在男子标枪投掷动作的投掷阶段，质心速度与跨步阶段的减速情况之间并没有很强的相关性

《Frontiers in Sports and Active Living》：Center-of-mass velocity during the delivery phase in men's javelin throw is not strongly related to deceleration throughout the cross-step phase

　　摘要
引言：在标枪投掷中，最后一脚后脚接触时的整体质心速度是决定成绩的关键因素，这一时刻标志着投掷阶段的开始。然而，之前跨步阶段的速度变化尚未得到充分理解。本研究旨在量化整个跨步阶段中的质心速度动态，识别影响这些动态的因素，并研究它们与投掷阶段开始时的速度之间的关系。

方法：使用数码相机记录了参加全国锦标赛的18名右手投掷标枪的运动员的比赛过程。分析了跨步阶段的最后四步，并计算了整体质心速度。通过相关分析和重复测量方差分析（ANOVA）来评估变量之间的关系以及个体内部的变化。

结果：投掷阶段开始时的水平质心速度与跨步阶段开始时的水平速度有很强的相关性（r = 0.890，p < 0.001），而与跨步阶段整体速度下降的相关性较弱（r = 0.249，p = 0.319）。此外，最后的跨步速度低于之前的步骤，并且与整个跨步阶段的速度下降有很强的相关性（r = 0.791，p < 0.001）。

讨论：这些发现表明，投掷阶段开始时速度的个体差异与初始跨步速度的关系比与跨步阶段速度下降幅度的关系更为密切。尽管如此，由于跨步阶段后半段的速度下降较为明显，进一步研究这些步骤中的减速机制因素可能会为接近速度的调节提供额外的见解。

1 引言
标枪投掷包括三个不同的阶段：助跑、跨步和投掷。比赛成绩主要取决于标枪的初始速度、释放角度、释放高度、从释放位置到犯规线的距离以及飞行过程中的空气动力学因素。其中，初始速度与投掷成绩的关系最为密切。增加初始速度是提高标枪投掷成绩的最关键因素。因为标枪在投掷阶段的速度会迅速增加，大多数先前的研究都集中在影响这一阶段初始速度的因素上。这些研究表明，获得较高初始速度的运动员表现出更大的整体质心（CoM）速度、标枪握把与前脚着地时CoM之间的水平距离更长，以及肩膀、肘部和标枪的峰值速度更高。总之，前脚着地时具有较高的CoM速度对于有效加速标枪通过后续的上肢投掷动作并获得较高的初始速度至关重要。

值得注意的是，村上等人（Murakami et al.）报告了投掷成绩与最后一脚后脚着地时的CoM速度之间的相关系数为0.742。村上等人（Murakami et al.）还证明了前脚接触时的CoM速度与后脚接触时的CoM速度之间存在强相关性（r = 0.925）。较高的CoM速度有利于增加整体机械能，从而在最后前脚着地后的投掷动作中增强能量传递给标枪。因此，最终传递给标枪的机械能部分取决于助跑和跨步阶段发展出的CoM速度。

跨步是标枪投掷独有的动作，在这个动作中，躯干和投掷臂将标枪向后拉，而双腿则进行冲刺动作。然而，专门研究跨步阶段CoM速度动态的研究仍然有限。理论上，最后一脚后脚接触时的CoM速度等于跨步开始时的速度加上该阶段的速度变化。然而，这两个因素的相对贡献仍不清楚。此外，过高的CoM速度可能超出运动员的适应能力，导致表现不佳。鉴于这种可能性，运动员可能在投掷阶段开始前调整他们的速度。跨步阶段的“最后一跳”通常比之前的步骤具有更大的步长和飞行时间，水平速度可能会降低。量化这些关系可以提供关于如何在投掷阶段开始时实现高CoM速度的策略，这是标枪投掷成绩的关键决定因素。

因此，本研究旨在量化跨步阶段中CoM速度的动态，识别影响这些动态的因素，并研究它们与投掷阶段开始时的速度之间的关系。我们测试了三个假设：(1) 最后一脚后脚接触时具有较高水平CoM速度的运动员在跨步阶段开始时表现出较高的水平速度，并且整个阶段的速度下降较小；(2) 最后一步的水平速度显著低于之前的步骤；(3) 在跨步阶段整体速度下降较大的运动员在最后一步的速度下降也较大。

2 材料与方法
2.1 参与者
共有18名男性标枪运动员参与了这项研究（他们的投掷记录范围为63.59–87.16米）。所有参与者都是右手投掷者，并根据运动员分类框架被分为第三级（高水平，国际水平）或第四级（精英水平，国际水平）。样本量是通过G*Power软件预先确定的，用于相关分析。基于双尾检验、效应量为0.7、α水平为0.05和统计功效为0.8，计算出最低需要的样本量为11名参与者。本研究得到了第一作者和通讯作者所属机构的伦理审查委员会的批准（批准编号：2024–019）。

2.2 数据收集与处理
使用位于体育场看台助跑区左侧的数码摄像机（HC-W870M，Panasonic，大阪，日本）记录了比赛中的跨步动作。为了最小化视角失真，摄像机位于跑道大约50米处。为了减少边缘失真，在记录的图像两边各加上了2米的边界。帧率设置为60赫兹，曝光时间为1/1000秒。记录区域覆盖了助跑区后面4–16米的范围。在比赛之前，在该区域的四个位置（助跑路径中心，犯规线后面4、8、12和16米处）放置并记录了一个校准杆。

所有参与者在跨步阶段都采用了四步的风格（图1）。选择了每位运动员的最佳尝试进行数据分析。使用运动分析软件（Frame-DIAS IV，Q'sfix，东京，日本）手动数字化了23个身体标志点。采用二维方法是因为主要关注的变量是水平速度，而且运动方向主要限制在矢状面上。建立了一个以水平助跑方向为X轴、垂直方向为Y轴的二维坐标系。使用二维直接线性变换方法计算了标志点的坐标。X轴的校准误差为0.008米，Y轴的校准误差为0.004米。后续处理在MATLAB（版本2019a，MathWorks，美国马萨诸塞州）中完成。坐标数据使用2.4–4.2赫兹的巴特沃斯低通数字滤波器进行平滑处理，该方法通过残差法确定。

图1 显示了跨步阶段的二维分析范围。

分析涵盖了跨步阶段内的五个关键脚接触事件：跨步阶段开始时的第一只右脚接触（R-on1）、第一只左脚接触（L-on1）、第二只右脚接触（R-on2）、第二只左脚接触（L-on2）以及最后的右脚接触（R-on3），这标志着跨步阶段的结束和投掷阶段的开始（图1）。定义了四个步骤：Step1（R-on1到L-on1）、Step2（L-on1到R-on2）、Step3（R-on2到L-on2）和Step4（L-on2到R-on3）。

使用Ae等人（Ae et al.）报告的日本运动员的身体部位惯性参数估计了整体CoM位置。为了减少60赫兹采样运动数据的数值微分所带来的噪声放大，使用步平均速度而不是瞬时速度来量化跨步阶段中的水平CoM速度。对于每个步骤，通过计算两个连续脚接触事件之间的CoM水平位移除以这些事件之间的时间差来确定水平速度。这个测量反映了CoM在每个步骤中的净水平速度，包括站立和飞行阶段。跨步阶段开始时的水平速度定义为Step1期间的速度。

投掷阶段开始时的水平速度定义为最后一只后脚接触（R-on3）时的特定事件速度。为了增强对数值微分引起的测量不确定性的鲁棒性，R-on3时的速度是从最后一只左脚离地到R-on3的平均水平CoM速度（平均值±标准差：13.8±2.1帧）。这种方法基于这样一个假设：当忽略空气动力学效应时，水平CoM速度在飞行阶段几乎保持不变。因此，这个程序提供了投掷阶段开始时瞬时速度的局部平均估计，同时减少了随机测量误差。

整个跨步阶段的变化定义为Step4速度减去Step1速度。步骤特定的变化是通过连续步骤速度之间的差值计算的。负值表示净减速，而正值表示净加速。

2.3 统计分析
使用Shapiro-Wilk检验评估了所有变量的正态性。使用皮尔逊相关系数（Pearson's correlation coefficient）评估变量之间的关系。根据Hopkins等人（Hopkins et al.）的解释，相关性的大小分为：微不足道（< 0.1）、小（≥ 0.1）、中等（≥ 0.3）、大（≥ 0.5）、非常大（≥ 0.7）和极其大（≥ 0.9）。使用单因素重复测量方差分析（ANOVA）评估步骤之间的差异，然后进行Bonferroni调整后的事后比较。使用部分eta平方（η2pηp2）计算ANOVA的效应大小，使用Hedges's g进行成对比较。根据Cohen（Cohen）的解释，效应大小分为：部分eta平方的小（> 0.01）、中等（> 0.06）和大（> 0.138）；Hedges's g的小（> 0.2）、中等（> 0.5）和大（> 0.8）。

3 结果
图2显示了从Step1到Step4的水平CoM速度。重复测量方差分析揭示了步骤的主效应显著（η2pηp2 = 0.730，p < 0.001；大效应）。事后Bonferroni调整后的多重比较表明，Step3的速度低于Step1和Step2的速度（Step1与Step3：g = 0.701，p = 0.038，中等效应；Step2与Step3：g = 1.112，p = 0.002，大效应）；Step4的速度低于Step1、Step2和Step3的速度（Step1与Step4：g = 1.603，p < 0.001；Step2与Step4：g = 1.916，p < 0.001；Step3与Step4：g = 1.585，p < 0.001；所有都是大效应）。图3展示了R-on3时的水平CoM速度与Step1速度以及整个跨步阶段整体速度变化之间的关系。R-on3时的水平速度与Step1速度呈正相关（r = 0.890，p < 0.001；非常大的效应），而R-on3时的水平速度与整个跨步阶段的整体速度变化仅呈小相关（r = 0.249，p = 0.319；小效应）。图4显示了整个跨步阶段的整体速度变化与每个步骤的速度变化之间的关系。Step2期间的速度变化（r = 0.482，p = 0.043；中等效应）和Step4期间的速度变化（r = 0.791，p < 0.001；非常大的效应）与整个跨步阶段的整体速度变化相关。

4 讨论
本研究的主要发现有三点。首先，最后一脚后脚接触时的CoM速度与跨步阶段开始时的水平速度有很强的相关性，而与这个阶段的整体速度变化无关。其次，在四个步骤中，Step3和Step4的速度低于之前的步骤。第三，Step2和Step4期间的速度变化与整个跨步阶段的整体速度下降有关。这些发现支持了我们的第二个和第三个假设，但不支持第一个假设。

先前的研究已经确定，投掷阶段开始时的CoM速度是标枪投掷成绩的重要决定因素。然而，助跑和跨步阶段的速度动态尚未得到定量研究。据我们所知，这是首次系统地量化整个跨步阶段重心（CoM）速度的研究。目前的结果表明，在最后一只后脚接触地面时的重心速度个体差异，与跨步阶段开始时的速度差异之间的关联，比与跨步阶段速度变化差异之间的关联更为紧密。尽管最后一只后脚接触地面时的速度理论上可以表示为初始跨步速度和随后速度变化之和，但只有前者与这一群体中的最终速度呈现出强相关性。重要的是，整体速度下降与释放动作开始时速度之间缺乏强关联，并不意味着减速在机械上是不重要的。相反，在这一相对同质的高水平投掷者群体中，初始跨步速度的变化与最终接近速度的变化之间的关联更为紧密。换句话说，那些以较高速度进入跨步阶段的投掷者，在释放动作开始时 tend to 保持较高的速度，无论随后速度下降的幅度如何。尽管在跨步阶段尽量减少减速在机械上可能是有优势的，但目前的发现表明，至少对于精英投掷者来说，建立和调节适当的起跑速度可能比完全防止跨步阶段的速度下降更为重要。

虽然重心速度在第一步（Step1）和第二步（Step2）期间保持相对稳定，但第三步（Step3）和第四步（Step4）的速度下降更加明显。作为释放阶段前的最后一步（Step4），这一步不仅需要继续向前移动，还需要进行投掷前的准备动作，包括延长飞行时间和调整躯干姿势。这些额外的任务需求可能增加了运动的复杂性，使这一步更容易发生减速。此外，在第三步观察到的速度下降可能是对后续步骤运动需求的适应。此外，第二步（Step2）和第四步（Step4）期间的速度变化与整个跨步阶段的整体速度下降有关，这表明最后一步的减速对个体间整体速度下降的差异有显著影响。先前的短跑研究表明，脚在接触地面时相对于重心的位置越靠前，制动冲量越大（20）。在跑步和短跑中，在早期站立阶段（21, 22）会观察到向后的地面反作用力，此时接触地面的脚位于重心前方。在跨步阶段，右手投掷者的躯干相对于投掷方向偏向右侧，这种姿势在最后一步时更为明显。这种动作可能使左脚在接触地面时位置更靠前，从而可能增加制动冲量。这一技术特征可能部分解释了跨步阶段速度变化的个体差异。

在释放阶段，前脚接触地面时的高重心速度与更好的投掷表现相关（3, 24），同样，减少接触后的过度膝关节屈曲也有助于提高表现（3）。然而，如果投掷者缺乏足够的力量或技术能力来承受和有效传递地面接触时施加的机械负荷，那么仅仅达到较高的起跑速度并不一定能保证更好的表现。最近关于提高水平减速能力的指南指出，既需要力量也需要技术能力（25）。从这个角度来看，第三步（Step3）和第四步（Step4）期间常见的速度下降可能并非完全有害。相反，它可能反映了根据每个投掷者的身体和技术能力调整起跑速度的结果。因此，在跨步阶段后半段经历一定程度的减速可能是一种优化接近速度与后续释放阶段有效力量应用之间平衡的策略。然而，这些都仅仅是推测。未来关于起跑速度的研究应该不仅考虑其幅度，还要考虑其对不同投掷者的最佳调节方式。

最后，需要承认这项研究的几个局限性。首先，分析仅限于跨步阶段；因此，这一阶段的重心速度动态与随后释放阶段的运动学和投掷表现之间的直接关系尚不明确。未来的研究应探讨跨步阶段后半段的速度特性如何影响释放阶段的运动学和释放参数。其次，参与者之间的表现水平差异相对较小，因为所有运动员都是具备全国锦标赛资格的高水平投掷者。因此，目前的发现可能不适用于表现水平较低或更加多样化的运动员。在未来研究中纳入更广泛的运动员群体可能会产生不同的结果，并提供对跨步力学与表现之间关系的更全面理解。第三，这项研究关注的是个体间的差异。研究同一运动员内部跨步速度动态的变化将有助于进一步了解动作的一致性和个体调节策略。解决这一问题将是未来研究的一个重要方向。

**结论**
本研究量化了竞技标枪投掷过程中整个跨步阶段的水平重心速度动态。最后一只后脚接触地面时的水平速度（标志着释放阶段的开始）与跨步阶段开始时的速度密切相关，但与该阶段整体速度下降无关。第三步（Step3）和第四步（Step4）的速度低于前几步，而第二步（Step2）和第四步（Step4）期间的速度变化与整个跨步阶段的整体速度下降有关。综合这些发现表明，在高水平投掷者中，释放阶段开始时的速度个体差异与初始跨步速度的相关性更强，而非跨步阶段速度下降的幅度。尽管如此，由于速度下降主要集中在跨步阶段的后半段，了解这些步骤中减速的机械因素可能有助于进一步理解跨步技术和接近速度的调节机制。