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中长跑技术的力学分析与应用

时间:2015-12-17 16:59:36作者:黄得诚 来源:香港体育教学网

  中长跑的特点

  在现代奥运会的田径比赛分類中,「中长跑」是指 800 米及以上的径赛项目。800 米及1500 米属中距跑,3000 米及以上的项目属长距跑。中长跑一方面要求尽可能减少体力的消耗,维持一定的跑速,但另一方面却要求在跑的过程中,能按比赛的实际需要有加速跑的能力,所以正确的技术和合理的体力分配对中长跑运动员来说是非常重要。

中长跑

  中长跑要求运动员要跑得轻鬆协调,身体重心平稳,直线性强,有良好的节奏,还要尽量提高肌肉用力和放鬆的能力。跑的距离越长,这些要求也就越加重要。各种中长跑的技术基本相同,但由于各种距离的长短和强度有所不同,跑的动作也就有不同程度的差异。一般来说,跑的距离越长,步长越短,前摆与后蹬的用力程度也越小,腾空时间与支撑时间的比值也相对地小。

  中长跑的技术动作

  身体姿势

  1. 上体正直或稍前倾。

  2. 头部自然,眼平视,面部和颈部肌肉要放松。

  后蹬与前摆

  1. 当摆动腿通过身体垂直部位向前摆动时,支撑腿首先伸展髋关节,再迅速有力地伸展膝关节和踝关节。

  2. 脚掌的小肌肉也要积极参加,最后用脚趾蹬离地面。

  3. 在摆动腿前摆的过程中,小腿保持放鬆而自然下垂。

  4. 后蹬结束时,支撑腿几乎伸直或伸直,摆动腿的小腿与支撑腿几乎呈平行的状态。

  5. 跑的距离越长,大腿抬起的高度越低。

  

  1. 支撑腿蹬离地面后,小腿亦迅速向大腿靠拢,形成大、小腿边折叠边前摆的动作。

  2. 同时,摆动腿以髋关节为轴,积极下压,膝关节放鬆,小腿自然向下伸展,準备着地。

  着地缓冲

  1. 着地位置约在身体重心投影点前的一脚长至一脚半处。

  2. 在中长跑中,可以用脚前掌着地过渡到全脚掌,亦可以用全脚掌着地。(脚着地的技术取决于运动员的训练程度、跑的速度、与个人特点等。)

  3. 脚着地后,支撑腿迅速弯屈进行缓衝,并为过渡到后蹬创造良好的条件。

  4. 这时,摆动腿亦以大、小腿折叠的姿势迅速向前摆动。

  摆臂动

  1. 轻握双拳,姆指放在食指上。

  2. 肘关节自然弯曲,以肩为轴前后自然摆动。

  3. 当臂摆到躯干的垂直部位时,肘关节的角度要大一些,使肌肉得到短时间的放松。

  中长跑的目标

  所有径赛项目,包括中长跑,就是以最短的时间完成一个指定的距离;而时间与距离、速度的关系见下列公式:时间=距离/平均速度

  影响速度的因素

  影响中长跑表现的因素主要包括:

  •   反应时间
  •   (平均)速度度
  •   技术
  •   肌肉纤维种類
  •   训练

  反应时间(Reaction Time)

  反应时间其实是人脑内资讯处理过程所需的时间,也就是接收到刺激至产生行动前所需的时间。例如,听到起步枪声至开始做出起跑动作前所需的时间。

  (平均)速度(Average Speed)

  在整个跑的路程中,跑的速度都有着或多或少的变化。通常会由静止加速至正常的步速,然后尽可能保持这个速度,直至最后因为疲劳而出现减速的情况。在中长跑比赛的过程中,速度在途中的起伏会更大。

  技术(Skill)

  中长跑的技术目标,首要当然是节省体能、维持跑速,其次就是防止运动创伤的发生。

  肌肉纤维种類(Muscle Fiber Types)

  人体的骨骼肌内分布着两类不同的肌肉纤维,白肌肉纤维较能适应速度高和力量大的项目要求,而红肌肉纤维则较能适应耐力性项目的要求。肌肉内红肌肉纤维的比例越高,越有利于较长距离项目。一般来说,训练并不能改变肌肉纤维的种类,但却可以增进肌肉纤维的各种能力。

  (Training)

  虽然部分影响运动成绩的因素是先天决定(如身高),但后天的训练却可以改善与生俱来的特质,甚至转弱为强。

  

  一般所指的速度,其实就是「平均速度」,所以除非特别声明,否则往后所说的速度都是指「平均速度」。

  速度是由「步长」和「步频」组成,它们之间的关係可以用下列公式表达:速度 = 步长X步频

  步长(Stride Length)

  在跑步的运动生物力学研究中,一步( stride)通常是指半个跑的週期(例如,由左脚着地至下一次右脚着地)。假设一个运动员的步长为2 米,而他的步频是每秒3 步,那么他的速度就是:

  速度=2米/步x3步/秒=6米/秒(相当于用10秒跑60米)

  增加速度的方

  假设运动员的体适能狀况已得到改善,如果要提升速度,便可透过增加步长或增加步频,甚至是两者同时增加而达成。

  

  原来速度=2米/步 x 3步/秒=6米/秒

  新的速度=1.5米/步 x 4步/秒=6米/秒

  

  原来速度=2米/步 x 3步/秒=6米/秒

  新的速度=1.8米/步 x 4步/秒=7.2米/秒

  从例一及例二可见,要有速度上的增进,在提升一项因素(如步频)的时候,另一项因素(如步长)不能有太大的衰减,否则可能会得不偿失。

  长的构成

  步长是由后蹬距离、腾空距离、着地后距离三段构成。

  Atwater(1981)对 12 名男性 100 米跑运动员(成绩由9.9 秒至10.4 秒)进行分析,他们后蹬距离、腾空距离、着地后距离(佔步长百分比)的分布见下表:


最小 平均 最大
后蹬距离 22 26

30

腾空距离 50 57 64
着地后距离 12 17 20

  腾空距离的因素

  正如其他投射物(projectile)一样,影响腾空距离的因素包括:蹬离地面时的初速度、蹬地的角度和空气阻力。

  响初速度的因素

  影响初速度的因素主要为蹬地时地面施加于运动员身上的反作用力,这其实是运动员充分伸展髋、膝、踝关节,向后蹬地用力的成果。

  地时的常犯错误

  着地时的一个常犯错误就是刻意把小腿踢前,以增加步长,其实这会影响到前进速度,因为脚向前踢出的动作在正式着地时会产生向后的反作用力,形成了「制动」(braking)的效果,反而降低原本向前的速度。

  

  步频取决于完成一步所需的时间,需时越长,在一指定时间内的步频越低。完成一步的时间组合可以被分为:接触地面的时间和腾空时间两个部分。

  根据 Housden(1964)和 Atwater(1981),顶级短跑运动员完成一步的时间比例为:


接触地面的时间 腾空时间
起跑 2 1
途中跑 1 1.3-1.5

  与步频的研究结果

  Hoffman(1971)

  •   研究了 56 名男性短跑运动员(最佳时间由10.0 秒至11.4 秒)后发现:
  •   平均步长与身高和腿长有关。
  •   平均步长一般为身高的1.14 倍,腿长的2.11倍。
  •   平均步频与身高或腿长都分别成反比,即身材越高,步频越低;腿越长,步频也越低。
  •   最高步长为身高的1.24 倍。

  Hoffman(1972)

  •   研究了 23 名女性短跑运动员(最佳时间由11.0 秒至12.4 秒)后发现:
  •   研究结果与Hoffman(1971)相似。
  •   平均步长一般为身高的1.15 倍,腿长的2.16倍。

  Rompotti(1975)

  •   研究了 20 名男大学生和12 名优秀男性大学生运动员后发现:
  •   全速跑步长 = 1.17 x 身高 ± 10 cm。

  Atwater(1981)

  •   分两组研究了 23 名男性短跑运动员(最佳时间由9.9 秒至10.4 秒)后发现:
  •   其中一组的平均步长为2.5米( 于50米处),即身高的1.41 倍,腿长的2.65 倍。
  •   另一组的平均步长为2.34 米(于60 米处),即身高的1.31 倍,腿长的2.47 倍。
  •   所得数值高于 Hoffman(1971)及 Rompotti(1975),主要可能是地面(煤渣跑道与塑胶跑道)及运动员能力的分别。

  技术动作的力学分析

  

  腿部动作是一种循环动作,而且可以分为叁个阶段:支撑阶段、蹬地阶段、恢复阶段。

  

  支撑阶段由脚着地一刻开始,直至运动员的重心向前移过着地点后结束。脚的着地方法是跑的技术环节中最具争议的地方,有些人主张应该以脚跟先着地,然后滚动至脚前掌,再以脚趾蹬离地面。不过,这种着地方法会降低了向前的动量(momentum),因为在脚跟着地的一剎那,脚部仍在向前的动作会继续向前(牛顿第一定律),并形成一鼓向前的作用力(action)施加于地面,而地面亦会同时回应一鼓力度相同,方向相反(向后)的反作用力(reaction,牛顿第三定律),减慢了运动员向前的动作。同样道理,刻意把小腿踢前以增大步长时,脚部于着地的一剎那也正在向前移动,所受到的反作用力一样会减慢了向前的速度。

  因此,正确的着地方法应该是以脚前掌( 外侧)先 着地,然后过渡至全脚触地,并借此缓衝部分脚着地时因地心吸力所产生的撞击力;而且脚着地后亦应该继续向后移动,用从地面而来的反作用力使身体可以更快地向前推进。至于脚着地的位置,亦应该尽量接近运动员身体重心在地上的投影点。

  当跑的距离增长,速度会相应变慢,脚着地的部位也会向脚跟方向后移。其实大部分短跑运动员(包括顶级运动员),着地后脚跟都会触及地面(Nett,1964)。Payne(1983)的研究亦发现,在 18 个国际级 200 米跑运动员中,只有一个是全程脚跟没有触地。而另一组共有 41 个从事400 米至1500 米的国际级运动员中,亦只有 6个是採用同样的技术(脚跟不触地)。由此可见,无论是短跑还是中长跑运动员,都不应刻意禁止脚跟着地。

  为了减低因地心吸力而来的撞击力,脚着地后,髋、膝、踝关节都会适当弯屈,以吸收脚撞击地面时的震荡。

  

  支撑阶段一结束,便会进入蹬地阶段,直至蹬地腿的脚部离开地面为止。运动员这时应用力蹬伸髋、膝、踝关节,并向下、向后用力把身体推离地面。蹬离地面时的初速度是取决于髋、膝、踝关节的肌肉力量,也会影响到实际的步长。

  

  恢复阶段是指脚部蹬离地面后,被送前并准备下一次着地的一段期间。支撑腿蹬离地面后,小腿应迅速向大腿靠拢,并形成大、小腿边折叠边前摆的动作。当小腿向后、向上靠拢大腿的时候,脚部应尽量贴近臀部,从而把腿的转动惯量(moment of inertia)降至最低和增加角速度(angular velocity),使腿可以更迅速地向前摆出。与此同时,摆动腿亦以髋关节为轴,积极下压,膝关节放松,小腿自然向下伸展,准备着地。

  

  研究过 10 名跑步人士的手部动作后,Hinrichs(1982)指出,手部动作的主要功用是平衝由于腿部动作而产生的角动量(angular momentum),而且对提升身体重心亦有一定的贡献(约 10%)。一般来说,手部动作向前不应高于肩膊,向后也不应超过臀部1脚长的距离,而且亦要避免左右扭动,慕求以最大的合力把身体向前推进。

  

  在所有跑的项目中,部分的能量会被浪费于克服空气阻力(air resistance),因而降低了运动员的动能(kinetic energy),影响了速度。

  空气阻力是与运动员跑速的「平方」成正比,所以速度越高,要抵抗的空气阻力越大。跟据Dyson(1986),在静止的气流下,若运动员的跑速为10.67 米/秒(一般优秀短跑运动员的最高速度),作用于运动员身上的空气阻阻力便有15.93牛顿(3.58 磅)。因此,特别在大风的日子,中长跑运动员都应该避免领先跑。

  

  根据 Anderson(n.d.),美国北爱荷华州大学(University of Northern Iowa)的 Nancy Hamilton 博士发现,跑步成绩和跑姿会随着年龄的增长而产生戏剧性的变化。虽然许多研究人员都把速度随着年龄增长而下降的现象归因于心臟输出的能力、肌肉质量和肌肉力量的损失等生理因素,但Hamilton 博士却将这些现像归因于跑姿的转变。

  Hamilton 在 1989 年间,共摄录了162 名国际级跑步运动员(83 男,79 女)的比赛片段,并将其数码化后进力学分析,她把表现较佳和表现较差的运动员进行比较,亦把年龄较大和年龄较小的运动员进行比较,她深信运动员之间表现上的分别主要在于力学上的因素,特别是髋、膝、踝关节的活动幅度。Hamilton 的论据是这些关节的活动幅度会影响到步长与步频,而增加步长或步频,甚至是两者同时进行下,都是跑得更快的先决条件。

  就以一个5000 米跑18:30 的运动员为例,如果她目前的步频是 180 步/分鐘,而步长则是 1.5米,那么她完成5000 米共需要跑:5000 米 ÷ 1.5 米/步 = 3334 步

  假设该名运动员在体适能上有所改善,而且使到步频有1%的增进,那么她5000 米跑的时间便可降低至18:20左右。如果步频保持不变,而步长方面有1%的增进,同样能够把时间降低至18:20左右。如果步频和步长两者都同时有1%的改善,那么时间就更可以降低至18:10左右。

  Hamilton 的研究发现,随着年龄的增加,步频的下降并不明显(80 岁与 35 岁的相差只不过是4至5%)。另一方面,虽然步长在35 至55 岁间仍会有些微增长,但自此以后,步长便会逐渐下降( 90岁的比35岁的下降了40%,由每步2.36米缩短至1.42 米)。由此可见,自40岁过后,步长会明显下降。

  Hamilton 发现年龄较大的运动员,脚接触地面的时间较长,这主要是髋和膝等关节的活动幅度下降所致。例如,膝关节在跑步时的活动幅度自35 岁至90 岁间竟减少了33%(从123度下降至95度),这使到膝关节于腿向前摆动时折叠不足,脚与髋关节的距离变远,力矩(moment)增大,影响了前摆的速度,也就影响了另一腿及时蹬地用力,把身体前送的速度。此外,髋关节在跑步时的活动幅度比膝关节下降得还要厉害,自35 岁至90 岁间减少了38%,这些都影响了步长。

  因此,Hamilton 主张应该改善髋关节的活动幅度,并且加强四头肌(大腿前方肌肉)的柔软度,令腿前摆时可以折叠得更好,使到脚能够贴得更近臀部,减少力矩,加快前摆的速度;而且臀部附近的肌肉亦要加强向后用力,把人体迅速推离地面。此外,脚着地后要避免膝、踝关节的「过分」弯屈,好使尽快从支撑阶段过渡至蹬地阶段,缩短两脚与地面接触的时间。

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