1 研究目的
本文运用运动生理学、运动生物力学及心理学等相关理论, 针对影响短跑起跑阶段的几种因素 (起跑姿势、两起跑器挡板间横向距离与挡板角度、起跑器抵脚板安放的角度、起跑姿势的动力学与运动学) , 通过查阅国内外大量文献, 归纳分析了这些因素的研究现状, 为今后短跑起跑技术的研究和改进提供思路。
2 研究方法
1) 文献资料法 (查阅中国知网近三十年关于蹲踞式起跑技术生物力学分析的期刊、优秀硕士、博士论文) 。
2) 归纳分析法。
3 结果与分析
3.1 起跑姿势的研究
短跑的特点是快速, 要想获得优异的成绩, 好的起跑技术必不可少。起跑是人体由静止状态转入加速运动状态的瞬间过程。起跑属于快速爆发力, 如果力量大, 爆发力值也增大。人体的两足获得的支撑作用力越大, 身体的加速度就越大。目前蹲踞式起跑的姿势主要有三种:接近式 (又称短子弹式) 、拉长式 (又称长子弹式) 和普通式 (又称中间式) 。
20世纪80年代, Doherty及一些教练主张采用接近式或使其重心尽量靠近起跑线的姿势。但随后人们发现接近式起跑前后脚之间的距离最短, 两足的作用力点最靠近的, 运动员必定要通过抬高髋关节来储备大腿蹬伸作用, 运动员的肩部就会明显超越手, 其势必造成身体重心有所偏低。根据运动生物力学原理, 运动员在蹬开起跑器瞬间可以获得更大的水平力。但是由于先前的姿势造成的重心过低, 很容易造成起跑时运动员身体前扑, 而运动员为了预防其跌倒, 势必要加大步幅, 这样就会造成起跑阶段步频和步幅的不协调, 严重影响途中跑加速及步频、步幅的协调。
20世纪90年代初期, Harland等教练发现起跑最主要起作用的是后蹬瞬间充分拉长腿部肌群, 所以教练就鼓励运动员采用拉长式起跑姿势。因为在一定范围内, 两腿蹬离起跑器的力量随它们距离加长而增加, 距离加大, 在起跑 (蹬起跑器) 时两腿的膝关节开放角较大, 能使蹬起跑器时发挥出较大的蹬力。但后来人们从生理学角度分析, 肌肉在收缩前必须先被拉长才能有效的收缩, 当大脑接收信号并把蹬离地面的信号传给大腿时, 其生理特点的第一个动作必是曲膝以获得更大的支撑反作用力, 这无形中在起跑上耽搁了太多的时间。而且从能量节约的角度来讲, 拉长式是最耗能量的。
普通式在拉长式的基础上作出调整, 前后脚之间的距离为个人的胫骨长度, 相当于整条腿长的45%, 而前脚到起跑线的距离为腿的60%, 约30~50厘米, 这样的姿势使前后脚不会太蹩脚, 髋关节有所下降, 重心有所上升。经Stock实验证明, 采用普通式起跑姿势能让运动员更加合理的利用小腿伸肌-比目鱼肌和腓肠肌的牵张反射, 让运动员获得最佳的小腿发力位置, 产生更大的推动身体向前的冲力, 加快水平初速度, 帮助运动员在18.3米至45.7米的距离中跑出 (三种起跑形式中) 个人的最好成绩。
3.2 起跑器抵脚板间横向距离与抵脚板角度的研究
除了前后两个起跑器抵脚板之间纵向距离会影响起跑时重心位置和关节角度, 两个抵脚板在横向上的距离同样对起跑时的各项参数有影响。横向上的距离可以影响“预备”姿势时两腿的夹角, 横向距离越大, 夹角越大, 肌肉工作时发挥的力量大小受到影响, 重心的位置也将发生变化。张国棣、王守奎的研究表明, 不同的抵脚板间横向距离对起跑时人体水平方向上力的发挥有影响, 适当的横向距离可以使运动员在起跑时获得更大的水平方向上力的发挥。而Nathaniel Brown等针对一种角度起跑器进行实验, 发现角度起跑器相较于标准起跑器对于提高起跑速度有效果, 但效果不显著。有研究表明, 起跑器抵脚板的角度会给起动的速度带来相当大的影响, 目前人们普遍认为起跑器前脚的角度为45°~50°, 后脚为75°~80°。而有研究称, 当起跑器前方的抵脚板角度较低——低至30°时, 可以产生非常快的起动速度。较低的前脚起跑角度远远优于传统的起跑器角度。其原因是这一角度能使踝关节处于良好的有效位置。起跑器抵脚板角度越低, 踝关节背屈得越大, 在这角度时, 脚趾愈接近胫骨。踝关节背屈时, 预先拉长了腓肠肌和跟腱, 就像事先拉长了橡皮筋一样。在起动时, 起跑器角度愈低 (低至30°) , 跟腱和腓肠肌拉得越长, 进而踝关节产生的力量也就越大。也有研究认为起跑器的最佳角度根据个人的身体差异而有所不同, 合适的起跑器角度与身高、体重以及蹬力成正相关;起跑时手臂不应承受重心的压力;前后膝关节在蹬离起跑器时作用各不一样, 重点在于控制膝关节的角度。Peter Barreft在短跑起跑一文提出, 使用起跑器起跑时, 头部和颈部必须在加速离开起跑线后继续保持前伸, 以保持高的加速水平。
3.3 起跑器抵脚板安放的角度分析
设定好起跑器位置后, 运动员还要调整起跑器抵趾板的角度, 以适合双脚的位置。通过对普通式起跑技术起跑前抵趾板不同的角度对起跑速度的影响进行了研究。研究方法是在其他条件相同的情况下, 将起跑器前抵脚板与水平面的夹角分别设置为70°、50°和30°, 测定不同角度下小腿三头肌的肌电图和最大蹬力。发现随着前抵脚板角度从70°—50°—30°的逐渐减小, 蹬力数值在逐渐加大, 起跑速度加快, 而反应时没有显著变化, 三个角度下的肌电活动也没有显著变化, 由此认为, 前抵脚板角度为30°时, 运动员小腿三头肌肌肉在“拉长—缩短”周期中能够获得最大利益, 能够更有效地提高收缩速度。
3.4 起跑姿势的动力学与运动学研究
枪响起跑时, 运动员由于前起跑器支撑腿的蹬伸和后起跑器支撑腿迅速前摆, 身体迅速向前上方运动, 这时重心远离支撑点, 人体产生了一种向前跌倒的状态, 这种“跌倒状态”是快速起跑的基础。根据力矩原理, 即当力作用于力臂上, 力表现的效果是转动作用。在各种运动过程中, 由于作用于身体的各部分力量的合力, 一般不通过身体的总重心, 因而产生了一个翻转力矩, 其作用的结果引起了人体运动状态的变化, 运动员在起跑时应通过技术调整来保持动态平衡。一些国家的研究认为, “高重心”预备身体姿势更为优越。起跑时抬高臀部, 超过肩20厘米左右, 此时身体重心也很高, 前腿膝关节角度为90°到100°, 后腿膝关节角为130°到140°。这种预备姿势膝关节角度较大, 后蹬及后蹬的准备动作时间短, 向前摆腿速度快, 有利于加快步频。并且由于身体重心较高, 起跑和起跑后重心向上移动幅度较小, 因此更加省力、放松。但也有研究指出, 由于高重心起跑时, 运动员获得水平起跑力较小, 起跑后的前10~15米的步频提高较慢, 影响运动员的加快速度, 对于60米及100米的起跑加速, 效果不大。
起跑时两腿蹬起跑器是获得起跑初速的主要动力, 肌肉发力则是起跑时的动力来源。王延鹏利用肌电图分析研究了短跑起跑技术肌肉用力的特点, 认为蹬离起跑器的前、后两腿的各块肌肉在振幅上存在着一定的差别, 后腿以膝关节的屈伸为主, 而前腿髓关节的伸展幅度较大。所以要提高起动速度, 就要加强后腿的大腿摆动速度和前腿的屈伸速度。为了有利于起跑时手臂迅速屈臂摆动, 起跑时重心不要压在手臂上, 前后膝关节的作用有所不同, 前膝关节角度在于控制髋关节带动膝关节外展引起起跑步幅的增大, 而后膝关节角度在于加大蹬伸力量, 加大水平加速度, 提高起跑速度。Bergamini等在研究中使用单一的惯性测量单元 (IMU) 来评价短跑起跑过程中的躯干倾角, 研究中有关于决定短跑中起跑和起跑加速度的一些生物力学因素的评价。然而, 他们没有确定IMU在这个过程中的有效性。这项研究仅表明了使用IMU来评价起跑中躯干倾角的可能性。Debaere等研究了优秀短跑运动员在起跑和之后的两个完整支撑中的表现因素, 认为不同运动学因素影响制动对屈髋、髋膝伸展的冲击。由于环节的连接, 脚趾的速度也受到相关的影响。有研究对短跑中支撑时段缓冲和蹬伸阶段进行运动学分析, 认为支撑时段中触地时间 (CT) 与缓冲 (BP) 和蹬伸 (PP) 时间的相对比例是短跑中至关重要的两个力学参数, 且40%~60%的比例最为合适。罗江南、谢洪昌等对第16届亚运会男子100m跑运动员起跑后蹬时间-压力曲线的特征进行了研究, 得出了双波峰与三波峰两种曲线类型, 并认为双波峰结构优势在于双脚后蹬时间短和双脚后蹬力量更大, 是一种更为合理的起跑后蹬时间-压力曲线结构。在起跑训练中, 我们应重点加强双脚后蹬用力协同性的训练。
4 结论与建议
1) 普通式起跑技术能够产生最佳的蹲踞式技术动作;但最佳起跑方式与最适宜起跑器角度因人而异, 通过实验找出个体运动员的最佳起跑方式与最适宜角度, 将对提高训练效果有帮助。
2) 前抵脚板角度为30°时, 运动员小腿三头肌肌肉在“拉长—缩短”周期中能够获得最大利益, 能够更有效地提高收缩速度。
3) 起跑时的动力学和运动学因素是影响起跑的主要因素, 男女运动员在身体形态上的差异也会影响起跑过程中的各关节角度, 因此针对男运动员起跑的动力学和运动学研究不一定适用于女运动员。
参考文献
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