%出現(xiàn)正方向上的最大值，此時(shí)高速峰值力大于中速，70%出現(xiàn)負(fù)方向上的最大值，高速和中速無顯著性差異。垂直方向的力在步態(tài)周期20%達(dá)到峰值，此時(shí)高速的力值大于中速，在步態(tài)周期的40%～60%過渡到單支撐階段，隨后逐步下降直至動(dòng)作周期結(jié)束。

女運(yùn)動(dòng)員在足、內(nèi)外方向40%高速和中速，均出現(xiàn)負(fù)方向上的最大值，此時(shí)高速大于中速，在步態(tài)周期的70%達(dá)到正方向上最大值，且無顯著性差異；水平（前后）方向的力在步態(tài)周期的20%出現(xiàn)正方向上的最大值，70%均出現(xiàn)負(fù)方向上的最大值，水平負(fù)方向高速峰值力與中速接近；垂直方向的力在步態(tài)周期的20%達(dá)到最大值，在步態(tài)周期的40%～60%過渡到單支撐階段，隨后逐步下降直至動(dòng)作周期結(jié)束。

2.1.2地面反作用力峰值

如表2所示，男運(yùn)動(dòng)員中速與高速相比足內(nèi)方向差距不顯著，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；足外方向中速與高速相比差距顯著（Plt;0.01）；足水平（前后）方向男子中速與高速相比，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；垂直方向上男子高速大于中速但無顯著性差異。女運(yùn)動(dòng)員中速與高速相比足內(nèi)方向差距不顯著，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；足外方向中速與高速相比差距顯著（Plt;0.01）；足水平（前后）方向女運(yùn)動(dòng)員水平前高速大于中速，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；垂直方向上女子高速大于中速，但無顯著性差異。

2.2 2種速度下下肢各關(guān)節(jié)反作用力和峰值力

2.2.1下肢各關(guān)節(jié)反作用力

如圖5所示，男運(yùn)動(dòng)員在X負(fù)方向，髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的20%左右均達(dá)到最大值，且高速大于中速；在X正方向，高速時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的80%左右，踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的60%左右均達(dá)到最大值，中速時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期100%左右，踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期60%左右均達(dá)到最大值。在y負(fù)方向，中速和高速髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的20%左右達(dá)到的最大值；在y正方向，中速和高速膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的90%左右均達(dá)到最大值，髖關(guān)節(jié)中速在步態(tài)周期的80%，高速在步態(tài)周期的90%達(dá)到最大值。

女運(yùn)動(dòng)員在X負(fù)方向中速和高速髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的20%左右均達(dá)到最大值，且高速大于中速；在X正方向，中速和高速時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的90%左右，踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的60%左右均達(dá)到最大值。在y負(fù)方向，中速和高速髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的20%左右達(dá)到最大值，且高速大于中速；在y正方向，中速和高速髖、膝、踝關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的90%左右均達(dá)到最大值。

2.2.2下肢各關(guān)節(jié)反作用力峰值

髖關(guān)節(jié)水平方向峰值：男子中速與高速相比，女子中速與高速相比，均有顯著性差異（Plt;0.05）。髖關(guān)節(jié)垂直方向峰值：男子中速與高速相比、女子中速與高速相比，無顯著性差異（Pgt;0.05）。

膝關(guān)節(jié)水平方向峰值：男子中速與高速相比、女子中速與高速相比，均有顯著性差異（Plt;0.05）。膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值：男子中速與高速相比、女子中速與高速相比，均有顯著性差異（Plt;0.05）。

踝關(guān)節(jié)水平方向峰值：男子中速與高速相比差距不顯著，不具有顯著性差異（Pgt;0.05）。女子中速與高速相比，具有顯著性差異（Plt;0.05）。踝關(guān)節(jié)垂直方向峰值：男子中速與高速相比，差距不顯著，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。女子中速與高速相比，具有顯著性差異（Plt;0.05），具體情況如表3、圖6所示。

3討論

目前國內(nèi)外針對(duì)競(jìng)走生物力學(xué)方面的研究主要集中在動(dòng)作技術(shù)的分析與診斷，對(duì)于競(jìng)走動(dòng)作技術(shù)的下肢動(dòng)力學(xué)特征較少涉及。部分研究對(duì)于男性和女性競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了分析，也對(duì)速度與技術(shù)模式等進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提高，男、女運(yùn)動(dòng)員均出現(xiàn)了以步頻加快為主和步長與步頻共同提高的2種不同的運(yùn)動(dòng)模式，隨著競(jìng)走速度的提高，運(yùn)動(dòng)員上下肢擺動(dòng)技術(shù)出現(xiàn)穩(wěn)定性下降，左右騰空距離和身體重心起伏隨速度的提高而增大，容易判罰騰空犯規(guī)。這些研究結(jié)果對(duì)于發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)薄弱之處，針對(duì)性提出動(dòng)作技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)措施指明了方向，但是如何具體落實(shí)到實(shí)踐中來指導(dǎo)教練員和運(yùn)動(dòng)員的科學(xué)訓(xùn)練成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究通過不同速度區(qū)間競(jìng)走運(yùn)動(dòng)過程中男性和女性運(yùn)動(dòng)員下肢足底地面反作用力、峰值力等分析，最重要的是對(duì)2個(gè)群體下肢各關(guān)節(jié)的力值曲線變化也進(jìn)行了測(cè)量分析，為不同性別競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員的下肢動(dòng)力學(xué)的具體特征提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)競(jìng)走項(xiàng)目科學(xué)化訓(xùn)練和提高運(yùn)動(dòng)員比賽成績提供理論依據(jù)和實(shí)踐支撐。

3.1地面反作用力和峰值力

競(jìng)走運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)足著地日寸地面就會(huì)對(duì)足部產(chǎn)生支撐反作用力，地面的這種支撐反作用力不但能使身體和各環(huán)節(jié)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，還能把力傳到其他附近關(guān)節(jié)。本研究將競(jìng)走步態(tài)周期的地面反作用力分為垂直、水平（前后）和內(nèi)外5個(gè)方向進(jìn)行分析，結(jié)果顯示高速及中速狀態(tài)下，男、女運(yùn)動(dòng)員在一個(gè)步態(tài)周期中垂直、水平（前后）和內(nèi)外方向地面反作用力變化趨勢(shì)接近，均為垂直方向的分力值最大，其次是水平方向的分力，內(nèi)外方向的分力最小。在垂直方向，男、女運(yùn)動(dòng)員在步態(tài)周期的20%出現(xiàn)最大峰值力為著地沖擊力峰值，在步態(tài)周期的40%～60%過渡到單支撐階段，此階段地面反作用力小于著地沖擊力峰值，隨后逐步下降直至動(dòng)作周期結(jié)束。高速時(shí)垂直方向地面反作用力的峰值均大于中速，其原因是在競(jìng)走運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)員為了獲得更快的速度就必須加大加快前腳掌蹬地的力量，同時(shí)隨著速度的增加足跟著地的地面的反作用力也隨之增加。因此，高速競(jìng)走時(shí)垂直方向地面反作用力均大于中速；在水平方向，地面反作用力反映了運(yùn)動(dòng)員足前、后方向的受力情況，其結(jié)果出現(xiàn)正、負(fù)2個(gè)階段，即從足著地到垂直支撐為制動(dòng)階段，垂直支撐到前腳掌蹬離地面為加速階段。在水平方向步態(tài)周期的20%出現(xiàn)第一波峰為正值，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，將其稱為“制動(dòng)力峰值”，在步態(tài)周期70%出現(xiàn)第二波峰為負(fù)值，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力，將其稱為“加速力峰值”。本研究發(fā)現(xiàn)，高速和中速男、女運(yùn)動(dòng)員制動(dòng)力峰值均大于加速力峰值。根據(jù)競(jìng)走技術(shù)規(guī)則要求，在足跟著地時(shí)膝關(guān)節(jié)必須伸直、勾腳尖，影響足跟著地時(shí)膝關(guān)節(jié)的緩沖，此時(shí)地面反作用力直接刺激足跟是引起制動(dòng)力峰值較大的原因，而運(yùn)動(dòng)員蹬地加速時(shí)必須增加水平方向的分力，同時(shí)為了不被判罰騰空，就要減小垂直方向的分力，這也是制動(dòng)力峰值大于加速力峰值的原因之一。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，高速和中速男、女運(yùn)動(dòng)員在步態(tài)周期的20%均出現(xiàn)垂直和水平方向的最大峰值力，此時(shí)為著地力峰值；步態(tài)周期的70%均出現(xiàn)水平方向的最大峰值力，此時(shí)為蹬地力峰值。足著地時(shí)的速度相較于頭、肩和軀干速度下降較快，產(chǎn)生第一峰值，而后為了獲得向前的沖力，運(yùn)動(dòng)員必須前腳掌用力蹬地，利用前腳掌的扒地力來增加向前的動(dòng)力，出現(xiàn)第二峰值，提示日常訓(xùn)練實(shí)踐中指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員要注重加強(qiáng)下肢，尤其是足踝部力量訓(xùn)練，提升競(jìng)走運(yùn)動(dòng)向前的動(dòng)力。

足內(nèi)、外方向反作用力反映運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)走過程中足底與地面接觸時(shí)對(duì)內(nèi)、外方向的受力情況。從表2來看，男、女運(yùn)動(dòng)員高速和中速相比，內(nèi)側(cè)受力沒有顯著性變化，足外側(cè)受力高速大于中速，高速和中速的足外側(cè)反作用力均明顯大于內(nèi)側(cè)。分析一方面與足部的解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)足跟著地過渡到全腳掌時(shí)足底所受的地面反作用力主要在足外側(cè)，外側(cè)受力遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)。另一方面，與競(jìng)走技術(shù)也有一定關(guān)系，競(jìng)走時(shí)腳后跟先著地，腳外側(cè)滾動(dòng)過渡到全腳掌，避免全腳掌拍地，規(guī)避過大的地面反作用力對(duì)踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的損傷。當(dāng)速度提高時(shí)，向前加速力增大，足外側(cè)受力會(huì)有一定的增加。作為耐力項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員至關(guān)重要的一點(diǎn)就是必須要保持較快且盡可能減少能量浪費(fèi)的速度，運(yùn)動(dòng)員在實(shí)現(xiàn)更高速度時(shí)考慮到的主要因素為增加步長和步頻。運(yùn)動(dòng)員需要采取合適的步幅和步頻來最大限度地減小能量損失，一個(gè)合理的步幅和步頻的組合可以減小空氣阻力和摩擦力，從而提高競(jìng)走速度。Padulo等人認(rèn)為增加步頻主要通過縮短地面接觸時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。此外，Hanley等研究表明在初始接觸和腳趾離地時(shí)，足部位置相對(duì)于重心的步幅長度非常重要，將腳放在重心的前面太遠(yuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致過大的制動(dòng)沖擊，無法有效維持競(jìng)走速度。因此，有效的競(jìng)走技術(shù)是一種將制動(dòng)階段速度下降到最小化的技術(shù)過程，減少推進(jìn)階段恢復(fù)速度時(shí)所需的能量。教練員日常技術(shù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)需考量運(yùn)動(dòng)員不同下肢力量水平，結(jié)合其技術(shù)特點(diǎn)制定和優(yōu)化訓(xùn)練方法和手段。

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)下肢垂直方向的峰值力男運(yùn)動(dòng)員中速時(shí)達(dá)到體重的2.25倍，高速為體重的2.32倍；女運(yùn)動(dòng)員中速時(shí)達(dá)到體重的1.78倍，高速為體重的1.80倍。分析可能是高速相對(duì)于中速運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)走中通過迅速強(qiáng)勁的蹬地力，獲得更快的速度，對(duì)地面會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊力所導(dǎo)致。Gaspare等的文獻(xiàn)研究指出運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)走速度取決于其施加在地面上的沖量。沖量是質(zhì)量與速度的乘積，競(jìng)走比賽速度的增加主要是運(yùn)動(dòng)員推動(dòng)地面來產(chǎn)生更大的沖量，從而獲得更快的速度，這時(shí)踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的推進(jìn)力和速度也伴隨增加，從而產(chǎn)生較大地面沖擊力。Challis等研究證實(shí)人體正常行走時(shí)下肢所承擔(dān)的地面反作用力最高達(dá)到體重的1.5倍，而跑步時(shí)則達(dá)到體重的2～3倍。競(jìng)走是一種異常的步態(tài)形式，當(dāng)競(jìng)走支撐時(shí)，膝關(guān)節(jié)必須伸直導(dǎo)致足著地時(shí)不能有效緩沖，引起競(jìng)走足底地面反作用力較大。伴隨速度的增加，高速?zèng)_刺階段下肢垂直方向的峰值力男、女運(yùn)動(dòng)員均明顯增大。因此，運(yùn)動(dòng)員在高速區(qū)間的技術(shù)規(guī)范性更為重要，同時(shí)也是取勝的關(guān)鍵因素之一。

3.2各關(guān)節(jié)反作用力與峰值力

不同速度下，男、女運(yùn)動(dòng)員髖、膝、踝關(guān)節(jié)水平和垂直方向的力在步態(tài)周期的20%左右均達(dá)到負(fù)方向的最大值。各關(guān)節(jié)水平和垂直方向峰值力高速均大于中速，此時(shí)為足著地，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在垂直方向的反作用力峰值接近，且大于髖關(guān)節(jié)，因?yàn)轷钻P(guān)節(jié)是承受地面反作用力的第一個(gè)關(guān)節(jié)，加之腳掌主要由骨骼和周圍韌帶構(gòu)成，對(duì)力量傳遞損失較小，而競(jìng)走運(yùn)動(dòng)中在足跟觸地時(shí)，膝關(guān)節(jié)不能屈膝，地面反作用力快速向上傳遞至膝關(guān)節(jié)。因此，踝、膝關(guān)節(jié)在著地時(shí)垂直方向的峰值力接近，隨后向上傳遞到髖關(guān)節(jié)時(shí)有所減弱，其原因可能是大腿環(huán)節(jié)有發(fā)達(dá)的肌肉和韌帶組織將地面反作用力吸收一部分，轉(zhuǎn)換為肌肉和韌帶的彈性勢(shì)能。在這個(gè)過程中下肢充當(dāng)剛性杠桿，影響髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的作用。能量產(chǎn)生的主要貢獻(xiàn)者是擺動(dòng)后期和站立早期的髖部伸肌，以及站立后期的踝關(guān)節(jié)跖屈肌。站立期間膝關(guān)節(jié)功能受限意味著擺動(dòng)腿在貢獻(xiàn)向前動(dòng)力方面的重要性增加了。因此，膝關(guān)節(jié)屈肌在擺動(dòng)階段經(jīng)歷了一個(gè)大量能量吸收的階段，這可能會(huì)增加腿部肌肉受傷的風(fēng)險(xiǎn)。一些研究發(fā)現(xiàn)競(jìng)走時(shí)足跟區(qū)域的峰值壓力更大，并且足跟峰值壓力可能是導(dǎo)致足部受傷的一個(gè)因素。因此，足跟區(qū)域的高峰值壓力很可能是競(jìng)走規(guī)則中膝部伸展導(dǎo)致脛骨和足損傷的潛在危險(xiǎn)因素。

在步態(tài)周期的40%～60%左右，當(dāng)身體通過垂直支撐面時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)水平方向的受力最小，此時(shí)右腿處于單支撐狀態(tài)。隨后左腿向前邁出，在步態(tài)周期的90%左右前腳掌蹬離地面，髖、膝關(guān)節(jié)水平方向峰值力，高速與中速相比明顯增大，此時(shí)髖部水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)明顯大于垂直方向擺動(dòng)力度，積極向前轉(zhuǎn)髖，大腿帶動(dòng)小腿順時(shí)向前“鐘擺式”擺動(dòng)，加快擺動(dòng)速度及步頻，有利于速度的增加。競(jìng)走時(shí)運(yùn)動(dòng)員兩腳按直線行走，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收致使支撐腳著地時(shí)會(huì)趨向于腳外側(cè)先著地。由于女子和男子骨盆、髖關(guān)節(jié)的差異性，導(dǎo)致髖內(nèi)收幅度的不同，腳掌外側(cè)著地的角度也會(huì)不同，從而導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)動(dòng)作技術(shù)的差異影響了踝關(guān)節(jié)水平和垂直方向上的力出現(xiàn)不同。由前面表3可以看出，高速和中速相比，女運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)水平和垂直方向反作用力峰值均顯著增加，男運(yùn)動(dòng)員雖有增加但無顯著性差異。Willems等研究指出競(jìng)走過程中踝關(guān)節(jié)外翻的增加會(huì)提升下肢受傷的風(fēng)險(xiǎn)，過度外翻可能與足部內(nèi)翻力矩增加有關(guān)，內(nèi)翻肌肉組織試圖控制運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)跖屈肌和內(nèi)翻肌肉組織產(chǎn)生過度的偏心牽引。在競(jìng)走過程中，運(yùn)動(dòng)員通過增加步長來保持較高的水平速度，踝關(guān)節(jié)外翻運(yùn)動(dòng)是為了補(bǔ)償髖部內(nèi)收，這使得競(jìng)走者能夠走直線以產(chǎn)生更大的步長。因此，這種外翻可能是競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員受傷的另一個(gè)危險(xiǎn)因素。所以，競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員平時(shí)訓(xùn)練中應(yīng)多進(jìn)行轉(zhuǎn)髖練習(xí)來提高髖關(guān)節(jié)的靈活性，加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性訓(xùn)練，增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)的柔韌性和力量訓(xùn)練，減少和避免運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生。

4結(jié)論

（1）競(jìng)走運(yùn)動(dòng)員不同速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，男、女運(yùn)動(dòng)員在一個(gè)步態(tài)周期中的地面反作用力在不同方向均為高速大于中速，且均表現(xiàn)為垂直方向分力值最大，內(nèi)外方向的分力最小，而水平方向制動(dòng)力峰值均大于加速力峰值，這一結(jié)果為日常訓(xùn)練加強(qiáng)足跟著地動(dòng)作技術(shù)規(guī)范性，同時(shí)增加蹬地力量訓(xùn)練，提高下肢肌肉用力水平提供了有力證據(jù)。

（2）男、女運(yùn)動(dòng)員髖、膝、踝各關(guān)節(jié)水平和垂直方向峰值力高速均大于中速，在足跟著地時(shí)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)垂直方向受力較大，髖關(guān)節(jié)較小，而前腳掌蹬離地面時(shí)，髖部水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)明顯大于垂直方向擺動(dòng)力度，以促進(jìn)向前轉(zhuǎn)髖，大腿帶動(dòng)小腿的“鐘擺式”擺動(dòng)，從而加快擺動(dòng)速度及步頻，利于速度的增加。因此，運(yùn)動(dòng)員在日常訓(xùn)練中一方面要加強(qiáng)髖關(guān)節(jié)的靈活性、膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性以及踝關(guān)節(jié)的柔韌性和力量訓(xùn)練；另一方面則需加強(qiáng)髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)鏈的協(xié)同和補(bǔ)償作用，準(zhǔn)確掌握競(jìng)走技術(shù)動(dòng)作的用力特點(diǎn)和順序，避免孤立、局部的訓(xùn)練方式，提高運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的合理性和科學(xué)性，減少下肢各關(guān)節(jié)損傷。