短距离场地自行车原地起动技术的生物力学研究

张莉清，宋子玉，黄 波



短距离场地自行车原地起动技术的生物力学研究

张莉清1，宋子玉2，黄 波1

为给短距离场地自行车起动技术的规范化及标准化提供科学依据，以北京市自行车队11名运动员作为实验对象，通过实验设计，结合定点摄像与肌电采集技术研究其原地起动技术的运动学和肌电活动特征，在分析起动技术生物力学因素的基础上，提出改进曲柄起动角的建议。研究认为，影响起动效果的生物力学因素包括3大类：内力因素、器械因素和环境因素，找到内力因素和器械因素的最佳结合点有助于提高起动成绩；实验研究表明，曲柄起动角对场地自行车运动员原地起动60 m的成绩具有显著性影响；30°是比较合理的曲柄起动角，在这一起动角上出发有利于提高运动员的起动成绩。

短距离场地自行车；原地起动；表面肌电

1 前言

短距离场地自行车运动是人与机械装置相结合，运动员通过蹬踏自行车产生较高的移动速度进行竞争的周期性竞速运动项目[8]。与公路自行车项目相比，短距离场地自行车比赛具有距离短、速度快、强度大和战术变化多样的特点。对技术细节处理的好坏有可能直接决定运动成绩，而起动技术是其中最重要的一个环节[2,7,12]。查阅我国有关自行车技术的资料发现，对起动技术动作方法和要点的详细描述极少，尤其缺乏生物力学依据。在训练中，教练员和运动员对于起动技术动作的介绍也存在模糊不清甚至不统一的情况。由于没有准确概念指导，教练员常常仅凭经验去矫正运动员的技术，造成运动员动作不一且实效性较差。本研究旨在通过揭示短距离场地自行车运动员起动技术动作的生物力学特点、原地起动技术的运动学和肌电活动特征，探讨曲柄起动角对于起动成绩的影响。以此为依据，对起动技术提出规范要求和改进建议，起到实践中的指导作用。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本研究以短距离场地自行车项目的原地起动技术为研究对象，选取北京市自行车队11名运动员作为实验对象(表1)。

表1 本研究实验对象基本情况一览表Table 1 The Basic Information of Experimental Objects

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料调研

从北京体育大学图书馆、国家图书馆、国家体育总局自行车击剑运动管理中心、中国知网以及其他网络数据库中查阅了相关文献和资料，主要包括以下几个方面：1)我国场地自行车项目发展的情况；2)短距离场地自行车运动技术的教材以及相关研究文献；3)解剖学和运动生物力学的基本知识。

2.2.2 跟踪调查

根据研究需要，于2012年6月和2013年4月，跟随北京市自行车队在老山自行车馆和芦城体校自行车馆进行备战2013年全运会的训练和比赛，对该队短距离场地自行车项目原地起动技术训练进行长期、深入的观察，期间向教练员、运动员询问有关现行原地起动技术的动作要领、训练方法等，记录并整理第一手资料。

2.2.3 专家访谈

采用面访、电话和网络访谈等多种方式对相关的专家学者进行访谈，包括运动训练学专家学者3人、自行车项目教练员(领队)3人、短距离竞速项目运动员3人、科研及管理人员2人。访谈的内容主要包括原地起动技术的动作方法和要领，原地起动技术的力学原理和形态学原理以及实验方案的可行性。

2.2.4 实验法

在北京市芦城体校室内自行车馆，对北京市自行车队11名运动员在计时赛出发点上利用起跑器原地起动的技术进行测试，测试前以全赛道骑车追逐跑作为准备活动，使运动员的身体和技术状态接近日常训练状态。每人测试3次，每次测试之间间隔10 min，使运动员充分恢复体力，3次测试起动时曲柄与水平面的夹角分别为15°、30°和45°，其他起动条件保持不变，对3次起动骑行60 m进行手动计时并记录成绩。用摄像仪和肌电仪同步采集起动的运动学数据和表面肌电数据。

1.主要仪器与设备：起跑器、秒表、芬兰产的MegaWin ME6000-16导肌电测试系统、索尼JVC摄像机、量角器。

2.平面定点摄像：拍摄点距离骑行轨迹10 m，摄像机机头与运动员重心等高，拍摄频率为50 Hz，取自行车车轮中心和曲柄中心为解析点，运用视讯录像解析系统进行运动学数据的解析，得到车轮和曲柄的时间参数、角度参数。

3.表面肌电采集：选取下肢左、右各8块肌肉：臀大肌、股直肌、股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头、胫骨前肌采集肌肉活动信号。电极粘贴的皮肤表面都经过定位、剃刮、打磨和酒精擦拭4道工序处理，用弹性绷带加固电极和导线。测量各块肌肉的最大肌电幅值(MVC)，以20%作为肌肉活动阈值标准对每块肌肉的积分肌电进行标准化处理。

4.摄像与肌电采集同步方法：同步装置分别与摄像机和肌电仪相连，运动员在动作之前，摄像机与肌电仪均提前开机，当测试人员按下触发装置时，肌电信号打上同步标志，同时，摄像机拍摄灯亮，以同步标志和灯亮的时间为同步时刻，从而实现两个系统的同步测试。

2.2.5 数理统计

用Excel对数据进行统计处理，包括均值、标准差和单因素方差分析、t检验，所有统计检验的显著水平设置为P=0.05。

3 原地起动技术的理论分析

3.1 原地起动技术的动作概述

短距离场地自行车比赛起跑时，自行车由起跑器的抓手固定、运动员在自行车上要做最后的姿态调整，至最佳状态之后便保持不动，将所有注意力集中在听觉上。起跑信号是倒计时5 s，第6 s时模拟枪声响起，起动器自动松开自行车，运动员出发。运动员一般都采用离座站立式姿势出发，起动时快速发力踏蹬，躯干前振使重心前移，同时配合上肢拉把动作，力争在最短的时间内打破自行车静止的惯性，获得初速度。

3.2 原地起动的生物力学因素分析

短距离场地自行车的原地起动是一个人车合一的过程，运动员通过由上肢、躯干、骨盆和下肢所构成的运动链带动曲柄转动，进而驱动车轮获得加速度并逐渐进入平稳、高速的协调运转阶段。从动作结构的角度来看，原地起动技术动作只是周期性单一动作结构中的一个环节，起动技术与高速状态下的踏蹬技术具有某些共性的特征，但由于起动技术由静至动的特殊性，其与高速状态下的踏蹬动作又有着鲜明的区别。结合前人对自行车运动踏蹬动作的研究以及本次专家访谈的结果，本研究认为，影响起动效果的生物力学因素可以归纳为3大类：内力因素、器械因素和环境因素。

内力因素是指与人体动作形态、肌肉工作相关联的内在性力学因素，是自行车最根本、最主要的驱动因素。内力因素包括肌肉的起止长度，肌肉长度的变化，力臂长度，施加于肌肉上的载荷，阻力臂，力的作用方向，作用线及作用类型、作用点，关节角，肌拉力角，单关节肌和多关节肌，肌纤维类型及排列方式，有关杠杆(滑轮)数目和类型，肌肉的收缩类型(向心、等长、离心)，收缩的速度，肌肉募集模式(激活频率、同步性、有关运动单元数目)，肌肉内摩擦阻力，肌肉的粘滞性等[15,17]。内力因素间的相互作用可影响到肌肉力、力矩及肌肉功的传递[14]。器械因素是指由自行车零部件的机械工作特性以及人体与器械的相互作用特点所决定的，对踏蹬效果具有约束或促进作用的因素。这些因素主要有曲柄长度和角度、传动比、坐垫高度、手把高度和长度、脚踏板的角度、链条大小及形状、轮的大小、质量、直径及惯性等。器械因素的变化会使得运动员的肌肉初长度、关节角位置、关节运动幅度、阻力载荷等发生相应改变，从而影响肌肉用力以及力在人体和器械之间的传递。环境因素主要有重力、摩擦力和空气阻力，其中，摩擦力对起动成绩的影响与赛道的场地情况有关，空气阻力对起动技术的影响不大。3种生物力学因素相互作用产生力、力矩和肌肉功以克服骑行阻力，获得好的骑行成绩[13,19]。

对于一名短距离场地自行车运动员来说，在影响起动技术动作的生物力学因素中，有一些因素是比较固定的、难以改变的，如比赛场地条件、自行车车轮的规格、运动员自身的基本身体形态等；有一些因素则是可以改变的，如内力因素中的肌肉工作方式和效果可以通过训练不断改进，器械因素中的传动比、曲柄角度等则可以人为地进行调整，关键在于找到内力因素和器械因素的最佳结合点，从而提高起动成绩。

张莉清研究认为，目前我国自行车运动员原地起动技术动作的不足主要是肌肉协同发力不足，曲柄位置过高导致不能快速达到最大用力的有利角度以及“拉把”动作导致身体重心后移，从而影响起动加速[10]，其中，曲柄位置是指原地起动时前曲柄与水平面的夹角，本研究称其为曲柄起动角。从力学角度分析，自行车的曲柄装置是一个杠杆，人体作用于曲柄上的踏蹬力有两个分量，只有垂直于曲柄的切向力才是有用力，产生力矩推动曲柄转动。由此可知，当曲柄与水平面平行时，踏蹬力全部转化为有用力，此时的曲柄处于最大杠杆用力状态。在起动动作中，考虑到运动员从发力到驱使曲柄转动有一个时间的延迟，运动单位的募集和发力也是一个渐进的过程，所以，前曲柄应当比水平位置略高，以便当曲柄过渡到最大杠杆用力状态时，人体产生的踏蹬力也达到较高值，两者结合产生最好的踏蹬效果。另外，曲柄略微抬高也有利于前腿的下蹬和后腿的提拉用力。目前，我国自行车运动员在训练和比赛中所惯用的曲柄起动角大小不一，缺乏对这一技术动作的规范要求。因此，本研究从运动员惯用的曲柄起动角范围内选取了3个角度：15°、30°、45°作为实验因素，探究不同起动角度对于起动成绩的影响，以及不同角度下起动时，运动员的技术表现和肌电活动情况。

4 实验结果与分析

4.1 不同曲柄起动角对起动成绩的影响

实验测试了11名运动员分别在15°、30°、45° 3个曲柄起动角上起动后骑行60 m的时间(表2)。经单因素方差分析得到P=0.016(P<0.05)，表明曲柄起动角这一变量对场地自行车运动员原地起动60 m的成绩具有显著性影响。对3次测试成绩的两两比较发现，当曲柄起动角为30°时，11名运动员60 m起动时间最短，当曲柄起动角为45°时，起动时间最长，经t检验，两次测试成绩不具有显著性差异(P=0.075)，但15°和45°以及30°和45°曲柄起动角的测试成绩都具有显著性差异(P<0.05)。由此结果可以推断，短距离场地自行车原地起动技术动作中的曲柄起始角度不能过大，也不宜太小，30°是比较合理的，在这一起动角上出发有利于提高运动员的起动成绩。

表2 本研究3种不同曲柄起动角对应的60 m起动成绩一览表(s)Table 2 Performance of 60 meters Starting from Three Different Crank Angle

注：*表示15°和45°曲柄起动角的起动测试成绩具有显著性差异(P<0.05)；#表示30°和45°曲柄起动角的起动测试成绩具有显著性差异(P<0.05)。

4.2 起动技术动作的运动学特征

4.2.1 车轮速度上升的连贯性分析

将前10 m骑行的时间数据进行归一化处理，采用3次样条的插值方法将绝对时间转化为相对时间，采用百分比表示，获得的车轮中心速度-时间曲线如图1～图3所示，自行车在15°、30°和45°曲柄起动角起动后骑行10 m，达到的速度分别为3.75 m/s，3.94 m/s和3.71 m/s，说明在30°曲柄角上起动时，前10 m起动加速效果最好。赵芳、周兴龙的研究发现，短距离自行车原地出发技术较好的运动员车轮速度递增曲线较平滑，速度上升较连贯，具有良好的用力[11]。本测试也出现了相同的结果，即在30°曲柄起动角上起动时，车轮中心的速度-时间曲线要比15°和45°的曲线更为平滑，速度起伏较小，说明这一曲柄起动角有助于提高运动员起动加速的连贯性。

图1 本研究运动员在15°曲柄起动角上起动后骑行10 m车轮中心速度-时间曲线图Figure 1. The Wheel Center’s Speed-time Curve of 10 meters Starting from 15° Crank Angle

图2 本研究运动员在30°曲柄起动角上起动骑行10 m车轮中心速度-时间曲线图Figure 2. The Wheel Center’s Speed-time Curve of 10 meters Starting from 30° Crank Angle

图3 本研究运动员在45°曲柄起动角上起动骑行10 m车轮中心速度-时间曲线图

4.2.2 第1踏蹬周期车轮速度变化分析

自行车起动过程中，第1个踏蹬周期是技术的关键，而克服踏蹬周期中的死点区问题又是起动技术的核心[6]。为了更清晰地分析短距离自行车运动员起动第1个踏蹬周期的技术状况，本研究根据上述车轮中心速度-时间曲线的特点及曲柄转动1周的时相数据，将短距离场地自行车原地起动第1个踏蹬周期的速度变化情况绘制成简化曲线(图4)。整个曲线由6段直线构成，分别对应曲柄转动1周的6个时相(图5)：原点O为起跑器松开自行车的一瞬间；OA段为曲柄从起始角转动到水平角附近即进入曲柄最大杠杆用力状态这一阶段的加速过程；AB段为曲柄从最大杠杆用力状态转动到“下死点”位置的快速加速过程；BC段为曲柄在“下死点”区域的减速过程；CD段为曲柄摆脱“下死点”区域后又一次经过曲柄最大杠杆用力位置这一阶段的加速过程；DE段曲柄在“上死点”区域的快速减速过程；EO’为曲柄摆脱“上死点”后再一次加速至曲柄起始位置的阶段。朱旭3次起动测试中，第1个踏蹬周期里曲柄各个时相的车轮速度变化情况见表3。

图4 本研究场地自行车原地起动第1周期速度-时间曲线图Figure 4. Simplified Speed-time Curve of the First Starting Cycle

图5 本研究自行车曲柄转动时相图Figure 5. Phase Image of Bicycle Crank Rotating

表3显示，在15°、30°两个曲柄起动角上起动时，曲柄转动经过OA段的时间都是6%，但平均加速度分别为0.08 m/s2和0.05 m/s2，说明当曲柄起动角为15°时更有利于OA段的加速。这是因为，曲柄更接近水平最大杠杆用力位置，有利于运动员的第1脚踏蹬力更多地转化为有用力，从而较早克服惯性阻力。与此相比，当曲柄起动角为45°时，曲柄经过16.5%的时间才越过OA段，速度增幅为0.72 m/s，平均加速度为0.04 m/s2，比前两次起动更慢，这与曲柄抬起过高，不利于踏蹬发力有关。在AB段，15°、30°、45° 3次起动的曲柄转动时间分别是15%、16.5%和19.5%，转动到B点时，车轮中心的速度分别是1.71 m/s、1.64 m/s和2.08 m/s，平均加速度相差不大。从OA和AB时相的车轮加速情况可以推断，早期加速的延迟可能是导致45°曲柄角起动效果较差的主要原因。

BC段是车轮圆周运动中的“下死点”区域。从圆周运动的机械原理可知，由于受人体自身结构特点的制约，下肢在驱使曲柄运动的过程中，不可能在圆周的任何位置都能产生相同的速度。曲柄在某些位置会表现出相对最慢的角速度，这也就是通常所说的“死点”[3]。死点区范围越大、减速越快就说明踏蹬效果越差。比较3次起动在“下死点”区域的速度变化可知，45°曲柄角起动时曲柄越过“下死点”区的时间最短，为4.5%，且速度减慢不明显，说明比起15°和30°两次起动，45°曲柄角起动时越过第1个“下死点”的过程更加顺畅。当曲柄摆脱“下死点”区之后，随即进入了一个非常明显的加速阶段CD段。45°起动时CD段时间为11.5%，虽然到D点时速度达到了3.09 m/s，是3次起动中最快的，但从起动到D点的累计加速时间已明显长于15°和30°两次起动。另外，30°曲柄起动角起动时CD段的平均加速度达到0.11 m/s2，是3次起动中最大的，说明此阶段踏蹬力转化为有用力的程度最高，踏蹬效果最好。DE段是车轮圆周运动中的“上死点”区域，15°起动时该阶段的速度下降比较平缓，而30°和45°两次起动的速度下降明显，说明在“上死点”区域的过渡效果较差。EO’阶段，曲柄从E点转回到起始位置，15°和30°起动时此阶段的平均加速度较大，分别为0.07 m/s2和0.06 m/s2，到达O’点时，15°、30°、45° 3次起动的车轮中心速度分别为3.05 m/s、2.92 m/s和2.85 m/s。

表3 场地自行车起动第1周期曲柄各时相的车轮速度变化情况一览表Table 3 Wheel Speed Variation of the First Starting Cycle

综上所述，在15°、30°和45°曲柄起动角的3次起动过程中，45°起动前期的OA和AB段加速效果最差，导致起动速度落后于其他两次起动；在“下死点”区BC段，45°起动的死点过渡能力较好；而在“上死点”区DE段，30°和45°起动的死点过渡能力较差；AB段、CD段和EO’段30°起动角的车轮速度增长最快，说明踏蹬效果最好。

4.3 起动技术动作的肌电分析

神经肌肉系统协同活动的变化决定了踏蹬动作的运动学和动力学参数的外部表现，而观察神经肌肉协同变化的最佳手段就是表面肌电图技术[9]。因此，利用表面肌电技术研究场地自行车原地起动技术可以更好地反映技术动作特征。

4.3.1 起动10 m的动作阶段划分

结合录像与肌电图发现，所有运动员起动并骑行10 m的运动过程涵盖了3个动作阶段：预备起动阶段、完整的第1个踏蹬周期和部分的第2个踏蹬周期。以一级运动员朱旭的3次起动测试作为案例进行分析，其动作阶段的时间节点如表4所示，发现3次起动骑行10 m所花费的时间不同，在曲柄起始角度为30°时起动耗时最短，15°次之，45°耗时最长。曲柄经过第1个转动周期的时间也有相同的规律：在曲柄起始角度为30°时起动第1踏蹬周期耗时最短，15°次之，45°耗时最长。

表4 本研究朱旭起动10 m的动作阶段划分一览表Table 4 Phase Division of 10 meters Starting Movement of Zhu Xu

4.3.2 起动各阶段下肢肌肉的工作时序

在表面肌电技术中，肌电活动曲线是判断肌肉活动开始、结束和峰值的依据，观察肌电活动曲线波动出现的次序可以判断各块肌肉发力的先后顺序，即肌肉激活顺序。在对肌电活动曲线进行数据处理的过程中，肌电活动阈值的判断具有主观性，常见的判断标准有3种，即最大肌电幅值(MVC)的15%、20%和25%。本研究中采用20%，认为各肌肉肌电活动曲线的肌电幅值达到该肌肉MVC的20%且持续0.3 s以上则为被激活。为了研究原地起动技术动作下肢肌肉的发力情况，对照录像，截取运动员从发力抬臀到自行车前轮越过10 m标志线为止这一运动过程的下肢肌电图，发现高水平运动员(运动等级在一级以上)与普通水平运动员以及男、女运动员原地起动技术动作的下肢肌肉激活顺序一致(图6～图9)。

图6 本研究王鹏武(健将级运动员)起动技术动作的下肢肌肉肌电直观图Figure 6. Surface EMG of Wang Peng-wu’s Lower Limb Muscles in Starting Movement

图7 本研究朱旭(一级运动员)起动技术动作的下肢肌肉肌电直观图Figure 7. Surface EMG of Zhu Xu’s Lower Limb Muscles in Starting Movement

图8 本研究齐蕾(二级运动员)起动技术动作的下肢肌肉肌电直观图Figure 8. Surface EMG of Qi Lei’s Lower Limb Muscles in Starting Movement

图9 本研究王闰雨(无等级运动员)起动技术动作的下肢肌肉肌电直观图Figure 9. Surface EMG of Wang Run-yu’s Lower Limb Muscles in Starting Movement

最先激活的都是左、右腿的股四头肌内、外侧头，然后依次是左、右腿的腓肠肌外侧头、左、右腿腓肠肌内侧头、左、右腿股二头肌、右臀大肌、左胫骨前肌、右股直肌、左股直肌、右胫骨前肌和左臀大肌。

下面以朱旭为例进行具体分析，将其肌电图经数据计算和绘制得到在3个不同的曲柄起动角下起动并骑行10 m的运动过程中下肢主要肌肉的激活时序图(图10～图12，注：朱旭原地起动时前腿为右腿)。

图10 本研究朱旭在15°曲柄角起动的下肢肌肉激活时序图

图11 本研究朱旭在30°曲柄角起动的下肢肌肉激活时序图Figure 11. Activation Sequence of Zhu Xu’s Lower Limb Muscles in Starting Movement from 30° Crank Angle

图12 本研究朱旭在45°曲柄角起动的下肢肌肉激活时序图Figure 12. Activation Sequence of Zhu Xu’s Lower Limb Muscles in Starting Movement from 45° Crank Angle

1.起动前的预备阶段：由录像观察得知，在起动前的预备阶段，运动员的任务是集中注意力把握倒计时节奏，在模拟枪声响起之前1.5 s内完成离座站立式起动。从图10～图12可以看到，预备动作阶段中最先激活的是左、右腿的股内侧肌、股外侧肌和腓肠肌外侧头。此时，由于运动员的双脚固定在脚蹬上，脚蹬和曲柄的起始位置也已经固定，这些肌肉的工作方式都为远固定主动收缩，使大腿在膝关节处伸，小腿在踝关节处屈，从而支撑运动员在自行车上站立起来。紧接着，右腿臀大肌、股直肌和左、右腿的腓肠肌内侧头、股二头肌加入远固定主动收缩发力的行列。右腿臀大肌和双侧股二头肌收缩使骨盆后倾，股直肌收缩使大腿在膝关节处伸，腓肠肌内侧头收缩以固定踝关节和膝关节防止人体向前倾倒，三者与右腿股内侧肌、外侧肌以及左、右腿双侧腓肠肌外侧头协同工作，起到维持人体直立姿势的作用。几乎与此同时，最先被激活的左腿股内侧肌和股外侧肌停止放电，左腿胫骨前肌被激活，说明在离座站立式起动姿态形成、维持到踏蹬起动这一连续的运动过程中，运动员后腿的大腿前群肌有一个短暂的放松过程，这有利于其拮抗肌群，即大腿后群肌在踏蹬起动中爆发式发力。综上所述，运动员起动前预备动作的节奏非常重要，如果用力过早，就会被起跑器拉住或肌张力下降，如果用力过晚，还未形成有利的站立姿态就仓促起动或在脱离起跑器支持的条件下起动都会直接影响起动成绩。另外，离座站立式的出发动作有利于增加股二头肌、臀大肌等的初长度，有利于后续的收缩发力。即利用提高肌肉“预张力”的方法使肌肉提前进入“工作状态”，从而增大踏蹬的力量和速度[5]。

2.第1个踏蹬周期：由于对肌电图进行时间阶段划分时，是以曲柄开始转动的时刻作为第1个踏蹬周期的开始，而产生起动驱动力的原动肌活动是优先于曲柄转动的，因此，研究起动时的肌肉发力需要观察第一个踏蹬周期起始线左、右两侧的肌电情况。比较图10～图12可知，起动时，双腿都有发力，前脚主要是踏蹬用力，后脚主要是提拉用力。由于起动时曲柄由静止到运动需要克服巨大的惯性，且刚开始转动时速度很慢，因此，可以认为，起动瞬间下肢主要肌肉的工作方式都为远固定。参与前脚(右腿)踏蹬动作的肌肉主要有臀大肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头。臀大肌、股四头肌和股二头肌的远固定主动收缩使运动员伸髋、伸膝，产生下踏脚蹬的力，腓肠肌远固定收缩使小腿在踝关节处屈，结合运动员站立及向前俯身的重力作用一同下压脚蹬，从而驱使曲柄开始转动。与前脚踏蹬相配合，参与后脚(左腿)提拉动作的肌肉主要有胫骨前肌、股二头肌和腓肠肌内、外侧头。胫骨前肌远固定收缩使小腿在踝关节处伸，给脚蹬一个向后带的力，股二头肌和腓肠肌则主要以近固定主动收缩的方式起到屈膝的作用，产生后脚上提脚蹬的效果。

随着前腿和后腿分别完成踏蹬和后带提拉动作，曲柄获得了一定的起动初速度并转过了下死点，前腿随即进入提拉阶段，后腿则进入前带阶段。右腿股二头肌、腓肠肌持续放电，主动收缩以伸髋、屈膝，胫骨前肌近固定收缩使小腿在踝关节处伸，而臀大肌和股四头肌则停止放电，进入放松期。此时，左腿的臀大肌、股四头肌则被激活，伸膝、伸髋带动曲柄向前转动，以便快速克服上死点过渡到下蹬阶段。

当曲柄经过上死点后，右腿又进入了新一轮的发力踏蹬，左腿则又进入提拉阶段。右腿臀大肌、股四头肌开始工作，左腿臀大肌和股四头肌则开始放松。当曲柄转动到起动原始角度时，第2个踏蹬周期开始。上述肌电活动所反映出来的肌肉工作情况与李立的研究基本保持一致[4]。但在蹬踏运动过程中，下肢不同肌肉的功能作用上，本研究的肌电分析结果与前人的研究结论有所不同。Ryan等[18,16]人指出：“单关节肌肉如臀大肌、股外侧肌、股内侧肌、胫骨前肌、比目鱼肌在蹬踏过程中一直以主要用力肌肉参与运动，而股二头肌、股直肌、半膜肌、半腱肌、腓肠肌内侧头等双关节肌肉在蹬踏过程中则有所变化”。文献资料表明，双关节肌肉在关节处于关键环节进行能量传递时表现最为活跃[20]。而本研究的肌电激活时序特征显示，在起动的第1个踏蹬周期内，双侧股二头肌和腓肠肌是持续激活的肌肉，而臀大肌、股直肌、股内侧肌和股外侧肌则表现出明显的左、右腿交替激活特征。

3.第2个踏蹬周期：自行车运动员的踏蹬动作是以车轮中轴为圆心，以曲柄为半径，通过双腿交替踏蹬和提拉驱使曲柄进行机械圆周运动，因此，整个踏蹬过程应当呈现出某一特定肌肉用力程序的循环往复。在图10～图12中，虽然第2个踏蹬周期不完整，但已经可以看出自行车踏蹬动作周期性的特征。

结合起动10 m的时间数据(表5)与肌电活动时序图(图10～图12)综合分析发现，3次起动测试中，预备动作从肌肉开始激活到枪响起动，所花费的时间在1.4 s左右，与录像显示的动作节奏特征一致。与15°和45°两次起动相比，在30°曲柄起动角起动时，左、右腿的臀大肌、股直肌、股内侧肌和股外侧肌的交替放电有较大的重叠区，双侧腿同位置肌肉的收缩与舒张转换表现出衔接紧凑的特点，说明此时双侧腿肌肉的协同工作水平更高。另外，在30°曲柄起动角上起动时，下肢各主要肌肉的肌电活动还表现出总体放电持续时间较短的特点，但与其相对应的是最短的踏蹬周期时间，说明此时肌肉收缩发力的效率更高。因此，从运动生理学的角度来看，在30°曲柄起动角起动时，下肢肌肉肌电活动的这两个特点可能是导致起动速度较快的重要原因。

4.3.3 第1个踏蹬周期内下肢肌肉的贡献率

肌电活动贡献率(%)也称“做功百分比”，是指动作过程中所测各块肌肉的积分肌电占全部肌肉总积分肌电的百分比。肌电活动贡献率反映了动作过程中肌肉用力的主次关系，是肌肉协调性的一个重要评价指标，可揭示在同一动作阶段中不同肌群所起作用的大小。由于起动过程的踏蹬用力要比高频率踏蹬用力费劲很多，因此，场地自行车运动员起动时一般把力量优势腿放在前面，以便更好地发挥力量素质。前腿和后腿也因此存在肌肉活动量的区别。由图13～图15可知，不论在哪个曲柄起动角上起动，第一踏蹬周期中，活动贡献率排在前3名的肌肉都是前腿的股内侧肌、股外侧肌、腓肠肌外侧头，其次才是后腿的腓肠肌内、外侧头，表明前腿的大腿前群肌和小腿后群肌是在原地起动技术动作中起主要作用的肌肉。因此，从训练学角度来说，挖掘它们的力量能力对于提高起动成绩具有至关重要的作用。

图13 本研究自行车运动员在15°曲柄角起动第1踏蹬周期的下肢肌肉活动贡献率示意图Figure 13. Contribution Rate of Lower Limb Muscles Activity in the First Cycle Starting from 15° Crank Angle

自行车运动竞技能力中技能的主要特征表现在有效性、规范性、实用性。自行车运动员在起动技术、弯道技术以及相应的力量素质和协调性上存在问题,都会直接影响运动成绩的发挥[1]。

图14 本研究自行车运动员在30°曲柄角上起动第1踏蹬周期的下肢肌肉活动贡献率示意图Figure 14. Contribution Rate of Lower Limb Muscles Activity in the First Cycle Starting from 30° Crank Angle

图15 本研究自行车运动员在45°曲柄角起动第1踏蹬周期的下肢肌肉活动贡献率示意图Figure 15. Contribution Rate of Lower Limb Muscles Activity in the First Cycle Starting from 30° Crank Angle

5 结论与建议

1.影响短距离场地自行车原地起动技术效果的生物力学因素包括3大类，即内力因素、器械因素和环境因素。提高起动成绩的关键在于找到内力因素和器械因素的最佳结合点。

2.短距离场地自行车原地起动技术动作中，30°是比较合理的曲柄起动角。与15°和45°相比，从30°曲柄角起动时，第1个踏蹬周期时间更短，车轮加速的连贯性好，非死点区踏蹬效果最好；双侧腿同位置肌肉的协同工作水平更高，各主要肌肉收缩发力的效率更高，这些特点可能是导致30°曲柄角起动较快的原因。

3.不论在哪个曲柄角起动，第1踏蹬周期中贡献率排在前3名的肌肉都是前腿的股内侧肌、股外侧肌、腓肠肌外侧头，其次才是后腿的腓肠肌内、外侧头，建议在一般和专项力量训练中着重练习。

4.建议遵循科学、规范的动作要求进行场地自行车起动技术，但也要关注运动员的个人技术特点。

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Biomechanical Study on The Starting Technical Movement of Track Cycling

ZHANG Li-qing1,SONG Zi-yu2,HUANG bo1

In order to standardize and correct the starting technical movement of track cycling,this paper proposed a hypothesis of better crank starting angle on the basis of analyzing the biomechanical factors of starting technology,than use experimental method to verify the hypothesis.In this experiment,11 players of Beijing track cycling team were taken as experimental objects,fixed camera technique and surface electromyography collection technology were used to explore the starting performance with different crank starting angle.The results showed that the biomechanical factors influencing the starting effect can be divided into three categories:internal factors,equipment factors and environmental factors.Finding out the best combining site of these three factors helps to improve the starting performance.The crank starting angle has a significant effect on 60 meters starting performance and 30 ° is a reasonable crank starting angle.

cycling;startingtechnique;surfaceelectromyography

1000-677X(2015)03-0059-08

2014-05-09；

2015-02-11

国家体育总局重点研究领域资助项目(2012B014)。

张莉清(1970-)，女，山东人，副教授，博士，主要研究方向为运动训练与管理，Tel：(010)62973823，E-mail：cherry4911@163.com；宋子玉(1989-)，女，湖南人，助教，硕士，主要研究方向为运动训练；黄波(1991-)，男，安徽人，在读硕士研究生，主要研究方向为运动训练。

1.北京体育大学，北京 100084；2.长沙医学院，湖南 长沙 410219 1.Beijing Sport University,Beijing 100084,China;2.Changsha Medical University,Changsha 410219, China.

G804.6

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