神经肌肉与生物力学视角下标枪项目特征研究

王立冬 曲淑华 李春光

Research on feature of javelin from neuromuscular and sports biomechanical perspective

WANG Li-dong1，QU Shu-ha2，LI Chun-guang3

摘 要： 基于神经肌肉以及生物力学视角对标枪运动项目特征进行论述，提出神经肌肉系统调控下的速度力量练习对于标枪运动员的重要性，从生物力学的角度强调了正确的用力顺序、身体各环节速度节奏对于技术训练的必要性。对标枪项目所需的专项力量、“冲量步”、左右腿技术动作等重要环节加以阐述，旨在增强广大教练以及运动员对这一项目特征本质的认识，提高训练的科学性。

关键词： 标枪;神经肌肉;运动生物力学;技术;项目特征

中图分类号：G824.3   文献标识码：A  文章编号：1006-2076（2018）05-0100-06

Abstract： This article had a detailed description on javelin event based on the knowledge of neuromuscular and sports biomechanics， brought forward the importance of speed strength under the control of neuromuscular system， and emphasized the necessity of proximal-to-distal firing pattern and speed rhythm of body. On this basis， it described what specific strength did javelin event need and described some important technique segments such as impulse stride， left and right leg movements. This article intends to improve the comprehension of javelin for coaches and athletes and the scientificity of training.

Key words： javelin; neuromuscular; sports biomechanical; technique; event features

我國运动训练理论的发展在某些方面与体育发达国家相比存在着一定差距， 这种差距首先体现在运动项目生物学理论基础的薄弱。对生物学理论知识的欠缺影响了训练的科学化进展，竞技训练与众多基础学科相剥离，训练学理论缺乏实践基础，对训练学理论的阐述成为经验之谈[1]。掷标枪历来都被欧洲国家（挪威、捷克、德国以及芬兰）所统治，我国运动员近年来在外教的帮助下取得了一定的成绩，但多数运动员的成绩却不尽人如意，奥运会年女子标枪成绩在60米以上者只有3人，其他运动员都没有达到60米成绩，而里约奥运会中仅吕会会晋级决赛但无缘奖牌，男子成绩更是无人达到奥运会A标（83米）。当前训练界还存在一些错觉，认为我国标枪训练水平与欧洲运动员在身体条件和素质上存在差距是该项目落后的主要原因。然而这种差距原因不仅仅在于力量、速度等体能方面的不足，对于标枪这种对速度力量要求高的项目来说，教练员对于标枪项目生物力学以及神经肌肉的理解，有助于提高训练的针对性。本研究基于标枪项目的神经肌肉以及生物力学特点对标枪运动员所需训练特征进行描述（以右手持枪运动员为例），意在增强广大教练以及运动员对标枪这一项目本质特征的认识，提高训练的科学性。[JP]

1 掷标枪神经肌肉特征

力量是指“人体神经-肌肉系统工作时克服或对抗阻力的能力”，从这一定义出发，力量不仅涉及到“肌肉”，而且与“神经”有密切关系[2]。标枪运动员要求在短时间内产生最大的作用力，由于标枪器械较轻（男子800克，女子600克），相较于其他投掷项目来讲，其对动作速度的需求更大，因此出手速度对于标枪成绩具有重要的影响[3]。运动员助跑阶段的速度可以达到7 m/s，随后在最后用力阶段从助跑获得的7 m/s的速度转化为30 m/s出手速度 [4-5]。而对于运动员来说，在最后用力阶段男子从左脚着地瞬间到标枪出手瞬间为0.08 s～0.12 s，女子为0.1 s～0.12 s [6]，此外优秀男子运动员出手速度的70%以上是在最后用力阶段的0.1秒内产生[7]。因此在标枪投掷中要想获得成功就对力量作用率的要求很高，运动员要在最短的时间内产生最大的力量并作用于标枪纵轴（图1）。

由此可见，标枪项目专项力量训练应以速度力量为主。对于速度力量来说，神经支配能力的作用应引起足够重视，神经冲动发放频率、肌纤维与肌肉之间的协调、神经抑制水平和反射调节等能力的提高对快速力量具有重要作用[8]。表1是国家队训练期间力量训练课计划安排，考虑到速度力量训练的要求，在发展力量训练时也考虑到不同力量训练手段、训练负荷的先后顺序。运动员做每一次练习时，速度是教练员强调的重点。此外还可看出，专项力量例如仰卧头后拉会安排在力量训练课靠后的位置，这是从神经系统兴奋性的角度考虑，不同重量力量训练对神经系统的刺激程度也不同，负荷大对神经肌肉系统的刺激强度大，相反负荷小对神经系统的刺激强度就小[9]，这种对神经肌肉系统的刺激会维持一定的时间，而利用这一兴奋性发展专项力量，有助于神经对肌肉的快速募集能力，提高训练效果。在随后的练习中安排诸如投球等练习，一方面可以练习专项投的技术，另一方面也可以发展神经肌肉能力，将技术与力量相结合。

2 生物力学特征

标枪运动员应具有良好的速度、力量、灵敏、协调以及“枪感” [10]，对于标枪运动员来说，影响运动成绩的最重要因素是出手速度[6，11-13]。教练员与运动员需明了出手速度每增加1m/s，投掷成绩可增加4～5米[14]，充分发挥出手速度这一因素是投掷运动员取得成功的关键 。为达到这一目标，单纯的某一部位肌肉发力难以取得良好效果，且反复依赖某一部位会增加运动损伤的几率，因此就需要一系列的肌肉用力发挥作用。从生物力学角度来说，人体动力的输出一部分来源是一系列关节肌肉力矩相互作用的结果，通过拉长缩短周期所储存的弹性能量释放，另一部分来源是外部力量，即器械以及人体四肢以及重力的惯性。对于标枪以及投掷项目来说，保证成功的两个关键运动策略是：由近端到远端的激活模式（proximal-to-distal firing pattern）以及身体各环节积极地加减速[15-16]。

2.1 各环节肌肉近端-远端激活模式

早期研究表明，近端-远端激活模式是运动表现的最有效的动作策略，这种模式下靠近机体的强壮有力。关节肌群应比靠近远端快速关节肌群更早被激活。由于该模式利用每个关节独特的动量冲量特征，对多数投掷运动来说近端-远端激活模式已被证明是最有效的。Alexander模仿投掷动作实验，他提出近端至远端肌肉活动的链条延迟的必要性，只有近端肌群与远端肌群产生一个最佳的延迟才有可能创造最大化的器械出手速度[17]。这就需要发展专项技术与能力，让运动员获得这种延迟能力以及对枪的感觉。Navarro等将这一能力与“满弓”相关联，认为是产生“满弓”的必要条件，这一能力也被认为是最后加速的开始以及对拉长缩短周期的应用[18]。Mero等认为在远端肌群向心收缩前，预先加速近端肌群有助于远端肌群的离心收缩。其原因有二：第一，有助于远端肌群产生最大力量;第二，近端肌群收缩可以通过关节活动同远端肌群共同作用产生更大的动量。这种序列性动作使机体得以产生最大的力量并应用于器械。同时该理论也对运动员的技术提出了要求，优异的成绩得益于运动员用精湛的技术将其力量发挥出来。

标枪运动员所需力量只有通过身体训练才能改变，运动员投掷时所需要的力量是由参与的工作肌群产生的。标枪投掷时包括一系列复杂的髋关节动作，不同工作肌群的动员模式将会对器械产生不同影响。机体不同肌群及杠杆应以一种专门化的（动力链）模式以及时机加以使用，相关肌群以及“杠杆”应在下一肢体激活前创造最大化速度[19]。以近端-远端模式激活肌群跨关节动作应排除与运动员投掷动作以及神经肌肉系统协调不相仿的单关节肌动作[20]，因此类似深蹲、硬拉及弓箭步等负重练习应采取与投掷动作所需要的专门性训练方式。

2.2 身体各环节动作节奏

标枪投掷过程中另一个有效的动作协同特点就是身体各主要环节连续的加减速。对于优秀运动员这一特点更为明显，Mero认为在标枪最后用力阶段有一系列的拉长缩短周期。最后一步右脚着地后膝关节会“被动”屈曲，这一动作主要依靠右腿股四头肌群承担，随后在身体重心通过身体垂直面后膝关节伸展，股四头肌及小腿肌群用力将身体继续向前推进并进一步加速[21-22]。最后一步左腿制动同时股四头肌首先会产生离心收缩随后进行向心收缩，制动动作还有助于肩轴由平行于投掷方向旋转至垂直于投掷方向，此外还包括核心部位肌群、肩关节与上臂以及前臂与手腕一系列离心随后向心收缩。图2是运动员最后用力阶段身体不同环节的速度变化，可以看出髋关节、肩关节、肘关节以及标枪达到最大速度的顺序是不同的，运动员在开始的周期性直线阶段以及非周期性阶段对“人-枪”系统进行加速，随即在最后用力阶段借助地面反作用力进行急剧减速，右脚着地后髋关节首先达到最大速度，随后左侧制动髋关节速度受到限制将部分动量传至上肢关节，髋关节后首先是肩关节达到最大速度，随后依次為肘关节和标枪。

当运动员这一能力发挥好时，会获得极佳的出手速度，该机理来自于动量转换。运动员一开始对整个“人-枪”系统进行加速并在助跑过程中获得一定的动量，随后在最后用力阶段首先对腿部近侧大肌群以及躯干下肢肌群进行减速，下肢的有效制动为远端肢体环节（躯干上体-肩关节-手臂-腕关节-器械）速度提供动量[23]。因此标枪投掷中的一个关键性动作就是保持制动腿（一般为左腿）以及部分上体的稳定性，只有这样才能使动量有效地从身体下半部分传递至躯干以及投掷臂 [24]。

在提及上述两个动作模式的效益时，有必要指出每个协同模式的多数效益实际中也会有共同的交集。对于近端-远端动作模式来说另外一个相似观点就是鞭打动作 [25]。原因在于当大腿及躯干肌群先进行收缩时，随着髋关节减速肩关节加速，肩关节与髋关节速度巨大的分离产生鞭打效应。

3 主要技术环节动作机理

和其他投掷项目一样，标枪投掷也是最后由手部将器械掷（投）出。运动员每一投建立在腿部基础之上是每一个需要力量及技术项目教练员共同的准则[26]。

3.1 交叉步及冲量步

交叉步是周期性助跑后转为侧对投掷方向的非周期性助跑阶段。将速度作用于标枪是运动员该阶段面临的最大难题之一，许多运动员可以在助跑阶段建立起一个较合理的速度，但在交叉步阶段速度却越来越慢。现代标枪投掷运动中，交叉步不仅仅是作为一个桥梁将助跑速度转化为最后的投掷速度，而是在交叉步过程中进一步加速“人-枪”系统，运动员整体的速度节奏应是逐渐加快[27]。表2是现世界纪录泽莱兹尼与其他运动员速度节奏比较，从中我们可以看出他的整个速度并不是很快，比其他运动员都要低，但在速度节奏方面却与其他运动员完全相反，在距离16～11米距离和距离犯规线11～6米距离这个阶段他的速度是一直在加速，可以清楚地看出他是在逐渐加速，利用交叉步阶段腿部阶段的主动发力，使得前面的助跑速度在自己控制范围同时又通过自己的主动性进一步加速。而其他运动员基本都在减速，[JP2]因此他们的速度之差为负值，运动员亨利在v 16～11这个阶段的平均速度最大，最好两次试投速度平均达到了7.13 m/s，但他在v 11～6这个阶段的速度损失也是最大的，这也是大多数运动员的速度节奏特点，即前面追求较高的助跑速度，随着距离犯规线的接近，这一速度开始慢慢减速。[JP]

影响出手速度的因素有许多，例如助跑速度、最后一步左脚快速着地能力、力的合成、肌肉收缩、身体杠杆利用以及发力时机等等。但需要铭记的是，如果运动员没有建立一个合理的身体姿势，上述的所有因素都是无用的.合理的身体姿势使运动员良好利用各环节所获得动量加速器械，而良好的身体姿势来源取决于交叉步倒数第二步即冲量步。冲量步在生物力学中是影响标枪运动成绩的重要因素，因考虑到这一步在整个助跑过程中的重要性，我们将非周期助跑阶段的倒数第二步称之为冲量步。冲量步类似于跳远项目，标枪运动员在这一阶段会尽最大可能地获得足够长的距离[28]，达到这一目标的唯一途径就是在这一阶段继续加速，脚部的速度最终影响了出手速度。冲量步不仅是连接助跑与投掷的关键环节，还确保冲量步结束时右脚首先作用于最后用力，这也为近端-远端模式建立提供基础，为前面助跑获得的动量传递提供保障[29]。

排除运动员个体技术差异，教练员与运动员在设计技术训练提高效率时，应考虑尽可能减少在最后右脚着地速度的丢失以及运动员的后倾角度。国内许多学者和教练员对右脚着地后躯干倾角仍存在着误解，认为躯干后倾使运动员获得更过的时间以及加速距离，殊不知躯干倾角越大，速度丢失越多。[JP2]目前合理的观点认为，要想继续加速“人-枪”系统，右脚着地时的身体姿势是关键。生物力学家Adamczewski对优秀男子标枪运动员以及十项全能运动员的研究发现，运动员身体姿势以及腿部动作应尽可能减少速度的丢失，在冲量步基础上应保持身体姿势与地面夹角呈垂直状态，落地瞬间以右脚前脚掌着地以保证随后的加速[30]。

图3中，从国内两名最好运动员与国外运动员冲量步右脚着地瞬间身体姿势可以看出，国内运动员身体后倾程度明显大于国外优秀运动员，且国内其他运动员同样存在这种身体后倾过大的状况。运动员交叉步右脚着地瞬间的身体姿势是前面一系列动作的结果，尤其是冲量步的结果。牛顿第三定律（作用力与反作用力）可以解释为何冲量步右脚着地人体会产生倾斜角，运动员若在冲量步过程中右腿采用高膝向前摆动，这一向前的力会给上半身产生相反的向后作用力，引起上半身后倾以维持平衡。因此对于冲量步的基本原则是动作积极，左右腿交叉幅度不可过大（图4-1），否则会导致身体后倾程度增加，不利于后续加速动作[31]。此外右脚脚尖在落地前应与投掷方向约成45度角（图4-2、4-3），这一细节决定了运动员右脚着地后能否迅速蹬伸用力，继续加速“人-枪”系统。

右脚着地瞬间身体重心应在右脚垂直面上或略比垂直面靠后，以前脚掌着地（图4-4），膝关节微屈以利用右腿的推进力继续加速[32]。加速的时机是在身体重心通过右脚垂直面后，右腿积极蹬伸加速，右脚跟向上，右髋积极内旋（图4-5、4-6），训练中一些微弱的缺点可能会导致能量输出的巨大差别。消极的踝关节会使髋关节处于右脚垂直面后方，如果右髋不能内旋则会使能量泄漏，且及时髋关节内旋，其所消耗的时间要比踝关节积极内旋所需时间要多[14]。右脚脚尖面向投掷方向着地方式的优势在于，右脚着地后使更多的臀部肌群激活驱动身体继续向前。因为在左脚着地后，右腿的活动能力受限，无法进行更加积极的动作。右腿积极动作是投掷动作的关键环节，在右腿向前向上运动时，右腿带动膝关节以及右脚积极内旋，我们可以看到优秀运动员右脚跟向上运动（图4-7、4-8），这一系列同步动作会带动右髋前旋而肩关节、投掷臂以及标枪处于被动状态，与此同时左脚开始着地。

流畅性是运动员完成交叉步动作的重要特征，优秀运动员重心移到轨迹应如图5（优秀运动员）平滑的线性轨迹，力量尽可能地沿水平方向移动。而许多运动员的常见错误如图5（一般运动员），运动员在移动过程中产生许多阻力（垂直方向的分力）影响投掷臂的稳定性。若倒数第二步（冲量步）的垂直分力过多，制动步步长缩短，身体转换动量会受限。保持重心軌迹的平缓性也就意味着减少了阻力。

3.2 快速运动下的制动动作

在出手瞬间，运动员出手速度越快其身体重心速度越慢[33]（Morriss等，1997），因而左腿制动的重要性就是保证最大的制动效果，此时左脚着地后的膝关节角度应尽可能保持稳定（180度）。[BP（]图6是投掷运动员地面反作用力模型，随着制动腿着地，在着地后0.035 s，产生相对较大着地角（85度）的逆时针方向的角动量，为支撑腿以及满弓建立提供较稳定的基础。在这一时间段，由于角动量以及上体动作惯性重叠作用使上体及投掷臂基本处于稳定状态。在着地后0.045 s，沿支撑腿纵轴产生最大的地面反作用力达到7.73 KN（着地角为60度），顺时针方向的角动量增强了胸部以及投掷臂肌群的肌力，上体及投掷臂与角动量同时作用增强出手速度。Leblank&Dapane 1998将这一过程描述为机体向投掷臂的角动量传递。有关角动量及其方向的相关数据应与运动水平以及腿部动作相联系，膝关节过于屈曲会使地面反作用力变小，且影响其作用方向。[BP）]

左腿作为整个肢体并不能像杠杆一样制动支撑，从运动生物力学以及运动生理学的角度看，屈腿或者抬腿是无法保证上身躯干肌肉预先拉长，也就无法形成“满弓”。膝关节角度越小，运动表现越好。受身体速度、右腿着地后左腿姿势以及右腿着地后后继动作的影响，左腿着地速度应尽可能地快。左腿有效制动减小身体重心的移动，理想的制动效果会产生较长的制动距离，而水平较低运动员制动距离相对较短，其引起的垂直方向地面反作用力会增大。

与此同时，在左脚着地前，肩轴线应始终与投掷方向保持平行，如（图6-1、6-2）非投掷臂牢牢锁住肩轴线，避免肩关节过早地转动降低发力效果，因此非投掷臂应在左脚着地后进行制动（图6-3），确保一个较长的制动步长，以及肩、髋、肘等关节的充分转动。左脚着地瞬间非投掷臂开始制动，肘关节从水平位置垂直屈曲下拉至腰部位置，上臂靠近躯干，前臂仍指向投掷方向[34]。非投掷臂应与左腿共同制动，需要指出的是运动员在这一环节应防止左侧过度旋转，应使左髋关节、肩关节及肘关节指向投掷方向（6-4、6-5），左侧关节过度旋转会带动右侧髋关节、肩关节的过多旋转，影响最后投掷效果[35]，如图6-6运动员从左脚着地至出手左臂肘关节始终稳定在腰部位置。

标枪助跑中获得的速度会对运动员腿部产生较大的负荷，由于交叉步过程中运动员要承受自身体重300%～500%的负荷和较高的速度（7～8 m/s），快速离心力量显得尤为重要。此外，快速离心力量另外一个重要用途还在于，最后用力阶段非投掷腿（一般为左腿）需要巨大的力量来将快速向前的身体进行加速制动并完成最后的用力 [ 36]。这一减速不仅有助于保证最后的投掷，同时非投掷腿一侧的急剧减速还有助于增加投掷侧肩关节肌群的弹性负荷提高鞭打效果，从而增加出手速度。

4 结语

结合运动生物学知识对标枪训练理论进行探讨，从更加科学的角度认识标枪项目特征。最后用力阶段快速出手要求我们要将神经肌肉力量训练作为训练的重点内容，依牵张反射以及拉长缩短周期并结合项目动作特征，采取针对性的身体训练。掷标枪将整个“人-枪”作为一个动力链，各环节达到最大速度的时机以及快速地加减速能力是充分发挥身体力量的关键，近端肌群应在远端肌群前达到最大速度。动量传递至标枪的过程中，不仅要减少能量泄漏，还要从交叉步至最后制动前不断地创造新的动量。力量来源于脚下是标枪训练的准则，要特别注重冲量步、右腿以及左侧制动动作的技术。

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