耦合振荡子与生物同步理论对现代百米技战术的影响

姜雪婷　程其练　周美芳

摘要：采用文献资料法、数理统计法等研究方法，以2013年世界田径锦标赛冠亚军Blot、Justin Gatlin的百米全程分段數据及与在世锦赛跑进前10 s的5名选手进行对比的数据为研究重点，从中探索现代百米战术突破点。结果表明：Blot、Justin Gatlin在100 m决赛中，Justin Gatlin的起跑及加速跑的步频“从快到慢，从慢到快”的探索性调整；在途中跑阶段，其步频与5名运动员的平均步频相同Blot的起跑在整场所有运动员中滞后，但他没有极力地去追赶，而是做出调整，与整场步频保持相同的速度，且与5名运动员的平均步频保持在+0.15 s的幅度。Blot、Justin Gatlin在几秒的百米竞赛过程中，不断变化着自身的步频，即使处于不利地位也不奋力追赶，只为寻求与整场步频同步的战术，节约体力，只为最后一搏。由此猜想Blot、Justin Gatlin在百米竞赛中运用同步耦合的效应，从而大大提高运动员体能的输出效率，利用最小的消耗，获得胜利。

关键词：Blot、Justin Gatlin；百米战术；耦合振荡子；生物同步；步频；体能

中图分类号：G 808.1 文章编号：1009-783X（2017）01-0063-04 文献标志码：A

当今，各大型田径百米赛场，已经成为牙买加、美国的天下。牙买加运动员Bolt在百米跑道上不断打破人类极限，将百米的世界纪录提升至9.58 s。Justin Gatlin是雅典奥运会冠军，最好成绩9.77 s，他们的百米技战术成为了很多学者研究的内容。在国内，对技战术的研究主要是围绕速度、力量、心理、技战术等几方面。本文从物理学的角度，分析耦合振荡子与生物同步理论对现代的百米战术作用，为今后的百米战术提供理论参考。

1耦合振荡子与生物同步的概念界定

1.1耦合振荡子与生物同步释义

1665年2月，荷兰物理学家、钟摆的发明人克里斯蒂安·惠更斯开辟了一个数学分支：耦合振荡子理论。“耦合”是振荡子之间相互作用的一个概念，在物理学上任何一个显示周期性运动的过程都属于振荡；因此，人体的跑步也是一种振荡，在具有耗散结构的振荡体系中，当各振荡子处于同步的耦合状态时，其能量的释放过程会被增强。

1.2耦合振荡子与生物同步的作用

同步耦合作用能提高能量的输出效率，任何一个具有周期性的振荡系统中，运动情况复杂，位置和速度的关系都在一个相空间中表现出一个收尾相接的闭合曲线；因此，步频在相空间中表现为一种环状的振荡结构。由于人体内能源供给系统具有惰性，运动员总是习惯保持在一定限度范围内的能耗状态下运动，步频在相空间闭合曲线上表现为一种相对稳定的震荡状态。我们试图提高这种振荡节律时，体内能耗的稳定性会使震荡曲线很快恢复到原来水平；因此，当运动员提高跑速过程中，对能量的最大耗费点不是花费在肌肉收缩上，而是在神经系统对“能耗级别控制阀”的不断突破上。但如果想利用神经内部能量突破这个平衡点非常困难，为此必须耗费很多的人力、物力和时间；但从外部，只要轻微触动诱导就可形成对“控制阈值”的低耗突破。利用同步耦合对神经控制阈的低耗能突破作用，运动员可在竞技的过程中，用最少能耗，赛出最好成绩。

1.3耦合振荡子与生物同步的运用

1.3.1单个生物体中的运用

自然界中耦合振荡子随处可见，但在生物体中尤其显著：心脏中的起搏细胞；胰腺中分泌胰岛素的细胞，以及大脑和脊柱中负责控制有的动作，例如呼吸、跑步和咀嚼等的神经网络。

1.3.2不同生物体之间的运用

事实上，并不是所有的耦合振荡子都必定局限在同一个生物体内，例如：在具有耗散结构的生物体中，相互之间的同步耦合振荡能节约能量消耗，提高行为的有效输出功率，在大自然中，不乏有这些现象，在池塘里的青蛙、放在一起的钟摆都保持在同步的状态中。

1.3.3人运动中的运用

人的奔跑也是一种振荡性的运动。在中长跑的比赛运动中，我们常常可以看到有经验的运动员总是紧跟在对手的后面，利用同步跑动的耦合作用来节约自己的体能。只是在关键的时候，才利用所节约下来的体力进行突然性的加速冲刺，把对手甩在后面去夺取胜利。而在短距离跑的比赛中，距离、时间短，往往运动员们都认为去注意对手的步频节奏是一种浪费时间的举措。在Thomas和Farlow所研究的动物捕捉过程中，处于攻击状态的动物，在发动捕食攻击之前先调整自己的步伐频率，使自己和被攻击动物的步频保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻击。其发现动物的这个捕食行为，在距离还是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m争夺战，而不是长距离的运动，且在追捕过程中根据猎物的步频节奏来调整自己，其作用在于保存节省能量，等待最后的出击。

2研究对象与研究方法

2.1研究对象

2013年田径世锦赛100 m冠亚军Blot、Justin Gatlin的步频数据，以及前5名跑进10 s的选手的步频数据。

2.2研究方法

2.2.1文献资料法

查阅田径专业本科（普、专修）教科书6部，关于现在短跑技、战术及耦合振荡子理论等相关期刊文献共30篇。

2.2.2数理统计法

运用SPSS软件对数据进行统计分析；用Office For Win-dows EXCEL软件输入进行数据制作。

3研究结果

3.1数据分析

3.1.1数据选择及依据

所选的比赛资料为2013年世界田径世锦赛100 m的前5名并跑进10 s的选手，原因是进入世界田径100 m决赛的运动员都是世界优秀的百米运动员，且破10 s，他们的100 m步频数据对研究百米战术具有代表性意义。endprint

运动员在比赛的过程中为后来者居上，分析运动员是否在100 m竞赛的过程运用耦合振荡子与生物同步的方式节约能量，最后尽全力一博。

3.1.2数据来源

本资料数据来源于2014年山东体育学院学报。其采用一种以一定的步数为分段依据的方法来解析数据，使得没有放置分段标志物的录像资料也可进行全程节奏分析，由于顶尖选手在一定时期内百米跑所用的步数相对稳定，宏观上主要的变化在于各分段步频的变化，见表1。

3.1.3研究数据结果

在2013年田径世锦赛100 m决赛的视频中可看出，Justin Gatlin在8名运动员中，起跑及起跑的加速跑中，都处于相对靠前的名次，在表1中起跑（即2～5步）的步频在这5名运动员中位居第二，且高于平均步频水平；在起跑后的加速跑过渡到途中跑的过程中，Justin Gatlin在6～10步的步频与自身起跑步频一致，却低于平均步频，在11～15的步频，不仅低于平均步频且低于自身步频，降低近0.1 s。Bolt在起跑阶段（2～5步），与其余4名运动员相比步频是最慢的，处于劣势状态，只有4.26 s，也与在2～5步的步频总平均值相差近0.2 s。而在起跑后的加速跑及途中跑，他却一直保持很稳定的步频，每个阶段的步频（2～15步）都保持在4.46 s。从成绩上分析，2位运动员，在2～15步中，不断地在调整自己的步频，并没有因为优势乘胜追击或是因为滞后而穷追不舍。如图1所示，也可更加直观地看出5名运动员步频走向。Justin Gatlin在2～15步的阶段，线段起伏较大，Bolt在起跑到起跑的加速跑起伏很大。

从2～15步的步频分析，Justin Gatlin、Bolt都有一个明显的特点，都在保持或寻找一个稳定的步频，没有不断地提高自己的跑速，占据速度上的优势。表明2位运动员重点在于调整自身的竞技状态，而不是随着场上的因素影响，打乱速度节奏。卡尔·刘易斯的教练特勒兹说：“比赛时他（刘易斯）始终遵循如下方针：发令枪声响后，急速从起跑器上冲出，启动应当均匀，在疾速跑段不与那些起跑速度快的对手竞争，注意身体放松，并将所达到的最大速度保持到终点。”所以这2位优秀的运动员，在开始阶段没有与其他对手进行较量，原因在于他们注意保持身体放松，去寻求与在场几位运動员保持相同的步频节奏。

在16～30步的步频分析，Justin Gatlin经过在前15步由快到慢，再由慢到快的寻求性的调整，在16～30步的关键阶段，他的步频调整到几乎与其余5名运动员的平均步频一致。Bolt在这一阶段，依然保持在4.46 s的成绩，很惊奇地发现，Bolt每一阶段的步频与5名运动员的平均步频成近等差的关系，他的每个分段步频都与步频平均值是+0.1 s的关系。如图1所示，Justin Gatlin的步频不断趋于平均值，且有重合。Bolt的步频非常一致，且与平均步频保持一定的数值。这是一种耦合同步状态，利用同步耦合对神经控制阈的低耗能突破作用，运动员可在竞技的过程中，用最少的能耗，提高运动员体能的输出率。也可发现，Bolt与Justin Gatlin相比，Bolt的保持耦合步频的能力比JustinGatlin强，继而他所消耗的能量更小，且体能的输出效率也更高。

在分析数据中，为了更加直观地发现耦合振荡子与生物同步的特征，本文将每位运动员的步频值，保留整数及小数点后1位数。如图1所示：首先从横向分析，Justin Gatlin的步频幅度相对其他选手比较稳定，都很好地控制在4.6 s的范围内；其次从纵向分析，Justin Gatlin每个分段步频与其他前5名选手相比，他每一分段的步频与下一分段步频的起伏差值小于0.1 s，而其他的选手起伏大于0.1 s甚至大于0.4 s；最后从总体上分析，通过表2可清晰地看出，Justin Gatlin的每一分段步频与本场5名运动员每分段的步频平均值相比，在起跑到加速跑阶段（2～10步）与平均值相同，在过渡到途中跑的阶段中出现了0.1 s的差异，但却在之后的途中跑到最后的冲刺与平均值都完全相同。而Bolt的每一分段的步频波多幅度都有效地控制在0～0.1 s的范围内，其他4位选手步频的幅度较大（Justin Gat-lin：0～0.2 s；Nesta Carter：0～0.3 s；Kemar Bailey-Cole和Nickel Ashmeade：0～0.4 s；）；从总体上分析，Bolt每一阶段的步频与5名运动员的平均步频成近等差的关系，他的每个分段步频都与步频平均值是+0.1 s的关系。对数据的分析显示，Bolt在比赛的过程中，不断调节自身的频率，并且超越了不仅与其他4名运动员的平均步频相同的节奏，而且在4名运动员的平均步频基础上再加上自己相对稳定的步频，进一步达到耦合振荡子与生物同步状态。

以上分析表明：Justin Gatlin在16～20步、21～25步、26～30步、31～36步的步频分别与其余5名运动员的平均步频4.7s、4.6 s、4.6 s、4.5 s完全相同，Blot的步频分别是4.5 s、4.5 s、4.5 s、4.4 s与平均值都保持在正负O.1 s。由此数据可以判定：Justin Gatlin、Blot的步频出现了耦合振荡同步效应，Justin Gatlin、Blot的耦合振荡相应出现在21～35步，处于百米竞技的关键期，也是体能消耗最大的关键期，他们通过耦合振荡子同步的作用，为其产生最大的竞赛效益。还可从数据中得出，Bolt在与其余5名运动员的平均步频发生振荡耦合同步之外，再有效地控制自己的步频与平均步频保持正负0.1 s，与Justin Gatlin在体能上相比，大大提高了体能的输出效益；所以，在最后冲刺阶段，Bolt将节省下来的能量与自己高超的技术和生理条件，最终获得2013年世界锦标赛的百米冠军。

4结论

1）“耦合”是振荡子之间相互作用的一个概念，在物理学上任何一个显示周期性运动的过程都属于振荡；因此，人体的跑步也是一种振荡，在具有耗散结构的振荡体系中，当各振荡子处于同步的耦合状态时，其能量的释放过程会被增强。人在奔跑也是一种振荡性的运动。在Thomas和Farlow所研究的动物捕食过程中，处于攻击状态的动物，在发动捕食攻击之前先调整自己的步伐频率，使自己和被攻击动物的步频保持一致性，然后再做出向前的猛烈攻击。其发现动物捕食的这个行为，在距离还是在激烈的追捕中更等同于激烈的100 m争夺战，而不是长距离的运动；且在追捕过程中根据猎物的步频节奏来调整自己，其作用在于保存节省能量，等待最后的出击。

2）在神经系统的兴奋与抑制机制中，人无法长时间维持高强度高频率的运动，只有依靠不断升降频率来维持较高的跑速来完成百米全程。本研究中其余选手在第2～5步的步频已经达到相对较高的数值，而Bolt在36～40步依然可以保持且高于第2～5步的步频，其他选手则低于第2～5步的步频，而且，其余的选手在开始就保持较高的步频，就必须在后面的过程中利用较低的步频来维持体力。而Bolt、Justin Gatlin在自身所拥有优异的百米技术的前提下，利用耦合振荡子与生物同步战术，即使起跑滞后于其他运动员，也没有极力地去追赶，而是做出步频上调整，寻求与全场步频耦合，节省体力奋力一搏。

3）Justin Gatlin在2～5步、6～10步、u～15步、1～20步的步频“从快到慢、从慢到快”进行探索性调整，在21～45步（途中跑及冲刺阶段）时个人的步频几乎等于其余运动员的平均步频；Blot在2～5步的步频与其他几名运动员处于最后一名，而后6～30步都保持一个步频4.46 s，在6～10步、11～15步、21～25步、26～30步、31～35步都是4.5 s，与5名运动员的平均步频都保持在正负0.1 s的状态。由此可以判定，Justin Gatlin、Blot的步频出现了耦合振荡同步效应，Justin Gatlin、Blot的耦合振荡相应出现在21～35步，处于百米竞技的关键期，也是体能消耗最大的关键期，他们通过耦合振荡子同步的作用，为其产生最大的竞赛效益。

4）由于耦合振荡子与生物同步的作用可以节约运动员的体能，提高输出效率，例如Justin Gatlin、Blot发挥自身的优势加大步长来提高自身的速度。通过耦合振荡子的同步虽可以提高体能的输出效率，但Justin Gatlin、Blot也通过与5名运动员的平均步频保持一致，速度不变，从而起到储存体能的作用。endprint