第２６卷 第５期 体育成人教育学刊 ２０１口年ｌＯ月 Ｖｏ１．２６。Ｎｏ．５ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｐｏｒｔｓ Ａｄｕｌｔ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ０ｃｔ．，２Ｏ１０ 不同水平短跑运动员支撑过程中下肢的运动学研究 王志强 （武汉体育学院 田径教研室，湖北 武汉４３００７９） 摘 要：通过改进了的高速摄像及录像解析法，并结合“时间标准化”的方法、数理统计法，系统揭示了不同水平短跑运 动员支撑过程中支撑腿与摆动腿下肢各关节的角运动之差异，以及优秀运动员的运动学特点。 关键词：短跑；支撑过程；下肢；运动学 中图分类号：Ｇ８２２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—２６８Ｘ（２０１０）０５—００３２—０４ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｉｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｐｒｉｎｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｖｅｌｓ／／ＷＡＮＧ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｖｉｄｅｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｉｍｅ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉ０ｎ ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｌｅｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｌｅｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｖｅｌｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｓｐｒｉｎｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｐｒｉｎｔ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｌｏｗｅｒ ｉｉｍｂ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ＡｕｔｈｏＣｓ ａｄｄｒｅｓｓ Ｔｒａｃｋ ａｎｄ Ｆｉｅｌｄ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｗｕｈａｎ Ｓｐｏｒｔ Ｕｎｉｖ．，Ｗｕｈａｎ ４３００７９，Ｃｈｉｎａ 不借助外力的情况下，短跑是最快的人体运动形式，影响 趾关节、踝、膝、髋、肩、肘、腕、耳屏等关节、环节点以及身体内 跑速最关键的因素是支撑过程的技术效果。支撑过程中，身 侧膝、踝、肘等关节点上贴放反光膜标志（美国３Ｍ公司出 体各环节尤其是两腿通过有序协同配合使人体由于下落形成 品）。标志大小为２．５ｃｍ×２．５ｅｍ。测试是在全塑胶田径馆进 的向下的垂直速度转化为向上的垂直速度，并补偿由空气阻 行，为改善光照条件，摄象机主光轴两侧共加设三盏摄影灯。 力及着地时的水平制动产生的速度损失。本研究通过改进了 的高速摄像及录像解析法，并结合“时间标准化”的方法、数理 统计法，系统比较不同水平运动员在整个支撑过程中下肢运 动学参数的变化，以了解优秀运动员的运动学趋势。这不仅 有助于我们在短跑教学训练中正确把握“目标状态”，以通过 合理的训练手段与方法，促进运动员的技能表现由“现实状 态”向“Ｅｔ标状态”的提升．也是我们深入认识短跑技术的基 础。 ｌ研究对象与方法 １．１研究对象 １．２．２原始数据的获得与处理 上海市体工队及上海体育学院短跑运动员１５人。其中 使用上海体育学院运动生物力学教研室魏文仪教授编制 一级及一级以上运动员７人，本研究将其界定为优秀运动员； 的Ｓｂｃａｓ运动分析系统，对运动员两侧高速录像进行数字化 二级运动员８人。 及平滑处理。 １．２运动生物力学测试分析法 由于支撑时间的不同，以往的运动学研究中，人们普遍采 １．２．１测试方法与过程 用特征指标来描述人体的运动，如着地时的膝角（角速度）、离 为了减小曲于肢体的重叠造成的解析误差，改变以往采 地时的髋角（角速度）等。其缺陷在于忽略了对技术分析相当 单台摄像机拍摄的方法，采用两架高速摄像机（ＪＶＣ９８００）对 重要的特征指标出现的时机，如伸髋（膝）角速度最大的时刻 距起点５０ｍ处的途中跑的支撑过程进行双侧定点定焦拍摄， 等，也不利于我们对运动学参数在整个支撑过程的变化的了 机高１．０５ｍ，取景范围５ｍ，主光轴与人体运动平面垂直，拍摄 解。为了系统比较不同水平运动员支撑全过程有关参数之差 距离分别是１４．２０ｍ和１０．８０ｍ，拍摄频率为１００ ｆ．ｓ一１，快门 异，本研究对所有研究对象下肢各关节和环节的角运动进行 速度１／２５０ｓ。 了“时间标准化”处理：取每位运动员整个支撑过程的时间作 为了提高图像解析的精度，在实验对象身体两边外侧跖 为１００％，对所有的数据进行样条插值，然后取１ 标准化时 刻的数值。此后，对不同水平运动员标准化的相关指标分别 ＊ 基金项目：本文为２００９湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目（短跑途中跑下肢支撑摆动动力学研究）成果之一 （Ｄ２００９３３０４）。 ・ ３２ ・ 王志强：不同水平短跑运动员支撑过程中下肢的运动学研究 拟合以进行比较。本研究中各图中出现的““优””均指优秀运 发现与本研究相同的趋势。伊藤・章（１９９１）研究也发现，相 动员，“差”为二级运动员。 对于日本选手，世界一流选手““支撑阶段腰的位置并不是那 １．３数理统计法 么高”。高重心跑观念的形成可能与人们对短跑过程人体重 对不同水平运动员支撑过程中的相关运动学参数进行了 心的判断更多的是依据躯干的姿势有关——优秀短跑运动员 一般统计描述、均值比较（独立样本Ｔ检验及皮尔逊相关）。 跑进过程中上体几乎保持直立。而实际上，本研究的结果表 所有统计分析均使用ＳＰＳＳ１１完成。 明，跑速更快的优秀运动员其重心是相对更低的。 重心较低的支撑过程使本研究中的优秀运动员从中获益： ２结果与分析 首先，使其获得了较长的前支撑段距离（＋０．０３ｍ）、较长的体后 ２．１ 不同水平运动员支撑过程中支撑腿的运动学比较 支撑距离（＋Ｏ．Ｏ３ｍ）进而增加了他的支撑步长；其次，支撑过程 实质上是人体围绕足支点的向前转动，较低的重心势必使这个 转动半径缩短，从而使人体更快地向前运动；第三，低重心使支 撑腿的伸髋肌群，伸膝肌群以及踝关节肌群处于一种可更有效 地发力的长度范围，从而提高了其工作的效率。这也是优秀运 动员更早地结束髋、膝、踝的蹬伸的重要原因。 图１ 不同水平运动员支撑过程支撑腿髋、 膝、踝标准化角度 由图１我们可以发现，（１）无论是优秀运动员还是二级运 动员，支撑腿在着地后便开始积极地伸展髋关节，在着地及整 个支撑过程，支撑腿的伸髋后展是一个连续的过程，不存在髋 的“缓冲”。（２）优秀运动员支撑过程中，其支撑腿髋、膝、踝三 关节在着地时的角度更小，离地时的蹬伸的幅度也更小；优秀 图２ 不同水平运动员支撑过程支撑腿髋膝踝 运动员的支撑腿表现出一种低支撑的趋向——此举意味着优 标准化关节角速度 秀运动员支撑过程的重心更低。 此外，不同水平运动员最小踝角出现的时刻较最小膝角 尽管高重心跑观念为短跑理论与实践工作者普遍接受， 出现的时刻更早。即支撑过程中，踝在垂直支撑以前先达到 但该观点却从没在相关测试中得到实验的验证。事实上，早 最大缓冲，而后，膝在垂直支撑之后达到最大缓冲（前支撑时 在１ ９８３年李诚志对中美运动员支撑腿膝角的对比分析就已 间约占支撑时间的４４ ，如表１）。 表１ 不同水平运动员缓冲与蹬伸时机 注：＊表示０．０５水平（双侧），＊＊表示０．Ｏ１水平（双侧）。ｍ为角速度 通常，我们是以垂直支撑（身体重心位于支撑点的正上 秀运动员较早地结束缓冲（膝屈角速度的进一步增大）；并推 方）作为缓冲与蹬伸的转化时刻。但事实上，关节角速度的变 延了蹬伸的时间，使蹬地过程的向前性更好。 化更能真实地反映关节的角运动的特点：膝屈的角速度最大 着地脚的水平速度是影响短跑运动员着地阻力的一个重 时刻更好地反映屈膝缓冲情况，膝伸角速度最大时刻能更好 要指标。詹姆斯．海（１９８３）甚至把这它作为着地是否有制动 地反映伸膝蹬伸情况。 或减速的最关键的因素。着地时，运动员通过增加着地腿伸 从这个意义上说，在缓冲和蹬伸的时机上，优秀运动员有 髋的速度或小腿回扒的速度均可减小着地脚的水平速度。但 着不同的动作策略（见图２，表１）：更早地结束了髋伸角速度 本研究中不同水平运动员却选择不同动作策略。由图２我们 由于着地制动造成的下降（１０．６ ），并更晚地达到髋伸角速 发现，优秀运动员是通过较大的小腿回扒的角速度来实现着 度的峰值（８３ ，Ｐ＜０．０５）；膝屈角速度更早地达到峰值以结 地脚水平速度的下降的（１．２６ｍ／ｓ），而二级运动员则是通过较 束缓冲（１６ ），并更晚地达到膝伸角速度的峰值（９０ ，Ｐ＜ 大的伸髋角速度来实现的（１．３３ｍ／ｓ）。优秀运动员的这种着 ｏ．０５）；更晚地达到踝伸角速度的峰值（８９ ）。也就是说，优 地方式使其着地时有较小的支撑腿膝角，较小的髋角，并在整 ・ ３３ ・ 王志强：不同水平短跑运动员支撑过程中下肢的运动学研究 个支撑过程较小的小腿角以及较快的小腿前转角速度等—— 疑需要更快的前摆速度。而摆动腿较小的转动惯量则有利于 这种着地方式使优秀运动员在着地时下肢肌群就处于一种较 摆动腿的重心的快速前移 由图６可以发现，优秀运动员摆 有利于发挥工作效率的状态，保证了优秀运动员在低支撑的 动腿前摆过程中，踝角有较小的趋势，也就是说，优秀员保持 状态下实现人体重心的快速前移，并获得较晚的蹬伸时机。 着更大的背屈。更大的背屈有使胫骨前肌处于一种更大的收 ２．２ 不同水平运动员支撑过程中摆动腿的运动学比 缩状态，有助于改善小腿三头肌对于屈膝的主动不足，以保证 较 摆动腿的膝处于一种更有效的屈曲状态。 为了减少着地时的制动和带动人体快速向前，摆动腿无 图３不同水平运动员摆动腿标准化髋角 图４ 不同水平运动员摆动腿标准化髋角速度 图５ 不同水平运动员摆动腿标准化膝角 图６ 不同水平运动员摆动腿标准化踝角 由于优秀运动员在着地时具有较小的膝角，并在整个前 ２．３ 不同水平运动员支撑过程中两腿协同特征比较 摆过程中有较大的膝屈幅度，较小的膝伸幅度，以及较小的最 由图７可知，支撑腿与摆动腿膝角的变化均呈减小—— 小膝角（Ｐ％ｏ．０５），使其摆动腿的膝角在整个支撑摆动过程中 增大的态势，但并不同步，摆动腿膝角更早地完成折叠与打开 均较小（如图５），从而减小了摆动腿的的转动惯量，进而增加 （在垂直支撑以前）。而且，支撑腿与摆动腿的协同还呈现出 了摆动腿屈髋前摆的平均角速度（Ｐ％Ｏ．０５）。并使其抬腿更 另一种规律：如果支撑腿膝角较小，则摆动腿膝角较小（Ｒ一０． 高，也就是支撑腿离地时摆动腿有较小的髋角（见图３）。优秀 ６１２，Ｐ％０．０５），反之亦然；踝角也是如此。此结果表明，低重 运动员离地时较小的髋角以及由此导致的较大的髋屈幅度有 心跑的优秀运动员是在下肢膝与踝更加屈曲的状态下完成技 利于更有效地带动身体重心的向前，增加支撑距离，并使摆动 术的。 腿的小腿有更充裕的时间完成前摆及回扒。 １７０ 角度 （度） ｉ——差摆踝 一优摆踝Ｉ Ｉ——差支踝 一优支踝Ｉ １５０ 一 ／ １ Ｉ Ｉ摆动腿踝角 ∥ ，， １１０ 支撑腿踝角５／／ ＿１ｌ＿ １ ２１ ４１ ６１ ８１ １（Ｊ１． 图７不同水平运动员支撑过程中支撑腿与摆动腿膝角、踝角变化 如果把支撑过程人体的运动看作是肢体各环节绕关节的 动）所形成的复合运动的话，优秀运动员无疑具有较小的转动 转动（内部转动），以及整个身体绕支撑点的向前转动（外部转 半径和较小的转动惯量，因而具有更快的转动角速度，最终具 ・３４・ 王志强：不同水平短跑运动员支撑过程中下肢的运动学研究 有更快的前移速度。 中均有较高的髋剪绞速度（支撑阶段支撑腿髋角与摆动腿髋 角相对运动的平均速度，Ｐ＜０．０５）和两大腿的剪绞速度（Ｐ＜ ０．０１）。这是不同水平运动员最重要的运动学差异之一。 由于不同水平运动员支撑过程中两腿的膝与踝是在更加 屈曲的状态下完成技术的，因而，优秀运动员在整个支撑过程 图８不同水平运动员支撑阶段髋剪绞速度 图９不同水平运动员支撑阶段大腿剪绞速度 表２不同水平运动员髋工作特征比较 注：＊表示０．０５水平（双侧），＊＊表示０．０１水平（双侧）。 腿及摆动腿的膝角与踝角在整个支撑过程中均较小。由此优 秀运动员两大腿的剪绞速度更快，剪绞幅度更大，并更多地在 人体额状面前工作，较早地结束缓冲，较晚的蹬伸时机——此 技术有利于提高支撑动作效果。 （３）不同水平运动员具有不同的着地策略：着地前，优秀 运动员更多地通过更快的小腿回摆的角速度，而不是伸髋的 角速度来降低着地脚相对于地面的速度。这种着地方式更有 效地减小了脚的速度，并使其着地时及整个支撑过程均有较 图１Ｏ不同水平运动员髋角工作范围 小的支撑腿膝角，较小的髋角，最终形成了低重心跑的技术。 （依查尔斯先生来华授课材料改制） ５参考文献 ［１］伊藤・章［日］．世界一流短跑运动员的疾跑技术ＥＪ］．田径 科技信息，１９９４，１２（５）：２０． 通过对优秀运动员支撑腿和摆动腿髋角活动特点的分析 我们可以发现（如图１，图３），优秀运动员的髋角的活动范围 有顺时针前移的趋势（以向左跑为例），也就是说，优秀运动员 支撑腿和摆动腿的髋更多的是在人体额状面前工作（如图 １０）。如果把支撑腿与摆动腿的总平均髋角作为评价髋的这 种前移程度的指标，优秀运动员显然更小。此外，优秀运动员 支撑腿后摆、摆动腿前摆及两髋剪绞的幅度均较大（见表２）。 综上所述，优秀运动员髋的工作特征包括：两大腿的剪绞 ［２３茅鹏．关于途中跑技术研究——运动训练新思路［Ｍ］．北 京人民体育出版社，１９９９． ［３］菲利普小拉希．运动学和应用解剖学［Ｍ］．北京：人民体育 出版社，１９８５． Ｅ４３ Ｍ・Ａｅ，Ｋ・Ｍｉｙａｓｈｉｔａ，ｅｔａ１．在不同跑速的情况下身体各 环节在支撑阶段所起的作用［Ｍ］．魏文仪，译．北京：清华 大学出版社，１９８５． 速度较快，剪绞幅度更大，其髋的工作范围也更多地在人体额 状面前工作以提高其工作效率。 ［５］Ｐ・Ｌ・ｕｈｔａｎｅｎ ａｎｄ Ｐ・Ｖ・Ｋｏｍｉ．影响跑速的力学因素 ［Ｍ］．时学黄，译．北京：清华大学出版社，Ｉ９８９． ［６］司虎克．不同运动水平的大中小学生的短跑途中跑技术的 对比研究［Ｄ］．上海：上海体育学院硕士学位论文，１９８５． ［７］Ｍａｎｎ，Ｒ．ａｎｄ Ｈｅｒｍａｎ，Ｊ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ．ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｌｙｍｐｉｃ ｓｐｒｉｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ｍｅｎ ｓ ２００ ｍｅｔｒｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｓｐｏｒｔ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ．１９８５，（１）：１５卜１６２． （２０１０ ０５ ２２收稿） ４结论与建议 （１）优秀短跑运动员跑进过程中的重心更低，以增加支撑 步长，减小人体围绕足支点的向前转动的半径并提高转动速 度，并使支撑腿的伸髋、伸膝肌群以及踝关节肌群处于一种可 更有效地发力的长度范围，从而提高了其工作的效率。 （２）优秀运动员是在更加蜷屈的状态下完成技术的：支撑 ・ ３５ ・