竞走运动员走速与技术效率的实验研究

杨虎强

1 前言

竞走项目具有距离长、负荷大、动作周期性突出、技术性强等特点。在竞走比赛中，要取得优胜运动员必须加快速度，而速度的加快又受到竞走技术中两个独特的规则所限制，即“必须始终保持至少有一只脚与地面接触；前腿从着地的瞬间起直到垂直位置必须始终伸直，膝关节不能弯曲”[1]。我们知道，速度是由步长与步频决定的。步长是左右两脚跟(脚趾)之间的距离[2]。它受运动员的腿长、下肢关节灵活性的影响；步频是两腿在单位时间内交替的次数，是由连续完成每一步所需要的时间决定[2]。它受到神经系统灵活性、快肌纤维的比例、肌肉力量以及动作协调性的影响。因此，竞走运动员获得胜利在很大程度上与其技术效率有着密切的关系，竞走运动员技术的合理化与最佳化是取得胜利的关键因素之一。如何保证竞走运动员在全程竞走中相对平稳而又合理的走速，并且不会因为技术动作变形而被取消比赛资格就显得尤为重要。但在赛场上往往会出现各种意想不到的干扰因素，例如有的运动员突然加速、观众的加油呐喊声以及在冲刺过程中或追赶他人时都会可能打乱自己的比赛节奏，比赛节奏的破坏必然会引起速度的变化，速度的变化就会引起技术动作的变化。研究表明，竞走运动员的突然提速，会引起裁判员的注意，举牌的可能性也就会大大地增加[3]。因此，为了能使竞走运动员既保持一定的竞走速度，而又不会因为速度的加快而造成技术的变形。笔者通过对竞走速度与生物力学技术之间的关系的分析，试图解释竞走技术各重要变量之间的相互联系，旨在为教练员改进与完善运动员的技术动作、提高竞走成绩提供理论参考。

2 研究对象

刘某某，女，身高1.61m，体重46.5kg，竞走一级运动员。该运动员分别以3种不同的速度(低速、中速和高速)在标准的400m田径场地上走完400m全程。

3 研究方法

3.1 图像解析法

在比赛现场采用日本产SNOY NEX-VG20E高速摄像机分别对该运动员3种不同走速的途中技术进行拍摄。摄像机置于跑道的外侧，距跑道垂直距离为8m，摄像机高度为1.20m，拍摄频率为200Hz。采用平面定点拍摄运动员的4个复步动作。

采用SIMI Motion 3D运动图像解析分析系统，对运动员的技术动作进行解析，以便获取必要的运动技术参数。

3.2 数理统计法

用Excel 2007与SPSS12.0软件对获得的原始数据进行常规的统计处理，然后进行数值化分析。

4 结果与分析

4.1 基本指标的变化分析

根据研究需要，确定运动员的一个复步步长、相对步长(步长/身高)、腾空时间、重心波动及质心水平速度等六项指标作为评价竞走运动员技术变化的基本指标。对这些技术指标参数进行分析，试图说明3种不同走速与技术动作之间的相互变化。

表1 不同走速下运动技术指标的变化比较

从表1可以看出，随着竞走运动员走速由第1种(低速)的3.568m/s增加到第2种(中速)的3.872m/s，再增至第3种(高速)的4.163m/s，运动员的步频也明显加快，由第1种(低速)的198.0步/min增加到第2种(中速)的211.0步/min，再到第3种(高速)的223.2步/min，运动员的步长保持相对稳定，变化不大，从第1种(低速)的1.128m增加到第3种(高速)的1.151m，增加了2.3cm。因此，竞走运动员的步频与走速具有良好的线性关系。也就是说运动员要提高走速主要是以加快步频为主，而步频的加快往往会出现腾空现象，双脚支撑阶段就不复存在，造成犯规。参考腾空时间与走速的关系不难发现，随着运动员走速的提高，腾空时间没有明显的变化，说明运动员走速的提高，步频的加快主要是通过减少支撑时间完成的。同时，走速与运动员身体重心的波动不呈现线性关系。第1种走速(低速)下，运动的重心波动为5.6m，小于第3种走速(高速)6.1cm而大于第2种走速(中速)4.4cm，说明竞走运动员在竞走过程中身体重心的上下波动与速度的快慢不成线性关系，身体重心的控制主要依赖于运动员竞走的技术的合理性。

4.2 下肢技术的变化分析(见表2、表3)

表2 下肢技术参数的变化比较(1)

表3 下肢技术参数的变化比较(2)

从表2、表3可以看出，竞走运动员随着走速的加快，支撑总时间由第1种(低速)的265ms下降至第3种(高速)的226ms，下降了30ms。其中，前蹬时间由第1种(低速)97ms下降到第3种(高速)78ms，下降了19ms；后蹬时间由第1种(低速)的168ms下降到第3种(高速)的148ms，下降了20ms。而且前蹬时间与后蹬时间下降的绝对值比较接近。对竞走而言，由于后蹬时间比前蹬时间相对长，因而前蹬时间下降的相对值比后蹬时间下降的较大。由此可见，竞走运动员走速的加快主要是减少了前后的支撑时间。当然，支撑时间的减少，就是步频的加快，这与上述分析的结果相一致。从支撑腿的前蹬角度与后蹬角度来看，随着竞走运动员走速的加快，前蹬角度与后蹬角度变化不大。也就是说运动员的步长基本保持不变，以保持技术动作的稳定性，防止技术变形，造成犯规。同时，运动员身体重心在垂直位置时的直腿时间，随着速度的加快，也在不断地减少。第1种(低速)的200ms，下降到第2种(中速)的183ms，再下降到第3种(高速)的178ms，说明竞走运动员减少支撑腿的直腿时间是为了进一步加快步频，提高走速。从运动员大腿的最大摆动角度变化来看，第1种(低速)的55.5°，第2种(中速)的57.3°，第3种(高速)的53.7°变化基本不大；而且大腿最大摆角与走速并不呈现线性关系，这与运动员的技术特征有关。但随着走速的提高，运动员大腿的摆动速度明显加快。由第1种(低速)的248.1°/s增加到第2种(中速)的259.2°/s ，再增加到第3种(高速)的311.4°/s，增加幅度达到63.3°/s。因此，随着走速的提高，运动员大腿的摆动角速度也不断增大。增大大腿摆动角速度也意味着运动员步频的加快。从小腿折叠角度来看，随着运动员走速的提高，小腿折叠角度明显减少。由第1种(低速)的20.1°减小到第2种(中速)的17.6°，再减少到第3种(高速)的12.4°，减少幅度为7.7°。大小腿折叠的角度越小，说明大小腿折叠的越紧，向前摆动的半径越小，摆动的速度越快。同时，大小腿(膝关节)折叠的速度增加，由第1种(低速)445.2°/s增加到第2种(中速)的458.8°/s ，再增加到第3种(高速)的498.0°/s，增加幅度为52.8°/s。大小腿折叠的紧与折叠的快，都是为了加快大腿向前摆动的速度，以提高走速。

图1是竞走运动员3种不同走速条件下右腿从脚着地瞬间到脚离地瞬间的髋关节角速度变化曲线。从曲线可以看出，从脚着地瞬间(第1个数据点)到脚离地瞬间(最后1个数据点)，髋关节角速度的变化为：由于支撑时间短，第3种(高速)比第1种(低速)和第2种(中速)的数据点少，第1种(低速)的支撑时间最长，髋关节曲线波峰变化大，表明角速度变化范围较大，说明髋关节快速伸展；曲线“平坦”，表示角速度变化范围较小，说明髋部肌群缺乏向前的动量产生。也就是说，运动员采取第1种(低速)走速，髋部肌群缺乏有力的投入运动，没有做出积极的伸髋动作；第2种(中速)走速直到支撑阶段结束时，才表现出与第3种(高速)走速相似的曲线形式。

图1竞走运动员3种不同走速在中间站位阶段右髋关节转动角速度比较

4.3 摆臂与躯干的变化规律

手臂摆角为上臂与躯干的夹角。前摆为正值，后摆为负值；躯干的倾角为第七颈椎与会阴点之间的连线与垂直轴之间的夹角[2]。前倾为正值，后仰为负值。

表4 摆臂与躯干倾斜的变化

从表4可以看出，随着运动员走速的提高，手臂的前摆角度由第1种(低速)的27.8°变为第2种(中速)的25.6°，再变为第3种(高速)的32.3°；手臂的后摆角度由第1种(低速)的71.1°变为第2种(中速)的56.7°，再到第3种(高速)的68.6°。从手臂摆动角度的变化来看，走速与手臂摆动的角度并不成线性关系。但是，手臂摆动的速度明显增加，前摆速度由第1种(低速)的512.1°/s增加到第2种(中速)的541.6°/s ，再增加到第3种(高速)的568.7°/s；后摆速度由第1种(低速)的518.2°/s增加到第2种(中速)的533.4°/s ，再增加到第3种(高速)的587.6°/s。其中，手臂前摆的幅度增加为56.6°/s ，后摆的幅度增加为69.4°/s，说明随着走速的提高，手臂前后摆动的速度都在增加，而后摆的摆动速度增加幅度比前摆更大。这是由于通过积极有力的后摆，以推动躯干快速的前移；而且，通过积极有力的后摆以抵消因大腿有力前摆而造成的人体向后的惯性力矩，以保障运动员身体重心更加平稳地向前移动而保持身体平衡。

从运动员躯干倾角变化来看，不同的走速，运动员的躯干倾角会有不同的变化。在第1种(低速)与第2种(中速)条件下，运动员的躯干都有前倾和后仰。而在第3种(高度)条件下，运动员躯干的后仰消失了，在一个完整的周期(一个复步)中，躯干始终保持前倾。因此，竞走运动员躯干倾角与其走速有一定的相关性，低速与高速对躯干的倾角有显著性影响。这可能是由于步频加快，躯干需要前倾以做“代偿”，保持身体平衡。

5 结论

(1)随着竞走运动员走速的提高，步频明显加快，而步长变化不明显。在竞走中腾空时间极短且几乎保持不变，因此步频的加快主要是减少前后的支撑时间。而前后支撑时间的绝对值减少几乎一致，前支撑时间的相对值减少较大。

(2)随着竞走运动员走速的提高，前蹬角、后蹬角、上肢与下肢的摆动幅度以及身体重心的上下波动变化均不明显。但是，大小腿的折叠程度加深，小腿折叠速度明显增加，大腿前摆速度加快。上臂的摆动速度明显加大，而且上臂摆动速度大于大腿摆动速度，这是为了平衡大腿快速摆动所产生的翻转力矩。由于大腿的转动惯量大，上臂的惯量小，上臂必须通过快速摆动，才能平衡惯性力矩。

(3)随着竞走运动员走速的提高，运动员的躯干后倾逐渐消失。在高速中运动员的躯干向前倾斜，在一定程度上增加了后蹬的力量，有利于增加向前的推力。但是，躯干的前倾会造成身体有向前的倾覆力矩。为了保持平衡，在一定程度上会加快大腿向前的摆动速度与手臂的向后摆动速度，以克服身体向前的倾覆力矩。

(4)由于本研究的实验对象仅为一名女子竞走运动员，研究结果会存在一定的局限性。不过，根据英国著名学者布莱恩·汉雷(Brian Hanley)、安德鲁·德瑞克(Andrew Drake)和阿萨那西奥斯比萨斯(Athanassios Bissas)对20km女子、20km男子和50km男子竞走运动员走速与步长、步频关系的研究表明，女子更多地依赖增加步频而提高走速，男子更多地是增加步长提高走速[6]。因而男女竞走运动员可能存在差异。

[1] 中国田径协会.田径竞赛规则(2014—2015)[M].北京:人民体育出版社,2014.

[2] 刘生杰.田径运动技术诊断与分析[M].北京:中国社会出版社,2011.

[3] 单信海.运动技术诊断学[M].济南:齐鲁音像出版社,2004.

[4] 王林.我国高水平20km竞走运动员技术的研究[J].北京体育大学学报,2007,30(7):979～982.

[5] 牵世明,石风莉.不同走步姿态的运动生物力学对比分析[J].天津体育学院学报,2007,22(6):505～508.

[6] 布莱恩·汉雷,安德鲁·德瑞克,阿萨那西奥斯比萨斯.高水平竞走的生物力学：技术分析和疲劳效应[J].田径运动新研究,2008(4):17～25..