短跑运动中的生理机制及影响因素研究

赵友

摘要：短跑运动是一项极限强度运动，是人体在极度缺氧条件下进行的爆发性运动，是典型的无氧运动。本文从影响短跑运动的本质因素出发，探讨了ATP-CP系统供能、无氧糖酵解供能、有氧供能在短跑运动中的供能特点，认为在100m、200m、400m的短跑中，距离越短的情况下，无氧供能占比越高、ATP-CP供能系统的作用越凸显;此外，探讨了神经系统兴奋/抑制的转换灵活度对短跑者水平的影响，认为转换灵活度能显著影响短跑者的肌群协调性，进而影响其ATP的消耗和合成速度，从而影响短跑者的速度;认为在训练中，一方面可以针对性训练神经系统的反应速度，另一方面可以针对肌体能量存储增加进行训练。

关键词：短跑运动;生理机制;供能系统;神经系统

一、引言

短跑是一种典型的无氧运动，是一项极限强度运动，需要人体在极度缺氧的情况下进行的爆发性运动。从人体机能供给的角度来看，短跑的主要表现是探索人体最大速度的最大潜能，而速度极限则主要基于无氧代谢在100米短跑项目上，从1960年的10秒到2009年的9.58秒，仅仅降低了0.42秒，至今9.58秒的记录也没有被打破，可以说9.58秒已经逼近人体力量发挥的极致了。在200米短跑项目中，也从1968年汤姆·史密斯首破20秒大关，以19.83秒的成绩夺冠，到如今同样为100米纪录保持者博尔特，2008年创造了200米19.19秒的新世界纪录，至如今也未有人能打破。虽然在生理结构、人体能力供应、运动理论和实践上的认识越来越深刻，但对于短跑速度提升的作用越来越小。以“短跑运动”为关键词进行的核心期刊检索结果表明，从2010年以来的文献研究方向主要集中于耐力训练[1，2]、力量训练[3，4]、技巧研究[5，6]等方面，对于短跑运动中的生理机制，如能量变化、肌肉变化的研究相对比较少。

二、短跑的关键影响因素

任何运动都必须基于能量供应。短跑是一种典型的无氧运动，其能量来源包括原磷酸盐供应（ATP-CP），无氧糖酵解供应和有氧供应。姜自立[7]研究表明，在200米短跑的极限强度下，原始磷酸盐的能量供应为45%。就强度而言，无氧糖酵解为35%，有氧能量供应占20%，有氧能量供应的比例随距离的增加而增加。在100米短跑中有氧供能仅占3%，而有氧能量比在400米处达到30%。因此，可以认为人体在100米极限条件下的能量供应主要来自磷酸盐和无氧糖酵解。

ATP为人体活动直接提供的能量。在人体细胞中，ATP与ADP相互转化，实现能量的贮存和释放，从而保证人体细胞各种生命活动的能量供应。当ATP消耗后，CP与无氧乳酸分解产生能量促进ATP的再次合成，涉及的分解速率、合成速率、肌体能源存储等会影响短跑者的短跑速度，也决定了短跑者的最高速度维持时间。在由ATP和CP组成的能源供应系统中，ATP的最大输出能量可以持续约2秒，而CP的最大输出能量是ATP的3～5倍。在剧烈运动中，ATP的含量变化不大，而CP的含量却急剧下降。它的特点是总能量供应低，持续时间短，输出功率最快，无氧和无乳酸。

在众多体育项目中，短跑、跳跃以及举重都是依靠此系统进行供能。运动者短跑能力的提升与训练方式、能量代谢密切相关，运动员不仅仅要在训练上下功夫，也要认清自身的能量代谢水平，保持稳定的心理参加训练和比赛才是重点。

三、肌体能量代谢对短跑的影响

短跑运动持续时间并不长，专业男性运动员100m赛跑时间在10秒左右[8]，200m赛跑时间在20.3秒左右[9]，总体能量消耗并不大，但是否在极限强度下的运动对能量消耗影响较大，根据姜自立的研究[7]，200m短跑时，极限强度下的能量消耗为255kJ左右，中-高等强度下的能量消耗为450kJ左右，后者耗能比前者多80%。另外，在100m的极限强度下，糖酵解的供能率为35%，有氧供能为20%，中高强度为17%，有氧供能为35%。因此，可以认为在短跑中，极限强度的距离越短与极限强度的维持时间越长，则糖酵解和厌氧代谢的能量供给率越高。以上结果与李宏印[10]的研究结果相似。他的研究发现400米比赛无氧供能占比为81%，200m跑无氧供能占比为91.5%，100m跑無氧供能为96.3%。

无氧代谢是短跑的主要能源。距离越短，能量供应对无氧代谢的依赖性越强。因此，有必要研究ATP-CP系统和厌氧糖酵解。在100米以内，该项目受到磷酸供应的限制。在100米的冲刺中，仅靠磷酸系统的存储已不能满足项目的需求。因此，必须参与糖酵解和有氧氧化。相关研究表明，运动100 m后，ATP和CP消耗更多，能量供应转化为糖酵解以维持ATP的合成。结果，血液乳酸增加。当糖酵解参与能量供应时，输出功率降低，运行速度自然降低。

由此可见，在进行100m项目时，必须加强糖酵解系统的训练能力。任何活动的能量直接来源都是ATP，其他物质，如CP、糖等都是保证ATP再次合成的物质，ATP的合成速度对于维持短跑最高速度有决定性影响。在ATP合成过程中，CP分解并释放能量以最快地促使ATP的再合成效率，这也决定了CP是无氧运动（如短跑）的主要能量提供者，但其可用量太少。

王晓辉[11]的研究表明，纯ATP供能，在最大输出情况下只能维持2秒，ATP-CP系统供能持续7.5秒，之后由糖酵解供能。

有资料显示[12]，磷酸原供能容量最高为420J/kg，最大输出功率为56J/kg/s;对应的糖酵解供能最大容量为962J/kg，最大输出功率为29.3J/kg/s，这表明磷酸原供能量小，但是输出快，能让运动者在最短时间内达到最高速度;糖酵解量大，但输出速度慢，对于维持运动者速度有重要作用。两种能量供给方式，决定了不同距离的锻炼和赛跑策略，在100m跑步训练中要尽量加大磷酸原供能的容量能力，在200m跑步训练中则需要尽量加大糖酵解供能输出能力。

四、神经系统对短跑运动的影响

短跑的关键是ATP，促进ATP的合成和减少ATP的消耗是关注的重点，从肌体运动角度看，肌肉内阻力降低，会减少ATP的消耗;血液循环加快会促进ATP的合成。从中枢神经系统角度看，肌肉的活动和神经的活动高度一致：在运动过程中，力量由各个肌肉群收缩合力产生，收缩速度越快产生的力量就大，运动者的速度就快，其中肌肉群的协调性是重点;也就是说在中枢神经系统的兴奋和压抑协调性非常好的情况下，肌肉的活动会变得迅速和协调，能促进肌肉更快的收缩和放松，即促进速度的提升，同时减少ATP-CP的消耗。

短跑者的短跑技术，除了与所受的训练有关外，和其生理结构、条件反射等关系更大，短跑者肌肉和中枢神经系统的活动对其速度起着决定性作用。短跑者的运动协调性和中枢神经系统的兴奋/抑制协调性密切相关，一旦短跑者产生了紧张心理，就会造成兴奋的扩散，导致兴奋和抑制功能失调，进而引发跑步动作变形、能量消耗加快等负面作用。在腿部抬高运动中，大腿屈肌中心的刺激会刺激屈肌群的收缩。同时，抑制伸肌中心，伸展肌肉群，确保屈肌群最大收缩，并提供最大的肌肉力量。如果短跑运动员太紧张，将导致屈伸中心的激发/抑制传导的偏离，导致屈伸中心的工作不协调，导致短跑运动员的力量发挥不足，短跑速度提升和维持不足。有研究表明，肌肉收缩和放松的潜伏时间能显著影响短跑者的水平，潜伏时间越短的运动者，其运动水平越高，这也表明中枢神经系统的柔韧性与兴奋和抑制转换的能力密切相关，而转换越灵活则肌肉力量的释放越协调。

因此，通过提高神经系统兴奋和抑制的灵活性，可以抑制短跑运动员的神经心理。它可以有效地促进肌肉群的协调并减少ATP的消耗。

五、结语

短跑运动中的生理机制的核心就是ATP，其次就是围绕ATP的一系列生理活动。在短跑中，为了维持最高速度的时间，就要尽量减少不必要的ATP消耗和促进ATP的合成。减少ATP消耗的主要方法是减少肌肉群之间的对抗作用，并增强活跃肌肉和对抗肌肉之间的协调性;而确保肌肉群之间的协调性就需要从神经系统的兴奋和抑制入手，训练、提高兴奋和抑制转换的灵活性是有效的办法。此外，短跑者的心理状态作为影响神经系统的关键因素，也需要密切关注。

参考文献

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[3]沈勇伟，张林，刘劲松.短跑训练对跟腱横截面积和弹性模量的影响[J].体育学刊，2010，17（1）：92–95.

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[10]李宏印.短跑运动员能量代谢特点及其训练[J].汉中师范学院学报，2000（12）：68–70.

[11]王晓辉.外源性磷酸肌酸对无氧运动的支持作用[D].大连：大连医科大学，2012.

[12]人体运动时的能量供应与消耗[DB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/39342829af45b307e8719761.html，2018–06–30.