竞走运动员跑步机与场地训练时动作技术的差异与犯规风险的比较

张鑫蕊，宋祺鹏*，宋绍利，王银行，潘艺鸥，刘子寅

1 理论基础和研究假设

竞走是比赛距离最长的田赛项目，对运动员的动作技术有严格要求（文超，1995；赵庆彬 等，2007）。竞走比赛规定，运动员在比赛中两脚要轮换与地面接触，不能存在“人眼可见”的腾空，在支撑腿从着地瞬间至垂直支撑期间，膝关节不能弯曲（赵庆彬 等，2007；周浩祥，2014）。因此，腾空时间和膝关节角度是评价竞走动作犯规风险的关键指标（刘涛 等，2009）。此外，裁判员通常采用重心垂直位移判断腾空犯规，因而重心垂直位移常被视为判断犯规风险的辅助指标（Hanley et al.，2011）。

场地训练是竞走运动员的常规训练方式，其与比赛时的条件较为一致。但是，这种训练方式存在不足，主要体现在：1）教练员不容易精确控制训练强度和训练量（Han‐ley，2015）；2）教练员不能全程观察运动员的技术动作；3）受气候、天气的影响较大。跑步机训练作为补充训练的方式之一，常用于竞走运动员的日常训练。跑步机的速度恒定，可精确控制训练速度，有助于运动员严格执行训练方案，更好地完成训练目标（Hanley，2015）。Van Hooren等（2020）对比了跑步机训练与场地训练的跑步动作，认为在跑步机上跑步会使步时变长，足跟着地时膝关节角度变大，踝关节和髋关节角度变小。因此，有理由假设跑步机训练和场地训练的竞走动作存在差异，长时间的跑步机训练可能会破坏运动员原有的动作节奏，增加犯规风险。

此外，竞走技术动作也可能会受到速度的影响（Hanley et al.，2011）。有研究表明，速度的提高会导致腾空时间、步幅和步频增加，支撑时间减少（Hanley et al.，2013a），而步幅增加与骨盆旋转角有紧密联系（Cazzola et al.，2016）。由于竞走运动员在比赛中会采取不同的速度策略（马杰，2020；杨锋 等，2017），明确在不同速度状态下跑步机训练和场地训练的动作区别，可以为跑步机训练提供更详细的参考（Hanley et al.，2018）。由此，本研究拟通过实验验证高水平竞走运动员跑步机与场地训练的动作技术差异。本研究提出研究假设H1：跑步机训练与场地训练的竞走动作技术存在显著性差异；H2：高速与常速状态下竞走动作技术存在显著性差异。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

本研究根据张美珍等（2011）的膝关节角度数据，应用G*Power 3.1软件进行样本量估算。场地为174.5°±2.4°，跑步机为170.2°±3.9°。设置统计效能为0.8，Ⅰ类误差为0.05，效应量为1.26，计算出所需最小样本量为6人。本研究共招募13名国家一级男子竞走运动员，主项均为20 km竞走，年龄为（22.2±2.9）岁，身高为（178.6±4.4） cm，体质量为（61.9±2.8） kg，身体质量指数（body mass index，BMI）为（19.4±0.9） kg/m2，训练年限为（7.6±2.7）年。受试者身体状态及运动能力良好，近半年内无运动损伤，无下肢及足踝病痛史，不存在影响正常训练的其他因素。

2.2 测试方案

受试者身着其惯用衣、鞋进行测试，在正式测试前，进行10 min热身活动，并熟悉实验环境（Hanley et al.，2018）。之后，受试者按照随机顺序在跑步机和场地两种环境下分别进行两种速度（常速/高速跑步机竞走，常速/高速场地竞走）的测试。跑步机测试是指在跑步机（T19，阿迪达斯，德国）上竞走，此型号跑步机为受试者训练常用跑步机；场地测试是指在实验室地面上竞走，实验室地面覆盖0.8 cm乙烯丙烯二烯单体，与常规田径场铺设材料一致。高速状态的速度为受试者个人最好成绩对应的速度，计算后平均速度为（14.6±0.9） km/h；常速状态的速度为受试者个人最好成绩对应速度的85%，计算之后平均速度为（12.5±1.4） km/h，此速度也是高水平竞走运动员的常用训练速度（Padulo et al.，2013）。

跑步机测试时，将跑步机速度逐渐增加至测试速度，受试者以测试速度竞走3 min后进行正式数据收集（Fellin et al.，2010），共采集12个连续的步态周期；场地测试时，受试者在距离拍摄范围前15 m开始竞走，选取拍摄范围内的4个步态周期进行数据分析，每人至少完成3次竞走（Hanley et al.，2013a），共采集12个步态周期。场地竞走速度通过计时系统测量（Smartspeed，Fusion Sport Compa‐ny，Australia），测量范围为8 m。在跑步机及场地测试时，采用搭载12个摄像头的红外三维动作分析系统（Vicon，Oxford Metrics Ltd.， England）捕捉步态和关节角度数据，相机拍摄频率为100 Hz。使用Vicon Plug-In Gait 13段全身模型进行建模。

2.3 测试指标

步态周期定义为从一侧腿的足跟着地到另一侧腿的足跟着地周期（Zeni et al.，2010），步时为一个步态周期的持续时间，步频为步时的倒数。跑步机竞走测试的步幅为步时×跑步机速度，场地竞走测试的步幅为一侧脚跟着地到另一侧脚跟着地的重心水平位移。重心垂直位移为步态周期中重心的最低点和最高点之间的垂直位移。膝关节角度为大腿与小腿在矢状面的夹角，髋关节角度为躯干与大腿在矢状面的夹角，踝关节角度为小腿远端与足在矢状面的夹角，肩关节角度为躯干与上臂在矢状面的夹角，肘关节角度为上臂与前臂在矢状面的夹角，骨盆旋转角为左、右髋关节坐标的额状面旋转值（Cazzola et al.，2016）。使用运动学数据确定跑步机训练与场地训练期间脚跟着地和脚尖离地的瞬间（Cazzola et al.，2016）。

2.4 数据处理

采用Vicon系统的配套软件Nexus 1.9.1和Visual 3D运动解析软件对运动员跑步机训练和场地训练动作的运动学数据进行处理。

2.5 数据统计

采用双因素重复性方差分析（two-way repetitive ANO‐VA）比较竞走运动员在跑步机训练与场地训练两种环境下，不同速度区间的运动学指标差异。如果存在环境与速度的交互效应，使用Bonferroni调整后的事后检验进行两两比较。使用效应量（η2p）确定交互效应和两个主效应的效果，使用效应量（Cohen’d）确定事后检验两两比较的效果。

3 结果

腾空时间、步幅、步频和步时存在显著的环境×速度交互效应；重心垂直位移存在环境主效应和速度主效应（表1）。

表1 时空指标Table 1 Spatio-Temporal Index n=13

与场地训练动作相比，常速跑步机训练动作的步频增高，步时减少；高速跑步机训练动作的腾空时间减少，步幅缩短，步频降低，步时增加；在两种速度状态下，跑步机训练动作的重心垂直位移减小；与常速训练动作相比，高速跑步机训练动作和场地训练动作的重心垂直位移增大。

脚跟着地时踝关节角度、肩关节角度、肘关节角度和脚尖离地时肩关节角度存在显著的环境主效应；脚跟着地时髋关节角度、肩关节角度、骨盆旋转角度和脚尖离地时肩关节角度、骨盆旋转角度存在显著的速度主效应（表2）。与场地训练动作相比，跑步机训练动作脚跟着地时踝关节角度减小，肩关节角度和肘关节角度增加，脚尖离地时肩关节角度增加；与常速训练动作相比，高速下训练动作在脚跟着地时髋关节角度和肩关节角度减小，骨盆旋转角度增加，脚尖离地时肩关节角度减小，骨盆旋转角度增加。

表2 运动学角度指标Table 2 Kinematic Joint Angle Index n=13

4 讨论

本研究实证了假设H1：跑步机训练与场地训练的竞走动作技术存在显著性差异；H2：高速与常速状态下竞走动作技术存在显著性差异。此外，本研究发现，相对于常速状态，高速状态下跑步机训练与场地训练的动作技术差异更大。

4.1 跑步机训练与场地训练的动作技术存在差异

本研究显示，竞走运动员在跑步机训练与场地训练时动作的腾空时间、重心垂直位移、步幅、步频和步时存在显著性差异（图1a，图1b），在脚跟着地和脚尖离地的两个关键时刻，髋、踝、肩、肘关节和骨盆旋转角度存在显著性差异（图1c，图1d）。

图1 跑步机和场地竞走动作的差异Figure 1. Difference of Movements between Treadmill and Field Race Walking

在避免犯规的前提下，合理的步幅和步频是提升步速和取得优异成绩的关键。当步幅稳定时，步频与竞走运动员的竞走速度呈正相关，但当步幅增大到一定程度时，步频会受到一定限制（Hanley et al.，2013b）。本研究显示，在常速状态下，与场地训练动作相比，竞走运动员跑步机训练动作的步频和步幅增加，步时减少；在高速状态下，竞走运动员跑步机训练动作的步频和步幅降低，步时增加。这说明竞走运动员进行跑步机训练时技术动作发生了改变，长期的高速跑步机训练可能会影响场地训练的技术特征。本研究借鉴了走路或跑步时在跑步机与场地训练的动作差异的相关文献提供解释指标差异的思路（高玉花，2013； Strathy et al.，1983； Van Hooren et al.，2020； Zeni et al.，2010）。在高速状态下，步频和步时指标方面，本研究结果与相关研究（Abbasi et al.，2020）不一致。Abbasi等（2020）研究认为，相对于地面跑步，跑步机上跑步的步频和步时都有所增加。本研究与相关研究之间的差异可能是由跑步和竞走之间的动作固有差异以及受试者的运动能力水平差异造成的，Abbasi等（2020）研究的受试者是大学生，而本研究的受试者是专业运动员，有丰富的跑步机训练经验。

与场地训练相比，竞走运动员在跑步机训练时髋关节角度增加，这表明其倾向于将摆动腿摆动到距离身体质心前面更远的位置，并依靠履带的转动带回摆动腿（Nelson et al.，1972）。与场地训练相比，竞走运动员在跑步机训练时踝关节角度减小，与现有比较跑步机和场地跑步动作的研究结果（Abbasi et al.，2020；Yao et al.，2019）一致。竞走规则限制了膝关节的发力，因而踝关节是推进力产生的重要来源（Hanley et al.，2013a； Tucker et al.，2017）。踝关节角度的减小可能与跑步机竞走动作需要的推进力更小有关。Nelson等（1972）的研究认为，跑步机履带的转动可以减少脚跟着地时地面制动力的负面影响，因此在脚跟着地时不需要过大的踝关节背屈来产生推进力以补偿地面制动力。这也可以解释跑步机竞走时步频的降低。电动跑步机增加了髋关节的屈曲程度，竞走运动员需要更多的时间将髋关节屈曲到更远的位置并从该位置恢复，因此步频下降。

竞走运动员的上肢摆动技术动作能够有效带动下肢运动，对维持人体平衡非常重要（高玉花，2013）。本研究显示，无论是在常速还是高速状态下，跑步机训练动作在脚跟着地和脚尖离地的两个关键时刻的肩关节和肘关节的角度均大于场地训练动作，表明在不同速度下，竞走运动员在跑步机上竞走时，会增大上肢摆动的幅度，与Han‐ley等（2013b）的研究结果一致。本研究认为，脚跟着地时肩关节与肘关节角度的增加与步频降低相关（Hanley et al.，2013b），在跑步机训练时，竞走运动员通过幅度更大的摆臂动作来降低步频，从而降低能量消耗。

4.2 跑步机训练不会增加竞走运动员的犯规风险

本研究的测试指标中，腾空时间、重心垂直位移和膝关节角度与犯规风险密切相关。竞走比赛规则规定，比赛时不能存在“人眼可见”的腾空（苑廷刚 等，2014；赵庆彬 等，2007； Zeni et al.，2010）。人眼成像的频率平均约为24 Hz（Pavei et al.，2014），即低于 42 ms的腾空时间难以被人眼识别。本研究显示，无论在何种条件下（常速/高速，跑步机训练/场地训练），竞走运动员的腾空时间都低于42 ms。高速状态下，跑步机训练动作的腾空时间下降，因此，相对于场地训练动作，跑步机训练动作的犯规风险更低。在实际执裁中，由于受到人眼成像频率的限制（Pavei et al.，2014），裁判员通常用重心垂直位移判断腾空犯规，更小的重心垂直位移代表更低的犯规风险（Hanley et al.，2011）。本研究显示，无论在常速还是在高速状态下，跑步机训练动作的重心垂直位移均小于场地训练动作，说明跑步机训练动作的犯规风险更低。竞走比赛规则规定，支撑腿从着地瞬间至垂直支撑期间，膝关节不能弯曲（文超，1995；赵庆彬 等，2007）。本研究显示，环境和速度两个因素均不会对膝关节弯曲程度造成影响。

4.3 不同速度下的竞走动作存在差异

本研究显示，在跑步机训练与场地训练的两种测试环境下，常速与高速状态下动作的腾空时间、重心垂直位移、步幅、步频和步时存在显著性差异；脚跟着地时髋关节、肩关节、肘关节和骨盆旋转角度和脚尖离地时肩关节和骨盆旋转角度存在显著性差异，说明不同速度下的竞走动作存在较大差异。

竞走动作的步幅和步频共同影响竞走速度（王林 等，2012）。竞走速度与步幅和步频呈正相关（Hanley et al.，2013b）。本研究显示，与常速状态相比，高速状态下步幅增加，步频升高。但由于步幅与步频呈负相关，步幅过大会导致步频降低，从而影响竞走速度，因此，在技术动作规范的前提下，增加步幅长度、加快步频，有利于提高竞走速度（敬龙军 等，2011）。步频由步时决定，步时由腾空时间和支撑时间组成，竞走速度与支撑时间呈负相关，与腾空时间呈正相关（Hanley et al.，2011）。

本研究显示，与常速状态相比，高速状态下竞走运动员脚跟着地与脚尖离地时肩关节角度显著减小，这可能是步频变化的原因之一。有研究发现，步频与肩关节角度呈负相关（Hanley et al.，2013b），肩关节运动幅度的减小能够降低上肢摆动的周期，从而允许更高的步频。相较于常速状态，高速状态下髋关节旋转角度增加，这可能是造成高速状态下步幅变大的原因。相较于步行，竞走动作的骨盆旋转角度更大，这有助于竞走运动员维持较小的步宽并增加步长（Hanley et al.，2013b）。有研究发现，骨盆旋转角度和步长比之间存在正相关关系（Cazzola et al.，2016），进一步印证了本研究的观点。本研究认为，竞走运动员通过增加骨盆旋转角度从而增加步长来维持高速运动。

5 结论

高水平竞走运动员跑步机训练与场地训练的动作技术存在差异，但跑步机训练不会增加竞走运动员的犯规风险；高速状态下，跑步机训练与场地训练的动作技术差异更大，跑步机训练更容易打破原有的技术节奏。