高速下坡跑动力学特征研究

罗 炯

高速下坡跑动力学特征研究

罗 炯

运用摄像及三维力同步测试4种不同坡角的下坡跑，结果表明：下坡跑步长短于平道跑，支撑腿在离地时人体重心比着地时低，从而使单步支撑过程中下坡跑比平道跑要省能；下坡跑导致受试者的着地方式发生很大变化，使得受试者受地面作用力大小、方向与平道跑差异明显，其中垂直作用力冲击峰值随坡角增加而增加，而活动峰值变化不明显，水平制动冲量增加的幅度比驱动冲量下降的幅度要大，制动力占主导地位，这种作用效果显然是由着地腿肌肉收缩形式的改变有关，并最终导致下坡跑单步支撑过程中出现能量节省化。

下坡跑；机械能；三维力；生物力学

下坡跑训练的主要目的是让运动员完成超出本人当前最大水平速度的练习，来增加步长和步频。目前国外对这种训练模式（上坡与下坡跑）十分重视，并广泛用于改善长距离耐力性项目运动员有氧代谢能力及下肢肌肉力量训练的常用手段。查阅相关研究报道，与平道跑相比，上、下坡跑氧耗、心率和血乳酸浓度等生理指标差异较大[1-2]，这意味着下坡跑训练方式下肢肌肉可能承受的机械载荷有较大的不同。然而，就目前能检索到的关于下坡训练的研究文献中，多数属于运动学研究方面的报道，而下肢动力学和肌电方面的研究却很少，从查阅到的最新几位学者的研究结果都是在生物力学实验室的跑台上完成的，而未查阅到真正在室外塑胶下坡跑道上快速跑时相关动力学方面的研究报告，究其原因主要是在跑道上安装测力台是一件相当困难的事情。本研究借助于北京体育大学东田径场所修建了4条下坡跑道（它是目前我国唯一的较完善的下坡训练跑道，见图1），并运用摄像、肌电及三维力同步测试了4种不同下坡跑，其相关运动学研究结果已做了报道[3]，本文重点对其动力学特征进行报道。

图1 北京体育大学东田径场斜场训练基地布置示意Fig.1 The East track and field of Beijing University of Phys'cal Education about slope training base diagram

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

12名短跑运动员（来自北京体育大学）自愿参与本次实验，他们的运动等级均为2级且在测试前均未进行过下坡跑训练。

1.2 研究方法

1.2.1 运动学参数测试 2台JVC9800高速摄像机A、B，两机固定在距跑道16 m处（镜头高分别为1.1 m、1.4 m），两机主光轴与助跑道垂直，拍摄速度100帧/s。

1.2.2 动力学参数测试 4台国产JP4060WP测力平台（先测两道，运动员休息时换成另外两道），对受试者处于平道及坡道着地腿着地缓冲及蹬伸的三维力进行监测，采样频率为500 Hz。测力台平面铺设与助跑道相同的塑胶，并与跑道塑胶齐平。同步信号由测力台触发，通过发光二极管与高速摄像机测试同步（实验现场见图1）。为了确保图像尽可能大而清晰，拍摄前进行了多次试拍，以便对摄像机的镜头高度、拍摄距离、拍摄角度、爆光时间等方面作出多种调整方案，确保每台摄像机处于最佳的位置。

1.2.3 实验安排 每个受试者必须在每种下坡跑道上完成2次有效测试。先让受试者进行试跑，以屈蹲姿势从起跑线开始，通过调整起始点找准各自的步长以便能踩上测力台，同时要求受试者“无视”测力台的存在，离开水平跑道时要求与进入下坡道的跑速相同（本研究有效测试的人体质心水平速度要求为6±0．2 m/s），且完全踏上了测力台的有效区域，下肢图像清晰。如果受试者为了踏上测力台而有意改变步幅则要求立即重新收集。为了提高图像解析的精度，实验对象被要求穿深色紧身短裤、赤膊，并在身体两侧跖趾关节、踝、膝、髋、肩、肘、腕、耳屏等关节、环节点贴放反光膜标志（美国3M公司出品）。图像解析采用北京体育大学自行开发的视讯运动图像解析系统，获得原始坐标数据后采用自编程序分析计算。

1.2.4 数据标准化处理与统计分析 由于运动摄像100帧/s，测力台采样频率为500 Hz，为了比较不同运动员在平道与坡道每个单步全过程相关参数间的差异，本研究对所有受试者下肢各关节和环节的生物力学参数进行时间标准化处理——取支撑过程时间为100%进行插值。对1%标准化时刻所插之值采用低通数字滤波进行数据平滑，图像解析选用扎齐奥尔斯基模型，最后，不同水平运动员标准化后的相关指标值分别进行曲线拟合。全部数据处理使用spss13．0分析模块进行处理，所有统计检验的显著水平设置为α=0．05。

2 结果与分析

2.1 支撑过程中躯体机械能变化特征分析

为了比较平道与下坡跑支撑过程中的躯体能量变化，我们假定整个步幅周期中，右侧着地腿从踩上测力台瞬间至离台瞬间人体质心以下部位各环节的机械能（动能和势能）相同，换言之，就是说这两个瞬间下肢各环节相对于躯体质心的位置和速度在触地和离地是相同的[4－6]。用ΔKE表示动能净增量，ΔPE表示势能净增量。

从图2可以看出：5种跑单步支撑过程中的动能增量ΔKE变化不大，4种跑（4°坡角例外）情况下的变化值无统计学意义（P＞0．05），4°下坡跑变化值相对大些，且变化趋势与其他 4种跑相反（－1．04 J）；多重比较分析可知平道、1°、2°、3°之间 ΔPE 及总机械能增量差异有统计学意义（P＜0．05），随着坡角的增加，ΔPE从 20．41 J降至 16．69 J，而总机械能增量从 20．52 J降至 16．44 J；然而，4°下坡与 1°、2°、3°下坡表现的规律却明显差异，总机械能及势能增量与平道跑几无差异，其深层原因有待于进一步探讨。从单步支撑过程中躯体的能量变化数据特征不难发现：下坡跑比平道跑似乎要省能（因为人体质心水平速度是基本不变的）。通过对步长进行分析，结果发现，受试者在下坡跑时步长短于平道跑，平均缩短约5%（3．65 m对3．47 m）。可见，下坡跑引起受试者着地方式发生了很大变化，从而引起着地腿在着地与离地瞬间人体质心垂直位移产生较大的差异。

图2 平道与坡道跑一个完整支撑过程中动能、势能及总机械能增量的变化趋势图Fig.2 The Trends diagram about kinetic energy，potential energy and total mechanical energy changes of a full support process of Flat Road and the slope running.

2.2 支撑腿受垂直力变化特征

表1数据并结合图3可以获得不同下坡跑垂直力的变化特征：

（1）不同下坡跑，支撑过程受试者所受垂直力变化基本相似——存在两个垂直峰值（A峰与B峰），A峰被称作冲击峰，主要由运动员后脚跟触地的冲击震荡引起，与跑道特征及运动鞋及鞋垫特征有关，B峰称为运动峰，它受支撑期间运动员的肌肉活动特征引起的。

（2）与水平跑相比，下坡跑垂直冲击峰值戏剧性增大，其中1°、2°、3°、4°增加比例依次为 13．2%、20．3%、34．5%、38．4%；平道跑时，冲击峰仅为体重2．81倍，而4°下坡跑，该值达体重的3．89倍，甚至已超过了活动峰值（说明表中3．82BW，BW（Body weight即体重的缩写）；多重比较结果显示，5种跑之间差异显著（P＜0．05）。

（3）活动峰峰值与坡角无关，5种跑之间均无显著差异（P＞0．05），峰值大小约为体重的3．8倍，波动范围不超过2%。摄像慢放发现，下坡跑冲击峰值显著增加与受试者力平台腿着地方式有很大关系，下坡跑时，12名受试者都采用后脚跟触地，而平道跑时，只有5名运动员存在轻微的后脚跟触地现象，而有7名运动员后脚跟几乎不触地。

（4）不同下坡引起的两个垂直峰出现时间不一样，表现为冲击峰随坡角增加而出现越早，平均约在支撑阶段标准化时刻的17%左右出现；活动峰峰值大约出现在支撑阶段的标准化时刻的35%±5%左右，但出现时刻有一定的差异（早晚似乎是随机的）．

（5）在支撑时间的5%左右垂直分力超过体重（见图3R点），约在支撑时间的83%左右垂直力低于体重（见图3Q点）。由此可见，人体重心的垂直加速是在支撑时间的5%～83%的范围内产生的，虽然平道跑与下坡跑R、Q位置出现有些波动，但重心垂直加速范围变化很小，而在支撑的其余时间内，人体才是水平加速。

图3 受试者张××5种跑支撑腿垂直反作用力随时间变化拟合曲线Fig.3 The perpendicular reaction force of the supporting leg versus time curve about the subject Zhang××during the five kinds of slope running

2.3 支撑腿受水平作用力变化特征

表1数据并结合图4可以获得不同下坡跑水平方向作用力变化特征：

（1）明显存在两个阶段（制动与驱动）、两个峰及两个谷（谷只是方向上的区别，故本文都称为峰）。与平道相比，制动C峰值随坡角增加而增加，1°、2°、3°、4°下坡跑，该峰值增加比例依次为3．94%、9．58%、18．77%、29．32%，平道跑中 C 峰值约为体重 0．858倍，而4°下坡跑，该值达体重的1．110倍，且多重比较分析显示，2°、3°、4°下坡与平道及 1°间差异显著（P＜0．05）。此外，C 峰出现在支撑阶段标准化时刻的15%左右，坡角增加，出现更晚。

图4 受试者张××五种跑支撑腿受水平方向用用力随时间变化拟合曲线Fig.3 The horizontal reaction force of the supporting leg versus time curve about the subjects Zhang××during the five kinds of slope running

（2）坡角增加，制动D峰值下降，而制动E峰值变化不明显；与平道跑相比，E峰大约出现在支撑阶段标准化时刻的33%±5%左右，其出现时刻不受坡角影响。

（3）驱动G峰值随坡角增加亦呈下降趋势，但下降的幅度并不大，其中 1°、2°、3°、4°下坡跑下降比例依次约为 4．12%、4．56%、5．27%、9．67%，在平道跑时 G 峰值约为体重 0．534 倍，而 4°下坡跑，该值降为体重的0．482倍；多重比较显示G峰值的差异主要体现在4°下坡与 1°、2°、3。、平道间的差异。G 峰出现大约在支撑阶段标准化时刻的78%左右，坡角增加其出现时刻前移。

（4）平道跑中，最大缓冲瞬间大约在支撑标准化时刻时间的45%左右，坡度增加，其出现时刻前移，也就是说缓冲时间缩短，也与运动学分析结论是一致的；制动冲量与驱动冲量均随坡角增加而显著增加（P＜0．05），但两者基本保持平衡，与平道跑相比，1°、2°、3°、4°制动制量经计算平均增加依次约为 15．57%、37．21%、47．15%、64．21%，驱动冲量下降平均比例依次约为11．56%、25．43%、38．43%、45．41%。

综合垂直与水平力作用变化特征，下坡跑引起的地面反作用力差异是明显的。从人体解剖及生物力学相关原理来看[7－8]，作用力相对于关节中心的方向显然受到坡角影响，相比下坡跑，平道跑虽然地面对人体的反作用力小些，但地面支反力相对于髋和踝的力臂要长些，这是否降低了该两个关节处肌肉的某些力学优势，最终引起较大的总力矩、功率和功。其次，研究认为下坡跑地面反作用力比平道跑大很多，这个反作用力是通过足与地面接触作用于骨、肌肉及其他组织的，这种冲击载荷可能存在增加肌肉骨骼系统损伤的可能性，因此，对于那些受到冲击性损伤的患者想要尽快康复时，应尽量避开下坡跑而改为上坡跑也许更为合理。最后，4种下坡跑条件下，垂直作用力冲击峰值随坡角增加而增加，而活动峰值变化不明显，这种变化趋势似乎与新陈代谢能消耗相一致[9]，即代谢能消耗与不同的肌肉收缩类型有联系，在单步支撑过程中，平道跑比下坡跑所需能量消耗要高，因为其驱动力占支配地位，下坡跑时能耗低，是由于制动力占支配地位，而驱动过程中肌肉向心收缩比制动过程肌肉的离心作用需要更多的代谢能消耗[10]。

3 结 论

（1）一个单步支撑过程中，下坡跑比平道跑似乎要省能，这种能量节省化可能是由下坡跑受试者着地方式变化引起的，因为下坡跑受试者的平均步长短于平道跑约5%，这种着地方式改变引起着地腿在着地与离地瞬间人体质心垂直位移产生较大的差异。（2）下坡跑受试者着地脚跟几乎都与地面有瞬间接触，该特征随着坡角的增加变得愈加明显；下坡跑时，受试者受地面垂直作用力冲击峰值随坡角增加而增加，而活动峰值变化不明显，这种变化趋势与新陈代谢能消耗相一致。（3）平道跑时，水平制动和驱动冲量大小基本相等而方向相反，而下坡跑时，制动冲量增加的幅度比驱动冲量下降的幅度要大，即随着坡角的增加，所需制动力比驱动力更大些，所以不能成比例地减少制动力，故下坡跑，制动冲量占支配地位。（4）不同下坡跑引起的地面反作用力的差异主要是由于作用力方向的变化导致，这些变化势必影响到地面支反力相对于髋、膝、踝3关节中心的力臂，从而使控制这三大关节的一些主要肌群获得一定的力学优势，从而更有利于SSC（strechshortening cycle离心—向心收缩）功能的发挥。

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A Dynamics Research about Slope Overspeed Running Training

LUO Jiong
（School of PE，Southwest University，Chongqing 400715，China）

The camera and three-dimensional force simultaneously technique was used to test four different slopes running.The results showed that the downhill running had shorter step length and the body center of gravity was lower in support legs touchdown than off the ground，which make lower energy consumption during in slope running.The size of the ground reaction force and direction had significantly differences in slope running，the vertical force impact peak increase following the slope angle increasing and the peak activity did not change significantly，the level of braking impulse increases scope is larger than driving impulse decrease range，and therefore its brake power is dominant in slope speeding training.The downhill running cause many changes in the way of touchdown，which shows single-step lower energy consumption in downhill running.

slope running；mechanical energy；three-dimensional force；biomechanics

G 804.6

A

1005-0000（2012）01-0046-03

2011-06-14；

2011-11-21；录用日期：2011-11-23

罗 炯（1966-），男，湖南邵阳人，博士，副教授，研究方向为运动技术诊断与全民健身。

西南大学体育学院，重庆400715。