不同推橇階段支撐期沖量特征與速度的關(guān)系研究

龔 敏 ，劉 猛，朱 歡，陳 超，高炳宏

（1. 上海體育大學，上海 200438；2. 廣州體育學院，廣東 廣州 510500；3. 湖北民族大學，湖北 恩施 445000）

鋼架雪車是經(jīng)典的滑行競速項目，由推橇與滑行階段組成。在推橇階段，運動員需俯身抓握把手全速推進鋼架雪車，于出發(fā)槽20～30 m 處躍上車內(nèi)，并以俯臥姿勢進入滑行階段。研究表明，快速的推橇時間對鋼架雪車運動員的運動表現(xiàn)有重要影響（Brüggemann et al.， 1997；Dabnichki， 2015； Zanoletti et al.， 2006）。在推橇階段領(lǐng)先0.1 s 可使運動員在最終比賽成績上領(lǐng)先0.3 s（Lembert et al.， 2011）。沖量是影響運動員速度變化的關(guān)鍵指標，也是影響水平方向加速能力的決定因素（Moir et al.，2015）。了解運動員在推橇階段支撐期內(nèi)的沖量特征，有利于深入理解推橇速度的獲得與保持規(guī)律，進而提高運動成績。

目前，關(guān)于推橇階段沖量的相關(guān)研究較少。鋼架雪車運動員在推橇時的下肢運動模式與短跑相似，都是通過支撐腿和擺動腿快速交替使運動員獲得最大速度。因此，鋼架雪車作為一個新興冬奧項目，在早期體能和推橇技術(shù)訓練中大量借鑒短跑的研究成果。已有研究證明短跑運動員在各個階段呈現(xiàn)出來的沖量特征具有顯著差異（Nagahara et al.， 2018a； Von et al.， 2020）。在加速初期階段，短跑運動員保持身體前傾時能產(chǎn)生更多的推進沖量，而在加速末期和最大速度階段，運動員身體接近垂直于地面，則會產(chǎn)生更多垂直方向的力。高水平短跑運動員應在加速階段增大推進沖量，而在最大速度階段增大垂直沖量并盡可能最小化制動沖量（Hunter et al.， 2005；Morin et al.， 2011； Nagahara et al.， 2018a）。但是身體姿勢會影響施力的方式和力的方向（Hicks et al.， 2020），對于在上橇前始終保持軀干前傾姿勢的鋼架雪車運動員來說，其推橇時沖量特征在不同階段是否存在差異，目前國內(nèi)外尚未有研究證實。此外，為了獲得較快的上橇前速度，鋼架雪車運動員在推橇加速階段和最大速度階段下肢著地時的最佳施力策略仍需進一步探討。

推橇過程可劃分為啟動階段、加速階段、最大速度階段和上橇階段，在各個階段保持良好的推橇技術(shù)對推橇速度極為重要。有研究將推橇第1—2 步劃分為啟動階段（Roberts， 2013），推橇第3 步為加速階段內(nèi)側(cè)腳的一個步態(tài)周期，鋼架雪車運動員在此階段加速至最大速度，而在推橇20 m 處左右則為最大速度末期階段，此時運動員達到上橇前最大推橇速度（Colyer et al.， 2018a）。探討推橇第3 步和20 m 處地面反作用力沖量的差異及其對推橇速度的重要性，能夠增進教練員和運動員對不同推橇階段能力需求的認識，對優(yōu)化推橇技術(shù)、改進訓練方法和手段、提高我國鋼架雪車運動員的推橇成績具有重要意義。因此，本研究的主要目的是探究推橇加速階段和最大速度階段的地面反作用力沖量特征及其與速度之間的關(guān)系。

1 研究方法

1.1 研究對象

選取17 名國家鋼架雪車運動員為測試對象。其中，男性運動員10 人［年齡：（22.80±0.98）歲；身高：（181.40±3.53） cm；體重：（81.81±5.02） kg］，女性運動員7 人［年齡：（20.86±1.46）歲；身高：（172.63±6.70） cm；體重（64.50±5.61） kg］；健將運動員12 人，一級運動員2 人，其他運動等級3 人。所有受試者在測試前均簽署知情同意書，近半年內(nèi)無重大損傷史，身體機能和運動狀態(tài)良好。

1.2 數(shù)據(jù)采集

采用Vicon（V5，英國）紅外三維運動捕捉系統(tǒng)進行運動學數(shù)據(jù)采集，在模擬推橇跑道左右兩側(cè)各放置7 個攝像頭，采樣頻率為200 Hz。采用Kistler 測力臺（9287CA，90×60 cm，瑞士）進行動力學數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為1 000 Hz。測試前將3 塊測力臺放入田徑館跑道上的坑洞內(nèi)（尺寸與測力臺一致），并在測力臺表面放置與跑道顏色相同的塑膠墊。運動學與動力學數(shù)據(jù)的采集由Vicon系統(tǒng)進行同步觸發(fā)。數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集環(huán)境Figure 1. Setup of Data Collecting

將運動員推橇手同側(cè)的腿（即靠近橇的一側(cè)）定義為內(nèi)側(cè)腿，另一側(cè)腿定義為外側(cè)腿。本研究分別對推橇階段第3 步和20 m 處的一個復步進行數(shù)據(jù)采集，所有運動員在測試前一天均已熟悉測試流程，并踩好步點，為避免內(nèi)外側(cè)腿差異影響本研究的測試結(jié)果，規(guī)定運動員在20 m 處用內(nèi)側(cè)腿踩上測力臺。

運動員按照比賽時的熱身計劃進行40 min 熱身。熱身結(jié)束后，運動員穿著釘鞋，男性運動員僅穿著貼身運動短褲，女性運動員穿著運動背心以及貼身運動短褲。根據(jù)Visual 3D （C-Motion Inc.， USA）人體模型建立的要求，在運動員全身貼置共46 個反光球。運動員首先進行第3步數(shù)據(jù)的采集，測試人員向運動員下達“開始測試”的口令后，運動員開始推橇起跑，過15 m 標志點后可上橇。完成一次推橇后間歇5 min 左右再次測試，每個運動員采集兩次有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)要求運動員在采集過程中反光球無掉落且第3 步踩在測力臺上。第3 步數(shù)據(jù)采集完后間歇5 min，運動員后退，距離第1 塊測力臺約20 m，測試人員向運動員下達“開始測試”的口令后，運動員擇機開始推橇，過測力臺后可上橇，每個運動員采集兩次有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)要求運動員在采集過程中反光球無掉落且內(nèi)側(cè)腳踩在測力臺上。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Visual 3D 軟件對運動學及動力學數(shù)據(jù)進行處理。濾波采用4 階butterworth 低通濾波器，運動學數(shù)據(jù)截止頻率為10 Hz，動力學數(shù)據(jù)截止頻率為50 Hz。著地時刻定義為垂直方向上的地面反作用力首次上升至20 N，而離地時刻定義為垂直方向上的地面反作用力下降至20 N。所有地面反作用力數(shù)據(jù)均進行標準化處理。運動學指標包括重心速度、制動期和推進期時長，動力學指標包括制動力、推進力、垂直力、水平制動沖量、水平推進沖量、凈水平?jīng)_量和垂直沖量。部分測試指標及定義見表1。

表1 測試指標及其定義Table1 Test Indicators and Definitions

1.4 數(shù)理統(tǒng)計

所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標準差（M±SD）表示，采用SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用配對樣本T檢驗對同一測試者不同推橇階段支撐期的地面反作用力沖量指標進行比較，采用Pearson 相關(guān)對不同推橇階段支撐期的地面反作用力沖量與速度之間的關(guān)系進行分析，相關(guān)系數(shù)r在0.00～0.20 為弱相關(guān)或無關(guān)，0.21～0.40 為弱相關(guān)，0.41～0.60 為中度相關(guān)，0.61～0.80 為強相關(guān)，0.81～1.00 為非常強的相關(guān)關(guān)系（Salkind， 2008）。盡管男性和女性運動員在推橇運動表現(xiàn)上存在差異，但是影響二者運動表現(xiàn)的力學因素一致，探討動作技術(shù)的力學與運動表現(xiàn)之間的關(guān)系不受性別影響（Wilkau et al.， 2020），因此，本研究將男、女運動員的數(shù)據(jù)合并為一組進行統(tǒng)計分析。以P＜0.05為顯著性標準。

2 研究結(jié)果

2.1 推橇階段地面反作用力沖量的特征

推橇階段第3 步和20 m 處的地面反作用力沖量相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。由圖2～圖4 可知，第3 步與20 m 處在制動期與推進期時長、制動力峰值、推進力峰值、垂直力峰值、水平制動沖量、水平推進沖量、凈水平?jīng)_量上均具有非常顯著性差異，而在垂直沖量上則不具有顯著差異。與第3 步相比，推橇20 m 處的制動期更長而推進期時長更短，制動力和垂直力峰值更大而推進力峰值更小，水平制動沖量更大而水平推進沖量、凈水平?jīng)_量更小。

表2 推橇階段第3步與20 m處支撐期地面反作用力特征（M±SD）Table 2 Characteristics of Ground Reaction Force during the Support Period at Step 3 and 20 m of Pushing Phase

圖2 第3步與20 m處制動期與推進期時長對比Figure 2. Comparison of the Duration during Braking Period and Propulsion Period at Step 3 and 20 m

圖3 第3步與20 m處地面反作用力峰值對比圖Figure 3. Comparison of the Peak Force at Step 3 and 20 m

圖4 第3步與20 m處地面反作用力沖量對比Figure 4. Comparison of the Impulse at Step 3 and 20 m

2.2 地面反作用力沖量與推橇速度的相關(guān)性

由表3 可知，水平推進沖量與推橇階段第3 步和20 m處速度呈強相關(guān)關(guān)系；凈水平?jīng)_量與第3 步速度呈強相關(guān)關(guān)系，與20 m 處速度呈非常強的相關(guān)關(guān)系；垂直沖量與第3 步速度呈強相關(guān)關(guān)系，而與20 m 處速度則沒有顯著相關(guān)關(guān)系；水平制動沖量與20 m 處速度呈中度相關(guān)關(guān)系，而與第3 步速度則沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

表3 地面反作用力沖量與推橇速度的Pearson相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Results of Pearson Correlation Analysis between Impulse and Push Velocity

3 分析與討論

3.1 不同推橇階段地面反作用力沖量的特征

本研究目的之一是通過比較鋼架雪車運動員推橇第3 步和20 m 處地面反作用力沖量特征，探討其在推橇加速階段和最大速度階段之間的差異。研究結(jié)果表明，與第3 步相比，推橇20 m 處的制動期更長而推進期更短，制動力和垂直力峰值更大而推進力峰值更小，水平制動沖量更大而水平推進沖量、凈水平?jīng)_量更小，但是垂直沖量變化不明顯。

根據(jù)地面反作用力的朝向?qū)⒅纹诜譃橹苿悠诤屯七M期，即水平作用力方向與運動員推橇方向相反時為制動期，水平作用力方向與運動員推橇方向一致時為推進期。隨著速度加快，鋼架雪車運動員在推橇時制動期時長增加而推進期時長縮短。制動期時長增加可能與著地距離增大、著地角減小有關(guān)，而觸地時間縮短則會影響推進期時長。目前，尚未有其他研究報道推橇階段支撐期時長。與短跑運動員相比，鋼架雪車運動員推橇時第3 步的制動期時長（0.012 s vs. 0.016 s）和推進期時長（0.140～0.147 s vs. 0.164 s）均更長，制動期占比更大（7.7%～7.9% vs.8.791%）而推進期占比更?。?2.1%～92.3% vs. 91.209%）（Salol et al.， 2005； Wilkau et al.， 2020），這可能與身體姿勢有一定關(guān)系。雖然短跑運動員在第3 步時仍處于加速初期，依舊保持身體前傾的姿勢，但與鋼架雪車運動員相比，其軀干與水平面的夾角相對較大，而鋼架雪車運動員則一直保持軀干前傾的身體姿勢，雙手推橇或一只手推橇而另一只手擺臂，這種身體姿勢使下肢活動范圍受到一定限制，從而可能影響下肢的著地技術(shù)和擺動速度，導致制動期和觸地時間較長。盡管制動期和推進期時長占比存在差異，但鋼架雪車運動員推橇時制動期和推進期時長的變化特征與短跑加速階段一致（于佳彬， 2016；Wilkau et al.， 2020）。

推橇第3 步和20 m 處的峰值力在水平方向和垂直方向上均具有顯著差異。與第3 步相比，推橇20 m 處的推進力峰值更小而制動力、垂直力峰值更大。Wilkau 等（2020）報道了短跑運動員在加速階段、轉(zhuǎn)換階段和最大速度階段的地面反作用力峰值，與之相比，鋼架雪車運動員在推橇階段第3步和20 m 處的制動力、推進力和垂直力峰值均更大。但在加速階段，鋼架雪車和短跑運動員在制動力、推進力和垂直力的變化特征上一致。隨著速度加快，推進力減小而制動力和垂直力增大（Haugen et al.，2019； Mero， 1988； Mero et al.， 1986）。

與第3 步相比，推橇20 m 處的水平制動沖量更大而水平推進沖量、凈水平?jīng)_量更小。沖量的大小由力及其作用時間共同決定。由表2 可知，第3 步較小的制動沖量取決于更短的制動期時長和更小的制動力，而更大的推進沖量則與更長的推進期時長和更大的推進力有關(guān)。尚未有研究對推橇階段支撐期的沖量特征進行探討。與短跑中關(guān)于地面反作用力沖量的研究結(jié)果相比，雖然報道的距離不一致，但也可以發(fā)現(xiàn)鋼架雪車運動員在推橇時水平方向上的沖量比短跑運動員沖刺時要小，且在垂直方向上的沖量也比大部分關(guān)于短跑沖刺的研究報道的結(jié)果更?。℉unter et al.， 2005； Kawamori et al.， 2013； Morin et al.， 2015）。這可能是受測試場地、測試儀器、受試者來源、距離等因素的影響。另外，隨推橇速度加快，制動沖量增大而推進沖量和凈水平?jīng)_量減小，這與短跑沖刺中的結(jié)論一致。本研究中，在第3 步和20 m 處垂直沖量沒有明顯變化，這可能與隨推橇速度加快，雖然垂直力峰值增大，但是觸地時間縮短有關(guān)。而在短跑中關(guān)于垂直沖量變化的研究結(jié)論尚未明確。Nagahara 等（2018a）對18名來自大學運動俱樂部的受試者進行60 m 最大努力沖刺時的動力學數(shù)據(jù)進行采集與分析，結(jié)果表明隨著速度加快，垂直沖量沒有發(fā)生變化。于佳彬（2016）對短跑加速階段和最大速度階段的生物力學特征進行研究發(fā)現(xiàn)，兩階段在垂直沖量上也沒有顯著變化。然而，Kawamori 等（2013）、Morin 等（2015）的研究結(jié)果則顯示隨著速度加快，垂直沖量增大。

3.2 地面反作用力沖量與推橇速度之間的關(guān)系

本研究另一個目的是試圖探究推橇第3 步和20 m 處地面反作用力沖量與推橇速度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，鋼架雪車運動員在推橇支撐期產(chǎn)生較大的推進沖量和凈水平?jīng)_量對第3 步和20 m 處推橇速度均具有重要影響，在第3 步產(chǎn)生相對較大的垂直沖量且在20 m 處產(chǎn)生相對較大的水平制動沖量可能更有利于提高推橇速度。但是，垂直沖量與20 m 處推橇速度之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系，水平制動沖量與第3 步推橇速度之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

著地時，運動員向前的沖量通過下肢傳遞到地面，同時地面會給人體一個大小相等的反作用力，這個力被分解成一個水平向后的力和一個垂直向上的力，水平向后的力與運動員前進方向相反，通常稱之為制動力。由表3可知，水平制動沖量與推橇階段第3 步的速度之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系，提示制動沖量對加速階段的運動表現(xiàn)影響不大。但制動沖量與推橇階段20 m 處的速度呈中度正相關(guān)關(guān)系，提示在最大速度階段，相對較大的制動沖量可能與更快的推橇速度有關(guān)。而短跑的相關(guān)研究則認為較小的制動沖量是在相對較快的速度中獲得更好運動表現(xiàn)的重要因素，提出應盡可能最小化水平制動力（Nagahara et al.， 2018b）。這顯然與本研究的結(jié)果不一致。對于鋼架雪車運動員來說，在推橇時應盡可能減少制動力從而提高速度，但是在支撐期也不能完全忽略制動力的作用。在支撐期，運動員下肢肌肉做超等長收縮，在制動期做離心收縮儲存彈性勢能，然后在接下來的推進期做向心收縮以增強在最短時間內(nèi)募集肌肉的能力。因此，制動期時長和制動力大小在一定程度上會影響肌肉超等長收縮的效果。為了獲得更快的推橇速度，未來的研究可進一步探討制動力和推進力的最佳比例。

水平推進沖量與第3 步和20 m 處推橇速度均呈強相關(guān)關(guān)系，即水平推進沖量越大，推橇速度越快。有研究已證實推進沖量的大小與加速運動表現(xiàn)高度相關(guān)（Hicks et al.， 2020； Kawamori et al.， 2013； Morin et al.， 2015）。Hunter 等（2005）研究表明推進沖量可以解釋57%的短跑加速階段運動表現(xiàn)差異性。Wilkau 等（2020）研究表明在短跑最大速度階段，推進力峰值可以解釋24%的運動表現(xiàn)差異性。然而，Colyer 等（2018a）的研究顯示在加速階段初期，推進力與水平功率呈正相關(guān)，但隨著速度加快，則是制動力與水平功率更為相關(guān)。在最大速度階段，具有相對較大的推進力可以延長加速階段，使運動員更晚達到最大速度，從而有利于提高最終運動表現(xiàn)（Wilkau et al.， 2020）。因此，推進力對最大速度階段也比較重要。接近最大速度階段時，由于觸地時間太短，沒有充分的時間允許下肢肌肉進行最大收縮從而產(chǎn)生更大的峰值力（Weyand et al.， 2010）。因此，下肢能夠快速施加專項所需的力可能是限制速度的重要因素（Weyand et al.， 2010）。

根據(jù)牛頓定理，運動員重心速度的改變?nèi)Q于水平方向的沖量大小。凈水平?jīng)_量是制動沖量和推進沖量之和。在本研究中，凈水平?jīng)_量與第3 步推橇速度呈強相關(guān)關(guān)系，與20 m 處推橇速度呈非常強的相關(guān)關(guān)系，提示凈水平?jīng)_量在推橇階段的重要性。在訓練實踐中想要提高推橇階段的成績，就必須在改進或優(yōu)化推橇動作技術(shù)時產(chǎn)生盡可能大的凈水平?jīng)_量，以獲取最大速度。短跑中也有大量研究證明了凈水平?jīng)_量對其運動表現(xiàn)的關(guān)鍵作用（Haugen et al.， 2019； Morin et al.， 2012； Weyand et al.，2000）。然而，簡單地最大化凈水平?jīng)_量并不是改善加速運動表現(xiàn)的最佳方式，因為運動員仍需要產(chǎn)生垂直方向的地面反作用力，且簡單地嘗試最大化凈水平?jīng)_量也會增加觸地時間并降低步頻，可能對加速運動表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。應該將地面反作用力的大小、方向和持續(xù)時間進行最佳組合，以最大程度地提高沖刺運動表現(xiàn)（Kawamori et al.， 2013）。

垂直沖量與第3 步的推橇速度呈強相關(guān)關(guān)系，而與20 m 處推橇速度則沒有顯著相關(guān)關(guān)系，說明在推橇加速階段，除了需要產(chǎn)生更多的推進沖量和凈水平?jīng)_量外，運動員還需要產(chǎn)生一定的垂直沖量，而隨著速度加快，垂直沖量對速度的影響減小。Colyer 等（2018b）的研究也表明垂直力在接近最大速度時與運動表現(xiàn)沒有關(guān)系，但還有一部分研究認為垂直沖量與短跑加速階段運動表現(xiàn)無關(guān)（Hunter et al.， 2005； Kawamori et al.， 2013； Morin et al.，2011），而對最大速度階段的運動表現(xiàn)具有重要影響（Morin et al.， 2011； Nagahara et al.， 2018b； Salol et al.，2005），這可能與身體姿勢有關(guān)。在推橇啟動加速階段，鋼架雪車運動員需要一直保持軀干前傾的狀態(tài)，從相對靜止的身體姿勢推橇加速至最大速度，需要相對更大的垂直方向上的力在觸地期間支撐身體并推動人體向前加速，為下一次著地產(chǎn)生足夠的騰空時間。

4 結(jié)論

不同推橇階段支撐期的沖量特征存在差異。隨著推橇速度加快，水平制動沖量更大而水平推進沖量、凈水平?jīng)_量更小，但垂直沖量變化不明顯。對于我國優(yōu)秀鋼架雪車運動員來說，較大的推進沖量和凈水平?jīng)_量對推橇階段的速度極為重要，且在推橇加速階段產(chǎn)生相對較大的垂直沖量可能更有利于提高推橇速度，但也不能忽視最大速度階段制動沖量的作用，未來可以加強對制動力和推進力最佳比例的研究。在訓練實踐中，教練員或運動員優(yōu)化推橇動作技術(shù)時可以將產(chǎn)生盡可能大的推進沖量和凈水平?jīng)_量作為評價指標，且在體能訓練時應重視水平和垂直方向上力的發(fā)展，尤其是水平方向，包括最大肌力和爆發(fā)力。