影响跑步经济性的动力学因素

摘　要：为了探索影响中跑运动员个体间跑步经济性(running economy，RE)差异的动力学因素，根据VO2，相对值及800 m运动成绩，最终确定7人为研究对象(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；RE(35.65±2.58)mL・kg・min-1)。研究结果发现，RE分别与力的峰值、力的波动范围及冲量相关性都不显著。研究结果表明，垂直方向、前后方向和内外方向的地面反作用力以及跑步支撑阶段冲量，并不是造成中跑运动员RE差异的原因，但是，RE较差的中跑运动员表现出在垂直方向冲量较大的趋势，RE的差异可能是人体下肢肌肉做功的差异造成的。

关键词：运动生理学；跑步经济性；动力学；摄氧量

中图分类号：G804.63　文献标识码：A　文章编号：1006-7116(2010)10-0095-04

跑步经济性(running economy，RE)是决定耐力跑步运动成绩的关键生理学指标之一，RE可以评价耐力项目运动员的能量节省水平。有研究甚至认为，用RE来评价运动员的耐力要比最大摄氧量(VO)好。RE是指在次极限强度的固定速度下跑步，摄氧量达到稳定状态时每分钟每单位体重的摄氧量。

影响RE的运动生物力学因素是一个庞大的系统，人们围绕RE进行了大量的研究，其中涉及到运动学和动力学。影响RE的动力学因素研究由来已久，Williams和Cavanaghmj研究认为，优秀长跑运动员较好的RE与小腿到触地点较大的范围、较小的垂直力和较长的支撑时间有关。Williams研究指出，较低的能量消耗与发生在触地即刻的缓冲有一定联系。靠近脚跟的击打着地模式可以使鞋与骨骼结构承受更多的负荷，减少必要的肌肉力量，而靠近脚尖的击打着地模式可能需要动用更多的肌肉活动参与缓冲。Kram和Taylor研究了各种不同物种在跑步、跳跃和奔跑过程中需氧量的差异，研究发现，需氧量与支撑时间与动物体型的大小没有关系，作者认为跑步氧耗主要归因于动物支撑体重的能量消耗和产生力的时间过程。Kyrolainenfm与Heise GD等也探索了长跑运动员动力学因素与RE之间的关系，但是，地面反作用力及冲量等动力学因素与RE之间的关系并没有定论，前人的研究对象也主要集中在长跑运动员，而本研究选择中跑运动员为研究对象，进一步验证中跑运动员在跑步过程中的地面反作用力及冲量与RE之间的关系。

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受过良好训练，且水平在1级左右的男子中跑运动员15人。为了排除运动成绩差异过大对RE的影响，本研究根据800 m测试的运动成绩，筛选了12名运动成绩在同一水平的受试者(成绩为(115.43±2.64)s)，排除了由于伤病等原因没有跑进2 min的3名运动员；为了进一步排除VO差异过大对RE的影响，本研究测试12人的V02根据VO2相对值，筛选出VO2基本在同一水平的7人(剔除了VO2在65mL・kg-1・rain以上的5名运动员，选择VO2在(57.49±3.07)mL・kg-1・min-1左右的7名运动员的RE(RE是运动员在12km/h速度下的耗氧量)作为因变量。

受试者的基本情况：年龄(21.43±0.53)岁、身高(172.8±3.79)cm、体重(63.66±3.82)kg、800 m跑成绩(115.43±2.64)s、训练年限(4.57±0.98)年；RE(35.65±2.58)mL・kg-1・min-1；受试者代谢指标平均峰值：VOz=(3.66±0.27)L/min、VO2=(57.49±3.07)mL・kg-1・min-1、VCO2=(4958.86±255.40)mL・min-~、VE=(152，98±1 1，78)L・min-1、HR=(198.43±12.18)b・min-1。

1.2　实验测试

1)最大摄氧量(VO)测试。测试仪器包括：MAXII-运动肺功能测试系统、POLAR心率遥测系统、秒表等。测试步骤同任占兵的方法。

2)RE测试。在VO2测试后隔日，受试者在跑台上以较低的负荷热身3min；然后开始测试RE值。测试过程同Daniels和任占兵方法。实验发现，65％VO2强度下的耗氧量与运动成绩呈正相关性且相关性较大(z=0.89，P=0.007)，因此，选择65％VO2强度下的耗氧量(RE)作为本研究的因变量。跑台跑步持续时间为5min，RE用最后1min的耗氧量平均值表示(单位：mL・kg2・min-1)。

3)动力学测试。RE测试隔日，用一台Kistler三维测力台测试跑步过程中足底三维地面支撑反作用力，测力台距离起跑点为10m。为了及时反馈跑步速度，减少速度误差，因此使用芬兰产的Photocells测速仪，保证每名运动员在预先设定的速度上(65％VO2m；强度对应的速度为12km・h-1)准确试跑3次，取最接近目标速度的试跑数据作为动力学研究内容，本研究设定两台红外发光装置距离为4m。

4)数据处理。地面三维反作用力的数据采集频率1 000 Hz，通过Bioware软件解析获得垂直方向、前后方向和内外方向3个支撑反作用力，本研究对原始地面支撑反作用力用体重倍率(Body Weight，BW)做标准化处理，以消除体重差异造成的影响(体重倍率=原始地面反作用力(N)÷9，8(N／k曲÷体重(kg)；采用SPSS 16.0软件包对所得数据进行基本描述统计和相关分析等，统计结果以平均数±标准差表示，显著性水平a=-0.05。

2　结果与分析

本研究的动力学指标选择的是65％VO强度对应的速度12km・h-1下的数据，图1是在12km・h-1速度下跑步过程中地面三维反作用力的变化曲线，横坐标是经规一化处理后的数值，垂直线是运动员由制动阶段向加速阶段转换的瞬间，即“加速瞬间”。垂直方向支撑反作用力反映了力在垂直方向的受力情况。表1是RE与三维反作用力的动力学指标相关性。

结合图l和表1可以发现，垂直方向地面反作用力峰值，远远大于前后方向和内外方向力的峰值，因此，可以认为，该方向的力与冲量可能会对RE的影响最大。进一步对不同方向力的峰值和垂直方向的冲

量与RE进行相关性分析发现，在显著性a=-0.05水平时，RE分别与地面垂直反作用力第1峰值、地面垂直反作用力第2峰值、前后方向支撑反作用力峰值、内外方向支撑反作用力峰值和垂直方向冲量的相关性均不显著，但是从RE与动力学指标的相关趋势上可以发现，RE与垂直方向冲量的相关系数最大(r=-0.90，p=0.06)，该研究结果说明，不同方向力的峰值与RE的关系不大，而垂直方向的冲量可能是造成中跑运动员个体RE差异的原因之一。

3　讨论

7名受试者的VO2平均值为(57.49±3.07)mL・kg-1・min-1，RE平均值为(35.65±2.58)mL・kg-1min-1，本研究RE测试结果与前人的研究基本一致。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。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，即垂直分量、前后分量和内外分量。这与本研究对地面反作用力的划分方法相同，本研究将地面作用力划分为垂直方向地面反作用力、内外方向地面反作用力和前后方向地面反作用力，并且数据测试范围和前人的研究结果基本一致。

Kram的研究发现，跑步阶段的能量消耗与人在跑步过程中支撑体重的力，以及与地面的阻力等都有一定的联系。总之，地面反作用力变量可能与RE相关。但是，本研究选择的动力学指标并不能解释个体间RE的差异，即垂直方向、前后方向和内外方向的地面反作用力峰值并不是造成个体间RE差异的原因。这一方面由于本研究样本量的缺陷，另一方面是因为能量消耗是一个时间过程，而力的峰值只是这个时间过程的一个点而已，所以，力的峰值与RE之间相关性不显著。

Heise GD等研究发现，RE较差的运动员表现出总垂直冲量和垂直冲量净值较高。虽然，本研究通过对垂直冲量和RE进行相关分析发现二者的相关性在显著性a=0.05水平时不显著，但是，从RE与垂直方向冲量指标的相关性趋势可以发现(表1)，RE与垂直方向冲量相关性比较大，且表现出正相关，说明存在这种可能性：即RE较好(RE值较小)中跑运动员在垂直方向的冲量较小，RE较差(RE值较大)的中跑运动员在垂直方向的冲量较大，本研究对中跑运动员的这个研究结果与Heise GDD~I对长跑运动员的研究结果趋于一致。未来需要进一步确定前支撑阶段冲量与后支撑阶段冲量，以及内外方向冲量大小与RE之间的关系。

通过三维测力台测试的地面三维反作用力的大小、作用时间，以及力的冲量等指标，能够间接地反映出跑步运动员在跑步支撑阶段肌肉力量对跑步动作的控制。由于人体在跑步的过程中，身体在垂直上下、前后和左右方向出现额外的作用力均是对能量代谢的浪费，所以，运动员在跑步过程中与地面接触时，尽量通过激活肌肉来稳定身体姿态和保持向前。Kyrolainen的研究中，地面反作用力随着跑速的增加而增加，为了承受较大的冲击负荷，着地前和制动阶段腿部伸肌的活动会在一定程度上防止跑步者在制动阶段不必要的动作变形。通过相关研究发现，RE的个体差异与地面反作用力的关系并不是很大，个体间RE的差异有可能是个体间下肢肌肉做功的差异造成的。因此，深入研究人体下肢肌肉在支撑阶段的做功情况，对了解影响RE的动力学因素具有重要意义。