短跑途中跑支撑摆动动作系统研究

王志强

摘 要：途中跑是短跑最重要的技术过程，在支撑阶段，支撑腿与摆动腿在时空上的精确协同是途中跑技术的核心，并构成一个动作系统。通过运动学测试分析、数理统计、灰色关联分析等方法，对短跑途中跑支撑摆动动作系统的结构、功能及各环节的协同机制进行深入分析，并探讨下肢运动学参数是如何通过系统的改变影响跑速的。

关键词： 短跑；途中跑；支撑摆动动作系统；运动学

中图分类号： G 822.11 文章编号：1009783X（2012）06056904 文献标志码： A

支撑腿与摆动腿在时间空间上的精确协同是途中跑技术的核心，其中髋的运动学特征（大腿的角速度、幅度、工作范围）在很大程度上影响着跑速；但对诸如支撑阶段两大腿如何协调，两腿的膝、踝如何配合大腿进行相应的运动以提高两大腿的工作效率等问题还缺乏系统的认识。对短跑途中跑支撑摆动动作系统的结构、功能及各环节的协同机制的认识将告诉我们这些运动学参数是如何通过系统的改变影响跑速的，从而有利于我们更加深入了解途中跑技术的本质特征和核心技术。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

上海市田径队及上海体育学院短跑运动员15人。其中：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；二级运动员8人。

1.2 研究方法

1.2.1 运动生物力学测试分析法

为了减小由于肢体的重叠造成的解析误差，采用2架高速摄像机（JVC9800）对距起点50 m处的途中跑的支撑过程进行双侧定点定焦拍摄，机高1.05 m，取景范围5 m，主光轴与人体运动平面垂直，拍摄距离分别是14.20 m和10.80 m，拍摄频率为100帧/s，快门速度（1/250） s。

为了提高图像解析的精度，在实验对象身体两边外侧跖趾关节、踝、膝、髋、肩、肘、腕、耳屏等关节、环节点，以及身体内侧膝、踝、肘等关节点上贴放反光膜标志（美国3M公司出品）。标志大小为（2.5×2.5）cm。测试在全塑胶田径馆进行，为改善光照条件，摄像机主光轴两侧共加设3盏摄影灯。

使用上海体育学院运动生物力学教研室魏文仪教授编制的Sbcas运动分析系统，对运动员两侧高速录像进行数字化及平滑处理。

1.2.2 数理统计法

本研究对不同水平运动员的运动学参数进行了一般统计描述，并对不同水平运动员有关参数进行了均值比较（独立样本t检验）。为探寻运动学参数之间的关系，本研究对所有运动学参数进行了两两间的皮尔森相关分析。统计学分析均通过SPSS 11.0完成。

1.2.3 灰色关联分析法

短跑支撑过程中的水平速度及垂直速度的变化均可看作灰色系统，影响其功能的因素多而复杂。本研究以支撑过程中的水平速度和垂直速度变化为母因素，以有关肢体运动学参数为子因素，通过子因素与母因素的关联序，探寻影响跑速更为关键的运动学参数。

2 结果与分析

2.1 短跑途中跑支撑摆动动作系统的结构与功能

2.1.1 途中跑支撑摆动动作的系统观

系统的基本属性是结构与功能。结构是指系统内部各个组成要素之间的相对稳定的联系方式、组织秩序及其时空关系的内在表现形式。结构反映系统的内部关系，是系统的一种内在的规定性。系统的结构不同，其质的规定性就不同，系统就有质的区别。而功能是指系统与外部环境相互联系和相互作用中多表现出来的性质、能力和功效，是系统内部相对稳定的联系方式、组织秩序及时空形式的外在表现。因为系统的结构是系统功能的基础，所以只有系统的结构合理，系统的功能才能得到良好的发挥[1]。从这个意义上说，动作系统的最优化是基于动作系统结构最优化基础上的功能的最优化。

动作系统是一个多级系统，一般包括基本动作元—二级动作元—三级动作元等不同层次。其中，每级动作元都对于次级动作元构成动作系统，而次级动作元则相对上级动作元形成动作子系统。动作元相互之间按一定的秩序组织起来，从而在一定的时空中构成纵向有序和横向有序的、多层次、多维的有机整体。良好的动作系统是一个统一的整体，它的整体性来自于它的各组成动作元相互间的融贯和系统间的统协。显而易见，动作系统的运动效应（功能）依赖于基本动作元的功能以及同层次动作元相互作用，而动作系统功能的最优化不仅与基本动作元的功能有关，还与基本动作元间的平衡与协调有关[2]。

影响途中跑速度的关键是支撑过程的技术效果。其中，支撑腿与摆动腿在时空上的精确协同是途中跑技术的核心，并构成一个动作系统，我们称之为支撑摆动动作系统。对途中跑支撑摆动动作系统各环节协同机制分析，首先须明确系统结构及各级动作元的功能及相互关系，进而了解影响系统功能的主要因素。

2.1.2 支撑摆动动作系统的结构

动作系统的结构是系统元素（子系）之间相互作用的最固定和起决定作用的规律，它决定着系统本身的质的方面、系统同外界相互作用当中的完善程度，以及系统新性能的发生和系统能力的发展。对运动技术的内涵和本质特征认识的不断深入总是与对技术动作系统结构认识的创新紧密联系在一起的[3]。

跑进过程中下肢主要是在矢状面运动的，支撑阶段下肢的运动实际是大腿、小腿，以及足在矢状面上的一系列角运动，因而支撑摆动动作系统的基本动作元包括支撑腿和摆动腿的髋角、膝角和踝角，支撑过程中此6个关节角运动的时空特征的不同形成了不同的技术。由于支撑阶段最重要的目的是保持水平速度，因而，对该动作系统而言，支撑阶段的水平速度体现着系统的功能，并取决于系统结构的优化程度。

如前所述，可以把支撑腿与摆动腿在整个支撑阶段的实时配合看作一个动作系统。这个动作系统的基本动作元包括支撑腿和摆动腿的髋角、膝角和踝角。在传统的观点中，以与地面是否接触为标准，将这个动作系统分为支撑腿与摆动腿2个一级动作元，在支撑腿与摆动腿之下又有髋、膝、踝6个二级动作元，而在技术上要求蹬（支撑腿）、摆（摆动腿）配合，如图2所示。

然而，随着大量研究的深入，对于支撑阶段下肢髋、膝、踝的作用与功能也日趋深入。目前，已成为共识的观点是，在高速运动的途中跑中，髋是人体保持水平速度和产生必要垂直速度的动力之源，在摆动腿积极屈髋前摆配合下，支撑腿快速伸髋后摆是决定跑速的核心技术。为此，区别于传统观点中支撑摆动动作系统的结构，支撑腿髋与摆动腿的髋应成为该动作系统的一级动作元，而两腿的膝与踝则分别构成该动作系统的二、三级动作元，它们服从并服务于一级动作元的活动。

重构的支撑摆动动作系统结构如图3所示。该结构强调了支撑腿髋和摆动腿髋对该动作系统功能（跑速）发挥的重要作用，以及两腿膝、踝的从属地位与服务功能。相对于传统观点，它更深入地揭示了途中跑技术的本质特征。

2.1.3 各级动作元的工作特征与作用

在高速运动的途中跑中，髋是人体保持水平速度和产生必要垂直速度的动力之源的观点已为人们普遍接受，但如前所述，在支撑腿的伸髋后摆与摆动腿的屈髋前摆中哪一个因素对跑速起着更为重要的作用的问题上尚未达成共识。

实际上，摆动腿的折叠前摆与支撑腿的伸髋后摆是一个相对运动。在支撑腿与摆动腿膝、踝的有效协同下，较快的支撑腿伸髋速度必然有助于摆动腿的快速折叠前摆，反之亦然。如果没有占人体质量17%的摆动腿折叠前摆的协同配合，支撑腿便无法有效地工作；同样，没有支撑腿良好的支撑和积极的后划配合，摆动腿快速折叠前摆带动人体的快速前移的作用也无从表现，二者密切联系、互为条件，统一于在前支撑阶段减少制动冲量，后支撑阶段增加动力冲量的过程中[4]。为此，可以把两髋的剪绞速度（支撑阶段支撑腿髋角与摆动腿髋角相对运动的平均速度）作为反映一级动作元工作效率的指标，从而兼顾支撑腿伸髋后摆与摆动腿屈髋前摆的重要作用。

当前大多数研究结果认为，支撑阶段支撑腿较高的大腿后摆角速度是成功运动员的技术特点[510]；也有研究者认为短跑时人体向前运动的速度，主要是由于摆动腿的技术动作特征所决定，摆动速度快，幅度大，则跑速越快[11]。

从表1和表2中的灰色关联序可知，对于支撑阶段人体水平速度和垂直速度变化影响的程度依次均是髋的剪绞速度，支撑腿伸髋的速度，摆动腿屈髋前摆的速度。

可见，作为一个更加综合的指标，髋的剪绞速度在更大程度上决定着支撑过程人体的水平速度和垂直速度变化，它是评价支撑阶段人体动作效果更为全面、有效的指标，并在更大程度上反映着支撑摆动动作系统中一级动作元的本质特征。

综上所述，支撑腿髋与摆动腿髋构成了支撑摆动动作系统的一级动作元，两髋的剪绞速度可反映一级动作元工作效率。两髋的快速剪绞对支撑过程中人体水平速度的保持、增加，以及必要的垂直速度变化均发挥着首屈一指的作用。髋的剪绞速度是评价途中跑技术更为全面、综合的指标，较快的此速度意味着更快的跑速。由于支撑过程中髋的剪绞速度经历了加速—减速，因而一级动作元的工作特征是剪绞—制动。

而支撑腿与摆动腿的膝与踝构成支撑摆动动作系统的二、三级动作元，其工作特征是屈与伸，它们主要是通过适时、适度的屈与伸，配合一级动作元的工作，使两髋的剪绞在更适宜的工作范围、以更快的工作速度和更有序的协同方式有效地推动人体的快速向前，实现其工作效率的最优化。

2.2 影响支撑摆动动作系统功能的主要运动学因素及其关系

2.2.1 支撑摆动动作系统功能评价的基本思路

对每一个技术系统中的因素及它们之间的相互作用，不能简单地看成一因一果的因果链，而应将其看作为因果网络。在评价每一个技术系统中的因素时，既不能孤立起来评价，也不能仅局限于其与另外一个因素的相互作用，而应从整体出发，从服务于整体目的的因果网络来评价。从这个意义上说，对影响支撑摆动动作系统功能的主要运动学因素的认识应基于一个运动学指标的因果关系的网络。在此因果关系网络中，支撑阶段的人体水平速度体现着系统整体功能，而相关肢体的角运动指标则代表着系统的各要素。

为了使这个因果关系模型更简洁、实用并更具代表性，从而更好地解释支撑摆动动作系统中各环节协同的关系，在指标的选取上本研究主要依据以下几点。

首先，在指标选取上考虑到了优秀运动员的运动学趋势（见表3）以检验这个因果关系网络模型的可预测性。

其次，着眼于需要重点考虑的因果关系，而对非主流的枝节关系则进行简化或忽略。譬如特别强调了一级动作元——髋的运动学特征，并注意所选取运动学参数对系统整体功能（支撑阶段的水平速度）的敏感性，兼顾指标间的相互关系，见表4中反映出来的相关指标间的相关关系。

最后，考虑到支撑摆动动作系统结构的合理性以及运动实践的需要，选取了更综合和更具操作性的指标。譬如，以支撑过程中支撑腿与摆动腿的平均髋角作为反映髋的工作范围相对于人体额状面前移程度的指标；以支撑过程中支撑腿的平均膝角和平均踝角之和作为人体重心高度的指标；以摆动腿平均膝角作为摆动腿屈曲程度的指标等。

2.2.2 支撑摆动动作系统各环节协同模型的建立

研究结果表明，本研究中110多个运动学指标之间具有颇为复杂的两两相关关系，基于前述指标筛选原则，指标B、C、D入选本相关模型，是影响支撑摆动动作系统功能的主要因素。而考虑到系统结构的全面性、合理性，以及运动学参数之间的交互作用，指标E也入选了本相关矩阵，以更好地说明下肢各环节是如何通过系统的改变来提高跑速的（如图4所示）。

指标B为两大腿的剪绞速度，也就是支撑过程中两大腿相对运动的速度。人体在跑进过程中经历了腾空与支撑2次剪绞，优秀运动员剪绞速度尤其是支撑阶段的剪绞速度更快（见表3）；因而，指标B在很大程度上反映了支撑摆动动作系统的工作效率，对跑速的影响也是最大的。

指标C为总均髋角（支撑腿平均髋角与摆动腿平均髋角之平均数），它可以作为两大腿剪绞的工作范围评价指标。由于优秀运动员的支撑腿和摆动腿在整个支撑阶段均具有较小的髋角，因而其此值较小（见表4），即两大腿更多地在人体额状面以前运动。指标C与B一起，从时空特征上界定了作为支撑摆动动作系统一级动作元的两髋是如何工作以有效地提高跑速的。

指标D为支撑腿平均膝、平均踝角之和，它可以作为重心高度的评价指标，并体现着作为二、三级动作元之一的支撑腿膝与踝的工作状态。优秀运动员在整个支撑阶段均具有相对较小的支撑腿膝角和踝角，因而这个指标较小，支撑过程中其身体重心更低（见表3）。由表4可知，该指标与其他4个指标的相关均呈显著性，也就是重心越低，摆动腿的折叠越紧，两大腿的剪绞速度越快，两大腿更多地在人体额状面以前运动。由此可见，低重心对跑速的重要影响作用。

指标E为支撑过程中摆动腿的平均膝角，它反映着作为二级动作元之一的摆动腿膝的工作状态。虽然它与跑速并没有显著的相关关系，但它与影响跑速的另2个重要指标B、D存在着显著相关。优秀运动员在整个支撑过程中的膝角均较小，因而该指标较小。较小的摆动腿膝角有利于摆动腿的快速前摆，进而加快两大腿的剪绞速度，并与较低的重心联系在一起。

影响支撑阶段水平速度主要运动学指标的相关模型表明，对于代表系统功能的支撑阶段水平速度而言，两大腿的剪绞速度越快，跑速越快（R=0.784，P<0.001）；重心越低，跑速越快（R=-0.544，P<0.05）；两髋的活动在额状面以前越多，跑速越快（R=-0.531，P<0.05）。而且，影响跑速的这3个重要指标之间也呈两两相关的趋势。此外，体现摆动腿工作状态的摆动腿平均膝角则是通过影响重心高度和两大腿剪绞速度间接地影响跑速。该相关模型所选用的指标基本涵盖了支撑摆动动作系统中所有动作元，因而综合了更多的人体运动学信息，它从时空特征上更全面、动态地界定了“好”的技术模式，并更有效地解释了跑速增加时，支撑摆动动作系统中各环节协同的机制。

3 结论

1）支撑腿髋与摆动腿髋构成了短跑途中跑支撑摆动动作系统的一级动作元，而两腿的膝与踝则为该动作系统的二、三级动作元。二、三级动作元服从并服务于一级动作元的活动。该动作系统的结构强调了支撑腿髋和摆动腿髋对该动作系统功能（跑速）发挥的重要作用，以及两腿膝、踝的从属地位与服务功能，更深入地揭示了途中跑技术的本质特征。

2）作为一个更加综合的指标，髋的剪绞速度在更大程度上决定着支撑过程人体的水平速度和垂直速度变化，它是评价支撑阶段人体动作效果更为全面、有效的指标，并在更大程度上反映着支撑摆动动作系统中一级动作元的工作特征：剪绞—制动。

3）支撑腿与摆动腿的膝与踝构成支撑摆动动作系统的二、三级动作元，其工作特征是屈与伸，它们主要是通过适时、适度的屈与伸，配合一级动作元的工作，使两髋的剪绞在更适宜的工作范围、以更快的工作速度和更有序的协同方式有效地推动人体的快速向前，实现其工作效率的最优化。

4）本研究提出了支撑摆动动作系统各环节的协同模型，其所选用的指标基本涵盖了支撑摆动动作系统中所有动作元，因而综合了更多的人体运动学信息，它从时空特征上更全面、动态地界定了“好”的技术模式，并更有效地解释了跑速增加时，支撑摆动动作系统中各环节协同的机制。

5）支撑摆动动作系统各环节的协同模型表明，人的快速跑进得益于这个动作系统整体功能的最优化，而髋是人体快速向前跑进的“发动机”。两大腿更多地前摆、更早地退出后蹬，以及更快地剪绞是决定跑速度的关键；摆动腿折叠更紧配合以支撑腿低重心姿势则是发挥“发动机”工作效率的重要保证。