ACSM｜懂了衝刺的力學原理，快到飛起來

衝刺的力學原理

衝刺可分為幾個時相，首先是起跑的姿勢、加速階段，然後達到最大速度。起跑的姿勢相當重要，它可以幫助運動員在加速蹬地時達到很好的穩定性。加速度是衡量速度增加幅度的指標。當運動員達到最大速度時，幾個時相可以幫助教練員觀察運動員跑步的合理技術（圖15.2）。衝刺跑可以被分成兩個主要階段，分別是：（a）騰空期（flight phase）與（b）支撐期（support phase）。

騰空期是指雙腳沒有接觸地面的時間，它還可以被細分成騰空的早期、中期和後期。

早期是指腳剛離開地面直到中度屈膝與隨後的髖關節向前伸展這段時間，它主要是後腿的恢復期，此時膝關節髖部的肌群開始減緩大腿、小腿和腳向後旋的速度。

中期主要是後側腿的動作，此時屈膝程度增加，髖部前屈直到大腿和軀幹形成一條直線。

後期主要是指前側腿即將與地面接觸的準備期。髖部前屈與伸膝都是為了讓腳達到最佳的落地位置，連接著支撐期的起始階段。支撐期包含腳與地面接觸時腿部的所有動作，它可細分成前期和後期。支撐前期是指腳剛觸地時進行的減速和緩衝，此時髖關節伸展、膝關節微屈、踝關節背屈。這三個關節在支撐後期會同步伸展。以加大推進效果，進而讓身體的重心繼續往前移動。三關節的同步伸展動作（triple extension）涉及髖、膝兩關節的伸展和踝關節的跖屈（plantar flexion）。跑步支撐後期的最後一階段是腳步蹬地離開地面，後面緊接著就是下一動作騰空期的初始階段。這幾個階段在衝刺過程中不斷地循環往複進行。

起跑姿勢理想的起跑姿勢必須維持三點觸地支撐（一隻手輔助撐地）或四點觸地支撐（兩隻手接觸地面），雙腳處於前後交錯的位置（較強壯的或習慣用力的腿在前[右側優勢的運動員通常是左腳在前]）。體重平均分配在各個支撐點上，前側腿膝關節的最佳支撐角度是90°，後側腿膝關節角度是110°-135°，前側腿的髖關節角度是40°-50°，後側腿髖關節角度是80°-90°,軀幹和地面的最佳夾角度是42°-45°，身體重心與地面的最佳垂直高度在0.61到0.66m之間，而重心與起跑線的最佳水平距離則是在0.16到0.19m之間（35）.當運動員手臂肌力越強，他的重心也越能接近起跑線（35）。但這需要運動員能夠很好地保持身體平衡，否則他在蹬地時的力量會降低，這樣也會導致在開始加速階段身體會失去平衡。剛開始起跑時，兩條腿瞬間爆發蹬離地面，接著前腿完全伸展，後腿則向前擺動。膝關節和髖關節角度增加的同時，踝關節角度減小。當後側腿向後與向下蹬時會產生很大的起動力量，後側腿將首先離地，而此時前腿繼續蹬離地面，延長對地面施力的時間（40）。優秀的運動員衝刺時前側腿腳蹬離地面的時間不超過0.37秒，後側腿腳不超過0.18秒（前側腿的支撐時間約是後側腿的兩倍）（40）.優秀運動員在蹬地時所產生的力量比缺乏訓練的運動員會大很多（35）。起跑的同時，後側腿積極向上抬，對側的手臂也同時向前向上擺動，這可以增加向前的動量與減少慣性。向身後進行擺動的手臂有助於對側膝蓋向前擺動。當身體從起跑狀態開始加速時，軀幹向前傾有助於克服靜止的慣性。

加速加速過程包含了從起跑姿勢開始到快速增加速度的多種能力。當小腿和地面約成45°角時，後腿向前驅動。在開始的10m，每一步都將使小腿的角度減少6—7度，此時軀幹也在開始的8—10步之間逐漸過渡到直立。手臂在矢狀面內進行前後擺動（手肘保持90°角）時肩膀盡量放鬆，手腕順其自然，手指伸直。手臂和腿部的移動方向相反，右手臂和左腿會同時向前驅動，反之亦然。臉部、肩膀、手掌和面部的肌肉都保持放鬆。在加速階段，頭部應該在身體的重心前面；當達到最大速度後，頭部應該在身體重心的垂直線上。向前加速時，腿部在矢狀面內進行周期性的前後擺動，膝部抬高，此時蹬地腳前腳掌用力向下趴地。這裡很重要的一點是用前腳掌發力蹬離地面，而不是用腳趾發力（15）。除了腳著地時，腳踝在大部分的衝刺階段都保持在足背屈狀態（腳趾向上）。當速度增加時速度和步頻也會跟著增加（圖15.3）。加速的距離從30m到50m不等（35）。步幅與運動員的身高和腿長相關，最大速度與性別、身高有很大關係，比如男性的四肢一般比女性更長，所以跑的速度也更快（35）。加速後期速度的提高主要是靠增加步頻，步幅基本保持穩定（48）。

對於優秀運動員來說，支撐期的前期與後期分別不超過0.2秒和0.18秒；而騰空期的前-中、中-後期會分別耗費不超過0.7秒和0.9秒時間，步幅在前45m逐漸增加，步頻在前25m不斷增加，身體前傾的角度在前20m會從45度變為5度左右，而峰值加速度可以達到11.8m/s2（40）。當跑速增加時腳對地面的作用力會增加，但接觸時間會縮短（48）。此時，雖然腳觸地的力量增加，但由於著地時間縮短的原因，衝量（impulse）反而會比峰值稍微下降。加速過程中下肢肌肉的活性會大幅度增加，甚至肌肉在加速期的激活程度比最大速度時還要高5%（35）。加速過程中腳對地面的作用力與跑步速度間成正比。

最大速度當運動員達到峰值速度時，步頻和步幅也都達到最大值。在最大速度時的步幅，一般來說約是腿長的2.3-2.5倍（26）。當運動員達到最大速度時，步頻扮演了更為關鍵的角色（35）。衝刺時加速期的騰空時間通常是0.12-0.14秒，支撐期是0.08-0.10秒。在最大速度的支撐期，軀幹保持直立（前傾角小於5度），身體重量主要落在了腳的前腳掌，而且腳著地時在水平方向所造成的制動力與垂直方向的上下位移應降低（40）。速度增加時，身體重心的垂直位移會減小。對優秀運動員來說，在高速下他們頭部的晃動幅度會比技術較差的運動員小（35）。後側腳蹬離地面的角度在50-55度之間，而且腳對地面施力的時間變得更短（對優秀運動員來說小於0.04秒）（40）。學者（Weyand）等人（48）已經證實，在擺腿階段，相對於腿部運動的速率來講，對地面施加一個比較大的力，對於最大限度地提高衝刺速度，將起到更加重要的作用。以最大速度衝刺跑時，地面對腳的反作用力大約是運動員體重的2.5-5倍（48,49）。有力的擺臂動作可以提高腿部速度。屈肘90度，手臂盡量貼近身體以減小風阻。屈髖（接近90度）與屈膝（在騰空後期的大腿幾乎與地面平行，中期時腳跟最貼近臀部），這會減少騰空期的轉動慣量（moment of inertia），對於增加髖部的角速度是很重要的。運動員在最大加速期應盡量保持軀幹、頭部/頸部和上肢肌肉的放鬆，因此在到達最大速度時動作很容易受到影響。衝刺形成時會造成短暫的減速（大約會降低5%的速度）或是剎車效應，再經由後續的蹬地來輔助，重新增加到原來的速度（33.35）。腳著地時的減速效應被認為是限制最大速度的主要原因，除此之外還有蹬地時短暫的觸地時間及潛在的空氣阻力（6）。衝刺時腳觸地腿部肌肉的激活程度比蹬離地面時更高，是因為受到伸展—收縮循環（stretch-shortening cycle，SSC）的影響（35）。有意思的是，下半身肌群的預激活作用可使肌肉激活程度達到最大程度的50%-70%（剛好在趴地動作前的一小段時間）。此時肌肉硬度增加,準備吸收落地時地面的衝擊力（34）。

本文節選自ACSM"s Foundation of Strength Training And Conditioning 第十五章

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