对影响短跑成绩提高的外源性生物力学因素的研究

李 坚

(四川理工学院 体育部，四川 自贡 643000)

对影响短跑成绩提高的外源性生物力学因素的研究

李 坚

(四川理工学院 体育部，四川 自贡 643000)

影响短跑成绩提高的因素很多，其中外源性生物力学因素容易被大多数教练员忽视。外源性生物力学因素属力学类范畴，它是由身体质量、空气助力和地球的引力等构成。通过对影响短跑成绩提高的这些力学因素，对如何通过训练手段、鞋、服装以及运动场地的设计来克服这些力学因素，以求达到提高速度的目的。

外源性力学；短跑；速度；阻力；引力

在短跑训练中，技术训练和素质训练是提高速度的主要训练手段和方法。我们在训练计划和训练内容上很难看到与力学有关的训练信息，忽视了力学因素在短跑训练中对提高速度有着极其重要的作用。而许多可提高速度成绩的辅助手段都具有生物力学性质，这些具有辅助手段的生物力学因素可划分内源性生物力学因素和外源性生物力学因素两大类。内源性生物力学因素是通过使身体最佳力学结构来提高运动成绩。外源性生物力学因素是指能提高运动成绩的身体以外的一切方法和条件，其作用机制是能有效的改变从而减少力学因素对成绩影响。本文将以外源性生物力学因素作为分析对象，运用举例法找出影响短跑成绩提高的外源力学因素，从而解决影响短跑训练中的力学因素，为在训练上提高短跑成绩提供理论依据。

1 影响短跑成绩的力学因素

影响短跑成绩的力学因素主要是空气动力学和外部力学，空气动力学有空气阻力和升力两种形式，外部力学由万有引力、摩擦力和同心力三种形式。以上力学因素常出现在田径比赛和训练中，如何掌握这一力学规律对提高短跑成绩有重要的意义。

1.1万有引力

根据牛顿力学，万有引力的大小与两相作用物体质量的乘积成正比，而与两物体间距离的平方成反比(万有引力=GmM/r^2)。万有引力对人类从事的各种运动项目都有约束性影响，只有当人类到不存在万有引力的空间去从事体育活动时，这种情况才会改变万有引力的影响，不仅直接施加到人体和各种体育器械上，而且作为大多数限制性力学因素的一部分，而间接作用到人和器械上。重力是地球引力和绕地轴转动的惯性力心力的合力，海拔越高引力越小(f=GMm/r^2)r在这里表示道地心的距离而惯性力心力越大，(f=mrw^2)r在这里表示到地轴的距离，w表示绕地轴的转动角速度，它不会因为你爬到山上而变，但r确大了，故离心力变大，海拔高了重力就会小，纬度越高。到地心的距离不变，而到地轴的距离确越来越小，即引力大小不变而离心力越来越小。所以纬度越高，重力越大。因此，体育比赛在纬度地区举行时，会随着纬度的不同，重力加速度也随之变化，甚至达到具有显著影响的地步，所以赤道的重力加速度比高纬度的重力加速度小，2008年北京奥运会田径记录多次被刷新，和北京位于北纬39度有很大的关系。

1.2摩擦力

两个物体互相作用的力，这个力叫摩擦力。随着运动的发生，物体形变部位的变换，即动态形变也会消耗一部分能量而显示出阻力性；有些变形较大的物体还会产生明显的形位阻力。如跑鞋与塑胶地面接触时，塑胶表面就会向下凹陷，增大了跑道与鞋的摩擦力。

1.3向心力

物体做圆周运动时，沿半径指向圆心方向的外力(或外力沿半径指向圆心方向的分力)称为向心力。从运动学角度可以证明，做匀速圆周运动的物体的加速度大小为a=v^2/r=ω^2r，方向总是指向圆心，因此匀速圆周运动的加速度，叫向心加速度．向心加速度只改变速度的方向，不改变速度的大小。在200m短跑项目中，运动员在做圆周运动时，如何有效的提高向心加速度，是提高运动员成绩的有效途径。

1.4空气阻力

是指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的弹力而产生的。在短跑这类速度项目中，空气阻力是有碍运动员提高成绩的一个重要环节。根据空气阻力的公式：F=(1/2)CρSV^2 计算。式中：C为空气阻力系数；ρ为空气密度；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度。由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。运动员可以通过高速身体姿势来减小S，还可以运动着装来减小C，减小速度一般不会对成绩产生不利影响，而空气密度ρ在正常气候条件下，海平面的空气密度约为1.22 Kg/m3，在海拔2000m的高度，空气密度下降为1.00Kg/m3，如果其它条件不变，则空气阻力也将下降。这对于提高短跑运动员克服空气阻力具有重要的意义。1968年，在海拔2206m的墨西哥城举行的奥运会创下一批优异的成绩，充分印证了成绩的创造与空气密度下降的紧密关系。

2 外源性力学因素对短跑成绩的影响

2.1服装对速度的影响

在参加世界大赛上，可以看到一些短跑运动员身穿一种类似速度滑运动员所穿的紧身服，希望能以此来降低比赛时遇到的空气阻力。短跑的最大速度要比速滑的速度低得多，虽然速度比较低，但穿上减小阻力的服装还是会有此优势的，尤其在迎风的情况下。考虑到迎风跑时克服空气阻力的高能耗，穿紧身服对运动成绩的提高具有良好的作用。穿这样的服装而不是通常穿宽松的背心和运动短裤，将有助于减小形状阻力，潜在提高运动员的成绩。

2.2跑鞋对速度的影响

近年来，鞋对运动成绩的影响也逐渐被重视起来。为增加鞋与地面的摩擦力，跑鞋的设计以及鞋钉的分布都围绕提高速度进行开发，为追求轻质,要求跑鞋全面紧锁脚面的力量型短跑运动员而设计适用于短跑专业运动员技术型鞋钉。因此，就仅仅鞋子的重量就会对跑的成绩产生很大的影响，增加脚部的重量会增加每个步幅周期中抬脚和向前加速时所作的功。例如，假设以4.5m/s的速度跑时每只脚的动作频率大约为90周期/min。在选择6.5m/s为脚的平均水平速度，0.6m为脚的平均垂直位移，这样就可以从计算跑速度为4.5m/s时，脚上附加重量所引起的额外能耗。

解 1：设抬起每只鞋增加了0.10kg重量的脚所作额外功。计算公式为：dw =dm·g·h dw为额外功(单位为j)

dm是加到每只脚上的额外质量(单位为kg)

b为重力加速度，大小为9.8m/s

h为脚抬的高度，单位为m

将上面数据代入公式，则有：dw=(0.1)·(9.8)·(0.6)=0.588j/每周期。

在1分钟的90个周期里，两只脚共做额外功：(2)·(90)·(0.588)=52.9j/min。

解2：鞋增加的重量所多作的额外功的总量为：52.9+379.8=432.7j/min

所以每只脚增加0.1kg所多消耗的能量约占总能耗的1.2%，以上数据表明，一个穿较轻型号跑步的运动员，比穿较重型号鞋跑步的运动员在相同生理负荷下能将跑速提高，这一数据具有潜在的重要意义。

2.3运动场地对运动员成绩的力学影响

2.3.1当有圆周运动运动时就会有离心力和向心力

短跑中的200m和400m属圆周运动的项目。这里我们主要讲针对椭圆弯道跑的影响，即在不同的跑道上维持运动员圆周所需的力量(F=mv`/r；m为运动员质量，v速度及弯道的半径r)。由于有一部分肌肉力量要用于维持运动员沿弯弧线跑，所以跑速必然会有所下降，通过将200m直道跑与带一个弯道的200m跑相比较可以发现，弯道跑将使用的总时间增加0.4s。运动员利用跑到来获得弯道跑所需要的向心力。这个力主要是摩擦力，指向道圆心，作用在运动员的脚上。跑弯道时，运动员身体向内圈倾斜，内低外高的弯道可以减小对摩擦力的要求，因为这种斜面能产生一定的水平反作用力，由于室外场地缺乏坡度，弯道上的各

2.3.2在弹性硬度极好的跑道上跑，能缩短支撑时间，增加步长，提高成绩

美国哈佛大学己经铺设了弹性硬度为运动员弹性节奏三倍的跑道，而且在这种跑道上跑成绩将提高2%；北京奥运会塑胶跑道采用了意大利进口的新技术，比以往的跑道在性能和弹性硬度上都有很大的提高，特别是速度性项目，对运动员成绩提高起到了一定作用。

3 小结

许多对短跑运动成绩有不利影响的力学因素都可通过外源性生物力学手段来部分消除。这些外源性生物力学手段包括穿戴按动力学设计的服装、比较轻的鞋和运动场地等，速度性项目在考虑技术、素质等训练的诸多因素下，作为教练员应对短跑运动员自身条件以外的因素加以考虑，在训练中解决力学因素对运动员训练效果的影响。如选择训练场地、地点、运动员的比赛装备、训练的手段等。这些外部因素都有利于短跑运动员在比赛中成绩的提高。通过上述特点，在训练中注意克服和运用这些外源性力学，采用相应的方法和手段有助于进一步提高运动成绩。

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StudyontheEffectofExogenousBiomechanicsonSprintRacePerformanceImprovement

Li Jian

(P.E.Department of Sichuan University of Science&Engineering,Zigong,643000,Sichuan,China)

There are many factors effects dash race performance,while exogenous factors,including biomechanical easily overlooked by most coaches.Exogenous biomechanics belongs to category of force.It consists of body mass,air resistance and gravity.This paper,based on those factors,discussed the combination of training method,shoe design,costume design and playground design and those factors,targeting improving racing speed.

exogenous biomechanics;sprint;speed;resistance

2009-12-09；

2010-03-03

李坚(1971-)，男，四川人，讲师，研究方向：体育教学与训练。

G804.6

A

1672-1365(2010)03-0037-02