跨栏步摆动腿动作的生物力学分析

跨栏步摆动腿动作的生物力学分析
周铁军　湖南师大体院（４１００１２）

摘　要　跨栏步是跨栏跑的关键技术，在跨栏步中，其摆动腿动作正确与否将直接影响跨栏步动作质量。本文依据跨栏步中摆动腿动作应遵循的生物力学原理，借鉴世界优秀跨栏运动员的摆动腿技术动作加以分析研究。在此基础上，对摆动腿技术动作进行了描述和概括，提出了摆动腿在整个跨栏步中合理性、经济性、实效性的动作规格。
关键词　跨栏步　摆动腿　生物力学

１　前　言
　　跨栏步技术既表现了跨栏跑的项目特点，又是决定跨栏跑技术和成绩优劣的关键环节。多年来，人们在实践中逐步认识跨栏步的运动规律，获取了一定的经验，也发现了运动员在完成跨栏步中摆动腿技术动作存在一些问题。如整个跨栏步中摆动腿运动路线；膝关节折叠及打开时机；下栏着地支撑等问题，即在跨栏步中摆动腿技术不能体现合理性、经济性、实效性。本文试图针对上述问题，依据生物力学原理，借鉴世界优秀跨栏选手有关资料及本人多年教学与训练研究，就跨栏步中摆动腿技术力学机制及正确技术予以阐述。
２　分析与讨论
　　良好的跨栏步技术应体现出起跨速度快，起跨时重心高，起跨角度适宜，人体重心空中运动轨迹“平直”且接近栏顶，空中滞留时间短，下栏快速、支撑平稳、水平速度损失小，能顺利转入栏间跑，摆动腿参与了跨栏步动作全过程。因此，其技术必须符合上述跨栏步技术规格的要求。
２．１　起跨腿着地阶段摆动腿技术
　　摆动腿蹬离地面后即应充分折叠并快速前摆，使摆动腿重心尽快靠近身体重心垂线，以减小因未折叠（或折叠不充分）将产生的较大重力矩，尽早结束起跨腿着地时的前蹬效应，而迅速转入缓冲阶段。同时摆动腿在这个阶段充分折叠前摆，相对于髋关节额状轴，大大缩短了摆动腿的转动半径，依据Ｉ＝∑△MR２（Ｉ：转动惯量，ｍ：摆动腿质量，ｒ摆动腿转动半径），转动半径ｒ小，折叠的摆动腿转动惯量大大减小，前摆角速度加快，产生较大的角动量，从而，增大了起跨腿起跨时对地面的蹬伸力量而获得较大的支撑反作用力，增大了起跨初速度。
　　在起跨腿缓冲阶段的前段，摆动腿应快速积极前摆，而不应强调向上摆。前摆的效果，一方面使身体重心迅速前移，同时又牵引起跨腿向前移动（相对于起跨点）。特别有意义的是，使处在缓冲阶段的起跨腿膝关节在缓冲中同步快速前移，使起跨腿小腿在缓冲阶段就获得与地面构成的较小夹角（小腿角）。这样做的结果，能为起跨腿起跨蹬伸时取得较小的起跨角，进而获得起跨后人体重心在空中的“平直”运动轨迹。另一方面，依据ＶOX＝Ｖo．COSa（Ｖ。COSa：起跑初速度，ＯＸ：起跨获得的水平速度，ａ：起跨角）在Ｖ。较大，ａ小时就能获得更大的起跨水平速度（世界优秀跨栏选手起跨腿最大缓冲时小腿角及摆动腿折叠膝角见后表）。
２．２　起跨腿蹬伸至起跨离地瞬间摆动腿技术
　　在此阶段，摆动腿仍应始终折叠膝关节继续加速向前上方摆动。其意义：１．保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度，增大髋关节打开的夹角，使身体重心大幅度前移，缩短身体腾空后飞行距离。同时又使起跨时保持身体高重心位置，减小了身体重心的起伏波动差。２．如果摆动腿直腿摆动攻栏，不仅摆动速度慢（摆动腿摆动力矩增大），而且还将形成一个使身体向上向后的转动力矩，亦即造成“跳栏”。摆动腿折屈摆动有利于上体前倾攻栏；有利于攻栏时保持较小起跨角；有利于取得腾空后身体重心较“平直”的运动轨迹。３．摆动腿折屈摆动，伸膝肌群被拉长，为起跨腾空后快速有力完成伸膝动作创造了有利条件，可快速及大角度打开膝关节。
　　起跨腿蹬伸起跨阶段，摆动腿折屈摆动的高度应有所控制，并非摆得越高越好。摆动腿大腿前上摆终止位置的高度，应以运动员重心高度，起跨时获得的垂直速度与过栏时运动员重心至栏顶的距离经济合理来确定。其计算方程为：Ｖ；＝２ｇ（Ｈ１—Ｈ２）（Ｖy：起跑垂直速度，Ｈ１运动员在栏上时身体重心高度）。身材高或起跨垂直速度大者，其摆动腿大腿摆动终止位置应低一些，反之，身材矮或起跨垂直速度小者，其摆动腿大腿终止位置应高一些。这是一个不容忽视的问题，因摆动腿的摆动高度与起跨角度和起跨水平速度相关系数很大，直接影响腾空飞行轨迹、空中飞行时间和过栏着地技术及效果。还值得重视的是，摆动腿在达到摆动终止位置时制动，其惯性将增加起跨初速度。（世界优秀跨栏选手起跨瞬间摆动膝夹角和身体重心前移距离见附表）
２．３　腾空阶段摆动腿技术
　　当起跨腿蹬离地面，人体进入腾空阶段瞬间，摆动腿大小腿应迅速打开（伸膝）同时完成伸踝动作。摆动腿小腿前摆打开的力量来自摆动腿折屈摆动时储备的动量，即摆动腿大腿摆至稍高于栏后制动传递至小腿而获得的。因此摆动腿大小腿的打开，不能理解为（或做成）主动前踢（或蹬）小腿动作。摆动腿折屈快速前上摆至一定高度后大腿积极制动一小腿因惯性伸膝伸踝摆出一随即大腿主动快速下压过栏，构成一个完整、协调的“鞭打”动作，并一气呵成，将十分有利于摆动腿快速过栏和着地稳固支撑后续动作。
　　摆动腿大小腿充分打开应在栏板前完成，并立即做主动下压过栏动作。在这个动作阶段，应特别强调的是，摆动腿必须在栏前（未过栏）就要开始做下压过栏动作，如果摆动腿小腿已过栏才下压，时机已晚了，将造成栏上滞留时间长，过栏后着地点远，着地角小，着地后明显制动及身体重心大幅度下降等一系列弊端。有人担心，栏前就下压摆动腿，是否会过不了栏或撞栏，这种担心是不必要的。因为适宜的起跨距离和起跨角，决定了人体腾空抛物线最高点在栏前（跨栏步栏前与栏后的距离比约为３：２），摆动腿在栏前开始做下压动作时其踝与小腿均高于栏；同时，由于起跨后，人体己获得较大的前移水平速度，摆动腿在栏前下压实际上是一个向前向下的运动轨迹，在摆动腿下压过程中，人体所获得前移水平速度已使摆动腿在下压的同时前移过栏了（世界优秀跨栏运动员腾空中下压摆动腿时足底至栏板距离见后表）
２．４　摆动腿过栏着地支撑技术
　　正确的摆动腿过栏着地技术应是：过栏着地速度快，着地角大（与地面），着地点靠近身体重心投影点，支撑稳固，重心较高。
　　下栏动作实际是从身体重心抛物线达到最高点后，人体就开始自然下落，在无其他外力作用下，运动员积极下压摆动腿虽然不能改变身体总重心运动速度和运动轨迹，但能调整身体各环节重心的相对位置，以使摆动腿尽早着地，获得较大的着地角，使着地点靠近身体重心投影点，从而减小足着地时所产生的阻力（国外优秀运动员足着地时的制动阻力为３０公斤我国运动员为６０公斤）减少着地前蹬时间，取得迅速转入栏间跑第一步的有利姿势。摆动腿加速着地支撑还有一个积极意义：人体在地面加速运动时，将获得动力支撑反作用力，这个力的大小由人体重力（Ｐ）和惯性力（Ｆ）决定，表达式为Ｆ＝Ｐ＋Ｆ＝ｍｇ＋ｍａ。Ｐ值是固定的，Ｆ是身体某环节的质量乘以其加速度（ａ），增大动力支撑反作用力，就是要增加某环节的ａ值。摆动腿加速着地，将有效地增大对地面的作用力而获得较大的动力支撑反作用力。因此要有强烈的摆动腿加速着地支撑意识和扒地式着地的技术动作，这将使摆动腿着地后有较好的稳定性，较大的蹬地力量和较快的蹬地速度。
　　另外，根据肌肉牵张反射原理，摆动腿着地速度越快，则肌肉收缩速度亦越快，摆动腿伸肌群，特别是屈踝肌群完成支撑动作速度加快。这样的技术动作不仅充分发挥了屈踝伸膝肌群的力量和动作速度，保持了摆动腿着地后髋、膝不屈曲和较高的重心位置，同时也减少了重心的波动差和着地支撑不稳，为顺利转入栏间跑创造了有利条件。如果摆动腿过栏着地做成被动支撑，将导致摆动腿着地点远离身体重心投影点，势必增大其着地后的制动支撑，延长摆动腿着地后的制动时间。加之着地瞬间摆动腿伸膝屈踝肌群松驰（或紧张程度不够）更将造成屈髋屈膝，身体重心下降或摇摆，致使产生着地后明显减速甚至停顿等问题。
　　再者，在栏上起跨腿和摆动腿的“交剪”动作及摆动腿着地支撑后起跨腿高抬膝向正前方提拉动作，均是摆动腿和起跨腿的相向运动，它们必须协调一致。摆动腿的积极快速下压过栏，将促使起跨腿积极快速侧提拉过栏；摆动腿着地后的高重心稳固支撑，则能促使起跨腿过栏后大幅度向前上方摆出，极有利于栏间步第一步的顺利跑出。
３　结　论
３．１　摆动腿蹬离地面后，即应充分折叠前摆，直至起跨腿蹬伸起跨都应保持膝关节折屈并依据运动员个体差异，在摆至合理位置时，制动摆动腿大腿。
３．２　腾空后，摆动腿由折屈到打开要快，膝角尽量大，摆动腿由折屈到打开至快速下压应是一个快速、连贯、准确、完整的“鞭打”动作，应强调摆动腿接近栏板时即开始做下压过栏动作。
３．３　摆动腿过栏着地应有强烈的加速完成的意识和扒地式着地技术，着地时保持伸髋，伸膝肌群的紧张度，直腿着地支撑。

姓名
性别 国家 最好成绩 ａ１ ａ２ ａ３ ａ４ ａ５ ｓ１ ｓ２

米尔本 男美国13"1 70º 28º 74º 180º 76º 18cm 55cm

希尔 男 美国 13"3 71º 27º 80º 180º 78º 20cm 51cm

德津特 男 法 13"2 70º 26º 76º 165º 77º 22cm 54cm

巴尔策 女 东德 12"6 68º 26º 83º 179º 78º 17cm 51cm

埃尔哈特 女 东德 12"3 68º 29º 75º 176º 78º 20cm 52cm

附表注：ａ１：起跨腿最大缓冲时小腿与地面夹角
　　　　ａ２：起跨腿最大缓冲时摆动腿折屈膝角
　　　　ａ３：起跨瞬间，摆动腿折屈膝角
　　　　ａ４：膝空后，摆动腿打开最大膝角
　　　　ａ５：摆动腿过栏着地支撑与地面夹角（落地角）
　　　　ｓ１：摆动腿开始下压过栏时，足底至栏板距离
　　　　ｓ２：起跨瞬间，身体重心投影点至起跨点的距离。

参考文献
　　１　詹姆斯·海（美）．运动技术生物力学．北京体院
　　２　运动生物力学译文集．清华大学出版社
　　３　袁庆成．人体运动分析．人民体育出版社
　　４　郑亦华．人体运动力学．人民体育出版社
　　５　袁晋纯．运动生物力学研究方法．广州体院
　　６　运动生物力学．人民体育出版社
　　７　体育科学．６（１）
　　８　田径教学参考书．西安体院
　　９　运动技术图片．人民体育出版社

原作者：周铁军
来 源：湖南师大体院
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