任占兵，袁运平

(广州体育学院，广东 广州 510500)

不同健身跑速度对人体支撑阶段地面反作用力的影响研究*

任占兵，袁运平

(广州体育学院，广东 广州 510500)

健身跑是增强体质、预防疾病的主要身体锻炼之一，研究不同健身跑速度对人体支撑阶段地面反作用力的影响将会对丰富跑步运动技术理论与实践具有广泛而深远的意义。重点通过实验进一步验证不同健身跑速度下支撑阶段地面反作用力的分布特征。选择7名中跑运动员(年龄:21.43±0.53岁;身高:172.8±3.79 cm;体重:63.66±3.82 kg，训练年限:4.57±0.98年)，应用一台Kistler三维测力台测试运动员在健身跑的慢速(3.34 m·s－1)、中速(3.87 m·s－1)和快速(4.45 m·s－1)等3个不同的速度下跑步过程中足底三维地面支撑反作用力。研究结论认为，随着跑步速度的增加，打击力峰值、垂直方向第二峰值、制动力峰值、加速力峰值以及三维方向力的波动范围也相应增大。

跑步;动力学;地面反作用力

健身跑是一种极为简单并且人人都能进行的运动项目，长期以来，健身跑以其能有效地锻炼人体的心脏，改善人体的心血管系统，增强人体的活动能力，并能有效地预防疾病等原因，比较受人们的喜欢。但是，通过检索国内外相关文献发现，迄今为止，关于不同健身跑速度对人体支撑阶段地面反作用力影响的相关研究文献还比较匮乏。根据一般力学原理，人体在跑步过程中的地面反作用力是跑步者的足蹬地时由地面反作用到跑步者的力。根据牛顿第三定律，它与“作用”力或“蹬力”是大小相等方向相反的。像重力和绝大多数接触力一样，地面反作用实际上是一种分布力，它是作用在整个接触表面上的，地面反作用力是一个矢量，具有大小、方向和作用点。根据研究的目的，常常把地面反作用力合力分解成三个直角分量，垂直分量、前后分量和内外分量。［1］本研究基于前人对地面反作用力的划分方法，通过实验来探索不同健身跑速度下支撑阶段地面反作用力的分布特征，该研究对进一步揭示不同健身跑速度下的动力学技术特征，以及为进一步探索由健身跑引发运动损伤的生物力学因素等都具有一定的参考价值。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

北京体育大学竞技体育学院7名中跑运动员，基本情况如表1所示。

表1 受试者的基本情况(n=7)

1.2 实验测试

使用一台Kistler三维测力台测试跑步过程中支撑阶段的地面反作用力，采样频率1000 Hz，测力台与起跑点之间的距离为10 m。使用Photocells测速仪(芬兰产)来反馈运动员的跑步速度，减少速度误差，保证每名受试者的速度控制在健身跑的速度范围之内。由于健身跑是有氧耐力运动，［2］本研究将健身跑的有氧范围界定为三个强度:65%VO2max(慢速)，75%VO2max(中速)和 85%VO2max(快速)，［3］VO2max测试程序同任占兵(2010)［4］，根据摄氧量与速度之间的关系求出3个强度下对应的速度，［5］分别为:慢速12 km·h－1(3.34m·s－1)，中速 14 km·h－1(3.87m·s－1)和快速 16km·h－1(4.45m·s－1)，在正式测试前，让每名受试者在3个不同的速度上分别试跑3～5次，熟练后开始正式测试。在本研究中两台红外发光装置距离设定为4 m。受试者分别在3种不同的速度下试跑3次，取最接近目标速度的试跑数据作为研究内容。测试过程中要求受试者“无视”三维测力台的存在，全脚掌完全踏在三维测力台上，所有涉及到力值的指标均除以各受试者的体重，旨在消除体重差异对各指标的影响，时间以步态周期的百分比表达，对时间历程和力值进行归一化处理。［4－7］

1.3 数据处理

地面三维反作用力数据通过Bioware软件解析获得;采用巴特沃斯低通滤波器截断频率为50Hz。［8］对测试数据进行插值及归一化处理。对所有生物学、运动学和动力学变量指标通过Origin8.0和Spss16.0软件进行常规统计学处理，求出各指标的平均数(Mean)和标准差(SD)。

2 研究结果与分析

2.1 不同健身跑速度下垂直方向支撑反作用力的表现特征

垂直方向支撑反作用力反映了力在垂直方向的受力情况，不同健身跑速度下垂直方向支撑反作用力的表现特征如图1和表2所示。由图1可见，垂直方向跑的地面反作用力呈现出两个波峰和一个波谷的双峰曲线，垂直方向第一个峰值为打击力峰值，在随后的蹬地阶段出现第二峰值——加速力峰值。且在每个速度下的第二峰值要高于第一峰值，另外，随着速度的增加垂直方向支撑反作用力的第一峰值和第二峰值分别增大。第一峰值出现在支撑周期的12%～15%，第二峰值出现在支撑周期的40% ～45%。由此，关于跑步爱好者提出的跑步后为何脚跟疼痛?［9］这个问题我们认为，这可能与打击力峰值具有一定的关系。由于健身跑速度相对来说比较慢，因此主要是脚后跟或者脚的中后部先着地，［10］这样脚后跟不可避免地要承受较大的负荷，长期下去必然会对足跟病变造成一定的影响，另外，长期坚持健身跑的爱好者，其跑步速度也会逐渐增加，这样的话，打击力峰值也会相应增大。因此，在进行健身跑时速度和足着地部位要控制得当，以减少地面对人体足跟的冲击力，防止脂肪垫损伤、筋膜发炎、跟骨骨骺发炎、跟骨滑囊发炎等。由表2可见，慢速健身跑的打击力峰值为1.75±0.12BW，中速健身跑的打击力峰值为2.70±0.17BW，快速健身跑的打击力峰值为2.19±0.74BW，通过多重比较发现，3种不同健身跑速度对打击力峰值的影响差异不具有显著性，但随着速度的增加，打击力峰值有增加的趋势。慢速健身跑的第二峰值为2.64±0.18BW，中速健身跑的第二峰值为1.90±0.38BW，快速健身跑的第二峰值为2.96±0.26BW，通过多重比较发现，3种不同健身跑速度对第二峰值的影响差异较大(表2)，即快速健身跑速度下的地面垂直反作用力第二峰值分别与慢速健身跑和中速健身跑速度下的地面垂直反作用力第二峰值差异呈现出显著性(p=0.01，p=0.03)，随着健身跑速度的增加，地面垂直反作用力第二峰值也有增大的趋势，该研究结论与Keller TS(1996)［11］的观点基本吻合。另外，快速健身跑速度下的地面垂直反作用力的波动范围分别与慢速健身跑和中速健身跑速度下的地面垂直反作用力的波动范围差异呈现出显著性(p=0.01，p=0.03)，地面垂直反作用力的波动范围随着健身跑速度的增加也呈现出增大的趋势。

图1 不同健身跑速度下垂直方向支撑反作用力表现

表2 不同健身跑速度下垂直方向力不同阶段的表现特征

2.2 不同健身跑速度下前后方向支撑反作用力的表现特征

前后方向支撑反作用力的变化反应了人体在跑进的过程中所受的制动与加速的情况，在本研究中将不同健身跑速度下前后方向支撑反作用力的峰值划分为制动阶段力的峰值(制动力峰值)和加速阶段力的峰值(加速力峰值)。由图2可知，运动员支撑阶段的大约45%的时间处于制动阶段，在此阶段，足底受到的前后方向的力与运动方向相反;而55%的时间处于加速状态，这个阶段足底受到的前后方向的力与人体运动方向相同。随着速度的增加，制动力峰值和加速力峰值均有增大趋势。由表3可知，慢速健身跑制动力峰值为－0.38±0.06BW，中速健身跑制动力峰值为－0.40±0.11BW，快速健身跑制动力峰值为－0.51±0.16BW，其中，负号表示制动力的方向与运动方向(加速力方向)相反。通过多重比较发现，不同健身跑速度下的制动力峰值差异不具有显著性，该结果可能是由于本研究选择的限制速度所造成，但由表3及图2可见，随着健身跑速度的增加，制动力峰值呈现出增大的趋势。另外，由表3可知，慢速健身跑加速力峰值为0.44±0.05BW，中速健身跑加速力峰值为0.54±0.07BW，快速健身跑加速力峰值为0.57±0.07BW，随着健身跑速度的增加，加速力峰值也呈现出增大的趋势，通过多重比较发现，慢速健身跑的加速力峰值分别与中速健身跑和快速健身跑速度下的加速力峰值差异呈现出显著性(p=0.02，p=0.002)，中速健身跑速度下的加速力峰值范围与快速健身跑速度下的加速力峰值范围差异呈现出高度显著性(p=0.00)。

表3不同健身跑速度下前后方向力的表现

图2 不同健身跑速度下前后方向支撑反作用力表现

图3 不同健身跑速度下内外方向支撑反作用力表现

2.3 不同健身跑速度下内外方向支撑反作用力的表现特征

内外方向支撑反作用力的变化反应了人体在跑进过程中足与地面接触过程中内外方向的受力变化。不同健身跑速度下内外方向支撑反作用力的表现特征如图3和表4所示。由表4可知，慢速健身跑速度下内外方向力的最大峰值与快速健身跑速度下内外方向力的最大峰值差异呈现出显著性(p=0.02)，慢速健身跑速度下内外方向力的峰值波动范围与快速健身跑速度下内外方向力的峰值差异呈现出显著性(p=0.047)。说明，随着跑步速度的增加，内外方向支撑反作用力的峰值也增大，且峰值的波动范围也相应增大。

表4 不同健身跑速度下内外方向力的表现

地面反作用力反映了支撑阶段的人体跑步动作的功能和力学需要，身体在垂直上下、前后和左右方向的额外动量变化，主要是由于人体在跑步过程的支撑阶段，一方面承受了较大的外部冲击负荷，另一方面人体自身的神经肌肉也做了功，以保证在跑步支撑阶段承受外部冲击负荷的前提下准确地完成向前跑进的动作，以防止人体在跑步制动阶段出现不必要的动作变形。从本研究中可以发现，随着健身跑速度的增大，人体在支撑阶段地面反作用力也表现出增大的趋势，该研究结论与Kyrolainen(2001)［12］的研究趋于一致。

3 结论

3.1 垂直方向支撑反作用力的打击力峰值在本研究的三个跑步速度上差异不大，但呈现出随着跑步速度的增加，打击力峰值也增大的趋势;垂直方向支撑反作用力的加速力峰值在不同速度下的差异具有显著性，随着跑步速度的增加，加速力峰值也相应增大;垂直方向支撑反作用力的波动范围随着跑步速度的增加表现出增大的趋势。

3.2 人体在跑进的过程中所受的制动力与加速力也随着跑步速度的变化而变化，随着跑步速度的增大，

制动力与加速力峰值相应增大。

3.3 随着跑步速度的增加，内外方向支撑反作用力的峰值增大，且峰值的波动范围相应增大。

［1］Cavanagh P.Biomechanics of Distance Running［M］.Champaign:Human Kinetics Publishers，1990

［2］张英波.有氧健身走与跑入门［M］.南京:江苏科学技术出版社，2001

［3］Daniels J，Krahenbuhl G，Foster C，et al.Aerobic responses of female distance runners to submaximal and maximal exercise［J］.Ann NY Acad Sci.1977，301:726 －733

［4］任占兵.影响跑步经济性的人体下肢肌肉做功研究［J］.体育科学，2010(1)

［5］任占兵.影响耐力跑步经济性的动作研究［D］.北京:北京体育大学，2009

［6］任占兵，郭元奇，王卫星.影响跑步经济性的运动学因素研究［J］.北京体育大学学报，2010(4):113－117

［7］王志强.短跑途中跑支撑摆动技术生物力学机制研究［J］. 体育科学，2005，25(7):90

［8］Heise G D，Martin P E.Are variations in running economy in humans associated with ground reaction force characteristics?［J］.Eur J Appl Physiol.2001，84(5):438 －442.

［9］李振良.跑步后为何脚跟疼痛?［J］.山西老年，2006(11):50

［10］Williams K R，Cavanagh P R.Relationship between distance running mechanics，running economy，and performance.［J］.J Appl Physiol.1987，63(3):1236－1245

［11］Keller T S，Weisberger A M，Ray J L，et al.Relationship between vertical ground reaction force and speed during walking，slow jogging，and running.［J］.Clin Biomech(Bristol，Avon).1996，11(5):253－259

［12］Kyrolainen H，Belli A，Komi P V.Biomechanical factors affecting running economy.［J］.Med Sci Sports Exerc.2001，33(8):1330－1337

The Influence of the Different Jogging Speed on the Ground Reaction Force

REN Zhan－bing1，YUAN Yun－ping1

(Guangzhou Sport College，Guangzhou? 510500，China)

Jogging is one of the main means to enhance the physical fitness and prevent disease.There is comprehensive and significant meaning to study the influence of the different jogging speed on the ground reaction force.The purpose of this study was to test the difference of the kinetic charicteristics between fast running and slow running.Choosing 7 middle－distance runners(age:21.43±0.53 years old;height:172.8±3.79cm;weight:63.66±3.82kg，and training period:4.57±0.98 years)，through using the photoelectrical testing and analytical system of Kistler，we have test the kinetic charicteristics at the speed of 3.34 m·s－1、3.87 m·s－1 and 4.45 m·s－1 respectively.The results showed that the peak impact force，the second peak vertical force，peak braking force，peak propulsion force and the variation range of the ground reaction forces increases with the increase of the running speed.

Jogging，kinetic，ground reaction force

G804.66

A

1007－323X(2010)05－0073－04

2010－01－14

任占兵(1979－)，男，讲师，博士

研究方向:体育教育训练学

国家科技支撑计划课题(2006BAK37B03);广州体育学院教学研究课题(2010YB15)