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跑步不但是人体最基本的位移形式，而且也是体育活动中最基本的动作，各项动作技术都包含跑步活动。径赛中的不同距离赛跑，其跑步动作的技术结构基本相同，最终目的都是要求在最短的时间内跑完所规定的距离。根据人体能量供应的可能性，用最快的速度跑完全程是各项距离的共同技术要求。因此，研究具有代表性的短跑动作生物力学特征和原理具有普遍意义。 
起跑与加速跑 一、起跑姿势与起跑 1．起跑姿势 短跑运动员一般采用蹲踞式或预备姿势作为起跑的方法。运动员根据身体形态结构和运动素质的发展水平，选择为两腿能快速有效地蹬伸创造条件的预备姿势。在起跑器上起跑，可使运动员获得牢固的支撑，改善两腿用力条件。研究资料表明，高水平运动员起跑姿势的生物力学参数非常接近。因此所引用的数据可作为起跑姿势的一般模式。
起跑姿势及起跑运动学特征 在预备时，运动员运用提高肌肉“预张力”的方法，可以使肌肉提前进入“工作状态”，增大蹬离起跑器的速度和力量。 2．起跑 起跑时高水平运动员质心水平加速度及速度较大。这与高水平运动员质心至起跑线的水平距离较短、两臂承受的体重较大有关。因而可使高水平运动员获得较大的蹬起跑器水平分力。
身体质量中心的水平位置，速度和加速度对时间的函数 t0，鸣枪；t1，第一反应；t2，手离地；t3，后足离地；t4，前足离地
运动学和动力学测量的平均值（x-）和均方差（S. D.）（W．鲍曼） *身体质心在“预备”姿势时测定 起跑时两腿蹬起跑器的用力时间指标，必须与蹬地力指标结合起来分析。才能反映出蹬起跑器的效果。两腿蹬地力的冲量表示如下：
起跑三维蹬地力的特征。后腿蹬地力的作用时间短，力的曲线形状只有一个峰值，具有典型的冲力形式。前腿蹬地力曲线有三个波峰。第一个波峰与后腿的峰值相对应，是运动员听到鸣枪信号后，两腿同时用力蹬起跑器产生的；第二波峰是后腿加速前摆产生的；第三波峰是由前腿进一步积极蹬伸和体重由两腿承扭转为前腿承担的原因造成的。 前、后腿蹬地力的Fx值明显大于Fz，它们之间约为二比一的关系。
起跑时前腿三维支撑作用力的变化曲线与起跑时后腿三维支撑反作用力的变化 因此能形成很小的蹬地用力角。这是蹲踞式起跑所具有的良好的向后蹬地条件所造成的，因此，蹲踞式起跑提供了短跑出发时最好的水平加速度的力学条件。  二、起跑姿势与起跑 起跑后加速跑的过程中，由于人体前倾程度逐渐减小，足着地点逐步向前远离身体重心投影点，以及人体运动速度逐渐增大等诸因素，所以在蹬地时间特征方面呈规律性变化：即后支撑时间逐步减少，而前支撑时间逐步增大。
加速跑三维蹬地力时间曲线变化趋势及途中跑三维蹬地力 t1：前支撑时间；t2：支撑时间；横坐标每格为0.01秒
加速跑蹬地力时间特征的变化 tl：前支撑时间；t2：后支撑时间；t3：支撑时间（单位：秒） 在蹬地作用力方面，蹬地合力冲量（F·t）与垂直力冲量（Fz·t）逐步减小。其原因主要是蹬地时间减少的结果。左右方向蹬地力的冲量（Fy·t）变化不大。而前后方向蹬地力冲量（Fx·t）有明显下降趋势。这除了蹬地时间减少的原因之外，主要是随着加速跑距离的增加，跑速逐渐接近途中跑，因此蹬地的任务也逐渐由加速人体变为维持高速的匀速跑，所以表现出上述变化趋势。
加速跑蹬地力冲量变化  途中跑 途中跑是通过运动员蹬地动作，使自身以适宜的速度或以尽可能大的速度向前跑进，在人体跑速较慢的情况下，蹬地动作可以使人体产生加速向前跑。但当达到自身极限速度时，就不能再增加速度，而只能将最高速度维持在一个相当短的跑程内。此时蹬地动作所产生的动力，正好与地面及空气阻力所抵消。也就是说，在后蹬时人体产生的加速度运动，与着地后的前蹬阶段及腾空阶段的减速运动所抵消。在前蹬阶段内水平速度损失为0.129±0.08米/秒，为了能保持匀速跑，在后蹬阶段水平速度应增加0.195±0.09米/秒。 因此在匀速跑时，蹬地力的水平阻力冲量（包括空气阻力冲量）等于水平动力冲量。 对跑的技术进行生物力学分析的目的，主要是揭示跑的一般规律和寻找如何跑得更快、更经济。实践说明，单纯的理论分析，并不能达到以上目的，而必须运用实验测试方法对跑进行分析研究，才能逐步地达到上述目的。因此，这一部分内容也主要是通过对测试材料的介绍和分析，来说明跑的生物力学原理。 一、跑的基本生物力学要素 跑步速度由步长与步频决定。步长由支撑阶段的着地距离、后蹬距离及腾空距离的三个分量组成。而步频则由全程跑的步数除以跑步时间得来。跑步时间又可分为支撑与腾空两个分量组成。跑的速度取决于跑步周期中的动作技术质量，以及周期的重复速率。跑的基本生物力学要素及主要运动学参数。
跑的基本因素
男、女短跑运动员的主要运动技术参数（取统计平均值） 二、跑步的生物力学原理 1．步长、步时的构成 左右脚着地点之间在运动方向上的距离为步长。在影片测量时也可由人体质心的水平位移作为测量步长的依据，即由着地距离、腾空距离及后蹬距离三个分量组成步长。
步长的组成（L=Ll+L2+L3）
从跑的技术原理分析，较小的着地距离可增大着地角，减少阻力作用，有利于跑速的发挥，实测材料证实了这一点。
届奥运会男子200米决赛步长材料 注：表格中结果为至少两个复步的平均值，前面数据为125米处数据，后面数值为180米处数据。 当比赛距离增大时，跑速相应减小，而着地距离相应增大。如将女子100米的着地距离定为100,200米为107.3,400米为141.3。 我国高水平运动员一个单步时间为0.216秒，其中支撑时间为0.088秒（占单步的40.7%）；腾空时间为0.128秒（占单步时间的59.3%）。支撑与腾空时间之比为1∶1.46。在支撑阶段中缓冲时间占41%，蹬伸时间占59%。
支撑腿各动作阶段的时间比例 步长、步时是跑步时身体位移在空间与时间方面运动学时征的表现。其合理组成是以着地距离较短、缓冲时间较长为宜。因为着地距离较短，可以增大着地角，减小着地后的阻力及阻力冲量，有利于保持跑速。而缓冲阶段时间较长，是缓冲动作充分的表现。它可以增大膝关节活动范围，减小后蹬角，从而提高蹬地效率。据对比分析提示，我国短跑运动员缓冲动作不充分，缓冲时间偏短。 2．步长、步频指数 卡列尔·霍夫曼通过对国际重大比赛的实测材料的研究指出，欲达到男子短跑世界水平，其步长与步频指数应是： 步长指数： 平均步长/身高≥1.15 最大步长/身高≥1.24 平均步长/腿长≥2.16 最大步长/腿长≥2.24 步频指数： 身高×步频≥8.1身高×腿长≥4.34 中国高水平短跑运动员的平均步长为2.30米，步频为4.63米/秒。而美国高水平运动员分别为2.48及4.8。这是不同水平短跑运动员在步长与步频上差异的反映。当跑速从40%（3.9±0.7米/秒）增至最大跑速（9.3±0.3米/秒）时，一个单步的时间由0.38±0.10秒降至0.24±0.10秒，支撑时间和腾空时间也随跑速的提高而缩短，但并不按同一比例变化。起初，在低速跑时，腾空时间比支撑时间短，随着速度的增加，则腾空时间比支撑时间长。相应曲线的交点在4.5米/秒处。前支撑与后支撑时间随跑速的提高而缩短，但它们占支撑时间的比例保持不变（1∶3）。
不同跑速时步时构成的变化（P.v.Komi） 步长和步频，两者均随跑速的增加而加大，但并非直线关系。另一方面，重心上下波动的振幅与跑速成反比。因此，速度低时重心波动最大（10.9±0.6厘米），而速度最高时，重心波动最小（6.7±0.4厘米）。
不同跑速时步长、步频的变化（P.v.Komi） 3．摆动技术原理 通常两臂摆动是与摆动腿的摆动同步进行的，因此仅用摆动腿的摆动说明跑步的摆动技术原理。 高水平短跑运动员在蹬离地面后，摆动腿的大腿先做短暂的后伸（约0.025秒±0.007，然后快速前摆，在第二次腾空瞬时，达到最大前摆值（163.7°±10.6°）。但大腿前摆的时间（0.22″±0.008″）较后摆时间（0.11″±0.01″）约长1倍。当大腿开始前摆后，小腿迅速向大腿做屈膝折叠，在身体处于垂直时相达到最大屈曲程度（29.8°±2.8°）。膝关节的屈曲（0.15″±0.004″）与伸展（0.15″±0.01″）所用的时间几乎相等。
摆动腿角度随时间变化 因此，摆动腿的摆动可分为大腿后伸、前摆及后摆三个阶段。它们各占总时间的6.0%, 61.5%及32.5%。小腿相对于膝关节做屈曲、伸展及再次屈曲的动作，这三个动作阶段各占总时间的46.0%、45.9%及8.1%。 大腿前摆最大角速度出现于小腿充分屈曲、身体处于垂直时相（图5-22）。
摆动腿角速度随时间变化 在支撑阶段，摆动腿摆动时，其质心垂直方向上的加速度一直是增加。
摆动腿角速度随时间变化 这与跳跃项目中摆动环节加速度值的变化相类似。 跑步时摆动动作的意义有： （1）良好的摆动技术特征，可使脚在着地瞬间获得较大的运动速度（与人体前进相反方向）。由于脚的运动速度大，一方面可有助于形成较短的着地距离。另外可减少着地时脚与地面的碰撞阻力。 （2）与跳跃动作中的摆动动作相类似，在支撑阶段摆动腿质心的竖直加速度方向背离支点。因此其惯性力指向地面，增加了支撑腿的载荷，从而提高了蹬地力，有利于提高蹬地效果。 （3）摆动动作是跑步周期的重要组成部分，因此摆动动作直接与步幅、步频有关。 （4）与下肢相对比，上肢的质量较小，而且相对肌肉力量较强。由人体惯性参数的资料可知，上肢的肩关节及肩带肌肉生理横断面与上肢质量之比为16.60∶1，而下肢的髋关节肌肉生理横断面与下肢质量之比为8.94∶1。因此，在摆动时上肢比下肢容易加速，并容易维持在高节奏的摆动状态，所以上肢的摆动动作，对下肢的快速摆动及提高步频起促进作用。 4．蹬地动作技术原理 跑步的缓冲作用，主要由踝关节做负功完成。此阶段踝关节角度变化34°～38°角，膝关节为4°～10°角。但髋关节却不参与缓冲动作，而在着地后就已经进行蹬伸（伸展）活动（图5-24）。因此髋关节在支撑阶段的开始就进行促使身体重心前移活动。
支撑阶段髋、膝关节角度变化 整个支撑阶段在促进身体前移方面，各关节的活动所起的作用大致是相同的。髋关节做功为64焦耳，膝关节与踝关节各为72焦耳，但它们发挥作用的动作时相不同。即在支撑阶段的开始及前半时期，髋关节的伸展活动起主要作用；在支撑阶段的后半部分，特别是在蹬伸阶段，膝、踝关节的活动起主要作用。 关于膝关节伸展程度问题在体育界的看法渐趋统一。认为短跑运动员在完成蹬伸动作时，膝关节不必充分伸直，在膝伸结束时，膝关节角在150°～165°之间。
其原因是当膝关节以165°角伸展到180°角时，髋关节与踝关节之间的距离非但没有增加，反而缩短8毫米。这是由于此时胫骨关节面向股骨关节面曲率半径大的那一部分滑动的原因。另外，蹬地功率与跑速之间的相关关系很小。甚至发现国家级优秀短跑运动员发挥的蹬地功率，比二级运动员还小。这是因为短跑时不需要每一次蹬地时都产生很大的蹬地力（如像跳跃那样），而是需要蹬地功率与步频的最佳配合。因此跑得最快的运动员的蹬地冲量都是较小的，而主要是正确的摆腿动作。 在蹬地过程中，踝关节的活动幅度虽然很大（34°～38°角），但小腿三头肌的收缩幅度却很小，在缓冲时只被拉长3～4厘米，而在蹬伸阶段其长度几乎不变。因此蹬伸与缓冲时踝关节的活动是由小腿三头肌腱的弹性变形与复原进行的。踝关节结构功能的生物力学特点，对于奔跑能力具有重要意义。它可以在跑的制动阶段，通过肌腱的弹性形变（被拉长）而储存能量。因此踝关节可利用非代谢能工作，这对于提高蹬地率和提高跑的效率都具有重要意义。 5．躯干前倾 跑步时（后蹬阶段）运动员受到一个垂直分力Rv的作用，它有向上加速人体并使人体绕横轴向前转动的趋势；另外，还受到水平分力RH的作用，它有使人体向前加速并向后转动的趋势。此外，运动员还受到空气阻力A的作用，它有阻碍人体向前运动并使人体向后转动趋势。
躯干最佳倾斜度取决于作用于运动员各偏心力矩 因此，使运动员向后转动的力矩等于： RH·YH+ A·YA 使运动员向前转动的力矩等于： Rv·X 所以，跑步时向后转动力矩与向前转动力矩相互抵抗，以使人体保持平衡。显然跑步时的身体倾斜程度（后蹬角度的大小）取决于上述两力矩的作用结果。当向后转动力矩较大时，可使得它抵抗向前转动力矩的作用较强，跑步时运动员就可采用身体较前倾的姿势。因此跑步时身体的前倾程度及后蹬角的大小，取决于运动员受力条件。如果要用较小的后蹬角、较前倾的姿势进行跑步，必须具有较大的水平分力和向后转动力矩。否则，运动员尽管“想”加大前倾，减小后蹬角，但实际上运动员仍然以较大的后蹬角与较小的前倾状态去进行跑步。
三、蹬地力测量结果与分析 1．短跑蹬地力测试结果 用三维测力台可测得跑步时蹬地力的三个相互垂直的分力Fx、Fy及Fz，得到三维蹬地力-时间曲线图。Fz力是正压力，它所围成的面积称正压力冲量。力Fy与跑进方向一致，它围成两个面积，一个称制动冲量，另一称积极动力冲量。力Fx是横向作用力，它所围成的面积称侧向冲量。
短跑蹬地力 将力Fx与Fz合成，可得合力在额状面内的矢量端图；Fx与Fy合成，可得蹬地力在水平面内的矢量端图；力Fy与Fz合成，可得矢状面内的矢量端图。 由矢量端图与跑步各动作阶段进行对应分析，可知在蹬地的各阶段，跑道作用于人体的外力的大小、方向及性质，以及它与人体（重心）的关系。因而能全面地、定量地反映出人体与支撑点相互作用力的形式与物质。要特别强调指出，在各个阶段外力并不通过人体质心。 对较多人数的较高水平的短跑运动员的测验材料说明，蹬地正压力的极值为体重的4倍，动力极值为体重的0.5～0.8倍。这可以作为短跑技术诊断的指标之一。 跳高、跳远项目可用正压力的冲量衡量起跳效果和运动成绩的水平。因此可用冲量作为起跳技术的诊断指标。但对短跑来说，用蹬地力的动力冲量作为技术诊断指标并不有效。因为动力冲量必须联系于跑速及阻力冲量进行分析，才能说明问题。阻力冲量可表征前蹬阶段人体速度损失的情况，因此阻力冲量可作为技术诊断指标。因为，当人体处于最高速度跑进时，不能再通过后蹬动作使跑速增加，所以动力冲量只能稍大于阻力冲量。因此，技术好的运动员，其动力冲量不一定比跑得慢的运动员大。 由以上分析可说明，对跑的动力学特征指标的测定分析：能较好地用于说明跑的技术原理，而作为技术诊断的指标并不很有效。
2．简要分析 蹬地力的Fy分力是影响跑速的主要因素，所以主要分析它的作用机制以及相应的技术动作要求。 （1）如何减小制动冲量 研究结果表明，水平速度的损失与制动冲量有关，与制动的极值无关。并指出借助于减少力的作用时间，可使冲量减少。具体方法（技术动作）如下： ①支撑腿着地后，髋关节不应参与缓冲活动，而应不间断地伸展髋关节。这一技术动作在很大程度上取决于腾空阶段两腿的摆动速度。因为着地后的伸髋关节活动，是腾空阶段伸髋动作的继续，所以在腾空阶段向后摆腿速度快，说明伸髋力矩较大，那么着地后髋关节克服阻力矩的能力较强，因而可以不间断地做出伸展髋关节动作。测试材料表明，着地时脚相对于跑道的速度在1.5～0.5米/秒的范围内。这一技术动作还有利于发展伸膝关节力矩。 ②增大着地角、减少水平阻力及作用时间，有利于减少阻力冲量。 ③脚着地时，应该力求减小脚与跑道的相对运动速度。这个技术动作有利于减小脚与跑道的撞击作用，因而减少阻力作用。这个技术动作，还有利于脚着地后的伸展髋关节动作。 （2）如何增大动力冲量 ①蹬地力冲量的产生 对蹬地力曲线的分析说明，动力冲量是由两种技术动作产生的，在缓冲阶段，支撑腿膝关节做退让工作。因此该阶段的冲量
冲量与支撑阶段的关系 （a）是伸膝关节肌群做退让式收缩，由摆动动作的惯性力产生的。它的大小取决于摆动动作的效果和膝关节的退让性收缩能力。 冲量（b）是在前面动作的基础上，由膝关节、踝关节的伸展动作产生的。它的大小主要取决于膝、踝关节肌克制性工作能力及摆动动作加速度值的大小。 上述分析说明，蹬地力由摆动及蹬伸两种技术动作产生的，而且支撑腿是以退让与克制两种收缩形式完成蹬地动作的。 ② 增大动力冲量的动作技术 做好全身整体动作，借助于加大缓冲动作幅度，使膝、踝两关节的伸展动作幅度增大，并能减小后蹬角。从而增大蹬地力的水平分力，使动力冲量增加。 |
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