青少年运动员途中跑足底连续三维力的研究

李 意，严壮志，司 文

上海大学上海大学通信与信息工程学院(上海，200072)

青少年运动员途中跑足底连续三维力的研究

李 意，严壮志，司 文

上海大学上海大学通信与信息工程学院(上海，200072)

目的 测量青少年运动员途中跑阶段足底连续三维力，以揭示不同水平青少年运动员途中跑阶段三维力特征。方法 选取10名身体健康高中男性运动员作为受试者，应用作者研发的新型足底三维测力跑鞋，测试与记录每位受试者100m短跑途中跑阶段的足底连续三维力，并加以分析。结果 青少年运动员在冲击时相时Fx分量有明显的峰值，其中优秀组运动员的Fx第一负波峰值均值小于对照组;Fy分量是客观存在的，优秀组运动员Fy的标准差较对照组要小，并且优秀组运动员的Fy分量的连续波动更加平稳;Fy分量与Fz分量具有相同的变化趋势。结论 结果表明，前撑阶段Fx第一负波峰值对运动员向前有阻力的作用;Fy分量是客观存在的且与Fz分量具有相同的变化趋势;Fy分量的大幅波动影响运动员的身体平稳性，不利于运动员大腿充分发力。

青少年运动员;途中跑;连续三维力;三维力传感器

青少年运动员因为身体条件的特殊性导致在短跑中膝关节、踝关节更容易发生损伤［5］。陈真对北京城郊区的32支青少年田径运动队运动损伤患病情况进行的调研发现，膝部、踝部、足部损伤占运动员损伤部位构成比为41．43%，造成损伤最主要的原因是技术动作失误。踝关节过度内翻引起的外侧副韧带损伤在青少年运动员中常见。如果运动员在落地时重心不稳，就会以足前外侧着地，内翻而导致外侧副韧带损伤［6］。青少年短跑运动员损伤大部分发生在身体训练和专项辅助训练中，损伤与运动员的技术特点有关，是身体条件与训练不相适应的结果。对青少年运动员训练的根本目的在于挖掘其运动潜能，如何健全其技术动作与技术训练对于处在成长期的青少年运动员尤为重要［5］。

随着三维力传感器制作工艺的进步，传感器的尺寸越来越小、质量越来越轻，如何在受试者无束缚条件下测量其足地间连续三维作用力日益成为研究的热点。Chateau等设计了一种马蹄状三维力传感装置，可测量不同路面情况下马蹄与地面间的三维互作用力［7］。Stacy等利用无线传感技术实现病足患者的连续步态分析［8］。Liu等研制出一种穿戴式三维测力装置用于在非实验室环境慢走时足底与地面作用力的连续测量［9］。为了实现运动员短跑过程中足地间连续三维力的测量，作者与上海体科所合作研制了可测量高强度运动下足底与地面连续三维测力的数字跑鞋。

因此，对青少年运动员足底连续三维力进行研究不仅有利于指导其安全训练，更能进一步挖掘其运动潜能提高短跑成绩。本文利用三维力数字跑鞋对青少年运动员途中跑阶段足底三维受力进行研究，分析探讨青少年足底连续三维受力特征以及对运动员跑步成绩的影响。

1 途中跑足地间三维作用力模型

图1 足地间三维受力分解Fig．1 Composition of 3D impact force

足地间三维力方向如图1所示。跑步时，人体的动力是靠两腿的后蹬来提供的，根据力的分解，可以把后蹬的支撑反作用力分解为垂直分力和水平分力。当水平分力方向和跑动方向一致时，水平分力才能发挥它的最大作用。如果两者方向不一致，那么水平分力又可分解成两个相互垂直的力，其中一个方向与运动方向一致的前进动力Fx，另一个力的方向则是指向身体两侧即横向剪应力Fy。传统理论认为Fx决定了身体重心水平移动速度的快慢，Fz大小决定了身体重心起伏的程度。迄今的研究较多地关注Fx和Fz，而对Fy的研究不多。Fy分量使得人体运动与前进方向有一定的夹角，必然减小向前运动的推力，从而影响跑速［10］。

2 研究对象与方法

研究青少年运动员途中跑过程中足地间的三维相互作用力，有助于完整分析青少年运动员足底受力情况，全面探讨足底与地面反作用力的三维分量的曲线特征，健全青少年运动员的技术动作，指导青少年运动员的安全训练。

2．1 实验对象

选取10名山东鱼台某中学身体健康、身高(176．5 ±7．5)cm、体重(65．4 ±7．6)kg、年龄(18 ±2)周岁的高中男性运动员作为受试者进行试验。10名青少年运动员的100m最好成绩在11秒02－12秒30之间。根据比赛成绩将他们分为优秀组和对照组，每组各五名运动员。受试者基本情况如表1所示。

表1 受试者基本情况Tab．1 The basic characteristics of subjects

2．2 实验仪器

本实验采用上海大学与上海体育科学研究所合作研发的三维测力跑鞋对受试者进行测试。该三维测力跑鞋的测量范围F;分辨率;线性误差;重复误差。测力跑鞋包括专用运动跑鞋、三维力传感器、数据采集芯片、数据存储芯片、pc电脑、上位机显示软件［11］，如图2所示。测试频率为30 KHz。

图2 实验平台(a)动态标定装置(b)三维测力传感(c)数据采集处理系统(d)三维测力跑鞋外观(e)上位机显示软件Fig．2 Experimental platform(a)Dynamic calibration device(b)3－D force sensor(c)Data acquisition and processing system(d)Appearance of 3D force shoes(e)PC display software

2．3 研究方法

2．3．1 实验步骤

其次，注浆施工技术在运用过程中缺乏必要的硬件和软件支持。在运用注浆施工技术的过程中，根据不同的注浆施工技术方法可能会需要运用到不同的机器设备，所以，在建筑施工的过程中要想发挥注浆施工技术的作用一定不能够缺少机器设备的支持。先进的机器设备是发挥注浆施工技术方法作用的首要前提，所以，在房屋建筑建设的过程中首先应该要确保机器设备的齐全。

(1)跑前做好准备活动，受试者按照规定穿好三维测力跑鞋，并进行多次练习，以确保能够适应实验环境，保证跑步符合实验要求。

(2)起跑点距离测量点30m，采用蹲踞式起跑，用全速跑测试3次，跑次中有充分的休息时间。

(3)跑步命令发出时，三维测力装置被打开，并记录运动员起跑时间、到达30m处时间以及到达60m处时间。三维传感器采集的压力信号经过内部数据处理单元转化成数字信号并存储到SD卡内。上位机显示采集数据的曲线图截取30m－60m过程中共计30组数据，每个人的数据取3次的平均值作为有用数据以备后续分析。

2．3．2 数据处理

数据处理采用EXCEL 2007与SPSS PASW Statistics 18相结合的方法，所有数据均采用均值的形式表示。优秀组与对照组测量参数均值差异的显著性检验使用t检验。

3 实验结果与分析

图3 途中跑三维力曲线图Fig．3 Curve graphs of 3D force in sprint running

途中跑阶段足地间三维力曲线如图3所示，起点到峰值之间作直线连接。从曲线图可以看出:Fx分量是与运动方向在同一水平线上的分量。其中正值表示指向前进方向的力，负值表示指向运动反方向的力，对运动起到阻力作用。Fx分量为零处是前撑阶段与后蹬阶段的临界点。Fy分量是三个分两中最小的量，正值表示指向右手边的力，负值表示指向左手边的力。Fy分量的存在影响运动员在高速跑时身体平稳性。Fz总是正值即地面对足底的反作用总是指向正方向的，是对人体起支撑作用的力。

途中跑支撑阶段可分为前撑阶段和后蹬阶段，在前撑阶段中Fx会出现第一负波峰。这是因为前撑阶段身体重心在着地点后面，地面对足底的反作用力对运动员起到制动的作用。与Fx的第一负波峰同时出现的是Fy的第一波峰和Fz的第一波峰。表2记录优秀组和对照组运动员从30m处开始后的连续10个周期内Fx的第一负波峰的绝对值、Fy的第一波峰值和Fz的第一波峰值，且均为平均值。

Fx第一负波峰值是前撑阶段地面对脚掌的反作用力在运动反方向上的分量，对运动员有阻力的作用。由表3可知，优秀组连续10次Fx第一负波峰值的均值为575．9牛顿小于对照组的606．7牛顿，由此可以得出优秀运动员在前撑阶段脚掌落地技术要优于对照组运动员，从而减少了落地瞬间地面对运动员的阻碍。

表2 前撑阶段优秀组与对照组三维力均值(N)Tab．2 Mean of top group and control group＇s 3D force in the phase of impact

在支撑力的三个分量中，左右方向的分量Fy往往是最小的，并且通过观察连续10次测量的数据可以发现Fy并不是不变的，而是会上下波动。如表4所示，相对于对照组5名运动员，优秀组的Fy第一波峰值连续波动更平缓，连续10次测量值的方差更小。袁庆成在研究三维反作用力时提出Fy分量对运动员有干扰作用它增加了人体的不稳定性，影响跑进的直线性，但并没有说明Fy分量是如何对运动员跑动中的稳定性产生影响的。由表4可以看出，对照组运动员与优秀组运动员的Fy第一波峰值均值相差并不大，优秀组与对照组Fy第一波峰值方差相差较大，并有显著性差异p＜0．01。通过以上分析可以得出Fy第一波峰值连续波动的幅度增加了运动员跑动时人体不稳定性。Fy第一波峰值连续波动幅度较大这可能是因为运动员在高速跑动时着地技术存在缺陷，前脚着地方向与运动员前进方向之间的角度不稳定，从而影响了运动员发力的稳定性。

表3 Fy分量第一波峰值(N)Tab．3 The first wave peak value(N)

由表2可以发现，无论是优秀组还是对照组运动员，总体上Fy分量与Fz分量具有相同的变化趋势，对优秀组和对照组共10名运动员的Fy、Fz进行双变量相关分析，得出有4名运动员的 Fy、Fz的Pearson相关系数大于0．7，两者之间不相关的双尾检验值小于0．05。图4是对照组Fz分量与Fy分量在10个连续周期内波动情况。

图4 对照组Fz分量与Fy分量Fig．4 The Fz and Fy component of control group

途中跑支撑阶段Fy分量是客观存在的，运动员通过着地技术训练并不能消除Fy分量对人体平稳性的影响，但可以通过训练避免Fy分量的大幅波动来维持身体的平稳性。在不考虑Fz分量的影响下，可以计算出Fx、Fy合力在运动员前进方向的倾角，其结果如表4所示。

表4 10名运动员Fx、Fy合力在前后方向上的倾角Tab．4 The composition angle of Fx and Fy in the forth for 10 athletes

表4所示10名运动员在支撑阶段的Fx、Fy合力在前后方向的倾角，不同对象其合力在前后方向的倾角是不同的。最小值为27．7°最大值为31．9°，两者相差4．2°。不仅如此，通过表2中数据我们计算得出同一个人在途中跑阶段该合力的倾角在连续10次测量中的值也是变化的，技术动作稳定者其合力的倾角波动较小。通过比较优秀组与对照组运动员Fx、Fy合力在前后方向上的倾角，发现优秀组5名运动员该合力在前后方向的倾角的均值为30．1°、方差为1．6，对照组5名运动员该合力在前后方向的倾角的均值为29．1、方差为0．4，两者无显著性差异 p ＞0．05。

4 结论

(1)青少年运动员途中跑阶段，脚落地时有短暂的冲击时相。在X方向最大值为647牛顿，对照组运动员Fx的均值要大于优秀组，其最大值也出现在对照组。前撑阶段Fx第一负波峰是地面对脚掌的反作用力在运动反方向上的分量，对跑动有阻力作用。Fx第一负波峰值过大说明运动员着地技术存在缺陷应引起主意。运动员着地时脚掌顺势积极向前翻滚，并使人体重心快速通过支撑点有利于克服Fx第一负波峰值过大现象。

(2)Fy分量往往是三个分量中最小的，Fy分量的大幅波动增加了运动员途中跑时身体的不稳定性。青少年运动员由于身体条件的特殊性而导致在短跑中踝关节更容易发生损伤，因此教练员在指导青少年运动员训练时，应对Fy分量的平稳性引起足够重视，找到有效的训练方法减小运动员在跑动时Fy分量的波动幅度，这对于提高运动员成绩也有重要意义。

(3)总体上Fy分量与Fz分量具有相同的变化趋势。在10名受试者中有4名运动员的Fy与Fz分量之间的Pearson相关系数大于0．7，其中3名属于优秀组，1名属于对照组。这也在一定程度上说明了以联系的观点来研究运动员足地间三个方向力的必要性，有助于更全面的分析运动员在跑步时足底受力情况。

(4)不同运动员Fx、Fy合力在前后方向的倾角是不同的，最大者与最小者相差4．2°，并且同一名运动员在连续10次测量中该参数也是变化的;优秀组与对照组运动员Fx、Fy合力在前后方向的倾角差异并不明显，即该参数与运动员跑步成绩不相关性。

［1］王志强．短跑途中跑支撑摆动技术生物力学机制研究［J］．体育科学，2005，25(7):88 －95．

［2］王志强，钟大鹏，肖建国．不同水平短跑运动员途中跑支撑反作用力研究［J］．武汉体育学院学报，2005，39(3):42－45．

［3］袁庆城．对短跑途中跑三维支撑反作用力的实测［J］．体育科学，1985，卷(1):66 －71．

［4］崔之玉．对青少年100m速度的研究及提高成绩的对策［J］．山西财经大学学报，2010，32(2):315 －317．

［5］谢勇．青少年短跑运动员膝踝部损伤与安全防范对策［J］．成都体育学院学报，2004，30(2):73 －75．

［6］陈真，姚鸿恩，李宗珊，等．北京市青少年田径运动员运动损伤患病率调查［J］．首都体育学院学报，2002，14(2):78－80．

［7］Henry Chateau，Damien Robin．Design and validation of a dynamometric horseshoe for the measurement of three－dimensional ground reaction force on a moving horse［J］．Journal of Biomechanics，2009，42(3):336 －340．

［8］Stacy J，Morris Bamberg，Gait analysis using a shoe－ integrated wireless sensor system［J］．2008．12(4):413 －423．

［9］Tao Liu，Yoshio Inoue and Kyoko Shibata．A wearable force plat system for the continuous measurement oftriaxial ground reaction force in biomechanical application［J］．Meas．Sci．Technol，2010，21(8):1 －9．

［10］王志强．短跑地面支撑反作用力研究综述［J］．湖北体育科技，2010，29(3):328 －330．

［11］朱翔明，严壮志，刘书朋等．同时测量鞋地间三维相互作用力的传感器系统［J］．应用科学学报，2009，27(2):172－176．

Research on the Continuous 3D Impact Force between Shoe Sole and Ground of Young Athletes in Sprint Running

Li Yi，Yan Zhuangzhi，Si Wen
School of communication and information engineering，Shanghai University(Shanghai，200072)

Objective Measuring the continuous 3D impact force between shoe sole and ground of young athletes in sprint running to discuss the characteristic of young athletes＇3D impact force between different levels in sprint running． Methods 10 healthy male athletes with height(176．5 ±7．5)cm、weight(65．4 ±7．6)kg、age(18 ±2)years are used．Every subjects＇continuous 3D impact force between shoe sole and ground are recorded by the new three－dimensional force shoes developed by the author and analyzed． Results Young athletes＇Fxhave obvious wave peak in shock stage．The first negative wave peak of top group is less than the control group;Fyis objective with it＇s standard deviation of top group less than the control group．Fzhas the same trend with FyConclusions It imply that first negative wave peak of Fxhas resistance effect to athletes;Fyis objective and has the same trend withFz;The wide fluctuation of Fydecreases body balance，and is against thigh＇s maximum treading force．

young athletes，continuous 3D impact force，3D force sensor

R319

A

1674－1242(2011)03－0134－05

10．3969/j．issn．1674 －1242．2011．03．003

李意，E －mail:lee_eternal@163．com

2011－07－29)