短跑選手起跑支撐階段在肌肉間之運動協調探討 ·...

國立台北師範學院學報，第十四期（九十年九月）773～792 國立台北師範學院 773

短跑選手起跑支撐階段

在肌肉間之運動協調探討

翁梓林∗

摘要

人類在從事任何動作時，身體會受各關節間之交互作用而做運動。而身體在

多關節的運動，不管是在手部或是足部的平移運動(translation motion)，抑是身體

重心位置的平移，皆受身體各關節綜合運動(旋轉運動+平移運動)所影響，並將肢

體轉換成被需要的平移運動。本研究目的擬對短跑支撐階段動作，進一步解釋在

所謂約束條件下，其肌肉互動間運動協調之型態，是根植於身體在水平方向之身

體重心水平速度。本研究的方法係以文獻分析的方法，將有關影響短跑動作在肌

肉間之參數做分析與比較。其分析內容，包括有關影響短跑動作之運動學及動力

學參數分析。透過文獻之解析後，得到以下之結論：

短跑項目其肌肉間之控制與協調，存在著與解剖學對肌肉功能解釋有相互矛

盾的現象；也就是說雙關節肌肉會使膝關節參與伸肌之動作；並可以在它跨過的

關節處產生與力矩相反的作用。

關鍵字：淨關節力矩、淨關節功率、單關節、雙關節、平移運動、旋轉運動、綜

合運動

∗ 翁梓林：體育學系副教授

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國立台北師範學院學報，第十四期（九十年九月）773～792 國立台北師範學院 775

短跑選手起跑支撐階段

在肌肉間之運動協調探討

翁梓林∗

壹、問題背景生物力學(Biomechanics)是應用力學的原理與方法，研究生物系統結構與功

能，以及運動的一門科學(Hatze, 1971)。而運動生物力學(sports biomechanics)主要的研究對象則是人體運動，其研究方法可分為測量方法與分析方法兩部份，包括

運動學測量與分析(Kinemetry)、動力學測量與分析(Dynamometry)、人體測量與分析(Authropometry)以及肌電圖的測量與分析(Electromyography)(Ballreich, 1995)。

肌肉在運動中的功能，一般來說是依據解剖學位置來加以解釋。在最近研究

發現證實，單以解剖學的觀點來解釋肌肉的功能是不夠的，因為人體是屬於多關

節(Multi-joint)多肢體(Multi-segment)的複合運動，單關節肌肉可以對它不跨過的關

節產生作用(劉宇，民 88)。例如：比目魚肌(Soleus)在下肢體的關節中，只跨過踝關節並在該處產生力矩(Torque)，而對膝關節處同樣會產生加速度的作用，而且在

特定的條件下，它對膝關節的作用可以比對踝關節所產生的作用還大。而對雙關

節肌肉而言，可以在它跨過的關節處產生與力矩相反的角速度作用，譬如：腿後

肌腱群(Hamstrings)胯過膝關節與髖關節後方，解剖學稱為膝關節屈肌和髖關節伸

肌。但雙關節肌肉經常會出現與解剖學相矛盾的現象。

人類在從事任何動作時，身體受各關節間交互作用所影響。在多關節運動

中，不管是在手部或是足部的平移運動(translation motion)，抑是身體重心位置的平移，皆受身體各關節綜合運動(旋轉運動+平移運動)影響，而將肢體轉換成被需

∗ 翁梓林：體育學系副教授


要的平移運動。理論上，人體關節自由度的多寡(Degree of Freedom)將會影響人體

的運動，這就是著名自由度問題(Bernstein, 1967；Whiting, 1984)。從過去的研究發

現，像垂直跳(Vertical Jump)、溜冰(Skating)及自由車(Cycling)等運動在關節處上有

較不明確問題發生。Bernstein 認為只靠簡單地分析各肌肉如何使肢體運動，並不

能完整地解釋運動控制與協調( Motor Control and Coordination)之機轉，還必須進一

步去瞭解相互連接的多肢段之人體運動，還受到外力(重力、接觸力)，以及由肢

體運動而產生的力(Motion-Dependent Force)之影響。所以，在生物力學分析中，欲

想分析、測量並獲得控制人體運動的最佳化(Optimal Control Theory)，來描寫肌肉

骨骼系統，唯一的方法就必須透過以數學模式來解決此問題(Chow & Jacobson,

1971；Hatze, 1976, 1981; Pandy & Zajac, 1991; van Soest et al., 1992)。雖然有關運動控

制最佳化的結果是明確，但是對各項運動為什麼會有最佳化的表現，並不容易解

釋。所以，基於此理由，對於實際動作表現，所產生較為不明確的動作行為，必

須使用更多描述、分析方法，定義出一種所謂約束條件(constraints)，來協助並解

釋人體的複雜動作系統，使系統變得更有組織(Jacobs & Schenau, 1992)。這種約束

條件對人類肌肉動作系統在解剖、神經及生物組織方面是相當明確的。在之前有

關這方面的研究當中，大部份的假設為個別肌肉間有較低的變異，且基本的約束

條件與關節因旋轉之變化，而轉換成關節所需之平移運動是有關聯的(Bobbert &

Ingen Schenau, 1988; Ingen Schenau, 1989; de Koning et al., 1991)。依據 Jacobs & Ingen Schenau(1992)等人指出約束條件有以下兩種基本型態：

(一)一種幾何與解剖之約束條件(Geometrical and anatomical constraint)。從關節

處所產生角加速度(angular acceleration)的變化，轉換成身體重心位置的平移加速

度，這類型與垂直跳動作(Ingen Schenau et al., 1987; Bobbert & Ingen Schenau, 1988)

及溜冰動作有關(de Koning et al., 1991)。

(二)一種有關於因受外力環境之(重力、接觸力)影響，而改變方向之控制，像

是自由車之動作(Ingen Schenau, 1989)。

然而身體每一肢段之貢獻，在於肢段因旋轉轉換化成為身體重心位置平移運

動時，皆必須依照簡單之幾何模式(Bobbert and Ingen Schenau, 1988)。然而身體重

心之線性速度，不僅需依賴各關節角速度之產生，而且需視身體肢段之位置

(position of the segment)而定。換言之，身體肢段之方位須接近身體重心線性速度

之方向，這就是幾何之約束條件(Geometrical constraint)。再者，如果關節完全伸展

(extension)，其身體角速度之值必需為零，以避免傷害關節附近之結構(被動)；這就是所謂解剖之約束條件(Anatomical constraint)。有關在垂直跳之分析當中，被執

短跑選手起跑支撐階段在肌肉間之運動協調探討 777

行最大效能時，在肢段與關節處會產生一連串，從近端帶動到遠端的動作型態；

然後延遲因幾何與解剖之約束條件所產生之不利影響，到推蹬動作之結束期為

止。(Bobbert & Ingen Schenau, 1988)。基本上，這種肢段從近端帶動到遠端之鞭打

動作，單關節之肌肉(monoarticular muscles)能縮短至超過它們的範圍，期間雙關節

肌肉(biarticular muscles)藉由近端之肌肉所產生之能量，傳送至被有效應用遠端關

節的位置(Gregoire et al., 1984; Ingen Schenau et al., 1987; Bobbert & Ingen Schenau,

1988; Ingen Schenau & Cavanagh, 1990)。

根據自由車動作之分析，發現顯示肌肉在大部份的工作，在環境上需求是由

外力方向之控制，且與力矩的分配是完全不同，而相同工作力矩大小問題，須視

關節之位置而判定。在比較關節所獲得之力矩與關節位置所獲得的改變量，是完

全不同的(Ingen Schenau, 1989; Ingen Schenau et al., 1991)。從以上這個問題似乎很明

確解決，單關節肌肉與雙關節肌肉之間互動與差異，在雙關節肌肉似乎只對控制

外力作用方向負責。這問題起因於動作期間肌肉間運動協調型態之大小，與垂直

跳、溜冰等動作所使用較不明確的方法是完全不同的。本研究擬選擇短跑起跑動

作支撐階段之一步作為分析，之所以選擇此項目是基於短跑動作有較為明確大

小，與垂直跳比較下主要是決定於下肢體(大腿)的伸展具有爆發性，但為了避免

較多之複雜性，其主要目的是短跑選手如何使身體重心在水平方向產生加速度。

以短跑支撐階段的第一步而言，其動作系統之目的是控制關節角速度，轉換

成在水平方向身體重心之線性速度。從短跑的支撐腿維持在較多或較少之穩固位

置，使身體重心的兩種主要型態不同於垂直跳的動作型態：腳步肢段之旋轉，並

連接腳部的伸展，使身體重心與腳部距離增加。以下圖 1 為短跑選手下肢體簡單

模式之示意圖，從圖中是將短跑選手假設視為一個重的質量(heavy mass)，而在身

體下肢段(大腿)簡化成一塊肢段，且此肢段能充份伸展﹔此模式在身體重心垂直

分速度與水平分速度，是依據動作系統中下肢段的伸展 (extension) 與旋轉

(rotation)﹔可由下列數學方程來表示之。式中θ是身體下肢段與地面水平方向所形

成之角度﹔而身體重心水平速度取決於肢段之伸展與旋轉，分別由數學符號 l cos

θ，l w sinθ來表示。式中計算短跑選手在支撐階段前期之幾何參數，如 sinθ夠

大時是由 θ決定肢段之旋轉﹔而 cosθ夠大時支撐階段後期所產生效益是來自

肢段伸展，數學方程是取決於 cosθ。特別注意的是肢段長度的變化，並不能完

全依靠肢段之旋轉﹔還必須受到身體重心垂直速度之影響(方程式 2)。為了在水

平方向增加身體重心之水平分速度，並基於身體肢段之旋轉，將身體全部肢段之

伸展與平移兩者間，視作一個複雜交互系統是不可避免的。


圖 1 短跑選手下肢段在支撐階段之前、後期，以簡單之幾何模式圖代表；系統

中肢段之旋轉與伸展影響身體重心水平速度與垂直分速度

(註：X，bcg 表身體重心水平分速度；Y，bcg 表身體重心垂直分速度)

根據以上問題背景，本研究目的擬對短跑支撐階段動作，進一步解釋在所謂

約束條件下，其肌肉互動間運動協調之型態，是根植於身體在水平方向之身體重

心水平速度所影響。

貳、研究方法

本研究的方法係以文獻分析的方法，將有關影響短跑動作在肌肉間之參數做

分析與比較。本章主要分成二個部份加以說明，分別為：影響短跑動作之運動學

及動力學參數分析。


參、影響短跑支撐階段之運動學

與動力學參數分析

本研究主要在探討短跑動作肌肉間運動控制與協調之型態，且能夠去解釋先

前所提到的所謂的約束條件。為了能解答此問題，首先必須發現如不同短跑選手

使用同樣方法去操作同樣動作，在肌肉間會發生什麼情形。從多篇研究結果發現

(Jacobs & Ingen Schenau van，1992；Mann & Spraque，1982；劉宇，1993)，可提供對短跑動作型態，給予一些詳細的描述(肌肉間之互動型態)；並從參數中的一

些量度，包括運動學與動力學的參數(見表 1)，能清楚看出在不同優秀短跑選手

中，其間個別之變異量是較小的。另外，可瞭解到使用同樣的實驗方法，可獲得

肢段長度旋轉之量值(圖 5、圖 6)；且不管肌肉關節之自由度數量，對於這種較不

明確的肌肉運動型態是顯而易見的(見圖 8)。所以，可下一個結論就是，對於不同

的短跑選手而言，以這種方法操作是可執行的。

圖 2 短跑選手在起跑階段不同時間變化，其支撐腿、擺動腿、身體軀幹、作用

力及身體重心位置連續圖(黑點表示身體重心位置) (摘自 Jacobs et al. ，1992)

從圖 2 可發現，在支撐階段身體重心位置維持在一定高度（髖關節之前）﹔

且在支撐前期，合力相當快就通過身體重心位置之前，並在支撐前期之 100ms 處

至腳離開地面，其地面反作用力線，則通過身體身體重心位置之後。


表 1 優秀短跑選手下肢段各關節在支撐腿著地與離地之角度，最大角速度，最

大力量，最大淨力矩與最大功率(S.E.M =Standard Error of the Mean)

關節角度關節平均數平均標準誤平均時間(ms) S.E.M 著地角度髖關節 1.73 ±.06

(rad) 膝關節 1.95 ±.03 踝關節 1.40 ±.05

離地角度髖關節 3.01 ±.06

(rad) 膝關節 2.79 ±.06 踝關節 2.14 ±.04

最大角速度髖關節 11.97 ±.36 37 ±2 (rad) 膝關節 9.57 ±.48 34 ±2 踝關節 21.50 ±.73 12 ±2

最大作用力

( N ) 水平分力 8.50 ±.32 52 ±2 垂直分力 20.63 ±.66 86 ±4

最大力矩

( N-m ) 膝關節 1.80 ±.17 88 ±3 踝關節 3.15 ±.10 78 ±4

最大功率

( w ) 膝關節 9.06 ±.76 64 ±3 踝關節 28.18 ±2.44 34 ±2

優秀短跑選手，經攝影機與測力板儀器同步操作後，得到不同運動學與動力

學參數。當比較以個人在短跑支撐階段之相關參數時，發現在有些變項並不一致﹔

而這些參數大小從圖 3、圖 6 及表 1 得知發現，在短跑支撐階段平均停留時間為

175 ±2.9 ms。


圖 3 優秀短跑選手(平均曲線)在不同作用時間其肢段之旋轉與伸展分量中，影

響身體重心位置之水平分速度之貢獻情形(X，bcg 表示身體重心之水平分速

度)

之前以數學推導出影響身體重心在水平方向的速度，包括身體重心之水平

分速度與垂直分速度（見方程式 1 與 2），再從圖 3 可進一步瞭解到影響身體重

心水平速度為下肢段長度之伸展與旋轉﹔短跑支撐前期身體重心水平速度取決

於身體重心之旋轉分量（l w sinθ）﹔相對地，在支撐階段後期身體重心之水平

速度取決於身體重心之伸展分量（- v cosθ）。所以，選手在短跑支稱前期開始，

僅賴於肢段之旋轉才有用，因為θ角為９０度時才有最大值產生﹔此時腳部肢

段的伸展是無作用可言，因為 cosθ值幾乎是零。而在支撐階段期間，如角度θ

增加，這意味著 sinθ減少及 cosθ增加，讓肢段長度逐漸增加並伸展是有用的，

此時肢段之旋轉產生較少之效能。圖 4 顯示為影響身體重心水平分速度之肢段伸

展與旋轉分量之貢獻情形，顯然可清楚發現短跑選手，支撐腿在剛與地面接觸

時，下肢段之伸展速度為零，相對地旋轉速度此時最大﹔隨著支撐時間之變化，

直到支撐腿近離開地面瞬間時，肢段之伸展速度為最大。


圖 4 起跑階段在不同時間變化裏，影響身體重心水平分速度中之幾何圖。下肢

段長度之旋轉分量以(l w sinθ)示之；下肢段長度之伸展分量以（- v cosθ）

示之

圖 5 顯示短跑選手支撐階段四塊主要肢段角度與角速度之平均曲線變化發

現，大腿(虛線)與足部(dashed-dotted line)之關節角度變化明顯不同，而四塊主要

肢段關節角速度在支撐時間之 40~10ms 處有最大值產生﹔而軀幹肢段(實線)之關

節角度與角速度在整個支撐時間變化裏，改變量較微小。另外，小腿部份(dotted

line)在支撐前期維持一定之角度至離開地面。


圖 5 短跑選手在起跑支撐階段，四塊主要肢段在不同作用時間之角度與角速

度平均曲線變化(虛線表大腿肢段；橫點相間線表足部肢段；實線表軀

幹；點線表小腿肢段)


圖 6 短跑選手在不同支撐時間，其髖關節､膝關節及踝關節角度與角速度之平

均曲線變化圖

從圖 6 顯示為短跑選手在不同支撐時間裏，其髖關節､膝關節及踝關節在角

度與角速度之平均曲線變化。當支撐腿與地面接觸時，髖關節與膝關節是處在彎

屈之位置，且關節角速度較低﹔但從支撐時間 100ms 處大腿與足部之角速度顯

著增加﹔髖關節與膝關節在支撐時間 37ms 與 34ms 時，有最大角速度產生分別

為 11.97 & 9.57 rad/sec，踝關節在支撐前期是屬於背面彎屈，並在 12ms 時有最大

角速度產生 21.50 rad/s。


圖 7 短跑選手在不同支撐時間，其髖關節、膝關節及踝關節在肌肉力矩與功率

之平均曲線變化

圖 7 顯示為短跑選手在不同支撐時間裏，其髖關節、膝關節及踝關節在肌肉

力矩與功率之平均曲線變化。從圖中可發現，支撐腿與地面接觸時，其髖關節所


產生力矩(moment)是負值，並一直維持到支撐腿離開地面為止﹔並發現膝關節力

矩在支撐前期的 20ms 處有負值產生，且在支撐時間 88ms 產生最大值 1.8 Nm/kg，

直至支撐時間後期的 30ms 處作用力矩才逐漸減少。另外，關節淨功率之定義為淨

關節力矩乘上關節角速度﹔從圖 7 與表 1 可發現在支撐時間 34ms 附近，踝關節有

最大功率 28.18w 產生(見表 1)﹔相對的此時髖關節有負值功率產生及膝關節有較

低的功率值(接近於零)產生。

從下肢段三個主要關節，看短跑選手在支撐階段之正值功率變化，可發現功

率之累積，從髖關節至膝關節到踝關節，似乎存在近端帶動遠端之連續性的事實。

有一點須注意的就是，在支撐前期足部的屈肌(plantar flexors)的擴展，在踝關節處

有負值的功率產生。

人體為了獲得活動時之最大效益，肌肉間之單關節運動時運動協調特徵，應

從肢段之近端帶動到遠端而作用；然而相對於跳躍動作，雙關節肌肉(腿後肌腱群

及股直肌)是明顯的不同。現在對這個問題應是起因於這些肌肉型態之大小為何？

及對短跑選手有最大運動表現時，肌肉在支撐時間的最佳化為何？本文試著以短

跑項目，在有約束條件下探討動作型態與肌肉間互動型態兩者之間的關係。為了

能獲得這兩者間關係，對於動作力學的要項給予基本定義是不可或缺的(Bingham,

1988; Bobbert & Ingen Schenau, 1988; Ingen Schenau, 1989)。基於此認知，首先之步

驟應對短跑項目去明確制定大小，並與垂直跳動作相比較(Bobbert & Ingen Schenau,

1988)。然而這種概念的定義是應該作一些調整，使短跑動作要項之複雜性能符合

一般研究中所使用的方法。因此，在短跑支撐階段之前期被定義為身體重心有效

能量儲存且在身體重心水平速度的獲得；而有效能量獲得起於身體重心之水平分

速度。從垂直跳動作之分析瞭解到，欲獲得最佳運動表現，在肌肉間之時間連續

性是必要的(Bobbert & Ingen Schenau, 1988)；同樣的以這種方法去探討肌肉活動情

形，並儘可能累積有效能量是確實可行的。對單關節肌肉而言，對最大運動表現

之獲益有一般之需求分別為：(一)肌肉必須有最大縮短產生；(二) 直到肌肉完全

縮短，肌肉才有最大動能產生；(三)能量之產生，肌肉必須有效益的被應用。短

跑動作型態亦是如此，肌肉收縮獲得最大之能量時，支撐時間是有連續性；而雙

關節肌(腿後肌腱群與股直肌)顯示出一些違背肌肉功能的現象。在短跑所有肌肉

群所產生的功率是正值。從實驗結果可顯示，短跑選手必須有策略去延遲支撐腿

之伸展，讓肢段一開始就產生旋轉。從圖 2 可看出短跑選手接觸身體重心位置，

身體合力作用線的點維持在前面；此時身體重心之水平分速度取決於支撐腿肢段

之旋轉 (方程式 1 與圖 3)；隨著支撐時間變化，增加身體重心水平分速度，必須


決定於擺動腿(explosive leg)肢段之伸展，因為可增加身體肢段之轉動慣量(moment

of inertia)，進而增加關節之角加速度產生；而轉動慣量增加是起因於身體重心水

平分速度之旋轉分量減少所致。

屈肌力矩的增加，起因於在短跑支撐階段結束前腓腸肌參與活動之增加所

致，並減低膝關節伸肌力矩；此時膝關節之角速度會增加。由於幾何的約束條件

所致，當膝關節角加速度轉換成身體重心之水平加速度時是有所限制：膝關節儘

可能伸展。從圖 8 可發現到股直肌能量是由於膝關節伸肌游離，並將能量藉由腓

腸肌從膝關節傳送到踝關節。而這樣傳送結果在踝關節產生相當高的功率，並在

近端肌肉所產生的功率，藉由足部屈肌釋放出來。所以，因彈性能的釋放，使足

部屈肌能有較高的功率可貢獻(de Graaf et al., 1987)，並進一步在踝關節處輸出較高

功率，致使身體重心水平分速度持續增加至腳步離地。

圖 8 影響短跑水平分速度之身體重心水平分速度；與踝關節在水平方向速度

(X，a)之間差異 (鉅齒狀表優秀選手之平均曲線)


肆、結論

圖 9 短跑肌肉間運動協調之型態（摘自 Jacobs et al., 1992）

在短跑肌肉間運動協調之型態(圖 9)，可觀察到對短跑項目而言，肌肉間一連

串從近端帶動遠端之鞭打效應(力量傳遞原理)產生較有利的效能。而動作之執行問題，似乎須藉由中央神經系統( central nervous system)來有效地解決。以單關節肌

肉而言，需遞送正的功率；及雙關節肌肉會將功率分配到可動關節上，並能應用

更多之效益去符合短跑動作的一些需求。換言之，短跑項目其肌肉間之控制與協

調，存在著與解剖學對肌肉功能解釋有相互矛盾的現象；也就是說雙關節肌肉會

使膝關節參與伸肌之動作；並可以在它跨過的關節處產生與力矩相反的作用。

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Journal of National Taipei Teachers College, Vol. ⅩⅣ(Sep. 2001) 773~792 NATIONAL TAIPEI TEACHERS COLLEGE 791

The Coordination of the Inter-muscle in Sprint Push-off

Tzu-lin Won∗

ABSTRACT

This study was designed to investigate the patterns of intermuscular coordination

during a sprinting event. In previous research it was found that despite the indeterminacy problem of movement control, movements like vertical jumping , speed skating and cycling are preformed in a stereotyped manner. It was hypothesized that this might be due to constraints associated with the transformation of joint rotations into the desired translation. The objective of the present study was to determine the extent to which the intermuscular coordination patterns during other movements also are performed in a stereotyped manner and , if that is true, whether this can be understood on the basis of such constraints.

Elite sprint runners were instructed to execute an explosive sprint dash. Ground reaction forces and cinematographic data were recorded for the second stance phase of the sprint. Linked-segment modeling was used to obtain net joint moments and net joint powers.

Different athletes appeared to perform the sprint in a stereotyped manner. The muscle coordination pattern is characterized by a proximo to distal sequence in timing of the monoarticular muscles. When compared to the sequential pattern found in jumping, the biarticular hamstrings and rectus femoris muscles behave differently; in the sprint a more pronounced reciprocal activity between these muscles exists. The resulting movement pattern is characterized by a sequence of upper leg extension and plantar flexion.

The observed sequence in timing of muscle activation patterns is aimed at ∗ Tzu-lin Won: Associate Professor, Department of Physical Education

792 Journal of National Taipei Teachers College, Vol. ⅩⅣ

solving the problems associated with the earlier identified geometrical and anatomical constraint . However, the coordination pattern cannot be fully understood on the basis of these constraints. A specific constraint is identified with respect to the direction of the ground reaction force, which explains the pronounced reciprocal activity of the biarticular hamstring and rectus femoris muscles.

The intermuscular coordination pattern in the sprint can be seen as a compromise between the specific requirement of the sprint and the advantageous effect of a proximo to distal sequence as found previously for jumping.

Key words：intermuscular coordintation, biarticular, monoarticular, net joint

moments, net joint powers, translation, rotation

The Coordination of the Inter-musclein Sprint Push-off

Tzu-lin Won(ABSTRACT

短跑選手起跑支撐階段 在肌肉間之運動協調探討 ·...

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