蹲踞式起跑的生物力学分析

杨 文，安李秀郦

（北京体育大学，北京 100084）

蹲踞式起跑的生物力学分析

杨 文，安李秀郦

（北京体育大学，北京 100084）

短跑运动是在瞬间内完成的项目，对于高水平短跑运动员而言，想要提高0.01s，无不付出相当代价，特别是当今短跑运动水平的提升，甚至0.001s就决定着比赛的胜负。起跑的目的是让身体尽快从静止转入运动，所以起跑比别人快，在心理上占有一定优势，同时起跑的好坏对其后的加速跑、途中跑和冲刺这3个阶段的水平能否正常发挥起着决定作用，因此起跑对短跑成绩影响是很大的，运动员的起跑技术和能力对提高短跑成绩势必会产生重要作用。当今国际大赛均适用蹲踞式起跑的方式，蹲踞式起跑是双手支撑于地面的一种起跑方法，身体重心较低，起跑时通过蹬地动作而获得较大向前的速度，适用于田径短距离的比赛，与站立式起跑相比，蹲踞式起跑能够获得更多的速度。因此，近年来国内外的众多专家学者从生物力学角度对蹲踞式起跑进行了研究，以探究蹲锯式起跑相关的力的科学数据，从而进一步提高起跑时力的使用，提高短跑运动员的比赛成绩。

短跑分为4个部分：起跑、加速跑、途中跑和冲刺。众多文献研究中对加速跑和途中跑更加青睐，尤其是蹬伸摆动支撑摆动及运动中肢体的力学特点等技术细节。但随着短跑的纪录不断刷新，以及中国人逐渐出现在短跑舞台，国内学者们对短跑的认识开始不局限于加速跑和途中跑，更多的视角转向起跑，力求从起跑上获得更多的优势。

通过对国内外文献的分析，发现相关研究主要围绕以下4个内容：起跑器使用、身体重心、上肢动作和起跑角度。本文从这4个内容对蹲踞式起跑进行生物力学分析。

1 起跑器使用

起跑器的使用主要包括起跑器安装方式、使用方式和起跑器距离3个方面。首先， 李永智等人的研究中提到，起跑器安装方式主要分为3种：普通式、拉长式和接近式，其中普通式的起跑器安装更有利于让运动员合理地利用小腿伸肌－腓肠肌和比目鱼肌的牵张反射，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。同时，李勇智等人的研究中还指出，普通式的起跑方式两脚间距离适当，髋关节位置下降，身体重心上升，头微微上抬，髋关节、身体重心和头形成一个平衡体，可以防止身体过分前倾。

为了更好地使用起跑器，姜自立等人也进行了“个人习惯”和“左前有后”这2种方式的研究。研究发现，肢体主要受对侧大脑半球的控制， 即右侧大脑控制左侧肢体，左侧大脑控制右侧肢体，由于右脑具有更强的空间和口令处理能力（对信号的察觉能力），而左脑则具有更强的执行肌肉力量的能力 。因此，从理论上看，“左前右后”的蹲踞方式可以使运动员获得更快的反应速度和动作速度。这一假设也得到 Eikenberry 等的证实。他们的研究表明，右脚在后比左脚在后的反应时间快80ms，而右脚在后比左脚在后的动作时间快104ms。因此，当右脚在后时，运动员能得到近80ms的反应时间优势和104ms的动作时间优势。 除了脚的放置位置，姜自立等人还对蹬离起跑器的方式进行了研究。研究发现，“单脚蹬离起跑器技术”容易导致运动员起跑后的第1步过大、身体重心的过早抬起和产生过大的垂直分量，进而导致“起跑-加速”技术衔接的脱节，最终导致运动表现的降低。“双脚蹬离起跑器技术”减少了摆动腿的摆动幅度，因而可以防止运动员身体重心的过早抬起和避免产生过大的垂直分量。另一方面，“双脚同时蹬离起跑器”可以比“单脚蹬离起跑器”产生更大的动作冲量。

Otsuka和Slawinski等人的研究均表明，宽距离起跑器下施加的最大下肢力大于窄距离起跑器，这可能是由于增强了后腿髋延伸角速度的原因，在宽距离起跑器下的髋部峰值功率比在正常条件下更大。同时，刘海斌等人通过研究证明了带旋转角度的起跑器踏板能够增加运动员前脚侧向蹬伸力。这对起跑器的设计和开发均有重要作用。姚位宇等人的研究中还提到，若能有效提高起跑时两腿的蹬地力量和加快蹬地的动作速度，提高爆发力，减少蹬离起跑器的时间，这对提高起跑速度有重要的意义，以上这些研究也为提升起跑速度提供了重要的理论指导。

这些研究设计的优点在于将实际与生物力学的理论结合，研究了起跑器的方式选择、双脚的位置和蹬离起跑器的方式将对起跑产生一定影响以及起跑器踏板和双脚协同性的的作用。但不足之处有以下3点：（1）较多实验忽略了不同人群间的差别，不同运动员如高水平运动员、非高水平运动员和普通人群在起跑器的方式方面不能一概而论，因为不同人群的运动能力不同，反应时间和肌肉特点不同，这些均是影响实验效果的混杂因素，应在实验设计阶段进行控制。（2）大部分研究忽略了起跑器及其宽度、前后距离之间的组合，很多实验是在忽略起跑器基本宽度的情况下进行，因此缺乏实验的科学性。（3）起跑器的调整除了要满足科学性，更应根据运动员的身材情况而定，同时更要与运动员的舒适度相结合。

2 身体重心

在预备姿势方面，吕燕等人将“一般”预备姿势和“高重心”预备姿势进行比较，发现“一般”预备姿势前脚距离起跑线近，而“高重心”预备姿势前脚距离起跑线较远，当两脚距离起跑线较远时，可使预备姿势时的重心更多的前移，以至起跑时后蹬角较小，产生身体向前的分力较大，另一方面使身体前方的稳定角进一步较少，因而认为“高重心”预备姿势更有利于运动员更快突破平衡，加快起动速度。

在纵向力和垂直力方面，刘海滨等人提到，运动员后腿蹬离起跑器时，纵向力峰值比垂直力峰值大30.87%，前腿蹬离起跑器时，纵向力峰值比垂直力峰值小8.31%。也就是说，由后腿向前腿过渡的过程中，随身体重心提升，垂直力已开始逐渐占据主导地位，这为身体重心变化过程中力的区别和分析提供了依据。同时Otsuka等人的研究中还提到，向前倾斜角度大产生更大的地面反作用力，这是训练有素的短跑运动员比普通和非训练的短跑运动员产生更大的起跑器平均加速度的原因，这说明重心更向前时能产生更大的地面反作用力，这将为提升起跑速度提供科学依据。

通过分析以上文献，发现“高重心”预备姿势、重心倾斜角度、力的区分和重心合力矢量均对起跑有重要影响，但是国内外的研究较多是经过分析世界优秀短跑运动员得出，无法确定此研究是否适用于不同类型运动员，同时对于世界优秀运动员的研究渠道少，其中很多实验仅通过录像等方式获得数据，且获得最新数据的途径较少，因此实验缺乏实际操作性，并且难以设置对照组，无法确定结果是否有效。在重心的合力矢量方面，研究结果通过公式计算得出，并未结合实际情况加以检验，研究结果的科学性和实用性有待进一步检验，需要后续研究加以证实。

3 上肢动作

上肢动作对蹲踞式起跑有重要影响。姚卫宇等人提到，提高上肢的推动和摆动力量，对推动和促进上体的抬体动作，较快达到适当的高度和位置，形成良好的身体姿态有着极其重要的作用。除上肢力量外，运动员的手指位置会影响肘关节和肩关节的固定，还会分散身体的重量，有利于提高起跑速度，因此也是起跑中应当重视的问题。Otsuka等人的研究结果表明，肩胛的3D运动与短跑的冲刺速度有关，对于肩胛灵活程度较低的运动员，通过肩胛骨松弛训练来改善锻炼是十分重要的，因为它可以改进短跑起跑速度。

部分学者中认为肩关节的角度最好接近90°，以减轻上肢的负荷并保持其他关节的舒适性，但也有研究提到在80°～ 90°这个范围内有利于获得更好地起跑效果，肩关节角度的具体大小可以由运动员的自我感觉舒适程度来决定。唐斥非的研究还表明上肢的摆动并不能直接增加运动员向前的水平速度，而是有助于协调腿的运动，提高运动员步长。Chakravarty的研究中也提到，肩关节、肘关节和腕关节对于起跑速度无显著影响。

上述研究证明了上肢的适宜角度和作用，为后续研究提供了依据，但部分研究主要是通过对视频资料的观察得出，并未经过实验组和对照组的具体研究，缺乏科学的依据；同时部分研究者均认为上肢关节对起跑速度无显著影响，对上肢动作存在争议，因此上肢的作用仍需进一步研究讨论。

4 起跑角度

起跑角度也是影响蹲踞式起跑的重要因素，其中膝关节角度和髋关节角度影响起跑速度的重要内容，因为在蹬离起跑器时，双腿所发挥的蹬离起跑器的力量，在一定范围内是受到膝关节和髋关节影响的。

吕燕等人的研究中提到膝关节处于130°～140°时蹬地的效果较好，腿部力量强的运动员比弱的运动员角度还可以小一些，且随着两腿膝关节开放角的增大，后蹬及后蹬前的准备动作时间短，向前摆动快，有利于提高步频，身体重心向上移动幅度小，省力而轻松，不易引起过分紧张。潘灵等人为了考虑不同被试的差异，对两组人群（有一定运动基础和运动水平为二级运动员）进行研究，研究结果表明高水平受试者整体膝关节开放角度较大，前膝角在95°～115°之间，后膝角度在115°～130°之间。这说明较大的膝关节开放角度能够使得在起跑发令瞬间获得较快的起跑速度，此时运动员的伸膝动作幅度小，蹬地时间短，便于提高频率。Milanese等人的研究表明，当后膝关节角度从135°切换到115°然后到90°后膝角时，质心的水平速度在蹬离起跑器和前两步的速度显着增加，较小的膝关节角度能促进后腿在开始的起跑器阶段内获得更多加速度，研究还表明预备时90°后膝角度对于短跑运动员是一个提升后腿推动作用的策略。

Bezodis等人的研究中提到，增强膝伸肌力量有可能通过调整落地技术或加强相关肌肉组织来提高早期加速表现；他还提到后髋伸展角度可以明显促进起跑效果，后腿的更大推动持续时间也与更高水平的起跑表现相关。Bezodis等人的研究突破了以往研究的局限，将后髋伸展角度引入研究中，进一步提升了研究的深度和科学性。Charalambous等人的研究也表明膝关节和髋关节有明显的动力学差异，因此在训练时应针对不同的关节部位，注意增强训练的特异性，这将有利于教练员和运动员区分膝关节和髋关节的差异，从而针对性改善起跑动作。Debaere等人的研究中还提到，前腿髋关节内收与加速度呈负相关，此研究进一步论证了髋关节与加速度的关系，为后续研究提供了借鉴。

上述研究分析了起跑器角度以及膝关节、髋关节对于起跑的影响，其中膝关节的研究较多，关于膝关节角度的数据也更为具体，但是研究者们尚未得出统一的结论，关于膝关节角度仍需进一步论证；同时关于起跑器角度和髋关节角度的文献较少，在起跑器角度方面考虑到前后起跑器角度的研究较少，忽略了前后起跑器的差异；在髋关节角度方面，仅强调了髋关节的重要作用，且缺少具体的数据说明，这说明髋关节的研究不足，后续研究者应提高重视。同时在膝关节和髋关节方面，多数研究忽略了膝关节和髋关节的联系和协调作用，后续研究者应注意两个关节的协调配合。

5 结 语

短跑比赛是人们关注的热点，百米大战更是各大田径赛事的热门话题，短跑的蹲踞式起跑更是与短跑冲刺有相同视觉和听觉冲击的环节，这足以证明蹲踞式起跑的重要性。同时对于短跑起跑的研究更有利于全方面分析短跑的环节和技术，提升短跑研究的水平，强化短跑研究的深度。通过对蹲踞式起跑的相关文献进行分析发现，部分研究者在研究方法、研究内容和研究设计上存在不足，但这些研究从起跑器、身体重心、上肢动作和起跑角度这方面进行研究，弥补了以往研究的不足，将研究关注点从中后程转移到起点，从爆发力转移到起跑速度，丰富了短跑研究的框架和体系，促进短跑研究的发展，从而更好地理论应用于实践，有利于提升运动员的起跑水平。

G822

A

1674-151X（2017）20-019-02

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.20.009

投稿日期：2017-08-10

杨文（1994—），在读硕士研究生。研究方向：休闲体育、智力运动、大众健身。