跨栏过程中摆动腿动作的生物力学分析

韩 旭

跨栏跑是田径项目中技术性很强,动作较复杂,全身协调配合,对速度、力量、柔韧、灵敏、耐力等要求较高的项目。

一、研究目的与意义

跨栏步是跨栏跑技术中的关键,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。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。

二、研究结果和分析

  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,人体重心在空中运动轨迹“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的全过程,因此,其技术必须符合上述跨栏步技术规格的要求。

（一）起跨腿着地阶段摆动腿技术

摆动腿蹬离地面后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所产生的较大重力矩,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 减小, 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,而非积极上摆前摆的效果。

表1 　世界优秀跨栏选手起跨腿超地栏阶段技术参数姓名    性别    国家     最好成绩    β1    β2杰克逊    男     英国      12″91     70o    28o

希　尔    男     美国      13″37      1o    27o

德津特    男     法国      13″27      0o    26o

顿科娃    女   保加利亚    12″21     69o    27o

埃尔哈特  女     德国      12″36      8o    29o　(注:β1 :最大缓冲时小腿角，β2 :摆动腿折叠膝角)

（二）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:首先,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。其次,如果摆动腿直腿摆动攻栏,不仅摆动速度慢,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”。

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。表2 给出了世界优秀跨栏选手取得最好成绩时起跨瞬间摆动膝夹角和身体重心前移距离。

表2 　世界优秀跨栏选手起跨瞬间技术参数姓名    性别    国家     最好成绩    β      s杰克逊    男     英国      12″91     74o   55CM

希　尔    男     美国      13″3      80o   51CM

德津特    男     法国      13″2      76o   54CM

顿科娃    女   保加利亚    12″21     82o   51CM

埃尔哈特  女     德国      12″3      75o   52CM（注:β:摆动膝夹角， s :身体重心前移距离）

（三）腾空过栏阶段摆动腿技术

   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,小腿因惯性伸膝伸踝摆出,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,摆动腿必须在栏前(未过栏) 就要开始做下压过栏动作,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,人体已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(运动的独立性原理) ,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,由此可见,如果在摆动腿过栏后开始做下压过栏动作,势必会造成栏上滞留时间长,过栏后着地点远,着地角小,着地后明显制动以及身体重心大幅度下降等一系列弊端。表3 给出了世界优秀跨栏选手取得最好成绩时摆动腿打开的最大角度和腾空中下压摆动腿时足底至栏板距离及落地角。

表3  世界优秀跨栏运动员腾空过栏阶段技术参数   姓名    性别    国家    最好成绩    β1   β2   s      杰克逊   男     英国    12″91    180o  76o 18cm

希　尔   男     美国    13″31     80o  78o 20cm

德津特   男     法国    13″21     65o  77o 22cm

顿科娃   女   保加利亚  12″21    179o  77o 17cm

埃尔哈特  女     德国    12″31     76o  78o 20cm　（注:β1 :摆动腿打开最大角  ，s :下压摆动腿时足底至栏板距离β2 :落地角）

（四）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。

首先,下栏动作实际是从身体重心抛物线达到最高点后,人体就开始自由下落,在无其它外力作用下,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(世界优秀跨栏运动员足着地时的制动阻力约为30kg) , 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P ,P 的大小由人体重力G 和惯性力F 决定,其表达式为P = G + F = mg + ma ,其中G值是固定的, F 是身体某环节的质量和其加速度a 的乘积,若想增大动力支撑反作用力,就是要增加某环节的a 值,所以摆动腿加速着地,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。因此摆动腿的加速着地支撑是使摆动腿着地后获得较好稳定性,较大蹬地力量和较快蹬地速度的保证。

    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。

三、结论

  综上所述,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。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。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。（作者单位：长江大学工程技术学院）