Evaluating acceleration impact asymmetries during sprinting: Analyzing leg and track lane disparities among national athletes

Elí Obed Paz-Paz | Pedro Pérez-Soriano | Alberto Encarnación-Martínez

刊登于《EUROPEAN JOURNAL OF SPORT SCIENCE》——2024年

摘要

与直线短跑相比，弯道短跑需要进行生物力学调整，从而导致下肢产生的力量不对称。本研究旨在评估在弯道和直道上冲刺时下肢的加速度冲击和冲击传递。八名经验丰富的短跑运动员（年龄为 16.3± 1.7 岁，体重为 58.5±11.4 千克，身高为 1.72±0.10 米），擅长 100 米、200 米和 400 米项目，分别在标准 400 米跑道的直道和弯道一和弯道八（半径分别为 37 米和 45.10 米）上以最大速度进行了两轮 60 米的赛道预赛。胫骨和头部的加速计记录了加速度冲击。结果显示，与内侧腿相比，弯道冲刺时外侧腿的冲击力更大（p < 0.05）。此外，与直道相比，弯道的冲击力更大（p < 0.05）。在弯道冲刺中观察到不对称的加速度冲击，与直道冲刺相比，不对称程度更高。然而，冲击力在两腿之间的分布似乎不受跑道半径的影响。这表明弯道短跑的特定生物力学要求与直道短跑有很大不同。这些发现强调，与直线短跑相比，教练员在训练运动员进行弯道短跑时，需要考虑到不对称的增加和不同的冲击模式。

亮点

与直线短跑相比，弯道短跑需要生物力学适应，导致下肢产生的力量不对称。

结果显示，与内侧腿相比，外侧腿在弯道冲刺时受到的冲击力更大，这凸显了加速度冲击力的不对称性。

跑道半径对冲击力分布没有影响，这强调了弯道冲刺的生物力学细微差别，以及与直线冲刺相比更高的不对称性。

1 简介

众所周知，与直道相比，弯道冲刺时的速度会降低（Alt 等人，2015 年；Churchill 等人，2015a，2015b；Greene，1985 年），半径会成比例地影响速度（Churchill 等人，2018 年；Gary & Andrew，2003 年；Usherwood & Wilson，2006 年）；此外，与弯道冲刺相关的运动学变化会在进入弯道后立即发生，从而导致最大速度时的变化更大（Judson 等人，2020 年）。步频和步长等时空变量会降低弯道冲刺时的成绩（Alt 等人，2015 年；Ishi-mura 和 Sakurai，2016 年），有记录显示，直道与弯道相比，外侧腿的步长更大。因此，在弯道冲刺时，与直道相比，内侧腿会产生更高的步频（Alt 等人，2015 年；Churchill 等人，2015a，2015b；Ishimura & Sakurai，2016 年）。

另一方面，在弯道冲刺时，两腿之间的步频和步长可能不对称（Churchill、Trewar-tha、Bezodis 和 Salo，2015 年；Ishimura 和 Sakurai，2016 年）。具体来说，在弯道跑过程中，运动员的外侧腿通常表现出更高的步频，而内侧腿通常表现出更大的步长和飞行时间。这种区别非常重要，因为每一步都涉及从一条腿到另一条腿的过渡，突出了弯道跑的动态性质。有研究表明，运动员可以根据他们冲刺时所经过的路线来改变步频和步长（Churchill 等人，2018 年）。此外，有广泛报道称，在弯道冲刺过程中，内侧腿比外侧腿需要更长的地面接触时间（Alt 等人，2015；Churchill 等人，2015；Churchill 等人，2015、2015、2018；Ishimura & Sakurai，2016；Judson 等人，2019a、2019b、2020）。这些变化与关节的角运动学有关，因为质心（CoM）发生了倾斜（Alt 等人，2015 年；Judson 等人，2020 年）。

在弯道冲刺过程中，由于速度矢量的轨迹变化，运动员必须制动才能继续沿着半径轨迹前进，因此产生力量的能力可能会下降（Churchill等人，2015a，2015b；Judson等人，2019a）；在这方面，外侧腿比内侧腿产生更大的向心力和更大的切向力（Ishimura和Sakurai，2016）。在弯道冲刺时，内侧腿的发力能力可能会下降，而外侧腿受到的影响较小（Churchill 等人，2015a，2015b；Ishimura & Sakurai，2016；Judson 等人，2019a）。此外，有研究表明，200米和 400 米项目的专业运动员在整个赛季中，外侧腿的力量可能比内侧腿更大（Nevison等人，2015 年；Tottori 等人，2016 年）。

描述弯道短跑过程中所受力的科学文献十分有限；一般而言，只有两项具有实证阶段的研究再现了弯道短跑过程中地面重力（GRF）的变化（Churchill等人，2015a，2015b；Judson等人，2019a；Millot等人，2024）。考虑到在田径跑道上放置测力板的困难，以及垂直 GRF 与冲击力之间的相关性（Greenhalgh 等人，2012 年；Hennig & Lafortune，1991 年），在本研究中，我们建议评估弯道冲刺时下肢在直道与弯道之间的生物力学变化，以及半径对加速度冲击力的影响。

不对称的冲击率可能表明一条腿的冲击负荷高于另一条腿；此外，高速冲刺时被动组织超负荷可能会带来一定的受伤风险（Gruber 等人，2014 年；Sheerin 等人，2018 年、2019 年；Shorten & Winslow，1992 年）。对中长跑运动员冲击负荷的不对称分布、可能的影响及其与疲劳的关系进行了广泛研究（Coventry 等人，2006 年；Encarnación-Martínez等人，2022 年；García-Pérez 等人，2014 年；Mizrahi 等人，2000 年）。此外，跑步过程中的冲击力传递是受伤风险的关键因素，受疲劳、肌肉力量、稳定性、跑步表面和鞋类等因素的影响（Encarnación-Martínez 等人，2020 年，2022 年）。此外，据观察，速度、步频和步长的增加可改变冲击力（Garcia 等人，2021 年；Hamill 等人，1995 年；Mercer 等人，2002 年、2003 年；Sheerin 等人，2018 年）。

有鉴于此，目前还没有研究评估直道与弯道冲刺时加速冲击的负荷，以及半径对加速冲击的影响。同样，弯道冲刺时下肢的冲击负荷是否不对称也没有研究，弯道冲刺的不对称是否会影响直道。因此，本研究旨在确定在弯道冲刺时，冲击力在下肢的分布和传递是否存在差异，以及半径对冲击力的影响。我们假设，与直道相比，在弯道上冲刺时，冲击力在下肢的分布会有显著差异。此外，我们预计跑道的弯曲度将对短跑活动中两腿之间的冲击力分布产生不同的影响。

2 材料和方法

2.1 主题

八名运动员，五男三女（年龄 16.3± 1.7岁，体重 58.5±11.4 公斤，身高 1.72±0.10 米）擅长 100 米、200 米和 400 米短跑，有四年以上的高水平竞技经验，男子 100 米的个人最好成绩为10.97 秒至 11.62 秒，女子为 13.33 秒至 14.91 秒。这项研究获得了该大学伦理委员会的批准（第 15676722 27997_1057_1097637 号决议），所有运动员或其家长都自愿同意参与这项研究。

2.2 数据收集

使用了三个低质量（4g）三轴加速度计（Blautic Desings，西班牙巴伦西亚），其记录频率为 124 Hz，工作范围为 16g，并通过使用其特定软件（PikkuLab，来自 Blautic Desings，西班牙巴伦西亚）用智能手机（Xiomi Redmi Note 7，中国）进行控制。加速度计放置在前额中心和左右胫骨前端，以尽量减少软组织振动的影响。其垂直轴与受试者站立时的小腿垂直轴一致（Lucas-Cuevas 等人，2017 年）。传感器用双面胶带牢固地贴在皮肤上（García-Pérez 等人，2014 年），并用弹力带固定。

速度由两个电子光电池（Cronojump Boscosystem，西班牙巴塞罗那）控制和记录。在教练指导下进行标准热身（连续 5 分钟跑步和 10 分钟特定跑步练习，如关节活动、低位和高位跳平以及 15 至 20 米速度加速）后，运动员穿上钉鞋，然后将加速度计放置在两胫骨的远端前外侧区域（垂直轴与胫骨垂直），并将加速度计放置在头颅额叶的头部；根据运动员所承受的压力用带子调节加速度计（Johnson et al.,2020；Lucas-Cuevas 等人，2016）。

在标准 400 米跑道的直道和弯道一及弯道八（半径分别为 37 米和 45.10 米）上铺设聚氨酯（Tartan）（图 1）。给参与者的指令是从起点到 40 米的加速跑，直到在 20 米区域达到最大速度，而 pho-tocells 就位于该区域。根据以往的研究，重复之间的休息时间为 8 分钟，每组之间的休息时间为15 分钟（Churchill 等人，2015a, 2015b, 2018）。数据是在连续两天收集的：第一天在直道进行系列重复，第二天依次在第八道和第一道进行系列重复（Judson 等人，2018 年）。两天的天气条件相似，17:00至 21:00 时阵风为 2-4 米/秒（Neotek TL246，中国），气温在 26 至 30 摄氏度之间。

一个与光电池同步并由免费软件控制的接触式平台（Cronojump Boscosystem，西班牙巴塞罗那）用于将时间与加速度信号同步。此外，运动员还佩戴了一个腰包，里面放置了智能手机，用于接收加速度信号。运动员在接触平台上起跳后，准备进行 40 米加速冲刺，直到在光电池所在的 20 米区域（弯道中心区域）达到最大速度。

2.3 数据处理

加速度计数据存储在数据表中，然后与每个 20 米阶段的时间同步。为此，需要搜索起跳的初始信号峰值，将时间与加速度计采样频率同步，并剔除加速和减速阶段之前的信号，只考虑 20 米阶段的分析（该阶段与记录速度的距离相对应）。随后，使用定制的 MATLAB® 常规软件（R2021 版，The Math Works Inc.）为了提取时域变量，使用50Hz 巴特沃斯低通滤波器对信号进行滤波。计算每个信号的功率谱密度，将头部和胫骨的加速度转换到频域。使用基于头部信号相对于胫骨的传递函数确定冲击衰减（Gruber 等人，2014 年）。然后，将加速度信号的频率分量分离为低频区（3-8 赫兹）和高频区（9-20 赫兹），前者代表下肢的自主运动和整个站立阶段的躯干垂直加速度，后者则描述在最初接触地面时脚和腿的迅速减速（Gruber 等人，2014 年；Shorten & Winslow，1992 年）。

2.4 变量的计算

之前的研究（Gruber 等人，2014 年；Lucas-Cuevas 等人，2016 年）确定了加速度计信号中频域和时域的评估变量。以 g（1 g = 9.81 m/s2）为单位的胫骨幅度（Mag_T）是在时域中分析的唯一变量，表示撞击过程中胫骨加速度（Lucas-Cuevas等人，2016 年）。在频域中，计算了总信号幅度，即低频和高频段的总和，总信号幅度由胫骨（TSMtotal）和头部（HSMtotal）所含信号功率的积分来量化（Gruber 等人，2014 年）。然后，计算胫骨加速度信号（TSMlow、TSMhigh）和头部加速度信号（HSMlow、HSMhigh）中低频和高频段的总信号功率大小（TSMtotal）。计算了胫骨（TPPlow、TPPhigh、TPFlow 和 TPFhigh）和头部（HPPlow、HPPhigh、HPFlow 和 HPFhigh）低频和高频的峰值功率和峰值频率（Gruber 等人，2014 年；Shorten & Winslow，1992 年）。最后，计算了低频和高频的衰减（ATTlow 和 ATThigh），这符合透射原理；在高频下，衰减表示从胫骨到头部的冲击力下降（Gruber 等人，2014 年；Mercer 等人，2002 年；Shorten & Winslow，1992 年）。

2.5 统计分析

数据使用 SPSS v25 软件（IBM 公司，纽约州阿蒙克市）进行分析。使用 Shapiro-Wilk 检验（n < 30）验证了数据的正态性，该检验确定了所有变量的正态性。为了分析受试者内因素（跑道和腿部）对每个因变量的影响，使用 Bonfer-roni 校正调整配对比较中的显著性水平，进行了多变量重复测量方差分析（ANOVA）。最后，使用Mauchly 检验验证了球形性假设，在不符合上述假设的情况下，使用 Huynh-Feldt 调整。此外，使用 Eta 偏平方（Cohen，1988 年）计算效应大小，解释为 <0.01 = 可忽略，0.01-0.06 = 小，0.06-0.14 = 中，≥ 0.14 = 大。显著性水平定为 p <0.05。计算平均差异及其相应的置信区间（95% CI），以表示出现差异的变量的变化幅度。

3 结果

各跑道 20 米处的平均速度如下：直行跑道、一号弯道和八号弯道上的平均速度分别为8.106± 0.981 m/s、8.239± 1.104 m/s 和 8.310± 1.054 m/s。速度差异不明显（P > 0.05）。

在任何分析因素（跑道或腿部）中，与加速度影响相关的头部变量均未发现明显差异（表 1）。同样，研究中分析的任何自变量在衰减方面也没有明显差异（表 1）。

两条腿之间的频域和时域变量存在显著差异。与内侧腿相比，外侧腿的胫骨信号总幅度（TSMtotal）和胫骨幅度（Mag_T）（图 2）统计学上更高（分别为 p = 0.036，ŋ2 = 0.147；p = 0.002，ŋ2 = 0.253）。

跑道之间也存在差异（p < 0.05）。在时域中，直行跑道的 Mag_T 显著低于弯道一（p = 0.004，平均差 = -8.55，95% CI = -14.7/-2.42）和弯道八（p = 0.013，平均差 = -7.39，95% CI = -13.52/-1.26）（p = 0.02，ŋ2 = 0.253）。在

在频率域，直行跑道的 TSMtotal 和 TSMhigh 低于弯行跑道 8（分别为 p = 0.036，ŋ2 = 0.147，平均差 = -9.26，95% CI = -18.1/-0.40 和 p = 0.026，ŋ2 = 0.160，平均差 = -1.22，95% CI = -2.31/-0.13）。直道与弯道（p = 0.034，平均差异 = -2.5，95% CI = -4.85/-0.14）和第八道（p = 0.008，平均差异 = -3.02，95% CI = -5.38/-0.67）相比，高频成分（TPFhigh）的胫骨峰值频率较低（p = 0.006 和 ŋ2 = 0.218）。弯道之间没有差异（p > 0.05）。

关于支腿类型的可能影响及其与跑道类型的交互作用，结果显示并不显著。差异（p = 0.920）。

4 | 讨论

本研究旨在确定在弯道和直道上冲刺时，下肢的加速冲击和冲击传递是否存在差异，以及半径对冲击的影响。由于测试当天直道冲刺时的逆风较大，运动员可能会因为逆风条件而降低成绩。尽管如此，每个系列的条件都是冲刺到最大努力，不直接影响所受的冲击力，因为之前的研究在冲击力分析协议中将速度标准化，这样就可以通过统一速度来比较机械反应（Encarnación-Martínez 等人，2017 年；García 等人，2021 年；García-Pérez 等人，2014 年）。

我们最初的假设是，弯道冲刺时加速度冲击力的分布将是不对称的。结果支持了这一假设，显示外侧腿承受了更大的冲击负荷（第 1 道：↑ 16.4%，第 8 道：↑ 17.9%）。之前的研究表明，在弯道冲刺过程中，力量产生也是不对称的，外侧腿产生的力量更大（Churchill 等人，2015a，2015b；Judson 等人，2019a）。此外，地面接触时间也不对称；外侧腿的接触时间最短，表明它比内侧腿更有效地产生力量（Alt 等人，2015 年；Churchill 等人，2015a、2015b，2018 年；Ishimura & Sakurai，2016 年）。这一发现与我们研究中观察到的更高的胫骨加速度水平有关。总体而言，这些结果凸显了弯道冲刺时下肢运动学和动力学的变化，因为内侧腿需要更多时间发力，从而降低了加速度，影响了加速度冲击在两腿之间的分布。

此外，接受评估的运动员在直道上进行系列冲刺时，外侧腿的冲击负荷更大。之前的研究（Churchill 等人，2015a，2015b；Judson 等人，2019a）表明，内侧腿可能是弯道冲刺时降低速度的限制因素；然而，尚未发现有研究观察到内侧腿会降低直线冲刺时的成绩。这些发现可能与优势腿有关，这突出表明有必要进行研究，以确定非优势腿是否会限制直线冲刺时的表现。

我们的第二个假设表明，在弯道与直道上冲刺会发现差异；因此，通过证明弯道上的冲击负荷大于直道上的冲击负荷，我们接受了这一假设。总信号幅度和高频胫骨信号幅度是描述冲击力对其频率内容的影响程度的变量（Gruber 等人，2014 年），根据冲刺所经过的跑道不同而有所变化，跑道八不同时高频成分更高（p = 0.036 和 0.026）。同样，直道与弯道一和弯道八相比，高频峰值频率也有显著差异（p = 0.006）。在弯道之间进行比较时，胫骨的频率和幅度成分没有差异。因此，在胫骨加速度的时域变量中，直行跑道与一号弯道（平均相差 8.5 g）以及直行跑道与八号弯道（平均相差 7.3 g）之间也存在显著的统计学差异。因此，考虑到所有弯道的速度相似，结果表明弯道跑步对下肢的冲击负荷高于直道冲刺。这一信息可用于制定训练计划，其中包括加强下肢肌肉和关节的特定练习，尤其是涉及弯道跑的肌肉和关节。教练员可以考虑结合模拟弯道冲刺的练习，让运动员为在弯道跑道或场地上比赛的独特要求做好准备。此外，监测此类训练后的恢复策略也有助于降低因弯道跑过程中冲击负荷较大而受伤的风险。

在外部跑道上短跑时，没有记录直道与弯道之间冲击负荷的具体研究报告。不过，一些研究描述了CoM垂直加速度接近15-20 m/s2（1.5-2g）（Wixted等人，2010年），但没有证明直道和弯道之间加速度成分的变化。与 Wixted 等人（2010 年）的研究一致，最近的一项研究（Reenalda 等人，2018 年）检查了长跑运动员各个节段的加速度，包括胫骨和骶骨的加速度，结果显示胫骨近端的垂直加速度分别为 48.7 和 52.3 m/s2（4.9 和 5.3 g）。另一项研究（Bergamini等人，2012 年）报告了精英短跑运动员的垂直加速度，，垂直峰值的最大加速度为 70 m/s2（7.13 g）；与本研究的比较可能有限，因为踩踏模式（后脚）和加速度计位置（安装在背部）的技术发生了变化，而且他们没有区分弯道或直道（Reenalda 等人，2018 年）。

从科学的角度来看，这是第一项分析弯道冲刺时加速度冲击的生物力学反应的研究。目前还没有具体的文献支持我们在运动员身上的发现；不过，之前对足球运动员的研究（Filter 等人，2020 年；Loturco 等人，2020 年）表明，非优势腿可能与短跑弯道测试中成绩下降有关；在本研究中，有六名运动员的优势腿是右腿。此外，之前对短跑运动员的研究报告称，他们外侧腿的肌肉激活水平更高（Nevison 等人，2015 年）；因此，在习惯弯道短跑的短跑运动员外侧腿中观察到腰大肌的横截面积更大（Tottori 等人，2016 年）。

本研究的结果表明，在任何研究条件下，头戴式加速度计的冲击载荷都没有发生显著变化，衰减也没有出现显著差异。外侧腿的衰减增益较高，这可能与该腿受到的冲击负荷较大有关。由于被动和主动响应机制（Gruber 等人，2014 年）都能正确衰减每个加速度的冲击幅度，因此头部的加速度计没有检测到任何变化。

这项研究为了解弯道跑时有效表现所需的功能变形提供了宝贵的见解，因为对称步态会阻碍运动员有效地操纵弯道。我们的研究结果表明，要充分了解这些动态变化对运动成绩的影响，就必须进一步开展样本量更大的研究，并区分不同性别。

5 结论

与在直道上冲刺相比，在弯道上冲刺会明显增加冲击负荷，而跑道半径不会改变冲击负荷。在研究分析的所有跑道上，外侧腿比内侧腿支撑更大的冲击负荷；因此，在直道上冲刺时，内侧腿达不到外侧腿的性能水平，这可能会影响成绩。在弯道冲刺时，内侧腿无法发挥最大作用。

与在直道上冲刺相比，在弯道上冲刺会显著增加冲击负荷，而弯道的半径对冲击负荷没有影响。值得注意的是，在分析的所有跑道上，外侧腿承受的冲击负荷都大于内侧腿，这表明在直道冲刺时，内侧腿可能无法达到最佳水平。这种不平衡可能，并有可能阻碍整体成绩的提高。对于教练员和运动员来说，这些发现强调了针对性训练的重要性，以加强内侧腿的力量并提高其在弯道和直道短跑中的贡献。通过解决这些动态问题，练习者可以提高成绩并降低受伤风险。

图 1轨道仪器位置（自主研发）。

表 1频域分析的影响结果（平均值和标准偏差）。

图 2胫骨加速度大小的差异。#，腿部之间的显著差异（内侧与外侧）；*，跑道之间的显著差异。