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精英跑步者的生理学

竞技跑步可以理解为跑完一段特定距离所需的时间,衡量成绩的基准是运动员冲过终点线时的计时时间。在精英水平上,奥林匹克项目从 100 米到马拉松不等,超过 100 米的项目则被归类为超级马拉松。

这些单项比赛旨在决出世界上速度最快的运动员。然而,比赛距离和持续时间的差异导致了独特的赛事需求和相关的成绩决定因素。在此,我们将探讨跑步的生理学,尤其关注马拉松赛跑的生理需求以及与精英耐力跑运动员和短跑运动员相关的运动学(动作)变量。

耐力跑运动员

据记载,马拉松长跑的主要生理需求是: 

  • 最大摄氧量(VO2 max)--每公斤体重每分钟的最大摄氧量和利用率。
  • 乳酸阈值--血液中乳酸增加超过基线水平和跑步经济性的点。
  • 特定运行速度下的能量需求(1)

 

耗氧量

在耐力跑过程中,氧气被吸入体内,以促进有氧能量的产生和运动表现。随着运动强度的增加,维持运动成绩所需的耗氧量也在增加。这种趋势一直持续到达到最大点,在这个点上,随着运动强度的增加,耗氧量无法进一步增加。这个点定义了最大氧饱和度,代表了人体在运动过程中能够吸收和利用的最大氧气量。 

以每公斤体重每分钟耗氧毫升数(ml/kg/min)表示,据报道,精英耐力运动员的最大 VO2 值介于 70 至 85 ml/kg/min 之间(2,3),而未经训练的跑步者的最大 VO2 值为 43.5 ± 7.0 ml/kg/min4)这些较高的最大氧饱和度值支持了长跑比赛中更快的奔跑速度,并最终赢得比赛。

乳酸阈值

马拉松长跑的第二个生理需求是乳酸阈值,它可以用最大氧饱和度的百分比来表示,与血液中乳酸首次高于基线水平有关。乳酸阈值的提高通常会提高耐力跑成绩(1)

在精英运动员群体中,乳酸阈值可达到最大氧氧量的 82.0±6.6%,而在未经训练的人群中,乳酸阈值为 76.6±6.4%(4)。结合较高的绝对最大氧氧量,能够以较高的最大氧氧量百分比长时间运动的耐力跑运动员可以维持较快的跑步速度。

在耐力跑精英选手中,如果最大容氧量相近,则跑步经济性更能预测成绩(5)

能源需求

根据给定跑步速度的能量需求定义,在相同速度下,与跑步经济性差的运动员相比,跑步经济性好的运动员消耗的能量更少(5)。在给定的跑步速度下,消耗更少的能量,因此使用更少的氧气,就能培养出更高效的精英耐力跑运动员。

决定跑步经济性的变量很多,可分为以下几类:训练因素、环境、生理、生物力学和人体测量。耐力跑运动员如果能将高VO2max与良好的跑步经济性结合起来,就有可能在比赛中表现最佳,率先冲过终点线。

影响运行经济性的因素
培训 环境 生理学 生物力学 人体测量
- 负重练习
- 阻力训练
- 训练阶段
- 速度、运动量、间歇、坡度
- 海拔高度
- 热量
- 最大容氧量
- 青少年发育
- 代谢因素
- 不同跑步速度的影响
- 灵活性
- 弹性储能
- 机械因素
- 地面反作用力
- 肢体形态
- 肌肉硬度、肌腱长度
- 体重和成分

短跑运动员

100 米决赛通常被视为地球上所谓最快运动员的定义 (6)。跑步的生理学和运动学因素共同造就了在 10 秒内跑完 100 米所需的短跑速度。短跑运动员的主要生理因素是高比例的快捻肌纤维,在精英短跑运动员中高达 75% (6

快捻肌纤维能以很高的速度产生力量,使短跑运动员每一步都能产生更高的力量输出。由此产生的每接触地面时间的新陈代谢功率和机械输出功率使精英级短跑成绩接近人类成绩的极限(6)

决定短跑速度的两个关键运动变量是步长和步频(7)。这两个变量的最佳比例将使短跑运动员达到最高速度。由于这两个变量之间的关系是相互依存的,因此增加其中一个变量就有可能提高短跑成绩。 

然而,由于这些都是因变量,增加步频会减少步长,而增加步长又会减少步频。当希望提高其中一个变量和整体短跑成绩时,只有当另一个变量没有出现成比例或更大程度的下降时,才能看到成绩的提高。一项对精英 100 米成绩的分析报告显示,步频为 4.25 赫兹,步长为 2.44 米,结果跑步速度为 10.38 米/秒,100 米成绩为 9.63 秒(7)

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参考资料

  1. Midgley, A. W., McNaughton, L. R., & Jones, A. M. (2007)。通过训练提高长跑成绩的生理决定因素。运动医学》,37(10),857-880。
  2. Joyner, M. J., & Coyle, E. F. (2008).耐力运动表现:冠军的生理学。生理学杂志》,586(1),35-44。
  3. Billat, V. L., Demarle, A., Slawinski, J., Paiva, M., & Koralsztein, J. P. (2001)。顶级马拉松运动员的身体和训练特点。运动与锻炼中的医学与科学》,33(12),2089-2097。
  4. Caputo, F., Mello, M. T., & Denadai, B. S. (2003)。自行车和跑步中的摄氧量动力学和耗竭时间:受过训练和未受过训练者之间的比较。生理学和生物化学档案》,111(5),461-466。
  5. Saunders, P. U., Pyne, D. B., Telford, R. D., & Hawley, J. A. (2004).影响训练有素的长跑运动员跑步经济性的因素。运动医学》,34(7),465-485 页。
  6. Beneke, R., & Taylor, M. J. (2010)。是什么给了博尔特优势--AV Hill 早就知道!》,《生物力学杂志》,43(11),2241-2243。生物力学杂志》,43(11),2241-2243。
  7. Krzysztof, M., & Mero, A. (2013)。史上三个最佳百米成绩的运动学分析。人类运动学杂志》,36(1),149-160 页。
撰写人

本-萨缪尔斯

本是Science in Sport