基于精确分段计时的高水平短跑训练理论与实践

邢 瑜

(山东体育学院,山东 济南 250102)

基于精确分段计时的高水平短跑训练理论与实践

邢 瑜

(山东体育学院,山东 济南 250102)

国内外短跑水平存在明显差距,其中体能及其在各分段的分配是造成差距的主要原因。研究认为短跑过程中的每个阶段都是整体中的一部分,各部分之间是互相制约的,各个阶段都有相对的最好成绩,单纯的追求阶段的最优状态对最终成绩不仅没有帮助,还有可能适得其反。

精确分段计时;高水平短跑训练;速度-体能变化规律

近年来,世界男子100米水平大幅度提高,柏林世锦赛,牙买加“飞人”博尔特已经将世界纪录提高到了让人匪夷所思的程度,而中国100米跑的水平至今没有突破10秒大关[1]。有人认为中外运动员在短跑上的差距是因为人种差异所致,但笔者认为致因为中外在如何储备可以高速消耗的体能,以及如何合理利用高速消耗的体能上存在较大差异。为了掌握人体在跑动中能量消耗的规律,教练员和科研人员很久以前就在训练实践中进行了分段计时的研究。

分段计时是指在训练或比赛中记录完成各特定距离的分段所用的时间,结合生理学和运动学的数据,可以反映运动员的体能消耗规律和技术特点,有助于合理调整训练计划,提高运动成绩。

1 分段计时训练的现状与存在的问题

谢慧松(2005)依据男子百米全程跑运动员小于、大于或达到其本人最大速度的98%时所跑过的距离为标准,对百米全程各段落进行了重新划分：起跑加速段(0-30米),途中跑加速段(30-50米),最大速度段(50-80米),速度下降段(80-100米)。中国优秀男子短跑运动员在100米加速阶段中,起跑至30米加速段时的平均速度比国外男子优秀百米运动选手差且处于劣势;分析结果表明起跑至10米段是决定100米成绩的关键,认为造成中国男子百米成绩差距的主要原因是：起跑至10米的平均速度较慢,维持最大速度的能力差。百米成绩越优异者维持最大速度的能力越强[2]。同样的,对于400米跑的研究也有同样的结论,陈巧弟认为：各100米分段对竞赛成绩影响最大的是第1个跑段,其次是第3个和第4个跑段,最后是第2个跑段。第1个跑段的关联度排在第1位。这说明运动员的加速能力越强,获得最高速度的时间就会越短,这样就能很快达到最高速度,而速度又是影响400米成绩的决定因素[3]。

但是,冯敦寿(1986)和刘云民(2002),却有不同的研究结果。冯敦寿认为[4],随着运动水平的提高,各段速度的增长率是不一样的,一个带趋向性的现象是后半程的增长率比前半程要大,男女短跑运动员的百米成绩与分段时期(0-30、30-60、60-80、80-100米)有较高的相关性,表明百米成绩与上述各段的平均速度也有同等的相关性,除此以外,百米成绩与途中最高速度呈高度显著性相关,他认为短跑运动员百米跑途中最高速度能力是取得优良成绩的核心,起跑与加速跑的目的是克服人体的静止惯性,把向前运动的速度潜能充分的发掘出来,使途中达到最高速度,同时只有在较高的途中速度基础上,才有后程相应的高速度,因此,最高速度越大,百米成绩必然较高,要提高百米运动水平关键在于发展最大速度的能力;刘云民[5]也认为,运动员的反应时、前30米成绩与最后成绩的相关性均呈不显著状态,运动员成绩与第60米、70米、80米的成绩呈高度相关,可以说运动员在第60米、70米、80米的成绩理想与否,将对百米成绩产生巨大的影响。因此,运动员的最高跑速固然是取得好成绩的关键,然而,运动员保持最高跑速的能力,同样不容忽视,在训练中,如何提高运动员的绝对速度是大前提,同时也应大力发展运动员的速度耐力,使百米成绩从根本上得到提高。

另外,通过对中外男子优秀短跑运动员百米跑分段成绩的研究发现,起跑和加速跑阶段过度加速和由此引起的肌肉紧张,在一定程度上造成了有限能量的过早和过度消耗,不利于后程继续保持高速跑进[6]。因此,依据自身训练水平,通过控制加速度合理控制起跑和起跑后的加速跑阶段的体能消耗,是发挥自身最大潜能的基础条件。认同度比较高的是,最高速度能力是加速能力的合理体现,保持速度能力又是高速度能力的自然延续,最高速度决定着短跑运动员在100米项目上的水平等级[7]。百米成绩与最大速度有高度显著的相关性,而加速跑阶段过度加速又对最大速度的充分发挥有着明显的消极影响[8]。骆建等人认为：如果受试者在400米比赛中不能根据自己的训练水平和竞技状态,把分段时间控制在比自己跑出相对好的运动成绩时的分段时间快0.2-1.3s,受试者不但不能提高运动成绩或发挥出自己最好的竞技状态,而且血乳酸值相对高;如果受试者能采用符合自己的速度节奏跑400米,不仅有利于提高运动成绩或发挥出自已最好的竞技状态,而且血乳酸值相对稳定(因个体差异,训练水平不同血乳酸值也不同)[9]。分段时间越快,体内血乳酸的积累越高;随着运动距离的增长,体内血乳酸的积累值越高,并且在300-400米分段距离内,血乳酸的积累速率还要相对增大,当到终点时,体内血乳酸积累达到最高值。

从目前的研究可以得出：对于短跑分段的研究,并没有取得一致性的成果,特别是以上研究者取得分段成绩的方法表述的并不清楚。全程跑人工分段计时的方法组织困难、精度低,尤其是数据的汇总和分析严重滞后。光电计时技术应用于分段训练是一种进步,对时间精度要求不高或者运动物体的外形固定的项目,这种阻断式的技术还算是一个不错的选择。然而在短距离跑中,射频技术精度不高,阻断技术也有较大的技术局限性,因为短跑以躯干触线为计时点,所以肢体的摆动可能会有40-50厘米的误差,这个长度的误差对于短跑是不能接受的,它意味着0.03-0.05秒的不确定性。

我们认为,短距离跑的加速跑阶段每个人都有自己的最大加速度,但是最大加速度状况下能量消耗过速和中枢神经的疲劳导致的技术动作变形,使最大加速度持续的时间相对变短,应该不能达到自己的瞬时最大速度[10]。单独测量每一个分段的成绩,然后相加,结果肯定比全程跑的成绩好。测量运动员跑动过程中的最高速度、最高速度出现的阶段以及保持的距离不仅对于径赛运动员,就是田赛运动员也是极为重要的。

2 基于线阵CCD的分段计时系统结构

随着科技的发展,CCD技术引入高水平运动训练,线阵CCD图像计时技术应用于计时,可以快速准确的将运动员的成绩反馈给教练员,使教练员及时发现运动员训练过程中的问题。因此在高水平短跑训练和比赛时,只能使用基于线阵CCD的多段计时系统才能达到精确的要求。

按照实用和简捷的要求,我们的设计将温湿度检测和风速监控单元独立于系统之外。基于线阵CCD的分段计时系统的结构包括发令与起跑犯规检测单元、光电图像采集单元、多传感器信息处理单元、上位机信息存储与判读显示单元。除了温湿度和风速,分段计时系统还可以和检测步频与步长的数字跑道结合,更加细致地分析短跑选手的技术状态。另外,为了分析短跑过程中的体能消耗规律,我们将心率和组织氧实时监测的模块与分段计时系统整合在一起[11]。为了获取底层数据,便于调整采样率,有利于后期数据分析,系统立足于自制,采用与比赛用高端计时系统同测的方法校准调整系统各部件阈值。

2.1 发令与起跑犯规检测单元

选择驻极体声敏电阻传来的信号,有效识别发令枪的特征值,关联计时系统,有效启动计时;利用三维加速度计对振动的敏感性,对振动响应的阈值调整到可接受范围,另外,调整数据信号采集的时间范围,屏蔽无效振动,以较短的时间响应犯规报警,终止系统计时。

2.2 光电图像采集单元

选择可调焦距的光学镜头和足够分辨率的线阵CCD,调整偏压脉冲的频率,提高采样率,视频采集部有足够的数据处理和暂存能力。每个计时位的前两米有一对红外光收发装置,其主要作用是启动该位置的图像计时器采集图像,采集时间一般为0.3-0.4秒,有效降低数据冗余度。

2.3 多传感器信息处理单元

每个视频采集位都有相应的单片机控制其数据的存储和转移,每一次的系统启动,各位置的数据都会有序存入上位机做最后的处理,使用者可以将各分段图像同图显示,调用各分段时值做相关分析。

经实验验证,基于线阵CCD的多分段计时系统可以精确有效的记录分析短跑各分段的即时状况,对于量化控制短跑训练过程有很大的帮助。起跑反应时系统的使用能够为运动员有把握的完成起跑打下基础,并且随着训练水平的提高,起跑阶段的能量消耗也会随之下降;分段设备应用在加速阶段可以对不同运动员的个性化加速水平起到决定性的帮助作用,可以应用到探索运动员的最大速度;在速度维持阶段,分段设备可以帮助教练员、运动员了解体能消耗和速度下降之间的关系。对科研人员来讲,除了上述的各个方面之外,还有在运动员的冲刺阶段的心率和组织氧水平与冲刺速度之间的关系,以及安全性。

3 精确分段计时的训练理论与实践

我们前期的实验发现,极量强度运动后即刻的心率没有达到最大值,而是继续上升一段时间,这段时间约为7秒,极量强度可以定义为达到本人最好成绩的运动强度,推测认为低于该强度的运动,可能会出现运动后心率继续上升持续的时间短一些,幅度低一些,如果得到验证可以评估运动风险。

从体能消耗的角度,我们曾推测：外负荷增加时体能消耗也同步增加,而体内能量的募集速度会在某个临界点落后于消耗速度,此速度差越大,对心血管的影响也越大。体能的储备与消耗是一种被动适应的结果,符合刺激-反应-适应、再刺激-再反应-再适应的规律,但是递增的刺激要适度,时间间隔要恰当,否则会适得其反。因此需要精密掌控训练负荷,制定合理的训练计划,有序增加体能储备。

3.1 起跑反应训练

为避免战术犯规,已经取消了首次犯规的规定,所以,从提高运动成绩的角度考虑,起跑反应时的强化训练在现代短距离径赛类项目中的地位越来越重要。目前,我国对运动员反应时间或能力的测定大都是通过简单的声光反应时测定仪或计算机模拟测定仪来实现,在实际运动训练中的强化训练也是仅对起跑反应进行训练,几乎没有关于起跑对后续过程的作用和影响进行的分析和控制。

刻意的缩短起跑反应时,推测会增加体能消耗,与高度紧张过后,会感觉异常疲乏一样。心脏是体内能量的转运站,心率水平可以准确地反映体能的消耗。安静时的心率反映人体的基本消耗,心理活动加上身体运动的能量消耗都能反映在心率的变化上,具体到高速跑时,运动员的心理活动内容单一,可以将此时的心理活动能量消耗与运动消耗归结在一起。

图1 起跑反应时水平和最佳心率范围推测关系

起跑反应能力训练,是将起跑反应时与后续过程的水平结合起来,反复训练让运动员拥有很强的反应时间体感,了解自己在什么水平的起跑反应时状况下,后续过程的水平也在最优化的范围内。如图1所示。起跑反应训练至少要高速跑60米,以了解不同的反应时可以达到的最高速度,或者是全程跑,单纯的起跑反应训练要做到有控制。据估计,0.13-0.16秒的起跑反应时对于高水平运动员是较为合理的区间,可以训练运动员强化在这个时间内的综合感觉。

3.2 起跑后的加速度控制

一般认为,起跑后的40米是加速阶段,40-60米最大速度阶段,60-100米是速度保持阶段。以Bolt获得9.69秒和9.58秒两次成绩的分段计时分析,各分段平均速度如表1所示,可见两次比赛达到最大速度的区间分别是50-60米和60-70米,前一次分段平均速度达到12m/s的有四段,后一次半程以上的区间平均速度都大于12m/s。

表1 Bolt两次打破世界纪录时的各分段平均速度

各分段加速度水平如图2-3所示,可见全程跑的加速度是非线性变化的,即使是前40米也不是匀加速的。从六阶拟合趋势可以看出Bolt加速阶段过后,还有两次加速度增加的过程,只是前一次的加速度曲线整体呈下降趋势,后一次加速过程后的速度变化较小。

图2 Bolt获得9.69秒成绩的分段加速度

图3 Bolt获得9.58秒成绩的分段加速度

从图2、图3可以看出,Bolt的加速过程达到70米,之后会减速,可能后一次他急于破纪录,所以冲刺过程较为明显。有意思的是,前一次的成绩是否是因为第一个10米分段加速度过高,接近或超过了他本人承受极限,造成体能的过速消耗,以至于达到最大速度的距离缩短,并且使得最后一个分段成了“强弩之末”了呢?由于缺少两次的起跑反应时记录,所以无法与之关联分析。上述数据源于网络,也是二手数据,没有生理数据佐证分析,因此无法据此深入研究。

对起跑后的加速阶段做研究,10米分段稍显粗糙,以3-5米为宜,在全程跑的成绩关联下,结合即时心率等生理参数,可以深度分析起跑及其后的加速跑对全程的贡献度,以及设计最优的差异化训练方案,合理实施递增负荷训练。

3.3 最大速度及达到最大速度的距离

据研究,突破10秒大关的关键之一是必须有大于11.5m/s的最大速度,“六秒定律”也说六秒钟以内不能达到自己的最大速度。全程中没有11.5m/s的最大瞬时速度,在10秒钟内跑完全程的可能性是很小的。从Bolt的两次成绩可以简单的分析,他达到最大速度的距离大约在60米,保持最大速度的距离却有不同,冲刺阶段加速度的区别也很明显。后一次的加速阶段的加速度较第一次大,保持最大速度的距离也较第一次长,冲刺阶段还有一次小幅度的提速,只有起跑及其后的第一个10米段的平均速度稍大,而这是否是造成两次成绩差异的主要原因呢?由此可见,即使是优秀的短跑选手,如果不按照自己的各分段适当水平发挥,都不能达到自己的最优状态。实际上我们认为,刻意提高任何分段的成绩,其结果都有可能不是自己的最好成绩。

高水平运动员的最大速度保持能力决定了比赛的胜负,从图4可以看出,前六名的各分段加速度变化在最后10米之前差别不大,在最后阶段,速度下滑较快的选手最终成绩排名靠后。在这个问题上也说明了体能的储备情况,在体能储备稍差的情况下,如果选择与别的运动员一样的高速消耗体能,势必不能较好的完成比赛。

同上一小节提及的要求相同,探索短跑选手的最大速度及其出现的阶段有两个方案：第一是20-30米行进间跑,做三分段以上的计时,掌握运动员绝对最大速度的同时,了解该阶段的速度变化;第二是全程跑过程中的相对最大速度段,在40-70米阶段,做6-10分段计时,分析运动员在最好成绩时,其相对最大速度占绝对最大速度的比重,并且考察调整这个比重时,最终成绩是否会有变化。

图4 第6届世界田径锦标赛100 m决赛前六名各分段加速度

3.4 极量强度和次极量强度后即刻心率水平

我们定义极量强度为运动员在现阶段的理想状态下达到最好成绩时的运动强度,心脑血管功能正常的运动员或者普通人群达到这个运动强度一般是安全的。前期研究发现,运动员在极量强度运动后即刻心率并没有达到最大值,而是继续升高,大约持续7秒左右的时间,且其幅度受起跑时的心率水平影响,约呈正相关,推测认为若运动强度低于极量强度,心率在运动后即刻继续上升的时间应该缩短,且其幅度也会降低。

据笔者实验室的前期研究结果,认为终点时刻的即时心率和股四头肌组织氧水平与冲刺跑的程度有很大的关系,极限冲刺会使心率水平升高更多,且恢复时间更长,股四头肌组织氧的下降水平有着极其相似的表现,在终点时刻下降更多,恢复时间更长。这种现象不光在短跑的终点时刻出现,在长距离跑的冲刺阶段和终点之后也会出现,推测认为这是由于外加负荷的突然增大,导致能量供给的速度达不到需求,而在运动员跑过终点之后,外加负荷消失,而由于突增的外加负荷引起的能量供给的增加并没有停止,就像汽车在加速运动中突然摘掉前进档而并有及时松油门,发动机就会轰然作响一样。历次的实验中同时发现,如果跑过终点以后,没有马上停下来,而是做递减速度的跑动,递减速度的要求是递减速度不能太快,也就是说缓慢的减速,多跑一段距离,这种心率在终点之后还继续上升的现象就不存在,这种现象不分运动水平的高低,任何人都存在,只是高水平运动员对这种现象的耐受能力较强,而普通人或者低水平的跑步者耐受这种现象的能力较差。

体能的获得和技能的习得都是被动产生的结果,不管研究水平达到多么微观的水平,要获得高水平的体能储备,必须有合理的运动训练,如想获得可以高速消耗的体能,必须具备两个条件要素,一是每一次的训练强度要超越上一次的训练强度,超越的量要有根据,二是两次训练之间的间隔要确定,体能的恢复要达到一定水平。

3.5 最大速度后心率的变化

对某个运动员来说,确定他的最大速度和最大速度产生的距离后,我们就安排该运动员跑到最大速度产生的距离后结束,同时监测他的心率变化,这是一项以前没有做过的工作,结果具有较强的不确定性。意即不确定是否在跑到最大速度后停止,心率仍然会继续上升。可以设计另外的一个方案,即运动员尽力的跑完50米、60米、70米、80米和90米后的心率变化情况,与尽力跑完100米时的心率变化情况比较,探索心率滞后升高的规律,进一步讨论其机制。

另外,不同的生理心理状况,心率水平也不同,可以从心率水平来推断运动员的准备活动的程度或者状态。不同的准备状态下,运动员的注意力也不同,反映在起跑反应时上,则会出现抢跑、迟钝或者不稳定等现象。我们拟从上述几个方面设计实验方案,探索准备活动状况与起跑反应时的关系,以便对赛前状态进行积极的调整。

3.6 步频和步幅的辩证关系

短跑成绩由步频和步幅两个因素决定,步幅在全程跑过程中不是固定不变的,它在加速跑和途中跑以及冲刺跑阶段都有变化,同样的,步频在全程跑过程中也是处于变化状态中。据观察,在加速跑阶段,步频较高,而步幅较小;途中跑阶段特别是最大速度阶段,步幅应该是达到最大值,而步频则肯定不是最大值。

步幅并不是越大越好,一名优秀选手所追求的不是“大步幅”,而是合适的步幅,步幅的大小跟运动员身高有很大关系;步频也不是越“快”越好,而是合适的步频,步频有较高的遗传度,与运动员的神经类型也有关系。提高速度的关键是要么步幅和步频两者都提高,要么保持其中一个因素不变,而促使另一个提高。假设一个运动员在一定步幅和步频的组合时的速度为1,通过降低步频获得的步幅增加或者通过缩短步幅获得的步频提高,两者的乘积大于或者等于1,则这个改变是正确的,意味着技术的改变可以为将来突破速度瓶颈打好基础,如果两者的乘积小于1,则反映了运动员的技术不适应或者是体能不适应。

假设途中跑时运动员步幅是2米,步频为5步/秒,则速度为10Mps,要把速度提高到10.5Mps,可以不改变步频而把步幅增加0.1米,或者是保持原步幅不变而把步频加快0.25步/秒。数字的描述是简单的,具体实施的时候就困难重重了,在运动员步幅是2米的时候,在步频5步/秒的基础上提高步频,则需要缩短每一个蹬伸和前摆的时间,但一个动作周期做功是一样的,所以输出功率必须增大;同理,在运动员步频是5步/秒的时候,在步幅2米的基础上扩大步幅,需要加大每一个动作周期的蹬伸和前摆的幅度,做功量增加而做功时间不变,输出功率也要增加,这时的能量消耗不一定是线性增加,增加的负担势必影响速度的保持。我们认为,就像小汽车在90KMph时等速油耗最低一样,人体也有一个最佳速度范围,在这个范围内,能量消耗是最经济的。

4 结语

我国的田径训练水平特别是径赛项目训练还与国际水平有很大的差距,零星的出现高水平人才,没有形成规模和连续性。田径训练的项目和内容很多,但究其根本,高水平运动员的训练集中在体能上。如何提高体能水平,怎样在全程训练中合理使用体能,是高水平径赛选手应该着重训练的内容。我国田径训练的传统往往是“秒表田径场,杠铃力量房”,训练的过程一般由教练的经验和运动员的感觉来共同决定,缺乏统一性,无法更加合理的控制训练过程。国外选手的训练资料是保密的,但我们推测,他们的训练一定有较为详细的训练计划,并且这种训练计划是有较为充分的生理生化依据的,否则任何盲目的训练都不会出现国际一流的成绩,因此可以确认的是国际一流选手的训练过程是得到细致划分的。

我国的田径运动在训练过程中,对训练内容、训练项目、时间间隔等也应有序控制,以实现低投入、高效率的训练目标。

[1]10秒!张培萌破全国纪录,差0.001秒无缘决赛[EB/ OL].http：//sports.qq.com/a/20130811/004808.htm.

[2]谢慧松.中外优秀男子百米分段速度的研究[J].北京体育大学学报,2005,28(3)：407-409.

[3]陈巧弟.世界优秀男子400m跑运动员速度分配新特点[J].湖北体育科技,2003,22(3)：353-355.

[4]冯敦寿.不同水平男、女短跑运动员百米跑全程分段时间、速度的规律与特点[J].四川体育科学学报,1986(3)：62-70.

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[6]钱铁群.中外优秀男子百米运动员比较[J].田径,1999 (5)：18-20.

[7]李竹青,徐佶.中外男子100m跑优秀运动员技术特征的比较分析[J].广州体育学院学报,2001,21(1)：100-103.

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Theory and Practice of the High Level Sprint Training Based on Precise Sp lit Time

XING Yu
(Shandong physical education institute,Jinan Shandong,250102)

The sprint level between domestic and foreign athletes demonstrates a big difference,the reason ofwhich is varied.According to the analysis,themain factor restricting Chinese athletes'performance is energy and its distribution in various segments of the body.Unlikemiddle-distance,wemust rely on precise split-time technology to comprehend the speed-energy variations.Each stage of the sprint process is a part of the whole,each part ismutual restraint of others and every part has its best record.The simple pursuit of the optimal statewill not help the final phase,but the resultmay be counterproductive.

precise split-time;high level sprint training;speed-energy variation

G8222.1

：A

：1001-9154(2014)06-0051-06

G8222.1

：A

：1001-9154(2014)06-0051-06

国家社会科学基金“十一五”规划2010年度教育学一般课题。批准号：BLA100100。

邢瑜(1970-),男,山东郓城人,讲师,博士,研究方向为运动生理学、运动训练学和人体运动信息采集与仿真。

2014-03-06