任占兵，袁運(yùn)平

(廣州體育學(xué)院，廣東 廣州 510500)

不同健身跑速度對人體支撐階段地面反作用力的影響研究*

任占兵，袁運(yùn)平

(廣州體育學(xué)院，廣東 廣州 510500)

健身跑是增強(qiáng)體質(zhì)、預(yù)防疾病的主要身體鍛煉之一，研究不同健身跑速度對人體支撐階段地面反作用力的影響將會(huì)對豐富跑步運(yùn)動(dòng)技術(shù)理論與實(shí)踐具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。重點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證不同健身跑速度下支撐階段地面反作用力的分布特征。選擇7名中跑運(yùn)動(dòng)員(年齡:21.43±0.53歲;身高:172.8±3.79 cm;體重:63.66±3.82 kg，訓(xùn)練年限:4.57±0.98年)，應(yīng)用一臺Kistler三維測力臺測試運(yùn)動(dòng)員在健身跑的慢速(3.34 m·s－1)、中速(3.87 m·s－1)和快速(4.45 m·s－1)等3個(gè)不同的速度下跑步過程中足底三維地面支撐反作用力。研究結(jié)論認(rèn)為，隨著跑步速度的增加，打擊力峰值、垂直方向第二峰值、制動(dòng)力峰值、加速力峰值以及三維方向力的波動(dòng)范圍也相應(yīng)增大。

跑步;動(dòng)力學(xué);地面反作用力

健身跑是一種極為簡單并且人人都能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，長期以來，健身跑以其能有效地鍛煉人體的心臟，改善人體的心血管系統(tǒng)，增強(qiáng)人體的活動(dòng)能力，并能有效地預(yù)防疾病等原因，比較受人們的喜歡。但是，通過檢索國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，迄今為止，關(guān)于不同健身跑速度對人體支撐階段地面反作用力影響的相關(guān)研究文獻(xiàn)還比較匱乏。根據(jù)一般力學(xué)原理，人體在跑步過程中的地面反作用力是跑步者的足蹬地時(shí)由地面反作用到跑步者的力。根據(jù)牛頓第三定律，它與“作用”力或“蹬力”是大小相等方向相反的。像重力和絕大多數(shù)接觸力一樣，地面反作用實(shí)際上是一種分布力，它是作用在整個(gè)接觸表面上的，地面反作用力是一個(gè)矢量，具有大小、方向和作用點(diǎn)。根據(jù)研究的目的，常常把地面反作用力合力分解成三個(gè)直角分量，垂直分量、前后分量和內(nèi)外分量。［1］本研究基于前人對地面反作用力的劃分方法，通過實(shí)驗(yàn)來探索不同健身跑速度下支撐階段地面反作用力的分布特征，該研究對進(jìn)一步揭示不同健身跑速度下的動(dòng)力學(xué)技術(shù)特征，以及為進(jìn)一步探索由健身跑引發(fā)運(yùn)動(dòng)損傷的生物力學(xué)因素等都具有一定的參考價(jià)值。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

北京體育大學(xué)競技體育學(xué)院7名中跑運(yùn)動(dòng)員，基本情況如表1所示。

表1 受試者的基本情況(n=7)

1.2 實(shí)驗(yàn)測試

使用一臺Kistler三維測力臺測試跑步過程中支撐階段的地面反作用力，采樣頻率1000 Hz，測力臺與起跑點(diǎn)之間的距離為10 m。使用Photocells測速儀(芬蘭產(chǎn))來反饋運(yùn)動(dòng)員的跑步速度，減少速度誤差，保證每名受試者的速度控制在健身跑的速度范圍之內(nèi)。由于健身跑是有氧耐力運(yùn)動(dòng)，［2］本研究將健身跑的有氧范圍界定為三個(gè)強(qiáng)度:65%VO2max(慢速)，75%VO2max(中速)和 85%VO2max(快速)，［3］VO2max測試程序同任占兵(2010)［4］，根據(jù)攝氧量與速度之間的關(guān)系求出3個(gè)強(qiáng)度下對應(yīng)的速度，［5］分別為:慢速12 km·h－1(3.34m·s－1)，中速 14 km·h－1(3.87m·s－1)和快速 16km·h－1(4.45m·s－1)，在正式測試前，讓每名受試者在3個(gè)不同的速度上分別試跑3～5次，熟練后開始正式測試。在本研究中兩臺紅外發(fā)光裝置距離設(shè)定為4 m。受試者分別在3種不同的速度下試跑3次，取最接近目標(biāo)速度的試跑數(shù)據(jù)作為研究內(nèi)容。測試過程中要求受試者“無視”三維測力臺的存在，全腳掌完全踏在三維測力臺上，所有涉及到力值的指標(biāo)均除以各受試者的體重，旨在消除體重差異對各指標(biāo)的影響，時(shí)間以步態(tài)周期的百分比表達(dá)，對時(shí)間歷程和力值進(jìn)行歸一化處理。［4－7］

1.3 數(shù)據(jù)處理

地面三維反作用力數(shù)據(jù)通過Bioware軟件解析獲得;采用巴特沃斯低通濾波器截?cái)囝l率為50Hz。［8］對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值及歸一化處理。對所有生物學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)變量指標(biāo)通過Origin8.0和Spss16.0軟件進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，求出各指標(biāo)的平均數(shù)(Mean)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 不同健身跑速度下垂直方向支撐反作用力的表現(xiàn)特征

垂直方向支撐反作用力反映了力在垂直方向的受力情況，不同健身跑速度下垂直方向支撐反作用力的表現(xiàn)特征如圖1和表2所示。由圖1可見，垂直方向跑的地面反作用力呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷的雙峰曲線，垂直方向第一個(gè)峰值為打擊力峰值，在隨后的蹬地階段出現(xiàn)第二峰值——加速力峰值。且在每個(gè)速度下的第二峰值要高于第一峰值，另外，隨著速度的增加垂直方向支撐反作用力的第一峰值和第二峰值分別增大。第一峰值出現(xiàn)在支撐周期的12%～15%，第二峰值出現(xiàn)在支撐周期的40% ～45%。由此，關(guān)于跑步愛好者提出的跑步后為何腳跟疼痛?［9］這個(gè)問題我們認(rèn)為，這可能與打擊力峰值具有一定的關(guān)系。由于健身跑速度相對來說比較慢，因此主要是腳后跟或者腳的中后部先著地，［10］這樣腳后跟不可避免地要承受較大的負(fù)荷，長期下去必然會(huì)對足跟病變造成一定的影響，另外，長期堅(jiān)持健身跑的愛好者，其跑步速度也會(huì)逐漸增加，這樣的話，打擊力峰值也會(huì)相應(yīng)增大。因此，在進(jìn)行健身跑時(shí)速度和足著地部位要控制得當(dāng)，以減少地面對人體足跟的沖擊力，防止脂肪墊損傷、筋膜發(fā)炎、跟骨骨骺發(fā)炎、跟骨滑囊發(fā)炎等。由表2可見，慢速健身跑的打擊力峰值為1.75±0.12BW，中速健身跑的打擊力峰值為2.70±0.17BW，快速健身跑的打擊力峰值為2.19±0.74BW，通過多重比較發(fā)現(xiàn)，3種不同健身跑速度對打擊力峰值的影響差異不具有顯著性，但隨著速度的增加，打擊力峰值有增加的趨勢。慢速健身跑的第二峰值為2.64±0.18BW，中速健身跑的第二峰值為1.90±0.38BW，快速健身跑的第二峰值為2.96±0.26BW，通過多重比較發(fā)現(xiàn)，3種不同健身跑速度對第二峰值的影響差異較大(表2)，即快速健身跑速度下的地面垂直反作用力第二峰值分別與慢速健身跑和中速健身跑速度下的地面垂直反作用力第二峰值差異呈現(xiàn)出顯著性(p=0.01，p=0.03)，隨著健身跑速度的增加，地面垂直反作用力第二峰值也有增大的趨勢，該研究結(jié)論與Keller TS(1996)［11］的觀點(diǎn)基本吻合。另外，快速健身跑速度下的地面垂直反作用力的波動(dòng)范圍分別與慢速健身跑和中速健身跑速度下的地面垂直反作用力的波動(dòng)范圍差異呈現(xiàn)出顯著性(p=0.01，p=0.03)，地面垂直反作用力的波動(dòng)范圍隨著健身跑速度的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢。

圖1 不同健身跑速度下垂直方向支撐反作用力表現(xiàn)

表2 不同健身跑速度下垂直方向力不同階段的表現(xiàn)特征

2.2 不同健身跑速度下前后方向支撐反作用力的表現(xiàn)特征

前后方向支撐反作用力的變化反應(yīng)了人體在跑進(jìn)的過程中所受的制動(dòng)與加速的情況，在本研究中將不同健身跑速度下前后方向支撐反作用力的峰值劃分為制動(dòng)階段力的峰值(制動(dòng)力峰值)和加速階段力的峰值(加速力峰值)。由圖2可知，運(yùn)動(dòng)員支撐階段的大約45%的時(shí)間處于制動(dòng)階段，在此階段，足底受到的前后方向的力與運(yùn)動(dòng)方向相反;而55%的時(shí)間處于加速狀態(tài)，這個(gè)階段足底受到的前后方向的力與人體運(yùn)動(dòng)方向相同。隨著速度的增加，制動(dòng)力峰值和加速力峰值均有增大趨勢。由表3可知，慢速健身跑制動(dòng)力峰值為－0.38±0.06BW，中速健身跑制動(dòng)力峰值為－0.40±0.11BW，快速健身跑制動(dòng)力峰值為－0.51±0.16BW，其中，負(fù)號表示制動(dòng)力的方向與運(yùn)動(dòng)方向(加速力方向)相反。通過多重比較發(fā)現(xiàn)，不同健身跑速度下的制動(dòng)力峰值差異不具有顯著性，該結(jié)果可能是由于本研究選擇的限制速度所造成，但由表3及圖2可見，隨著健身跑速度的增加，制動(dòng)力峰值呈現(xiàn)出增大的趨勢。另外，由表3可知，慢速健身跑加速力峰值為0.44±0.05BW，中速健身跑加速力峰值為0.54±0.07BW，快速健身跑加速力峰值為0.57±0.07BW，隨著健身跑速度的增加，加速力峰值也呈現(xiàn)出增大的趨勢，通過多重比較發(fā)現(xiàn)，慢速健身跑的加速力峰值分別與中速健身跑和快速健身跑速度下的加速力峰值差異呈現(xiàn)出顯著性(p=0.02，p=0.002)，中速健身跑速度下的加速力峰值范圍與快速健身跑速度下的加速力峰值范圍差異呈現(xiàn)出高度顯著性(p=0.00)。

表3不同健身跑速度下前后方向力的表現(xiàn)

圖2 不同健身跑速度下前后方向支撐反作用力表現(xiàn)

圖3 不同健身跑速度下內(nèi)外方向支撐反作用力表現(xiàn)

2.3 不同健身跑速度下內(nèi)外方向支撐反作用力的表現(xiàn)特征

內(nèi)外方向支撐反作用力的變化反應(yīng)了人體在跑進(jìn)過程中足與地面接觸過程中內(nèi)外方向的受力變化。不同健身跑速度下內(nèi)外方向支撐反作用力的表現(xiàn)特征如圖3和表4所示。由表4可知，慢速健身跑速度下內(nèi)外方向力的最大峰值與快速健身跑速度下內(nèi)外方向力的最大峰值差異呈現(xiàn)出顯著性(p=0.02)，慢速健身跑速度下內(nèi)外方向力的峰值波動(dòng)范圍與快速健身跑速度下內(nèi)外方向力的峰值差異呈現(xiàn)出顯著性(p=0.047)。說明，隨著跑步速度的增加，內(nèi)外方向支撐反作用力的峰值也增大，且峰值的波動(dòng)范圍也相應(yīng)增大。

表4 不同健身跑速度下內(nèi)外方向力的表現(xiàn)

地面反作用力反映了支撐階段的人體跑步動(dòng)作的功能和力學(xué)需要，身體在垂直上下、前后和左右方向的額外動(dòng)量變化，主要是由于人體在跑步過程的支撐階段，一方面承受了較大的外部沖擊負(fù)荷，另一方面人體自身的神經(jīng)肌肉也做了功，以保證在跑步支撐階段承受外部沖擊負(fù)荷的前提下準(zhǔn)確地完成向前跑進(jìn)的動(dòng)作，以防止人體在跑步制動(dòng)階段出現(xiàn)不必要的動(dòng)作變形。從本研究中可以發(fā)現(xiàn)，隨著健身跑速度的增大，人體在支撐階段地面反作用力也表現(xiàn)出增大的趨勢，該研究結(jié)論與Kyrolainen(2001)［12］的研究趨于一致。

3 結(jié)論

3.1 垂直方向支撐反作用力的打擊力峰值在本研究的三個(gè)跑步速度上差異不大，但呈現(xiàn)出隨著跑步速度的增加，打擊力峰值也增大的趨勢;垂直方向支撐反作用力的加速力峰值在不同速度下的差異具有顯著性，隨著跑步速度的增加，加速力峰值也相應(yīng)增大;垂直方向支撐反作用力的波動(dòng)范圍隨著跑步速度的增加表現(xiàn)出增大的趨勢。

3.2 人體在跑進(jìn)的過程中所受的制動(dòng)力與加速力也隨著跑步速度的變化而變化，隨著跑步速度的增大，

制動(dòng)力與加速力峰值相應(yīng)增大。

3.3 隨著跑步速度的增加，內(nèi)外方向支撐反作用力的峰值增大，且峰值的波動(dòng)范圍相應(yīng)增大。

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The Influence of the Different Jogging Speed on the Ground Reaction Force

REN Zhan－bing1，YUAN Yun－ping1

(Guangzhou Sport College，Guangzhou? 510500，China)

Jogging is one of the main means to enhance the physical fitness and prevent disease.There is comprehensive and significant meaning to study the influence of the different jogging speed on the ground reaction force.The purpose of this study was to test the difference of the kinetic charicteristics between fast running and slow running.Choosing 7 middle－distance runners(age:21.43±0.53 years old;height:172.8±3.79cm;weight:63.66±3.82kg，and training period:4.57±0.98 years)，through using the photoelectrical testing and analytical system of Kistler，we have test the kinetic charicteristics at the speed of 3.34 m·s－1、3.87 m·s－1 and 4.45 m·s－1 respectively.The results showed that the peak impact force，the second peak vertical force，peak braking force，peak propulsion force and the variation range of the ground reaction forces increases with the increase of the running speed.

Jogging，kinetic，ground reaction force

G804.66

A

1007－323X(2010)05－0073－04

2010－01－14

任占兵(1979－)，男，講師，博士

研究方向:體育教育訓(xùn)練學(xué)

國家科技支撐計(jì)劃課題(2006BAK37B03);廣州體育學(xué)院教學(xué)研究課題(2010YB15)