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中图分类号：G804 文献标识：A 文章编号：1009-9328（2013）01-000-02
摘 要 在短跑运动中，与短跑性能有关的两个力学参数分别为触地时间和支撑期缓冲蹬伸比。在之前的一些研究中，研究者们运用了多种不同的运动学方法来评估缓冲到蹬伸的转换点，而这些研究最终得出的结论并不一致。这一研究的目的是通过比较以下三种判定标准来区分这一转换点：膝关节最大伸展位，重心下降的最低点和垂直方向上重心的加速度。我们给出的假设是以上三个位置发生在不同的时间点上，分别代表周期性摆动的不同时刻。实验利用高速摄影测量法对7名男性2级短跑运动员的短跑动作进行运动学分析。
关键词 短跑支撑期 运动学 缓冲期
一、前言
本次研究的目的是对短跑过程中支撑期膝关节最大屈曲位和重心下降最低点这两个时刻进行比较。而这实际上是目前学术界判断缓冲-蹬伸转换点的两个最常用的运动学标准。由于重心在水平方向上加速度的变化趋势实际上代表的是运动员跑动方向的加速度，这种方法也是判断缓冲-蹬伸转换点的方法之一，因此我们也会用这一标准与上面两个标准进行比较。研究的假设是上述三个事件将会发生在短跑的不同时刻。这一分析将会对总支撑时间内缓冲期和支撑期的时间提供更加深入的研究并找出缓冲-蹬伸转换点的位置。
二、研究方法
实验受试者为上海体育学院体育训练专业7名短跑运动员（身高180±5cm，体重75±11kg）。所有受试者均为2级水平运动员（个人最好百米成绩：10.94±0.45s），运动年限大于等于4年。运动学的分析是通过使用上海体育学院运动生物力学教研室魏文仪教授编制的Sbcas 运动分析系统实现的。数据是通过1台产自美国的 MotionProX?高速摄像机来进行采集，采样频率为200Hz。实验时在受试者髋膝踝的关节中心处贴上反光球。参考系的设定方法为跑动方向为X（水平）轴，Y轴为横轴，Z轴为垂直轴。每位运动员在测试前先进行适当的热身练习，然后进行6次次最大速度（8.5m/s）的短跑，短跑采用站姿起跑，采集区前有25m的加速空间，每次短跑之间都进行充分的恢复。所有受试者均穿着钉鞋。为保证高质量的对数据进行采集，在保證脚着地位置位于采集区中心的同时其速度差异应保持在5%以内，以便于后期数据的分析。为排除双侧下肢（左腿支撑或右腿支撑）对结果的影响，我们对5名受试者的数据进行了初步分析：对同一次测试双侧下肢的运动学数据进行观察，并用秩和检验的方法比较其差异。结果显示左右两侧下肢的运动学数据不存在显著性差异。
在整个步态周期中的关键帧为下列时刻：1.脚着地，以脚接触地面的第一帧为准。2.脚离地，以脚离开地面的第一帧为准。3.膝关节角速度为零点，或称为膝关节最大屈曲位。4.重心轨迹垂直方向的最低点（重心垂直方向速度为零）。5.水平方向重心加速度方向变为正的时刻。重心的计算是根据身体各环节重心的平均重量来进行的，并用到温特的人体测量表。
接触时间是通过计算脚着地到脚离地的时间差获得的。以此类推，三个不同的缓冲期的时间分别为脚着地到膝关节最大屈曲位、脚着地到重心垂直方向轨迹最低点和脚着地到重心水平方向加速度变为正时。缓冲期的绝对时间会以占接触时间的百分比的形式进行表达。我们使用科隆巴赫系数信度分析来比较同一受试者两次试验是否存在差异。在考虑过所有可能的参数差异的情况下，信度分析的结果呈现出非常高的稳定性，分别为接触时间（a=0.92），膝关节最大屈曲位（a=0.80），重心垂直方向轨迹最低点（a=0.76），重心水平方向加速度变为正时（a=0.89）。因此可以用两次测试的平均值来进行分析。
统计学分析采用非参数方差分析来检验三种方法得出的时间百分比是否存在差异。显著性差异水平设为p<0.01。实验用到的统计分析软件为SPSS 14.0。
三、实验结果
三种方法得出的缓冲期时间的绝对值分别为重心垂直方向轨迹最低点的32.8±9.5ms、膝关节最大屈曲位的46.9±9.6ms和重心水平方向加速度变为正时的59.4±10.5ms。
表1显示的是接触时间和三种不同方法得出的三个观察点对应的时刻占整个支撑期的百分比。重心垂直方向轨迹最低点的平均值与其他两个时刻相比存在的差异最大（与膝关节最大屈曲位相比存在13.33%的差异，p<0.01；与重心水平方向加速度变为正时相比存在25.13%的差异，p<0.01）。与此同时重心水平方向加速度变为正时与膝关节最大屈曲位也存在11.79%的差异（p<0.01）。
注：受试者支撑期平均值和脚着地到各关键帧所用时间占整个支撑期的百分比
Ⅰ表示与膝关节最大屈曲角度存在显著性差异
Ⅱ表示与重心水平方向加速度零存在显著性差异
注：选自受试者陈元新的两次成功测试的一次。水平轴代表支撑期的百分比。
为了便于理解我们以一个受试者（陈元新）为例来进行说明，图1是该受试者一次测试所得到的数据，通过这张图我们可以清楚的看到重心在垂直方向的位移曲线与X轴的交点位于支撑期的29%，膝关节屈曲角度曲线的交点则在47.5%处，而重心水平方向加速度的曲线与X轴的交点则在50.5%处。
四、讨论
本次研究的目的是比较三种不同方法评定跑步步态中缓冲-蹬伸转换点的差异，分别以膝关节最大屈曲位、重心垂直方向轨迹最低点和重心水平方向加速度变为正时来进行判定。研究结果明显的支持研究假设即上述三个事件发生于三个不同的时刻。
在短跑中支撑期的效率是影响短跑技术正确性和高效性的主要因素。而决定短跑支撑起效率的关键性因素即为缓冲-蹬伸比，而之前的许多研究使用了多种不同的运动学方法来找到这个转换点。事实上，一些研究者通过重心轨迹的最低点来判定这一时刻，然而其他一些研究认为支撑期的中点或者膝关节最大屈曲位即为缓冲-蹬伸转换点。当我们把缓冲和蹬伸的持续时间用接触时间的百分比表示后，便得到一个百分比，根据之前的研究这一比例理想值为40%-60%，而本次研究中膝关节最大屈曲位的结果也正好位于这一区间为45.82%。相对的重心轨迹最低点（31.34%）与这一比值相比则存在显著差异，与重心水平方向加速度变为正时（57.61%）相比同样差异明显。因此，可以证明重心在水平方向的加速度变为正的时刻与膝关节的伸展有着显著的联系（即变为正以后，膝关节开始伸展）。 實验结果表明缓冲-蹬伸转换点的值会受到评定方法的影响，因此我们在对支撑期的运动学分析时需要一个统一的标准去评定缓冲和蹬伸，从应用的观点来看设立一个含义明确的缓冲和蹬伸评定方法是十分重要的，因为这与运动训练息息相关。例如，缓冲期的减少和随之而来的支撑效率的改善可能并不只是由于触地时足尖与压心的距离导致的，而也有可能是由于膝关节角度增加使肌肉长度发生变化引起的。因此对教练员和运动员来说，根据缓冲、蹬伸时间和百分比来设定一个合理的训练目标是十分重要的，因为缓冲-蹬伸比是反应步态结构性能的关键点。
本次研究的结果同样具有比较大的理论价值，例如在跑步生物力学的数学模型领域。事实上，之前使用的模型只是简单的将缓冲-蹬伸转换点设在了支撑期的中点，而这一做法并不能够得到实验数据的支持。
本次研究的一个局限性是实验对象单纯的由中等水平的运动员组成，因此目前的结果只能推广到中等运动员群体。因此将来对缓冲-蹬伸转换点的研究可以在更广泛的运动群体中进行分析研究，同时还可以在次最大速度到最大速度等不同的速度下进行分析。
总之，目前的研究显示判定短跑次最大速度下缓冲-蹬伸转换点的三种不同的运动学方法时用到的三个标准时刻出现在跑步步态周期的三个不同时刻。这一结果强调我们在进行缓冲-蹬伸转换点评定时需要一个标准的运动学标准。
参考文献：
[1] Luhtanen， P. and P.V. Komi， Force-， power-， and elasticity-velocity relationships in walking， running， and jumping[J]. European journal of applied physiology and occupational physiology. 1980.44（3）：279-289.
[2] Mero， A.， P. Komi， and R. Gregor， Biomechanics of sprint running. A review[J]. Sports medicine （Auckland， NZ）. 1992.13（6）：376.
[3] De Wit， B.， D. De Clercq， and P. Aerts， Biomechanical analysis of the stance phase during barefoot and shod running[J]. Journal of Biomechanics. 2000.33（3）：269-278.
[4] Stefanyshyn， D.J. and B. Nigg， Dynamic angular stiffness of the ankle joint during running and sprinting[J]. J Appl Biomech. 1998.14：292-299.
摘 要 在短跑运动中，与短跑性能有关的两个力学参数分别为触地时间和支撑期缓冲蹬伸比。在之前的一些研究中，研究者们运用了多种不同的运动学方法来评估缓冲到蹬伸的转换点，而这些研究最终得出的结论并不一致。这一研究的目的是通过比较以下三种判定标准来区分这一转换点：膝关节最大伸展位，重心下降的最低点和垂直方向上重心的加速度。我们给出的假设是以上三个位置发生在不同的时间点上，分别代表周期性摆动的不同时刻。实验利用高速摄影测量法对7名男性2级短跑运动员的短跑动作进行运动学分析。
关键词 短跑支撑期 运动学 缓冲期
一、前言
本次研究的目的是对短跑过程中支撑期膝关节最大屈曲位和重心下降最低点这两个时刻进行比较。而这实际上是目前学术界判断缓冲-蹬伸转换点的两个最常用的运动学标准。由于重心在水平方向上加速度的变化趋势实际上代表的是运动员跑动方向的加速度，这种方法也是判断缓冲-蹬伸转换点的方法之一，因此我们也会用这一标准与上面两个标准进行比较。研究的假设是上述三个事件将会发生在短跑的不同时刻。这一分析将会对总支撑时间内缓冲期和支撑期的时间提供更加深入的研究并找出缓冲-蹬伸转换点的位置。
二、研究方法
实验受试者为上海体育学院体育训练专业7名短跑运动员（身高180±5cm，体重75±11kg）。所有受试者均为2级水平运动员（个人最好百米成绩：10.94±0.45s），运动年限大于等于4年。运动学的分析是通过使用上海体育学院运动生物力学教研室魏文仪教授编制的Sbcas 运动分析系统实现的。数据是通过1台产自美国的 MotionProX?高速摄像机来进行采集，采样频率为200Hz。实验时在受试者髋膝踝的关节中心处贴上反光球。参考系的设定方法为跑动方向为X（水平）轴，Y轴为横轴，Z轴为垂直轴。每位运动员在测试前先进行适当的热身练习，然后进行6次次最大速度（8.5m/s）的短跑，短跑采用站姿起跑，采集区前有25m的加速空间，每次短跑之间都进行充分的恢复。所有受试者均穿着钉鞋。为保证高质量的对数据进行采集，在保證脚着地位置位于采集区中心的同时其速度差异应保持在5%以内，以便于后期数据的分析。为排除双侧下肢（左腿支撑或右腿支撑）对结果的影响，我们对5名受试者的数据进行了初步分析：对同一次测试双侧下肢的运动学数据进行观察，并用秩和检验的方法比较其差异。结果显示左右两侧下肢的运动学数据不存在显著性差异。
在整个步态周期中的关键帧为下列时刻：1.脚着地，以脚接触地面的第一帧为准。2.脚离地，以脚离开地面的第一帧为准。3.膝关节角速度为零点，或称为膝关节最大屈曲位。4.重心轨迹垂直方向的最低点（重心垂直方向速度为零）。5.水平方向重心加速度方向变为正的时刻。重心的计算是根据身体各环节重心的平均重量来进行的，并用到温特的人体测量表。
接触时间是通过计算脚着地到脚离地的时间差获得的。以此类推，三个不同的缓冲期的时间分别为脚着地到膝关节最大屈曲位、脚着地到重心垂直方向轨迹最低点和脚着地到重心水平方向加速度变为正时。缓冲期的绝对时间会以占接触时间的百分比的形式进行表达。我们使用科隆巴赫系数信度分析来比较同一受试者两次试验是否存在差异。在考虑过所有可能的参数差异的情况下，信度分析的结果呈现出非常高的稳定性，分别为接触时间（a=0.92），膝关节最大屈曲位（a=0.80），重心垂直方向轨迹最低点（a=0.76），重心水平方向加速度变为正时（a=0.89）。因此可以用两次测试的平均值来进行分析。
统计学分析采用非参数方差分析来检验三种方法得出的时间百分比是否存在差异。显著性差异水平设为p<0.01。实验用到的统计分析软件为SPSS 14.0。
三、实验结果
三种方法得出的缓冲期时间的绝对值分别为重心垂直方向轨迹最低点的32.8±9.5ms、膝关节最大屈曲位的46.9±9.6ms和重心水平方向加速度变为正时的59.4±10.5ms。
表1显示的是接触时间和三种不同方法得出的三个观察点对应的时刻占整个支撑期的百分比。重心垂直方向轨迹最低点的平均值与其他两个时刻相比存在的差异最大（与膝关节最大屈曲位相比存在13.33%的差异，p<0.01；与重心水平方向加速度变为正时相比存在25.13%的差异，p<0.01）。与此同时重心水平方向加速度变为正时与膝关节最大屈曲位也存在11.79%的差异（p<0.01）。
注：受试者支撑期平均值和脚着地到各关键帧所用时间占整个支撑期的百分比
Ⅰ表示与膝关节最大屈曲角度存在显著性差异
Ⅱ表示与重心水平方向加速度零存在显著性差异
注：选自受试者陈元新的两次成功测试的一次。水平轴代表支撑期的百分比。
为了便于理解我们以一个受试者（陈元新）为例来进行说明，图1是该受试者一次测试所得到的数据，通过这张图我们可以清楚的看到重心在垂直方向的位移曲线与X轴的交点位于支撑期的29%，膝关节屈曲角度曲线的交点则在47.5%处，而重心水平方向加速度的曲线与X轴的交点则在50.5%处。
四、讨论
本次研究的目的是比较三种不同方法评定跑步步态中缓冲-蹬伸转换点的差异，分别以膝关节最大屈曲位、重心垂直方向轨迹最低点和重心水平方向加速度变为正时来进行判定。研究结果明显的支持研究假设即上述三个事件发生于三个不同的时刻。
在短跑中支撑期的效率是影响短跑技术正确性和高效性的主要因素。而决定短跑支撑起效率的关键性因素即为缓冲-蹬伸比，而之前的许多研究使用了多种不同的运动学方法来找到这个转换点。事实上，一些研究者通过重心轨迹的最低点来判定这一时刻，然而其他一些研究认为支撑期的中点或者膝关节最大屈曲位即为缓冲-蹬伸转换点。当我们把缓冲和蹬伸的持续时间用接触时间的百分比表示后，便得到一个百分比，根据之前的研究这一比例理想值为40%-60%，而本次研究中膝关节最大屈曲位的结果也正好位于这一区间为45.82%。相对的重心轨迹最低点（31.34%）与这一比值相比则存在显著差异，与重心水平方向加速度变为正时（57.61%）相比同样差异明显。因此，可以证明重心在水平方向的加速度变为正的时刻与膝关节的伸展有着显著的联系（即变为正以后，膝关节开始伸展）。 實验结果表明缓冲-蹬伸转换点的值会受到评定方法的影响，因此我们在对支撑期的运动学分析时需要一个统一的标准去评定缓冲和蹬伸，从应用的观点来看设立一个含义明确的缓冲和蹬伸评定方法是十分重要的，因为这与运动训练息息相关。例如，缓冲期的减少和随之而来的支撑效率的改善可能并不只是由于触地时足尖与压心的距离导致的，而也有可能是由于膝关节角度增加使肌肉长度发生变化引起的。因此对教练员和运动员来说，根据缓冲、蹬伸时间和百分比来设定一个合理的训练目标是十分重要的，因为缓冲-蹬伸比是反应步态结构性能的关键点。
本次研究的结果同样具有比较大的理论价值，例如在跑步生物力学的数学模型领域。事实上，之前使用的模型只是简单的将缓冲-蹬伸转换点设在了支撑期的中点，而这一做法并不能够得到实验数据的支持。
本次研究的一个局限性是实验对象单纯的由中等水平的运动员组成，因此目前的结果只能推广到中等运动员群体。因此将来对缓冲-蹬伸转换点的研究可以在更广泛的运动群体中进行分析研究，同时还可以在次最大速度到最大速度等不同的速度下进行分析。
总之，目前的研究显示判定短跑次最大速度下缓冲-蹬伸转换点的三种不同的运动学方法时用到的三个标准时刻出现在跑步步态周期的三个不同时刻。这一结果强调我们在进行缓冲-蹬伸转换点评定时需要一个标准的运动学标准。
参考文献：
[1] Luhtanen， P. and P.V. Komi， Force-， power-， and elasticity-velocity relationships in walking， running， and jumping[J]. European journal of applied physiology and occupational physiology. 1980.44（3）：279-289.
[2] Mero， A.， P. Komi， and R. Gregor， Biomechanics of sprint running. A review[J]. Sports medicine （Auckland， NZ）. 1992.13（6）：376.
[3] De Wit， B.， D. De Clercq， and P. Aerts， Biomechanical analysis of the stance phase during barefoot and shod running[J]. Journal of Biomechanics. 2000.33（3）：269-278.
[4] Stefanyshyn， D.J. and B. Nigg， Dynamic angular stiffness of the ankle joint during running and sprinting[J]. J Appl Biomech. 1998.14：292-299.