足球运动速度结构的探讨

李光辉

Beijing Sport University，Beijing 100084，China.

1 问题的提出

激烈地同场对抗促使足球运动双方战术和动作行为的可预测性难度增加，而应对这种不确定性最直接、有效的方式之一就是提高速度，结果导致足球运动的速度在双方这种持续互动的刺激模式下不断提高。与此同时，速度的提高也带给观众更多的精彩和激情，因此，在国际上，速度素质作为职业足球俱乐部进行青少年选材的关键指标之一，这在多项运动员能力评价的标准中一直被强调，如TABS（Technique，Attitude，Balance，Speed）、SUPS（Speed，Understanding，Personality，Skill）和 TIPS（Talent，Intelligence，Personality，Speed）［11］。具体到实践中，速度素质选材的评价指标通常参考短距离直线和折线跑的成绩，尽管足球运动短距离加速和冲刺能力的特点已被一致认可［3］，但是足球专项速度素质背后的原理一直没有得到清晰的阐释。基于此，本研究在对速度基本概念进行剖析的基础上，结合运动生物力学的理论分析以及国外足球运动实践的最新技术统计数据，对足球专项速度指标的结构展开细化研究，以期解决两个基础性的问题：1）人、球结合对足球专项速度的结构会带来怎样的影响？2）这种影响的运动学机制是什么？

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

优秀足球运动员的速度指标结构。

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料研究

文献资料的来源有中、外文图书、期刊、中外文数据库和电子文献3类。

1）通过“选材”、“速度”以及“步频”3个关键词分别检索中国知网的网络数据库，搜集、鉴别、整理和归纳相关的文献资料。

2）在国际互联网上，利用Highwire数据库和Google学术搜索以“talent identification”、“step frequency”为关键词搜索和阅读相关文献（1980—2012年）；从国际足球联合会官方网站及3位锋线运动员所属俱乐部的相关网站获取了里奥内尔·安德雷斯·梅西（梅西）、克里斯蒂亚诺·罗纳尔多（C罗）和阿尔扬·罗本（罗本）的部分身体参数和运动学参数等信息。

2.2.2 录像分析

观察和分析了英国天空电视台体育频道2011年9月播放的纪录片《Ronaldo：Tested to the limit》（英文版）、中国中央电视台播出的相应中文解说版《C罗挑战极限》和日本NHK电视台2010年5月播出的纪录片《梅西的黄金左脚》以及中国中央电视台转播的2011／2012赛季欧洲冠军联赛1／8决赛（拜仁vs巴塞尔）的录像，并分析和应用了录像中的部分运动学数据。

2.2.3 比较与逻辑分析

运用运动生物力学理论对足球运动员专项的速度结构进行逻辑推理，并比较和分析足球专项与短跑运动步频、步幅的特点和差异，得出结论。

3 结果与分析

3.1 速度指标的选材模式与内容

已有研究［10］表明，优秀足球运动员是遗传和训练因素之间相互作用的结果，当然，很多具体的细节和机制目前还不清楚。尽管量身定制的训练体系和一些其他的环境因素对培养优秀足球运动员至关重要，但是运动员个人杰出成就的起点依赖于其基因组成，训练可以被定义为使遗传潜力实现的过程，足球运动选材就是从儿童、青少年身上发现、选择、确认和培养符合足球专项特征的一些天才因素的一个动态训练过程［11］。

3.2 速度的概念及速度指标的内容

《现代足球》将速度定义为“是指人体对各种刺激反应的快慢，或者在单位时间内移动某一段距离或完成某一动作的能力［4］。”这个概念在足球运动科研实践中［2］通常被分解为3个独立的指标，包括“反应时”、“跑动速度”和“动作时间”，并分别进行测试和研究，在本研究中，仅限于讨论“跑动速度”，它包含两项基本的步态参数，即步频和步幅。

3.3 跑动方向的选择

与短跑选手一个简单的区别是，足球运动专项的跑动特征中需要对跑动方向进行选择。运动员在复杂的比赛场境中要做出合理的方向选择不是一个容易实现的目标，需要观察、思考、决策、行为等多个动作处理程序的有序参与和衔接，而且整个过程要在数百毫秒内完成，因此，在跑动方向的选择上要求未来的优秀足球运动员必须具备良好的比赛阅读能力以及能以最优的速度完成多种技、战术任务的能力。

3.4 速度指标的理论分析及选材依据

合理的步态参数选择是决定运动员跑动时各种动作任务表现的重要生理基础。足球专项技术动作要求协调运动员的奔跑姿势和球的运动轨迹，使球的运行轨迹尽可能在安全、可控的距离范围内。按照速度的概念，跑动速度可以定义为步幅Ls（stride length：单位为 m）与步频Fs（step frequency：本研究以s-1为单位计算或统计步频）的乘积，即

式（1）表明，足球运动员的跑动速度与其步幅和步频成正比。

在跑动的同时，足球运动员还有一个动作任务是控制球的运动轨迹。为了深入地研究控球规律，首先，引入安全距离（Lsaf）这一参数，定义为球距离运动员身体中心线的距离［本研究的身体中心线是指球员重心（包括直立或身体任何关节存在屈曲情况下的运控球姿势）与重心在球场平面上的垂直投影点之间的连线］，其意义是球在此距离范围内对控球运动员来说是安全的。在分析和计算球的运动规律时，研究者进行了3方面的简化，一是运控球时球员与球所受的空气阻力忽略不计；二是假设球场草坪（包括天然草坪和人造草坪）任意位置的摩擦系数是均一的；三是把人和球都抽象为质点模型（图1），这样球在草坪上的运动近似于匀速或匀变速运动，因而球的动力学遵守牛顿第二定律：

式（2）中V0为球的初速度，a为运动员触球时施加给球的加速度，T为运动员的触球间隔时间。如图1所示，球和运动员运动的方向简化为一维情形，沿着V方向向右运动。初始时，运动员在位置A点，球在位置B点，球与运动员的距离为安全距离Lsaf，经过一次运球运动员施力于球，球运动了Lsaf的跑离后到达时间T后运行了Lsaf的距离后到达位置C点；与此同时，运动员为了达到精准控球目的，在相同时间T内必须跑动距离Lsaf恰好达到位置B点，控制球在安全区间内。

作为一项集体同场对抗运动项目，现代足球运动员的体能和技术有了非常大的进步，因此，足球运动员在控球的同时首先面临的就是对手紧逼式的干扰和对球的断抢动作，为了尽可能地安全控球，首先，来分析运动员与球的安全距离Lsaf以及脚触球间隔时间T必须符合的专项技术特征。

图1 本研究控球运动简单示意图Figure 1. Dribbling and Controlling the Football

根据足球运动实践经验，现代优秀足球运动员的步频通常在4.0～4.4Hz，也就是每跑一步需要的时间大概在113～125ms，一般优秀足球运动员对灯光信号的选择反应时在170～220ms，相比而言，选择反应时大于每跑一步的时间间隔。也就是说，在紧逼的前提下，运动员的相邻两次触球的间隔时间不能超过选择反应时较多，否则相邻两次触球的间隔时间越长被对手断抢的机率越大，因此，最安全的触球模式就是每跑一步触球一次，简称为一步一触。在此情况下，引入一个新的概念来描述这种一步一触的特征，即安全触球频率F，定义为单位时间内触球的最少次数。由概念和图1可以推出，安全触球频率F等于运动员的跑动最高步频Fs，安全距离Lsaf等于运动员的步长L，即：

首先，由式（3）和（4）可以推出：优秀足球运动员相邻两次的触球频率需要与其最高跑动步频相匹配，足球离身体中心线的安全距离需要与自身的步长相匹配。这是在选拔和培养优秀青少年足球运动员过程中所要注意的第一个重要技术特征：运动员控球技术的训练必须要与其自身步长、步频的生理参数一致才可能表现最优，也就是说，优秀足球运动员的培养过程中需要量身定做的科学训练体系。

第二，假设在球的初速度V0和加速度a不变的情况下，根据一元二次方程的根式，求得球的触球间隔周期T、安全触球频率F与安全距离Lsaf的关系：

从式（6）中推出，安全距离Lsaf越大，触球间隔周期T越长。这个推论与足球实践经验是一致的，当作为进攻方运动员发现控球范围内对手没有紧逼，存在一定运动空间的时候，适当加大与球的距离至两个步长甚至多个步长，这样有助于腾出时间观察场上形势，思考并找到最优战术，然后做出相应的动作或身体姿势调整。相反这也意味着作为防守方运动员的职责来说紧逼持球运动员可能是最有效的基本防守策略。

第三，现代足球在防守策略上的围守紧逼技术通常是直接压缩安全距离Lsaf，从式（4）推出，这相当于间接地“削减”了控球运动员奔跑时的步长。人体生理学的数据表明正常人的步长与腿长正相关，腿长一定程度上反映了身高，因此，步长相对较短、遗传身高不高的儿童、青少年可能更容易成长为未来控球方面的优秀足球运动员，发育早期的持续刻苦训练也可能有助于遗传身高较高的儿童、青少年缩短其控球时跑动的步长。所以，从控球技术的生理角度来分析，较高的身高可能会阻碍其成长为优秀的中、前场足球运动员。这也是在足球选材过程中要注意的一个重要体型特征，不同的位置存在一些特别适合的体型，一些与专项位置特征相符的体型成长为优秀运动员的机率更高，而且合适的体型也有助于预防和减少运动伤害——健康对于运动员职业生涯的成功来说几乎是第一位的。

第四，由式（7）推出，防守方紧逼和压缩安全距离Lsaf导致控球方的安全触球频率F提高，这个控球技术特征的总体要求就是迫使控球方通过增加触球动作的次数来控制球的运动方向以使球在安全范围内。从式（3）运动员跑动的最高步频Fs必须等于安全触球频率F的条件中发现，安全触球频率会受限于运动员的最高步频。经验认为步频主要决定于中枢神经系统的高度兴奋和兴奋与抑制的快速转换，与快肌（白肌）纤维在肌肉中的百分比，运动器官的协调性，肌肉力量及收缩速度等有关。Kristine L.Snyder等［9］通过对人体（测试数据来自于11位成年体育特长者）跑动进行干扰试验来探讨步频调整策略的研究表明，被扰动后的步频通过1.47±0.05s的快过程迅速恢复到被扰动前步频值的附近范围，然后通过34.33±0.50 s的慢过程完全恢复到被扰动前的步频值，前面一个快速调整的过程表明在深层次上与步频相关的动作程序起到了主要调节作用，后面这个精细的微调过程表明外界的信息和反馈共同参与了步频的调节过程。这项研究反映了步频是一个固定性很强的参数，成年后运动员的步频很难通过训练来适应足球专项技术的特征，可能在成长和发育期就已经决定，动物实验［1］表明训练等运动干预形式可以在一定程度上影响骨骼肌神经肌肉接头的发育，但是对成熟型的神经肌肉接头没有显著影响，不过更明确的结论还需要生理和神经科学等对步频进一步的多学科研究。因此，在目前针对步频已有的科学认识条件下，可以认为步频对于优秀中、前场运动员的控球技术来说是一个重要的生理性基础指标，从控球技术层面而言步频越高成才的可能性越高。

总之，对足球运动速度指标结构的理论分析表明，速度素质中步频起主要作用，在强调控球技术能力的位置上更为重要，因此，步频适合成为速度素质选材的一项生理性参考指标。

3.5 足球实践中顶级足球运动员的步频、步幅组合参数研究

经验观察表明，在长期的训练过程中，优秀足球运动员形成了自身独特的步频、步幅组合结构。表1列出了当前足坛梅西、C罗和罗本3位顶级中、前场运动员的具体速度指标。

从表1中可以看出，3位中、前场运动员无论是有球还是无球跑动的速度都很快，100m直线跑的时间都在11s范围内（梅西和罗本的100m跑时间为10.9s，C罗为10.7s）。在25m冲刺跑的步幅和步频参数上，无论是身高1.84m的C罗和身高1.81m的罗本，还是身高1.69m的梅西，他们的步幅长度都要小于他们的身高，而他们的步频都很高。为了便于比较分析，引入短跑运动中的步幅指数（步幅／身高）和步频指数（步频×身高）来做评价。梅西的步幅指数和步频指数分别为0.953和7.436，C罗的步幅指数和步频指数分别为0.938和7.728，罗本的步幅指数和步频指数分别为0.948和7.602。而中、外优秀男子短跑运动员的两个指数参考值分别在1.1和7.6以上［5］，比较这个参考值发现，C罗、罗本和梅西的步幅指数比参考值分别低了17.3%、16.0%和15.4%，步幅指数的下降幅度是很明显的，而三者的步频指数与参考值基本接近，这与前文从理论角度推出的结论一致。这个结论清晰地揭示了足球运动和短跑运动专项特征的速度结构差异，足球运动需要高的步频指数，与此同时要削减步幅指数，而短跑在强调步频、步幅最优组合的同时鼓励提升步幅指数。如果说比较25m冲刺跑只是可以部分反映足球运动员的速度技术特征，那么，来自足球比赛实际的技术统计数据则可以进一步强化了这个结论。《梅西的黄金左脚》中展示了日本筑波大学人间综合科浅井武教授对C罗和梅西在比赛中带球的安全距离Lsaf所进行的技术统计，C罗盘球时安全距离Lsaf分布是60～170cm，梅西盘球时安全距离Lsaf分布是40～70cm，而罗本盘球时的安全距离则显著区别于两人，其Lsaf基本稳定在60cm左右，如此小的碎步加上高步频及其独特的双臂适度张开的技术特征基本排除了对手对球的干扰。相比之下，C罗腿长较长，盘球也不是他最擅长的技术，但是他依然能把球控制在离身体1～2个步长之内，而梅西的安全距离总是很灵活地保持在1个步长，而且这个步长总是小于冲刺时的最大步长，如此短而精准的距离变化简直让人难以从他的脚下抢到球，甚至可以说梅西的盘球技术达到了人、球合一的境界。

表1 3位顶级中、前场足球运动员的速度指标一览表Table 1 Speed Charicteristics of Three Top Male Football Players1

从当前世界足坛3位顶级前场运动员在训练和比赛实践中所形成的步态技术特征来看，他们的跑动步态在步频和步幅组合上通常拥有明显高步频、短步幅的独特竞技能力，由此推断，在考察优秀中、前场运动员的速度素质过程中，不应该只是简单地用时间参数来表征短距离冲刺能力，而应当在考察短跑冲刺能力的基础上，细化其速度结构（包括步频和步幅）的测量，相比而言，那些拥有高步频、短步幅的儿童、青少年成为优秀足球运动员的机率会更高。

3.6 足球运动高步频、短步幅速度结构的动作解释

与任何人体动作一样，足球运动最基本的原则之一也是遵循动作速度和准确性相互制约关系的动作原理［6］：动作时间与动作难度指数呈线性关系。首先要明确的是，足球运动员控球时要完成两个动作任务，却奔跑动作和控球技术动作，而且这两个动作都以双脚为生理基础，中枢神经系统则需要在很短的数百毫秒内对两类动作的信息进行处理，并输出指令至执行动作任务的脚，动作难度是相当大的；其次，对于控球运动员来说，动作任务的准确性要求相比于速度来说占优，于是降低跑动速度的策略成为首选，从式（1）和式（7）可联合推出，跑动速度的降低只能通过缩短步幅来实现。所以，足球运动专项技术特征在动作上的匹配要求导致了运动员速度素质的高步频、短步幅结构。

3.7 步频——神经调节机制的研究展望

经验表明［2］，在大多数足球运动员中，步频起到主要作用，特别是在起动时。本研究基于足球专项技术特征的基本原理，通过对速度素质结构进行的理论分析，结合足球比赛的技术统计数据、动作任务的匹配要求阐释了为什么步频对于足球运动员来说是一项很重要的基础性生理指标，深化和延伸了对足球运动速度结构的认识。急停、急转和快速起动的技术动作以及攻守节奏的快速转换在现代足球运动的对抗中越来越频繁出现，足球发展的这种趋势可能和运动员的高步频有着深层次的联系。当前知识认为步频反映了神经兴奋转换的速度，然而到目前为止，国内、外对于步频的神经调节机制［9］尚处于起步阶段，步频与神经系统的调节和控制联系在一起增加了步频研究的难度，但是在另一方面也丰富了研究的范围。步频与神经系统的联系不仅表现在对足球竞技动作的调节和控制上，也体现在对普通人群的步态调节上。比如，患有神经系统变性疾病的老年帕金森病患者就会出现步态功能的障碍——表现之一是步频调节能力的下降，而这种步频——行走速度不匹配的机制正在吸引越来越多的国内、外运动学家、神经生理学家以及药物发现专家的共同兴趣［7］，因此，步频神经调节机制的深入探讨会成为未来有吸引力的研究领域之一。

4 结论

1.步频作为一项基础性生理指标在大多数足球运动员跑动速度的技术结构中起主要作用，在运动员控球、快速起动和急停急转环节以及攻守节奏的快速转换中更为重要，而为了与控球动作任务的要求相匹配，运动员控球时步幅指数需要结合运动员的身体特征适度降低。

2.优秀足球运动员通常拥有步频和步幅最优组合的竞技能力。因此，在选材和培养优秀足球运动员的过程中，步频适合作为一项足球运动速度素质的参考评价指标，尤其对于需要高水平运、控球技术的某些特定位置的前锋及中场运动员在考察运动员短跑冲刺能力的基础上，细化其速度结构的测量，相比而言那些拥有高步频、短步幅的儿童、青少年在理论上成长为优秀足球运动员的机率可能更高。

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