中国体育科技
CHINA SPORT SCIENCE AND TECHNOLOGY
1999年 第1期 No.1 1999



对跑动力争鸣的剖析
谢永文 (韩山师范学院，潮州　521000)
胡耿丹 (广州体育学院，广州　510076)
　　摘要：对有关跑的动力不是蹬地反作用力的种种新观点进行了剖析，本文赞同跑“动力是蹬地反用力”这一传统理论，而各种新观点仅仅是对跑动时运动器官和肌肉活动的表象描述，其错误根源在于混淆了内力和外力的内涵、作用效果和相互转化关系。
　　关键词：跑∥动力∥蹬地∥反作用力∥内力∥外力
Analyzing the Contention of the Running Motive Force
Xie Yongwen，Hu Gengdan
Abstract：In this article,the new views that the motive force of running is not the eccentric thrust of reaction are analyzed thoroughly.Result show the is traditional theory:the motive force of running is the eccentric thrust of reaction is still right,and the new opinion only a superficial descriptions of the movement of motion organs and mixing up the intension,the action effect of the internal and exernal force and transform relationship between them.
Key words：motive force of running∥eccentric thrust of reaction∥internal force∥external force
　　近年来，体育界不断有学者对“跑的动力是蹬地反作用力”这一传统理论提出各种异议。如“跑的动力来源是支撑足固定于地面的条件下发生的转动力距，转动可以带动躯干向前平动，而不是支撑动作的反作用力”；“人体跑的动力来源不是传统理论认为的后蹬动作及其产生的支撑反作用力，而是摆动腿由后下方向前上方的摆动和由前上方向后下方积极下压扒地的动作及其产生的力量”；“屈髋和伸髋的推动力，伴以摆动腿的作用，而不是支撑腿蹬离地面动作本身，推动人体沿着规定方向前进”；“起跑、加速跑、冲刺跑的动力是蹬地反作用力，途中跑或均速跑的动力来源是摆动腿的摆动，而不是蹬地反作用力”等等，众说纷纭，莫衷一是。本文依据运动生物力学原理，结合跑动时的动作结构及肌肉工作特点，对上述各种新观点进行剖析。
1　跑的动力学分析
1.1　人体运动的内力和外力
　　人体的内力是指人体系统内部各个部分之间的作用力，来自外界作用于人体的力称为“人体外力”。人体内力可引起系统内部各部分的相对运动，但不能引起整个力学系统质心的运动。人体内力虽不能直接引起人体整体的运动，但当人体与外界物体触并相互作用时，内力可以引起外力。例如，蹬地时，人体依靠肌力使下肢各关节伸直，在伸直的过程中给地面以作用力。同时，地面又以反作用力作用于人体，而这个外力可改变人体的运动状态。这一事实揭示了人体内力与外力之间存在的联系。在人体运动中，人们可利用这种联系通过人体的积极活动来增大或减少环境对人体的作用。
　　在跑中，人体所获得的动力是蹬地过程中地面给人体的反作用力，其大小取决于蹬地力的大小，即取决于人体肌肉活动引起的对地面作用力的大小。肌肉活动是主动的，为了增加人体运动效果，最重要的是提高肌肉收缩速度和力量，以加大蹬地力从而得到一个较大的反作用力，使人体运动状态发生变化。
1.2　只有外力才能改变人体运动状态
　　由牛顿力学定律得知，当物体所受的合外力不等于零时，物体才会产生加速度。当物体受到的合外力为零时，物体将保持静止或匀速直线运动状态不变，所以，只有外力才能改变物体的运动状态。人体在跑动中受3个外力的作用(忽略空气阻力)：坚直向下的重力、垂直地面向上的弹力和平行地面的静摩擦力(后面两个力的合力即是蹬地反作用力或称支撑反作用力)。显然，重力和弹力的合力影响人体竖直方向上的运动，水平方向的静摩擦力影响水平方向的运动。由于重力不是主动动力，因而使人体向前运动的动力只能是地面对支撑腿的反作用力。
　　人体在跑动时的许多技术特征，如摆动腿、摆臂的幅度和速度，前蹬的距离，伸髋、屈髋动作幅度，后蹬力量和后蹬角度等都会通过有关部位肌肉的伸缩间接影响地面对支撑腿的作用力。这可从跑的技术动作结构及肌肉工作特点来说明。
　　人体跑动时摆动腿、摆臂的幅度和速度，伸髋、屈髋的动作幅度，后蹬角大小等因素确实能影响跑的速度。但归根到底，这些因素都是通过间接的方式影响支撑腿蹬地的力量，它们产生的力是人体的内力，其本身不能使人体相对于地面产生位移，所以，它们不能作为跑的动力。它们只能通过有关肌肉的传递作用影响支撑腿对地面的作用力，从而影响地面对支撑腿的反作用力(根据牛顿第三定律)，而此力是人体的外力，能影响人体垂直和水平方向的运动，是人体跑动的真正动力。由此认为，跑的真正动力仍然是地面的支撑反作用力；摆腿、摆臂、后蹬、前蹬的技术特征只是影响跑动力的不可缺少的间接因素，但不能作为直接动力。通过锻炼各部位的肌群，增强肌肉的爆发力，增大摆动腿、摆臂的幅度和速度，加强后蹬力量等，可促使地面对人体支撑反作用力增大，加快跑步速度，也实为有效的训练方法。
2　各种新观点的错误所在
2.1　转动力矩是跑的动力
　　有人认为，“跑的动力来源是支撑足固定于地面的条件下发生的转动力矩，转动可以带动躯干向前平动，而不是支撑动作的反作用力”。这种“转动可以带动平动”的说法违背了运动学基本原理。转动不能带动平动，物体平动只能靠受到平动方向的外力或靠惯性。
2.2　摆动是跑的动力
　　一些学者认为，“摆动是跑的动力”。如有人对短跑、中跑运动员的支撑与摆动动作特征做了研究，发现跑中速度的变化与支撑腿的技术特征关系不大，而主要是由摆动腿的技术动作特征所决定的。也就是说，尽管短跑组与中跑组的速度有显著不同，但它们之间支撑的运动学特征，即着地角、离地角都没有显著的差异，从而说明造成速度差异的原因是摆动动作。提出“人体跑的动力来源不是传统理论认为的后蹬动作及其产生的支撑反作用力，而是摆动腿由后下方向前上方的摆动和由前上方向后下方积极下压扒地的动作及其产生的力量”。这一观点的错误在于混淆了内力和外力的作用效果和转换关系。物体的内力不能改变人体的运动状态，不能作为人体前进的动力。事实上，由摆动动作引起的内力，是通过人体内部各部位有关肌肉之间力的传递，来影响支撑腿对地面的作用力，从而使地面对支撑腿的反作用力也受到影响，进而影响人体的跑速。可见，人体跑的动力仍是地面对人体的支撑反作用力，摆动腿的技术特征只是间接地影响和改变支撑反作用力。
2.3　肌肉收缩是跑的动力
　　美国学者罗杰*艾*曼等人从肌肉工作的角度研究了跑的动力发现，1) 髋肌和腰大肌是髋关节的主要屈肌。当步速增加时，正是这些肌肉的活动使下肢在前进动作中产生最大的变化。髋关节屈肌是主要的原动肌，屈髋和伸髋的推动力，伴以摆动腿的作用，推动人体沿着规定方向前进。2) 在足放下处于中间支撑阶段时产生大部分的肌电活动；在支撑阶段的最后30%，任何一种速度的跑，(支撑腿)都只有极少或根本没有什么肌电活动。这说明了在整个支撑阶段，支撑腿只是在脚着地后至垂直支撑这一阶段进行肌肉作功，在垂直支撑后，基本上没有肌肉作功。这从生理角度上否定了后蹬阶段强调“三关节”必须充分蹬直对增加动力的意义。因此，他们提出了“屈髋和伸髋的推动力，伴以摆动腿的作用，而不是支撑腿蹬离地面动作本身推动人体沿着规定方向前进”的观点。这一观点的错误在于肌电图反映的情况只能说明肌肉收缩力――内力的活动，不能用来说明人体重心的位移，即肌电活动不能描述人体所受的外力的情况。
2.4　不同阶段有不同的跑动力
　　最近有人提出：“起跑、加速跑、冲刺跑的动力是蹬地反作用力，途中跑或匀速跑的动力来源是摆动腿的摆动，而不是蹬地反作用力”。这种折中的观点是否正确，可通过如下的分析来回答。
　　静摩擦力的大小和方向在整个支持过程中是改变的。刚着地瞬间，脚相对地面有向前滑动的趋势，此时，地面给脚一个水平向后的静摩擦力f’。当身体重心过垂直面后，脚相对于地面变成向后滑动的趋势，地面给脚一个水平向前的静摩擦力f。在支撑阶段中，若f＞f’，则人体加速向前运动；若f＜f’，则减速向前运动；若f=f’，则匀速向前运动。换句话说，支撑腿在缓冲阶段所受的摩擦力f’方向向后，使跑速减慢，而在随后的蹬伸阶段所受的摩擦力方向向前，使跑速加快。在起跑、加速跑和冲刺跑中后者的作用效果必须大于前者，即f＞f’，所需的f较大，必须充分蹬伸，故给人一种人体前进的动力确实是蹬地反作用力的感觉；在途中跑或匀速跑中两者的作用效果十分接近，即f≈f’，所需的f较小，不需要充分蹬伸，这种情况易给人造成人体前进的动力不是蹬地反作用力的错觉。可见，由摩擦力f和地面对人体的支撑力合成的蹬地反作用力，在跑的各个阶段始终在起作用，只不过途中跑或匀速跑阶段所需的蹬地反作用力比其它阶段所需的要小而已。
　　我们认为，上述新观点是对跑动时运动器官和肌肉活动的表象描述，听起来有道理，但其本质是错误的。人体跑动时摆动腿、摆臂的幅度和速度、屈髋和伸髋的动作幅度等确实能影响跑的速度，但由于这些因素产生的力只是人体的内力，不能使人体重心相对于地面发生位移。它们只能通过有关肌肉间的传递作用来改变支撑腿对地面的作用力，从而改变地面对支撑腿的反作用力。后者是人体所受的外力，是跑步中决定人体水平方向运动的惟一动力，是跑的真正动力。“跑的动力是蹬地反作用力”这一传统理论依然是正确的。新观点的错误根源在于混淆了本质与现象的关系，即混淆了内力和外力的内涵、作用效果及其相互转化关系。
3　小结
　　1.跑的动力是蹬地反作用力的水平分量，传统理论仍然是正确的。
　　2.影响蹬地反作用力的因素主要包括：摆动腿、摆动臂的摆动速度和幅度，伸髋、屈髋的幅度，前蹬的距离，后蹬角大小等。
参考文献
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(收稿日期：1998-09-20)
