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髖關節的生物力學特征范文1
關鍵詞 鞭打動作 體育項目 應用
中圖分類號：G804.66 文獻標識碼：A
0引言
人體在結構上是由關節將身體各環節相連，在體育動作中，當希望環節鏈末端產生最大的速度和力量時，肢體的運動形式往往表現為由近端環節到遠端環節依次加速與制動，各環節的速度也表現為由近端到遠端的依次增加，把這種動作形式稱為鞭打動作。人體四肢結構類似于鞭子，它們近端環節的質量大，末端環節的質量小，因此在作鞭打動作時，鞭根近端環節先加速揮動，獲得動量，然后制動，在制動過程中，動量向鞭梢末端環節傳遞，因此獲得極大的運動速度。人體鞭打動作在體育運動技術中有著舉足輕重的作用，它幾乎滲透到各項體育運動技術動作中，所有的投擲項目無一例外的都與鞭打技術有關，如：標槍、棒球和壘球，其中標槍的鞭打技術最為復雜，再如排球的扣球、乒乓球、羽毛球及網球的扣殺動作，無一例外首先要解決好鞭打的技術，足球運動員的大力踢球、散打中的鞭腿、游泳中的打水，以及體操中的腿鞭打都與鞭打技術有關。
鞭打動作的分類，主要分為上肢鞭打動作和下肢鞭打動作，其中上肢鞭打動作又可以分為投擲性鞭打動作（例如：投擲標槍、壘球等）和打擊性鞭打動作（例如：排球扣球、發球，乒乓球和羽毛球的扣殺等），下肢鞭打動作常在足球、體操、武術技術中運用，足球中射門、傳球和武術中的鞭腿都是下肢鞭打動作的典型范例。另外，也有人提出全身鞭打，但由于最后的發力是通過肢體末端，也可以歸到下肢鞭打動作（例如：蝶泳等）。
1上肢鞭打動作
在上肢鞭打中“力的曲線”呈現出規律性的變化，首先人體上肢環節的反向運動使肢體的肌肉預先拉長，緊接著肌肉由離心收縮轉向向心收縮，力的曲線出現了第一次波峰，由于軀干的制動和身體的另一部分的固定，使力的曲線出現了一個小小的波谷，最后在鞭打動作即將結束時，力的曲線出現了第二次波峰，達最大值。人體各環節的曲線圖，呈現出規律性的變化，肩關節首先出現速度峰值，接著開始減速，肘關節出現速度峰值。接著開始減速，最后腕關節出現速度峰值，以上說明鞭打動作的一個特點，即每一個環節最大運動速度是在前一個環節達到最大速度后，獲得的近端環節制動的同時遠端環節做加速運動，遠端環節速度是由近端環節動量傳遞和速度依次疊加而成的，使遠端獲得最大的角速度和線速度。當然，動量傳遞只是肢體鞭打動作快速有力的一個方面，在這一過程中，使遠端環節在鞭打方向上加速的原動肌也發揮著較大的作用肢體各關節依次發力，使各環節的動量逐步積累，末端環節手或足的運動速度是由其各近側環節的運動速度的依次疊加而成，這是另一個重要方面。排球的扣球、發球等均為上肢打擊性鞭打中的無器械鞭打動作形式，打擊性鞭打動作，其運動規律與投擲性鞭打動作相仿，其特點是在做動作之前，各關節的肌肉更加放松被拉長，以保證肢體完成鞭打動作的速度和幅度。
2下肢鞭打動作
下肢鞭打動作角速度特征為：后擺時表現為大腿逐漸減速，小腿加速――最大角速――減速的特點；前擺時表現為大腿加速――最大角速度――減速，小腿持續加速的特點。髖關節的屈肌力矩，膝關節的伸肌力矩，踝關節的背屈力矩在下肢鞭打動作前擺階段起主導作用。髖關節的內收，外展力矩起定向作用。髖關節旋內、旋外力矩，膝關節旋內、旋外力矩以及踝關節內翻力矩的主要作用是對腳的方位及傾斜程度進行調整。股直肌、股內肌、股外肌、脛骨前肌在下肢鞭打動作前擺階段起主導作用。小腿加速前擺的初期伸膝肌群產生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩與來自大腿角動量的傳遞共同在起作用。
3結論與建議
鞭打動作中，肢體的反向動作，給原動肌一個最適宜的初長度，同時也提高了原動肌的爆發式收縮力，盡可能延長了肌力工作距離。鞭打過程中，各環節的依次加速與制動，最終近端獲得最大的角速度與線速度。鞭打效果的好壞，不僅與動量的傳遞有關，而且與原動肌加速有關，同時與動量的逐步積累和依次疊加有著密切關系。
因此，教師在教學過程中應該注意強調發力順序，注重對學生動作的規范性。學生自己在學習過程中應該勤于思考多加練習，注重對自己發力的體會，注重各項目間的相通性，學會發現規律并應用于實踐中。
參考文獻
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髖關節的生物力學特征范文2
關鍵詞:下肢環節鏈;動力學模型;踢球技術
中圖分類號:G804.63
文獻標識碼:A
文章編 號:1007-3612(2010)06-0062-05
Study on Dynamics Characteristics of Instep Kicking
BU Yifeng1,LI Shiming2,WANG Qianjin1,NIU Zhipei1,TAN Jiahu i1
(1. Postgraduate School, Beijing Sport University, Beijing, 10 0084 China; 2. College of Physical Education,Ludong University,Yantai
264025 Shandong China)
Abstract: The study focuses on the lower limb and a model of threesegment kinetics chain
consisting of foot,lower leg and thigh is established for kinetic calculation . The conclusions can be drawn that NewtonEuler can describle lower limb mode l movement and calculate muscular moment normatively and efficiency. Lower limb
movement in soccer kicking is studied based on this model and find out the chan ge character of muscle moment during lower limb swing. Different moment type pl ays different role in different joints. Generally speaking,during limb swing p hase,the swing velocity is determined by flexion and extension moment,the move ment track and the part plays a role on direction is determined by adduction and
abduction moment,and the form of reasonable foot shape is determined by intern al and external rotation moment
Key words: segment chain of lower limb; kinetics model; soccer kicking
人體是一個十分復雜的生物體系統,人體運動是在神經控制下肌肉骨骼系統的非常復雜 的運動,因此,要研究人體的運動就必須首先對人體進行必要的簡化與抽象,提取能代表其 力學本質的方面,建立人體模型。由于所建立的人體模型在反映力學性質方面是真實人體的 “復制品”,在對人體模型研究時,期望能夠掌握人體運動的本質及影響人體運動的主要力 學因素。
關節肌力矩表示“控制”某一關節的肌肉群(主動肌與對抗肌)的緊張程度。對力矩進 行分析,特別是在對成功與失敗的技術動作時,或對各個不同運動員的技術進行比較分析, 就能夠從定量的層次上反映出引起人體運動的相關肌群的工作情況與肌肉的活動特性,因此 ,關節肌力矩可以回答是什么引起肢體運動以及引起肢體運動出現差異的原因。人體在結構 上是由關節將身體各環節相連,因此在對人體運動進行研究時往往可將人體簡化為環節鏈[ 1,2]?；诖?本研究試圖借鑒前人的相關研究成果建立踢球技術擺動腿環節鏈的3剛體 7自 由度的多剛體模型,應用所測運動學數據,通過牛頓-歐拉法對擺動腿各環節運動的肌肉力 矩進行計算,得到環節運動的動力學特征,以期能夠揭示踢球技術擺動腿擺動過程中的動力 學特征,并為其它項目進行類似研究時提供參考與借鑒。
1 研究對象與方法
以8名成年男子足球運動員為研究對象,均接受過長時間系統訓練。采用4臺SONY攝像機 對運動員踢球技術進行拍攝,拍攝速度為50 幅/s,設置電子快門為1/1 000 s,四臺攝像機 高度均為1.2 m,分別置于運動員運動空間正前方的左右兩側約45°以及正后方的左右兩側 約45°。每兩臺攝像機之間主光軸約為90°。運動員要將球踢入距其20 m的圓內,圓的半徑 為2 m。運動員可進行2～3步助跑。踢球的質量由測試者與被測試者共同判定。拍攝的錄像 通過德國產SIMI°MOTION 7.3三維錄像解析系統進行解析,獲得肢體運動的原始數據。在 進行錄像解析時,采用軟件提供的三 維標定精度驗證功能對計算得到的控制點的坐標與實際 坐標的一致性進行檢驗,通過計算得到控制點坐標相對于實際坐標平均誤差≤0.10 cm。
本研究基于牛頓-歐拉法建立的人體多剛體模型進行逆向動力學計算,數據計算使用自 編的MATLAB語言程序包,分別得到相應關節的關節力與關節力矩,在進行計算時由于不同運 動員完成動作時間不同,對運動員完成動作時間進行歸一化處理,以便進行統計分析。
2 正腳背踢球技術的動力學模型
2.1 下肢多剛體模型的簡化
整個下肢可分為大腿、小腿和足三個部分,根據下肢實際的生理結構和以往建模經驗, 建模時采取了以下的簡化[3-7]:
1) 將下肢簡化為大腿、小腿和足三個剛性環節,各環節之間均以光滑鉸鏈連接,環 節間產生的運動被認為只是肌肉收縮凈活動的作用,即忽略關節周圍韌帶、關節囊及其它軟 組織的作用因素。
2) 三關節的鉸接點分別位于肢體端面的中心。
3) 腳趾部的運動忽略不計,由于在實際的運動過程中,腳趾的運動和受力對整個下 肢的運動影響很小,因此,建立模型時把足看作一個整體,忽略腳趾的自由度。
4) 下肢的物理模型共有三個剛體、七個轉角,髖關節有三個:收展角、屈伸角、旋 內旋外角;膝關節有兩個:屈伸角、旋內旋外角;踝關節有兩個:屈伸角、內翻外翻角。
根據上述簡化,建立下肢的三剛體、七自由度的物理模型,然后利用牛頓-歐拉法對關 節的力矩及反力進行計算。
2.2 下肢環節坐標系的建立
為了描述環節在三維空間中相對于大地坐標系的位置及運動,需要在各環節建立環節坐 標系,其原點均位于環節重心位置,如圖1所示。為了描述及表達方便,在后面的方程式里 ,環節坐標系均用表示,大地坐標系用表示。
建立下肢開放鏈條件下環節坐標系的方法借鑒Vaughan建立下肢閉合鏈條件下環節坐標 系的方法[8],首先根據環節的外部標志點建立坐標系計算各關節的中心及環節的 端點位置 ,然后根據得出的關節中心及端點的位置計算各環節的重心位置,最后以各環節重心為原點 建立各環節的環節坐標系以描述環節在三維空間的運動。
注:圖中O1、O2、O3、O4分別為骨盆、大腿、小腿、足四環節的重心
圖1 環節坐標系的建立對于關節中心的計算參考Vaughan提出的方法[8],采用9個標志點對各環節的運動 進行 跟蹤定位,9個標志點貼放位置如表1所示。一個物體在三維空間中的運動有六個自由度,三 個為線位移自由度與三個為旋轉角自由度。為了確定這六個坐標,必須在每個環節上設置至 少三個不相關的標志點,對于大、小腿環節分別設置了標志點6與標志點4。為了使每個環節 的三個不相關標志點不在同一平面內,分別將6點與4點放在了大腿的股骨大轉子和小腿脛骨 的最大粗隆處。在測試中,為了提高計算的精確度,保證在三維空間內為各環節的運動提供 更精確的定位,可以加高6點與4點兩個標志點的高度,如Vaughan在步態測試過程中,在兩 標志點位置分別綁定了7～10cm的桿狀標志并在其頂端安放標志點。這樣計算關節中心的所 需不相關標志點全部確定,即:髖關節處為標志點7、8、9;膝關節處為標志點3、4、5;踝 關節處標志點為1、2、3。然后分別以標志點9、5、3為原點分別建立髖、膝、踝三處的坐標 系,并根據Vaughan等人提供的相關經驗方程計算得到各關節中心位置和端點位置[8],即 髖、膝、踝關節中心和腳趾的位置,分別為PHip、PKnee、PAnlde、P Toe。
表1 標志點貼放位置
標志點標 志點的位置標志點標志點的位置標志點1右腳第二跖骨前端標志點6股骨大轉子標志點2右腳腳跟部標志點7右髂前上棘部標志點3右腳外踝標志點8左髂前上棘部標志點4右小腿脛骨粗隆處標志點9骶骨部標志點5右膝關節(股骨外側髁)
對于環節重心的計算,研究中采用了Chandler等人研究得出的各環節重心平均估計參數以及 得出的各關節中心位置,就可以計算出各環節重心的位置坐標,環節重心位置確定后即可建 立原點為環節重心的環節坐標系ixjxkx[8],它們為:
ix=(Pm.pro.-Pm.dis.)|Pm.pro.-Pm.dis. |(1)
jx=(Pα-Pm.pro.)×(Pm.dis.-Pm.pro.)|(Pα-Pm.pro.)×(Pm.dis.-Pm.pro.)|(2 )
kx=ix×jx(3)
上式中,Pm.pro.為近端關節中心的位置,建立以大腿、小腿、足三環節重心為坐 標 原點的坐標系時,Pm.pro.分別是髖、膝、足后跟的位置,Pm.dis.為P m. pro.與相鄰的遠端關節中心的位置,Pα依次為膝、踝、足尖的位置,依次為表1中P 6、P5、P2的位置。
2.3 下肢關節肌力矩的計算
由位移、速度和加速度之間的關系可知,已知各時刻重心的坐標,對位移進行微分可 以得出重心運動的速度,再對速度進行微分可以得出重心運動的加速度。
環節的角速度和角加速度可以通過環節歐拉角進行計算。由歐拉角可以推導出環節運 動的角速度ωx、ωy、ωz。然后,沿時間軸對角速度進行求導就可以得出環節運動 的角加速度ω&x、ω&y、ω&z(即為的表達,下文中的類似符號含義相 同)。由于推算過程較為繁瑣,在此不再對運動學參數的計算進行闡述。根據上文中下肢多剛體模型的簡化模式以及借鑒前人的相關研究成果[8],建立下 肢開 放式環節鏈條件下的三個剛體、七個自由度物理模型,然后就可以分別建立三個剛體的動力 學方程。足、小腿、大腿三環節的受力情況如圖2所示。注:圖a、圖b、圖c分別為大腿、小腿、足三環節受力分析圖。
其中MH、MK、MA分別為髖關節力矩、膝關節力矩、踝關節力矩;
FH、FK、FA分別為髖關節力、膝關節力、踝關節力;mT、mC、
mF分別為大腿質量、小腿質量、足的質量。下同 圖2 下肢三環節受力分析
根據下肢開放環節鏈條件下的受力情況,通過三維分析軟件獲得的數據即可進行逆向動 力學計算。進行逆向動力學計算時,首先對足部運用牛頓第二定律和轉動定律,建立足部的 動力學方程,解算出小腿施加給足部的力和力矩。其方法為:把足部從下肢進行隔離,作為 獨立剛體對其進行受力分析,足部受到自身的重力mFg,小腿施加給足部的作用力FA以 及力矩MA,受力示意圖如圖2所示。參考Vaughan在閉合鏈條件下下肢關節力矩的算法[ 8],結合下肢開放鏈條件下足部環節的實際受力情況就可以推算出下肢開放鏈條件下踝 關節合力距的計算公式,踝關節合力距的計算公式為:
MA={H&4x-i4•[Ppyx4×(FAX.I+FAY.J+FA Z. K)]}•i4+{H&4x-j4•[Ppyx4×(FAX.I+FAY.J+FA Z. K)]}•j4+{H&4x-k4•[Ppyx4×(FAX.I+FAY.J+FA Z.K)]}•k4(4)
上式中,FA.X.、FA.Y.、FA.Z.分別為踝關節三個方向的關 節 反力,即:mFX&&F.CG、mFY&&F.CG、mF(Z&& F.CG +g),式中,X&&F.CG、Y&&F.CG、(Z&&F.CG+g )分 別為足在三個方向上的重心加速度;Ppyx4.為力FA的力臂,它們的計算公式分別 為 :FA=FA.XI+FA.YJ+FA.ZK,PPyx4=PAnkle-PFC .G (PAnkle、PFC.G分別為踝關節中心和足環節重心);H&4x、H& 4y、H&4z分別為足部環節角動量在三個方向上的分量。
對足部建立動力學方程,解算出小腿施加給足部的力與力矩,根據牛頓第三定律,小 腿施加給足部的力和力矩與足部施加給小腿的力和力矩大小相等,方向相反,因此可建立小 腿的動力學方程,計算出膝關節的力和力矩。重復這個過程可建立起大腿的動力學方程,解 算出髖關節的力和力矩。因此重復上述過程可分別得出膝、髖關節的力與力矩。其計算方式 與踝關節力矩計算方法相同,在此不再贅述。
2.4 人體慣性參數的測量與計算
在上文關節動力學計算中需要用到人體下肢各環節的慣性參數,譬如環節的質量、環節 的轉動慣量等。根據鄭秀瑗等公布的關于中國成年人人體慣性參數計算方法,對所需人體慣 性參數進行了測量,并對大、小腿環節的相應慣性參數進行了計算[9,10],需要 測量的人 體參數包括:體重、身高、腰圍、臀圍、大腿長、大腿圍、小腿長、小腿圍、踝上圍、足長 以及足寬。將測量出的人體參數分別代入相應的經驗公式,就能計算出足部的質量、質心位 置及轉動慣量。但是在使用鄭秀媛等給出的中國成年男性各環節轉動慣量多元回歸方程對所 需慣性參數進行計算時,由于其沒有給出足部環節的回歸方程,因此對足部進行計算時采用 了Chandler給出的多元回歸方程。盡管研究過程中由于受到研究條件的限制在計算慣性參數 時采用了不同的模型,但是,Vaughan在對步態進行研究時已經證明了該回歸方程的計算結 果用于該方法時的有效性,因此,采用Chandler給出的多元回歸方程對足部慣性參數進行計 算對研究結果的準確性影響較小。
3 足球踢球技術的動力學特征
3.1 髖關節肌力矩的變化特征
圖3為正腳背踢球擺動腿髖關節力矩變化圖,表2為髖關節各力矩峰值一覽表。研究結果 表明,在擺動腿腳尖離地后,存在一個較小的伸髖力矩,說明擺動腿蹬離地面后大腿的后擺 不僅僅是依靠擺動腿蹬離地面時的慣性,還存在一個微小的主動后擺階段(大腿肌群的主動 用力過程),與前期通過肌電信號特征進行分析所得結論相一致,二者相互佐證[11,1 2] 。之后,髖關節屈肌力矩開始占優勢,屈力矩峰值最大達到106.94(100 Nm/kg),大腿達 到最大擺速。這一過程表明髖關節的屈力矩對擺動腿的擺動速度起了決定性作用。在擺動腿 的擺動末期,伸髖肌群開始占優勢,伸力矩峰值最大為57.48(100 Nm/kg),其主要作用 是防止由于大腿過度前擺影響到小腿的前擺空間。從大腿開始前擺到達到最大速度峰值,再 到大腿擺動速度的降低,是由髖關節的屈伸力矩控制的。特別是擺動末期髖關節伸肌的主動 參與工作表明,大腿的制動并不完全依靠遠端環節的反作用力,因此,單從這一過程來看, 這一動作并不完全符合鞭打動作的特征,在Nunome的研究中也注意到了這一區別于鞭打動作 的特征[6]。注:Fle-Ext代表屈、伸力矩;Add-Abd代表內收、外展力矩;
Ext-Int代表旋內、旋外力矩。其中髖關節屈為正、伸為負、
外展為正,內收為負;旋內為正,旋外為負。
圖3 髖關節力矩變化特征 在髖關節向前屈擺過程中,髖關節還存在一較大的內收力矩,最大為106.62(100 Nm/kg ),這是由于大腿后擺時髖關節略呈外展姿位,因此大腿前擺過程中必須存在一個內收力矩 ,將擺動腿納入正常的擺動軌跡上來,由此看來,大腿的前擺是一個由大腿屈曲和內收組成 的動作形式。擺動末期出現的較小外展力矩作用則是防止大腿過度內收,與內收力矩對大腿 的運動軌跡進行共同控制。這一過程表明髖關節作為擺動腿的最近端關節在決定擺動腿保持 正確方向上具有積極作用。Nunome研究也表明[6],在擺動腿擺動階段確實存在內 收力矩, 其作用主要是控制髖關節的外展角度,因此這個力矩的作用就是定向作用,使大腿能在正常 軌道上運行。大腿作為擺動腿的近端環節,其動作軌跡會直接影響到遠端環節的動作軌跡, 因此,外展、內收力矩對于保證擺動腿合理的動作軌跡具有重要的作用。髖關節的旋內力矩 的存在則是因為受踝關節自身解剖學結構的影響,其自身不能進行有效的旋內,其最鄰近的 膝關節也只有在一定屈膝條件下,才能進行幅度較小的旋內,因此,需要擺動腿的最遠端關 節髖關節與之配合來完成旋內動作以形成觸球前的穩定腳型,因此,盡管旋內力矩峰值較小 ,其值僅為17.36(100 Nm/kg),但是觸球前髖關節存在的這個旋內力矩對于幫助足形成 合理的觸球腳形,保證正確的觸球位置具有重要作用。
表2 髖關節肌力矩峰值
(100 Nm/kg;n=8)
特征值屈力矩峰 值伸力矩峰值外展力矩峰值內收力矩峰值旋內力矩峰值旋外力矩峰值 X±S106.94±14.7057.48±17.7355.02±26.42106.62±24.8317.36±7.6031.52±11.34
3.2 膝關節肌力矩的變化特征
圖4為膝關節肌力矩的變化特征圖,表3為膝關節肌力矩峰值一覽表。由多關節肌特性可 知,多關節肌作為原動肌收縮發力時,其肌力已對其中一個關節發揮作用后,就不能再充分 作用于其它關節,或同時作用于所跨各關節時,產生力量不足的現象。圖4顯示,在腳尖離 地時存在一個較大的伸膝力矩,伸膝力矩的存在就是使的小腿不會提前后擺,為大腿后擺留 下一定空間,避免多關節肌“原動肌力量不足”現象過早出現。之后,膝關節屈肌力矩開始 占優勢,以使得小腿快速屈曲后擺,膝關節最大屈力矩為42.14(100 Nm/kg),小腿達到 最 大后擺速度后,膝關節伸肌開始占優勢,小腿后擺速度減緩,直到達到最大屈曲狀態,此后 ,膝關節伸肌力矩逐漸增大,膝關節伸力矩最大為45.88(100 Nm/kg),腳觸球前膝關節 伸 力矩略有下降,可能是由于運動員為了追求踢球的精度而進行的主動控制。這一過程也反映 了膝關節的屈伸力矩對小腿擺動速度的控制作用。注:Fle-Ext代表屈、伸力矩;Ext-Int代表旋內、旋外力矩;
其中膝關節屈為負、伸為正;旋內為正,旋外為負。
圖4 膝關節力矩變化特征 Nunome & Apriantono的研究表明[6,13],膝關節在觸球前會存在一個屈膝力矩, 以防 止膝關節過度伸展,造成運動損傷。而本研究沒有發現觸球前屈膝力矩的存在,究其原因, 研究目的與實驗設計的不同是造成不同結果出現的主要原因。Nunome在對運動員進行踢球測 試時要求運動員最大能力的踢球,研究內容注重踢球的速度,以達到擺動腿的最大擺動速度 為主要目的,擺動階段末期,小腿會達到一個很大的前擺角速度,為了防止小腿過度伸展, 避免損傷,就必須有一個屈膝力矩的存在;而本研究要求運動員一定距離的踢球,注重運動 員踢球的精度,對踢球力量的要求較Nunome的要低,不會造成膝關節過度伸展引起損傷,因 此擺動腿擺動末期就不需要屈膝力矩存在,僅僅表現為伸膝力矩的輕微下降。受膝關節解剖 學結構的制約,膝關節只有在一定的屈膝狀態下才能進行有限度的旋內、旋外動作,因此膝 關節最大旋內、旋外的力矩較小,分別為5.07(100 Nm/kg)、4.11(100 Nm/kg),對正 腳背踢球的影響較小。事實上,對觸球前腳方向的調整主要是由踝關節和髖關節配合完成的 ,膝關節對其貢獻十分微小。
表3 膝關節肌力矩峰值
(100 Nm/kg;n=8)
特征值屈力矩峰 值伸力矩峰值旋內力矩峰值旋外力矩峰值X±S42.14±6.8145.88±11.855.07±1.604.11±1.51 3.3 踝關節肌力矩的變化特征
圖5為踝關節肌力矩變化特征圖。研究結果表明,在擺動過程中踝關節一直是背屈力矩 占優勢,說明踝關節背屈肌群收縮發力以形成堅固的腳踝屈曲狀態,一方面可以固化踝關節 ,減少球-腳碰撞時的微變,增大動量的傳遞效果;另一方面踝關節的固化可以增大踢球腿 的有效質量,達到增大腳-球碰撞前初始動量的效果。前人的研究表明[11,13,14,1 5], 能夠踢出高速、準確球的運動員往往都具有堅固的腳踝屈曲狀態。在本研究中,由于是進行 特定距離的踢準,而不是追求最大踢球力量,因此,踢球前踝關節并不是處于跖屈狀態,而 是在踝關節背屈肌群的主動用力下處于背屈狀態,踝關節背屈肌群持續主動地用力是踝關節 背屈狀態下固化踝關節的重要條件,因此踢球前背屈力矩的存在對于提高球的速度與精度具 有重要的作用。 踝關節內翻力矩的存在主要是配合踝關節背屈使其形成良好的固化狀態。 由此看來,觸球前合理的腳型是保證踢球質量的關鍵因素,特別是在進行中、長距離傳球時 ,踝關節背屈肌群的持續主動用力尤為重要。
注: Dor-Pla代表背屈、跖屈力矩;Inv-Eve代表內翻、
外翻力矩。其中跖屈為正、背屈為負;內翻為正,外翻為負。
圖5 踝關節力矩變化特征
4 結 論
1) 對下肢三個環節及其鏈接進行了簡化,建立了代表下肢的3剛體7自由度的多剛體模型。 實踐證明對人體下肢所作的簡化是可行的,模型可以代表人體下肢的主要運動形式和功能, 所生成的髖關節、膝關節、踝關節力矩圖能夠真實、有效的反映環節運動的實際情況。應用 牛頓-歐拉法對人體下肢多剛體模型進行分析計算時,具有列解方程規范、易懂,編程方便 高效的特點,計算結果能夠真實反映實際運動情況,可以進行推廣使用。
2) 對足球踢球技術下肢三關節的力矩進行了計算,初步了解了足球踢球技術中擺動腿在擺 動過程中關節力矩的變化特點。研究表明,踢球的效果不僅是由速度決定的,還有踢球的精 度,因此除環節的屈伸活動外,環節內收、外展力矩與旋內、旋外力矩的存在也是影響踢球 效果的重要因素,它們的這種活動形式對踢球技術的完成起著重要作用。對于髖關節,大腿 擺動末期存在一個伸髖力矩,其作用是防止大腿過度前擺;大腿內收、外展力矩 的存在對于 維持大腿前擺穩定的擺動軌跡具有重要作用;大腿旋內、旋外力矩的存在則是補償踝關節解 剖結構存在的缺陷,形成觸球前合理腳型。對于膝關節,擺動腿腳尖離地時伸膝力矩的存在 對于小腿的積極后擺有重要作用,在追求一定精度的傳球時,觸球前伸膝力矩略有下降,膝 關節旋內、旋外力矩的存在對擺動腿的整個擺動過程貢獻較小。對于踝關節,在追求踢球的 精度時,踢球前踝關節往往表現為背屈肌群的主動用力,踝關節背屈肌群持續主動地用力是 踝關節背屈狀態下固化踝關節的重要條件,因此踢球前背屈力矩的存在對于提高球的速度與 精度具有重要的作用。一般來講,在擺動腿的擺動過程中,決定擺動腿擺動速度的是關節的 屈伸力矩,決定環節擺動的運動軌跡對肢體運動起定向作用的是關節的展、收力矩與旋內、 旋外力矩。
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髖關節的生物力學特征范文3
關鍵詞：柔道；損傷；功能解剖；運動學；女子柔道運動員
中圖分類號：G 808.1 文章編號：1009-783X（2017）01-0053-05 文獻標志碼：A
柔道項目是奧運會比賽中的金牌大戶（14枚），從其列入奧運會正式競賽項目以來越來越受到人們的重視。我國柔道運動開展的歷史雖不長，但近幾年來，我國女子柔道運動開始走入低谷，各個級別優秀女子柔道運動員在國際大賽上鮮有亮點。其原因是多方面的，通過長期隨隊進行體能測試與觀察發現，運動損傷也是影響我國女子柔道成績的因素之一。
在柔道競賽中，身體各部位直接接觸對手，有大量的摔、鎖、扼、刈等力量與技巧相結合的動作，對抗激烈，運動損傷在所難免。運動員一旦出現運動損傷，輕則影響訓練的系統性，不利于運動員訓練和比賽成績的提升，重則對運動員的身心帶來危害，甚至會因此影響到運動員的運動生涯，縮短運動員的運動壽命。韓國學者對782例該國男女柔道運動員損傷的研究表明，每名運動員平均每年受傷4次，約一半（47%）的受傷屬于一級傷害（需要1～3 d的治療）。就女子運動員來講，重量級選手比輕量級選手有更大的遭受三級傷害（需要超^8 d的治療）的概率（P=0.008 7）。
訓練和競賽中的損傷在所難免，預防、治療與康復顯得尤為重要；但文獻表明，目前國內對柔道運動員的損傷問題研究多數停留在單純的運動或醫學層面，治療策略與恢復手段更多源于影像依據與經驗積累，效果并不理想。本研究引入目前國際先進的“功能訓練”理念，從功能解剖學視角對柔道運動損傷的特征、分類及影響因素進行分析，提出運動功能訓練的策略與方法，這不僅有助于預防和減少柔道項目的運動損傷，為一線教練提供直接的實踐幫助，而且為其他項目的科學化訓練展示一個新的思路。
1研究對象與方法
1.1研究對象
選取2014―2015賽季國家柔道集訓隊女子運動員32名。基本情況為：年齡19～24歲，平均21.8歲；參加訓練時間最長12年，最短5年，平均訓練時間7年左右；平均身高1.62 m。其中健將級運動員5名，一級運動員15名，二級運動員12名。
1.2研究方法
1.2.1錄像分析法
對柔道運動員主要技術動作錄像。采用運動學方法對其進行技術診斷，分析致傷原因。具體方法：采用三維定點攝像的方法，通過模擬比賽動作，讓運動員在同一對手的對抗下實施背負投、內股、鞠投等技術，用2部數字攝像機（JVCGZ-EX575度AC，800萬像素）主光軸約成90°，拍攝頻率為50幀/s，對運動員完成技術的整個過程進行拍攝；采用“APAS三維運動分析系統”對拍攝錄像進行解析，按照模型關節點的方法進行圖像采集和數據處理，得到原始坐標數據后采用自帶程序分析計算。
1.2.2文獻資料法
根據本研究課題的需要，廣泛地查閱、收集國內外關于運動損傷理論、內容和方法等方面的大量文獻資料；認真閱讀、分析運動隊搜集的優秀女子運動員運動損傷的各種案例；利用圖書館和網絡等渠道搜集柔道運動員運動損傷評價的常用指標和方法，并進行分類整理。
1.2.3訪談法
針對我國柔道運動員常見損傷的現狀、存在的主要問題、訓練內容和方法的選擇及運動員的個體損傷差異等方面內容，對柔道項目管理人員、隊醫、教練員和運動員進行了調查訪談。獲取運動損傷誘因、治療方案與恢復效果及專項技戰術、體能訓練實施細節信息。
1.2.4觀察法
對研究對象的日常訓練過程進行12周的跟蹤觀察，將各項運動素質訓練數據與圖像資料進行了整理與收集，特別是對其力量素質訓練過程中身體重心、上下肢的關節變化軌跡與負重器械移動路線進行力學上的分析，并針對實戰對抗時技術動作錄像進行了比較與歸納，獲取相關訓練學方面的數據。
1.2.5數理統計法
對獲得的有效數據，運用Excel軟件進行錄入和基本統計，后期使用SPSS 17.0統計軟件進行數據處理和分析，并對統計結果進行檢驗，以保證數據統計結果的可靠性。
2研究結果
運動損傷按照時間來劃分，可分為急性損傷和慢性損傷2種。關于“損傷部位”調查統計（見表1）顯示，研究對象的急性、慢性損傷的概率基本相同，急性損傷有64例（49.2%），慢性損傷有66例（50.8%）。其中，肩關節損傷居首位（18.5%），其次是膝關節損傷（17.7%），再次是手指損傷（12.3%），之后依次是手腕損傷、下背部損傷、踝關節損傷等。
從“不同損傷性質”的調查數據（見表2）中可以看出，韌帶損傷以51例居首位（39.2%），其次是肌肉損傷31例（23.8%），局部炎癥16例（12.3%），關節錯位15例（11.5%）。之后分別是骨質異化、脫位、軟骨損傷4例、骨折2例，這些損傷所占比例比較少。這與國外研究結果相似，澳大利亞學者Pocecco于2013年對參加2008和2012年奧運會的柔道運動員的損傷統計表明，運動員的平均受傷概率為11%～12%，受傷頻次最高的部位是膝蓋、肩、手指。
同時，通過對一線教練員和運動員的訪談統計發現，32名優秀女子柔道運動員的運動損傷致病因素排序（見表3）分別是：受傷未能及時治療、意外沖撞、局部負擔過重、準備活動不合理、帶傷參加比賽、技術動作不正確、注意力不集中、自我保護意識差及防傷訓練的組織方法不當。其中，各個致傷因素在不同的訓練階段所占的比率不同，這主要是因為在不同的訓練時期訓練運動員的年齡、身體發育情況、健康狀態、身體素質、訓練水平、技術水平、心智水平等狀況不同。
另一方面，通過生物力學數據分析可以發現，柔道運動員肩關節完成“平板臥推”與“平板臥拉”的肌力比值失衡，意味著肩關節水平面推的能力遠大于拉的能力，而且，通過髖關節靈活性和穩定性測試（見表5）可知，被調查的柔道運動員髖關節的靈活性和穩定性較差。
基于此，本研究將重點分析女子柔道運動員損傷頻率最高的3個部位：肩關節、膝關節、手指關節，并以功能解剖理念為指導，構建形態、結構、功能與運動項目特征相互關聯的整體觀，探討韌帶損傷、肌肉損傷、局部炎癥與錯位的生物力學與訓練學誘因，并提出針對性的訓練建議。
3分析與討論
3.1肩關節損傷的功能解剖特征與訓練學因素分析
肩關節是柔道運動員上肢損傷的主要部位。該部位運動損傷主要與其活動范圍廣、穩定性差的解剖結構和關節周圍的肌肉力量不足及本體感覺控制訓練程度不高有關。
3.1.1人體肩關節解剖特征
肩關節是球窩關節，因為肱骨頭較大，呈球形，關節盂淺而小，僅包繞肱骨頭的1/3，關節囊薄而松弛；所以肩關節是人體運動范圍最大而又最靈活的關節，它可做前屈、后伸、內收、外展、內旋、外旋及環轉等運動。
肩關節運動時，通過肩胛骨的內收外展和肱骨的來回移動控制肱骨頭在關節盂內的正常運動，能夠保證肩關節的安全性并提供強有力的固定支撐力；但是，柔道攻防技術中的絕大多數推、拉、壓、頂等爆發性發力動作易造成肱骨頭與關節盂的過度錯位誘發損傷。
3.1.2專項力量練習中動作結構缺失
肩關節損傷原因調查中，肩關節“周圍肌肉力量不足”在調查中排序第3位（見表4），顯示柔道教練員和運動員普遍認同其是造成運動員肩關節損傷的重要因素。柔道運動員在實際的訓練或比賽中，有很多動作體現“引把”（提把、拉把）的重要性，例如背負投、內股、掃腰、大外刈、舍身技等都有“引把”動作。運用“引把”動作是破壞對手身體重心、完成貼身打入技術的重要手段。如果“引把”力量強，將對方的重心移動幅度就大，達到破壞對方重心的目的，有利于進攻動作的使用。如果“引把”不到位或“引把”力量不足，就使投技動作得不到充分發揮，動作成功率下降；然而，通過錄像分析可知，柔道運動員進行力量訓練過程中，采用練習動作與“引把”技術動作規格不符。換句話說，運動員完成3個方向“引把”動作時肩關節運動軌跡與相關力量練習時肩關節運動軌跡存在差異，主要表現為以下幾點。
3.1.2.1提拉“引把”技術
運動員抓住對方的衣領（袖）完成向后側提拉動作時，肘關節做屈曲動作，肩關節水平位外旋；此時肩袖肌群發力，前臂接近冠狀面（前臂與地面垂直）。然而，運動員在力量訓練中完成“壺鈴提拉”動作時，肘關節做屈曲動作，肩關節水平位外旋幅度較小，此時三角肌、斜方肌發力，前臂僅與地面平行；特別是當壺鈴負荷較大時，肩關節水平位外旋幅度更小。這說明運動員利用“壺鈴提拉”動作來提升提拉“引把”動作時出現了偏差：肩關節外旋幅度不足，肩袖肌群未得到足夠刺激；因此，應該增加“前平舉負重水平伸展”練習，來提高肩袖肌群力量。
3.1.2.2平拉“引把”技術
運動員抓住對方的袖口或胸襟完成向后平拉動作時，肘關節做屈曲動作，肩關節后伸35°～42°，此時肘關節超越冠狀面，手指（腕）觸及軀干；然而，運動員在力量訓練中完成“拉托盤”或“平板臥拉”動作時，并未要求手指（腕）觸及軀干，此時肘關節雖做屈曲動作但肩關節后伸僅為3°～7°，做功距離明顯縮短，影響動作效果。特別是教練員要求運動員完成大負荷練習時，運動員常常采用身體前傾或團身進行動作代償；因此，在進行此類練習時，教練員應重點強調運動員的軀干姿態的規范性，建立良好動力定型基礎后，增加負荷重量。
3.1.2.3下拉“引把”技術
當運動員抓住對方的衣領完成向后側下拉動作時，肘關節做屈曲動作，肩關節外展28°～35°，背闊肌中上部發力；然而，運動員在力量訓練中完成“爬帶”動作時，肘關節做屈曲動作，肩關節無外展動作（夾肘狀態），此時肱二頭肌主要發力，與專項技術動作需要的工作肌群、施力方向均有較大差異。長期如此無法提升專項技術動作的對抗能力。
3.1.3肌肉力量不平衡導致關節穩定性下降
肩關節穩定性是通過其周圍軟組織的共同作用來維持的，主要是肩袖肌群維持著關節在運動中的穩定性，肱二頭肌長頭腱和連接肩胛骨與胸壁之間的肩胛帶肌肉也起到一定的輔助作用，并且通過本體感覺信息的傳導，發揮肌群之間的協同作用。
柔道項目管理人員和教練員指出，隨著柔道規則快節奏和高對抗性的變化日趨加強，競技比賽中要求運動員必須動作突然、快速發力致使對手失去重心，在失重心的情況下將其摔倒才能取得有效得分；因此，在比賽或訓練中一旦遭受對手暴力改變的瞬間或者被摔倒肩膀著地，易出現軀體接觸性損傷或嚴重摔傷，引發岡上肌腱、肱二頭肌長頭腱或者肩峰下滑囊的炎癥與撕裂。而且，由于運動員經常被摔倒后肩部著地或者一側肩著地對側肩又被外力向下拉扯時，發生肩鎖關節損傷。調查中2/3以上的隊醫認為，柔道運動員在完成提拉“引把”動作時，遭強大阻力致肩關節突然外展、后伸致肱二頭肌肌腱急性拉傷。上述急性損傷后由于治療不徹底及得不到足夠時間休息，導致肩關節的局部軟組織炎癥或撕裂傷，嚴重者可造成肩關節反復脫位。
另一方面，通過數據分析發現，柔道運動員肩關節完成水平位推、拉動作時力量比值不均（見表4）。長此以往，造成肩胛內收肌群和頸部肌肉肌力弱且肌肉被動拉長，前側肌肉（胸大肌、胸小肌、前鋸?。┏掷m緊張形成錯誤的姿勢（脊柱胸椎段彎曲或“駝背”）。此時肱骨頭移位盂窩的上、前或后方，出現典型的不穩定癥狀。加之，柔道運動員需要完成大量內旋、外旋發力動作（背負投、內股等），這種受限的身體結構將導致肩袖肌群（例如岡上肌，完成本該由菱形肌去完成的肩胛內收動作）的代償性工作，久而久之也會加劇肩關節穩定性的破壞。
3.2膝關節損傷的功能解剖特征與訓練學因素分析
膝關節損傷在競技體育運動中較為常見，尤其是柔道這種單腿支撐發力、旋轉或扭轉動作為主的運動項目更為突出。
3.2.1人體膝關節解剖特征
膝關節自身的解剖學特征和運動功能特征決定了膝關節是各項運動中受傷幾率最高的部位之一。膝關節是橢圓滑車關節，關節之間通過半月板以加深關節窩，加大關節的穩固性和靈活性。膝關節擁有額狀軸和垂直軸2個運動軸。在額狀軸上做屈伸運動，繞垂直軸做內、外旋轉運動；但由于十字韌帶的限制，旋內、旋外的幅度非常小。
柔道專項訓練中，膝關節經常處于半屈曲狀態，此時韌帶松弛，使關節穩定性下降，再加上部分運動員下肢股后肌群力量不足，訓練中身體姿態錯誤或步法轉換不得當等因素，髕骨或滑膜皺襞會在外力的作用下因髕骨錯位而致傷；所以，膝關節的解剖功能缺點決定了它在過度的外旋、內旋及過伸時，會引發其周圍軟組織遭受到不同程度的創傷。
3.2.2柔道運動員下肢力量訓練針對性不足
研究表明，大腿前、后肌群肌肉力量的比例失調和肌肉之間相互作用失調，大腿后肌群肌力與股四頭肌肌力之比小于6%則容易拉傷，左右腿肌肉力量之差超過8%以上時同樣易發生拉傷。
柔道項目中大多數投技動作是運動員在單腿支撐情況下完成的。調查過程中發現在力量訓練環節教練員為了提高運動員的下肢支撐、蹬伸能力，往往只重視股前肌群的訓練而忽視了股后肌群的訓練（例如重視深蹲、硬拉練習的向心收縮發力階段的動作質量，忽視離心收縮階段動作規格和速度的控制），造成關節前后肌群力量發展不平衡，久而久之，形成發達的股四頭肌、不發達的臀大肌及持續處于緊張狀態的屈髖肌群組成的非衡結構。此種結構在大負荷訓練后容易誘發股前肌群局部或大面積的緊張、痙攣，繼而導致股前肌群會向上牽拉髕骨和脛骨，擠壓膝關節，導致膝關節內部或周圍結締組織出現疼痛癥狀。更甚者，當運動在完成單腿支撐發力時，膝關節受到外來切力（對手實施大外刈、小外刈、送足掃等技術動作），會造成膝關節前交叉韌帶或后交叉韌帶的斷裂。
3.2.3運動員髖關節靈活性受限加劇膝關節負擔
柔道投技技術的最后用力過程是通過髖部前后或側向轉動，將下肢的動力傳導到軀干或上肢后，將對手摔翻在地。訪談調查中教練員指出“髖部動作”在投技技術中具有特殊的重要作用。髖關節可以圍繞“水平軸”進行屈伸運動，圍繞“額狀軸”做內收、外展運動，也可以圍繞“矢狀軸”做內旋、外旋運動；然而，通過髖關節靈活性和穩定性測試數據可知（見表5），女柔運動員在投技（背負投、內股、掃腰等技術）最后用力時，本來應由髖部轉動完成的動作，就會由膝關節或脊柱腰椎段的轉動來進行代償，再加之其下肢后側、外側肌群力量較弱，就造成膝關節突然外展外旋或內收內旋，誘發前、后交叉韌帶甚至側副韌帶損傷；因此，提高臀肌、股后肌群力量，加強髖關節的靈活性練習，對于柔道運動員預防傷害事故發生，提高競技能力和比賽成績意義重大。
3.3手指損傷的功能解剖特征與訓練學因素分析
3.3.1專項技術動作需要
柔道運動員運用技術過程中，不但要完成“抓把”，而且要抓到能控制對方的把位，從而配合各種步法的移動達到拉扯、引導、調動對方，打破對方的重心使其失去平衡，進而將對方摔倒。
因此，運動員在訓練和比賽過程中手指關節的運動量和運動強度最大。手指關節運動負荷的不斷加大，造成手指關節損傷的風險不斷增加，再加之部分運動員技術動作使用有誤，在對抗過程中違反了規則或者是突然受到外力的沖擊避閃不及，就會進一步增加了手指關節損傷的概率（見表1，手指手腕合計34例，占總比率的26.2%）。此外，傷后如果處理不當，就可能造成屈指肌腱收縮變形，關節囊及鞘狀韌帶增厚，表現為近、遠節指間關節梭形腫大、疼痛（“杵鈧浮被頡鞍糸持浮保，最后導致骨關節炎。
3.3.2恢復性手段缺失
柔道運動員手指關節的損傷以側副韌帶扭傷，韌帶撕裂和挫傷為主要癥狀。調查中發現運動員手指側副韌帶扭傷高達93.75%，韌帶撕裂達到75%，手指挫傷則高達87.5%；但是由于這種損傷的嚴重性不及脫臼、骨折和移位，教練員、運動員對此類損傷并未引起高度認識和重視，從而忽略了損傷部位的預防和治療，增加了損傷問題反復發生的概率。
另一方面，訓練過程中（后）科學地恢復方法與手段是修復組織“破損”、消除疲勞，取得“超量恢復”效應的重要途徑。半數以上的隊醫建議：運動員在每堂訓練課后，特別是專項力量訓練（爬帶、提壺玲練習）后，除了按壓、揉捋進行手指關節放松之外，應采用冰水浸泡法，用2份冰1份水的比例混合好，將全部手掌放入冰水中，持續30～60 s，然后空氣中停留90 s，反復進行3～5次來減輕炎癥，預防手指關節損傷。
3.3.3缺少針對性“補償練習”
調查發現，柔道運動員在參加比賽、技術訓練甚至進行體能訓練時，手指關節反復大量完成屈曲、抓握動作，而很少進行伸展動作的力量練習。其結果是手指伸肌的能力會不斷削弱，繼而該手指關節的神經交互抑制能力也會削弱，妨礙手指正常運動功能的發揮；因此，柔道運動員在技術訓練課后應進行手指關節的“補償練習”一弱勢拮抗肌訓練，例如抓握實心球、捏提杠鈴片、手指撐彈力皮筋等。
綜上所述，柔道訓練過程中，運動員既要注意技術動作的正確性、合理性，避免產生硬拉動作，又要充分緩沖對手拆手、封手的力量，同時在力量訓練過程中，應重視針對性恢復手段的運用和補償訓練的實施。只有這樣才能對預防手指關節損傷起到重要的作用。
4結論
髖關節的生物力學特征范文4
【關鍵詞】競技太極拳難度動作；提膝獨立；落地穩定性
A Sports Biomechanical Analysis of Jump-type Difficulty
Movement in Athletic Taiji
QIAO Biao, ZHANG Zhen
(College of Physical Education, Zhengzhou University, Zhengzhou 450044, Henan)
【Abstract】 Nowadays the completion of the C difficulty movement is the decisive factors in the competition of athletic Wushu set pattern. Through analyzing the completion of two difficulty movements of 323B+3/324B+3 by several excellent Taiji competitors of Henan Team, we try to understand the sports biomechanical reason for the high success rate of them, then offer some suggestions for the practice of the movement of Knee-lifting Balance Standing on One Foot.
【Keywords】 difficulty movements of competitive Taiji Quan，Tixi banlance，landing stability
1前言
我國競技武術的規則自1996年實行“切塊”評分法以來，經歷了三次變化〔1〕，從2003年至今已經形成了一套較為完善的評分規則，也被稱作“新規則”?！靶乱巹t”制定實施以來，太極拳類項目的難度成功率呈逐年上升的狀態，但總體成功率還是相對處于較低的水平上。之所以選取旋風腳接提膝獨立（323B+3）和騰空擺蓮腳接提膝獨立（324B+3）動作重點分析，是因為這兩個跳躍類難度動作的失誤率最高，筆者對2006-2010年全國武術冠軍賽太極拳項目前八名男子運動員的所有難度動作失誤率進行了統計，其中322B+3失誤率為5%，312B+3失誤率為2.5%，312A+324C失誤率為2.5%，而323B+3的失誤率達到10%，324B+3的失誤率高達12.5%。因此選擇這兩組動作進行細致研究。近年來，河南省太極拳隊在錦標賽和冠軍賽中取得了優異的成績，難度成功率很高，因此本研究選取了河南省隊太極拳運動員作為研究對象。
2研究對象與方法
2.1研究對象
河南省太極拳隊一線競技太極拳運動員，馬建超、張振興、甘泉等。
2.2研究方法
2.2.1影像分析法：在訓練場地定點拍攝運動員的難度動作。
2.2.2訪談法：對河南省隊教練和運動員進行深度訪談，了解運動員難度動作的訓練方法。
2.2.3數理統計法:對獲取的有效數據通過統計軟件進行數理統計和分析。
3河南省隊隊員323B+3/324B+3難度動作的運動生物力學分析
3.1河南省隊太極拳運動員完成323B+3/324B+3難度動作的特點
競技太極拳的跳躍類難度――騰空擺蓮腳接提膝獨立和旋風腳接提膝獨立與長拳類的騰空擺蓮腳和旋風腳不同，長拳類武術競技比賽中的旋轉動作是人體整體的拋物線運動和自身旋轉運動的復合運動形式，而且這兩種形式在運動中又互不影響，而競技太極拳的騰空旋轉類動作是不加助跑的；因此，競技太極拳中的騰空旋轉動作都是純粹的軸運動，沒有拋物線運動。長拳的旋風腳轉體在蹬地后，迅速擰腰、轉髖、伸踝、伸膝、伸髖關節和提氣、擰頭、擺臂、擺腿、轉體,使身體隨著蹬地騰空向上時,將已儲備的角動量傳到全身完成空中旋轉中〔2〕，但是競技太極拳在做該動作時必須充分考慮在下落時獨立的穩定性，因此在轉體過程中不可能像長拳運動員那樣把儲備的角動量全部用于旋轉，那樣極容易造成身體旋轉過度，在下肢著地靜止后軀干繼續旋轉，從而造成失誤，因此競技太極拳的原地騰空旋轉動作接提膝獨立是有其獨特性的。下圖分別為河南省隊隊員馬建超和張振興在訓練中做324B+3和323B+3的動作示意圖。
3.2河南省隊太極拳運動員323B+3/324B+3難度動作騰空和空中旋轉因素的分析
騰空階段是指蹬離地面瞬間離地到完成轉體到落地前的全過程，從蹬離地面的瞬間，人體只受到重力作用，不再受外力的影響，所以在騰空的繞軸運動中，運動員的身體進入騰空狀態后身體任何部位的改變或者移動都能對角速度的大小產生影響。軸運動是一個可以調節的變量，要想平穩地落地而不出現失誤（晃動、捻動或跳動），即由動態瞬間達到靜態平衡，就必須合理控制身體在旋轉過程中的每一個過程。研究人體旋轉問題時，轉動慣量I是一個基本參數。由于人體并非規則的幾何體，很難列出相對于某個轉動軸的數學表達公式。此外，人體雖是連續分布的介質，但質量分布不均勻，所以在研究中撇開一些影響不大的次要因素〔3〕P123，采用了人體力學模型的方法（漢納范Hanavan）建立模型。
騰空旋轉的大部分角度是在人體的上升階段完成的。運動員從蹬離地面到騰空的瞬間，就已經開始轉體，在轉體時通常是頭部先于身體開始轉動，因為頭先轉體產生的角速度、角加速度刺激前進分析器，才能更有利于形成方向感覺，以便調節全身運動器官完成轉體〔4〕。根據慣量定理:I=Mt/ω可推導出ω=Mt/I，從公式可知，繞身體縱軸Z的轉動慣量越小，旋轉的角速度就越大，而慣量I=mr2，質量m是固定值，因此為了能夠在最短時間內完成轉體動作，可以減少繞軸轉動的半徑r，從動作示意圖中可以看出，兩名運動員在旋轉時身體是幾乎垂直于地面的，在完成起擊腳后，肩關節里合，擊響腿迅速回收，兩臂盡量展開，這與長拳類和南拳類的騰空旋轉動作完全不同，這樣做的目的是快速降低角動量，使運動員的身體能夠盡快進入靜止狀態，便于穩定地獨立落地。另外人體的臟腑和組織內的體液都能產生慣性作用，對轉體產生一定的影響，因此，在轉體時屏住氣息，增加隔膜內壓，減少組織內體液的流動性，會降低對旋轉動作的影響。
影響空中旋轉的另一個重要因素是擊響腳時慣量I的變化。根據河南省隊優秀運動員馬建超采集的錄像作圖（圖3324B+3騰空擺蓮腳轉體過程）可以看出運動員在擊響腳后在空中的重心高度反而增加了，這與運動員的擊響時機非常有關。在完成向上的加速前，重心達到最高點前擊響腳，擺動腿的上擺運動增加了一個新的向上慣量。根據慣量I=I1+I2+…In〔5〕P124（漢范模型中慣量I是各個軸的慣量之和），因此向上擺腿和擺臂起到了相同的效果。所以，在軀體到達最高點之前擊響有助于實現“二次騰空”。這個時機非常重要，如果擊響過早會增加r的值，影響角速度，如果擊響太晚則會在動作未完成時加速下落，造成失誤。
圖3 324B+3騰空擺蓮腳轉體過程
3.3河南省隊太極拳運動員323B+3/324B+3難度動作落地平穩性的分析
提膝獨立難度的關鍵動作是落地動作的穩定性，它直接影響運動員難度分值的確認和連接難度分的獲得。在運動員落地時髖關節、膝關節和踝關節起到了重要的緩沖作用。與提膝獨立動作相關的肌肉主要包括背肌、臀大肌、大腿前部的股四頭肌、縫匠肌等和大腿后群的股二頭肌、半膜肌、半腱肌，以及群的股薄肌，小腿后群的腓腸肌和比目魚肌等。我們可以從生理解剖的結構看出，膝關節是一個具有承上啟下作用的關節，承擔起身體落地后自身的重力負荷，從而保證提膝獨立腿的支撐和力的有效傳遞和緩沖。從彈動技術上分析，當腳著地時隨著人體重心的持續下降，支撐腿膝、踝關節的肌肉進行退讓收縮，使膝、踝關節的角度快速縮小，角速度也隨之增大，并且方向向下。當踝關節角度縮小到一定的程度時，跟腱的形變剛度大小以及踝關節肌肉強力收縮產生的肌力矩克服阻力力矩的作用，使踝關節的角度不能持續縮小，此時角速度快速減小，一直到緩沖完成。
根據錄像分析，河南省太極拳隊運動員馬建超、張振興和女運動員甘泉在完成緩沖后膝關節和踝關節的夾角都小于90°且重心位置很低（見表1）。重心降低的過程是完成緩沖的過程，重心下降得越低意味著緩沖時間越多，運動員調整身體穩定性的時間也就越充分，但是重心越低踝關節肌肉收縮產生的肌力矩克服的阻力力矩越大，承擔的負荷越大。要達成重心的快速降低，運動員多采取借助上軀干前傾產生的重力作用完成。上軀干前傾落地的意義主要有：一、對落地緩沖產生積極作用，由于髖關節肌肉的特定生理現象，上體前傾可分解和延緩沖力對身體組織造成的額影響；二、因為上體的適度前傾，使得重心快速降低，提高了運動員落地穩定性；三、落地時上體保持適度的前傾在很大程度上利于右大腿前肌群在收縮時更加有力，不僅易于控制平衡而且能有充足的時間完成動作,符合太極拳運動對完成動作的“輕靈沉穩”的要求。
圖4
運動員在完成提膝獨立動作時，上軀干部的前傾主要依靠背肌和腹外斜肌的收縮來實現。所以前傾角度過小或者過大就會造成背部肌肉和腹外斜肌用力太小或者過度，直接影響獨立腿的控制穩定性。要保持上軀干和獨立腿的平衡，背部肌群的力矩應該等于頭部的重力力矩和軀干部重力力矩的和。（圖4）當人體同時受到多個力矩的作用時，往往需要多個力矩合成一個力矩，這個力矩就叫做合力矩，用ΣM來表示。ΣM是各個力矩的代數和，公式為ΣM=M1+M2+……Mn
在這里筆者把提膝獨立的落地動作簡化為三個力矩的合力矩ΣM=M1+M2+M3〔6〕P125
即：F•cosβ•sinα•2/3L=G1•cosα•1/2L+F•sinβ•cosα•2/3L+G2•cosα•L
（F為背肌群的作用力，G1表示軀干受的重力，G2表示頭部受的重力，L為上軀干長度）
因為運動員的軀干、頭部重量、上軀干長度是一定的，背部肌群的拉力大小隨著前傾度數的增加而減小，當身體接近垂直于地面時，背肌群受到的拉力最小。當一個體重為65kg的運動員軀干前傾角度超過30°時，背肌群承受的拉力將會超過180kg；而前傾角度小于80°時，背肌群受到的作用力將不足60kg，這樣就不能充分發揮背肌群的作用，重心降低的速度也會大大減小，運動員落地時身體受到的沖力不容易被緩沖，膝蓋承受的沖力會過大，而過大的沖力會造成運動員在單腿支撐時產生跳動、捻動和左右晃動的失誤動作，增加失誤率；而前傾角度過大，背肌受到的作用力也會過大，當前傾角超過30°時，背肌群拉力就會超過180kg，意味著運動員的背肌控制不了向前的重力作用，產生前倒，甚至附加支撐。由此可見，前軀干前傾度數過大或者過小都會造成失誤率的增加。
4結論和建議
通過對河南省隊優秀太極拳運動員的運動生物力學分析，筆者認為在競技武術越來越白熱化的當代，要想提高運動員的競技水平就必須在訓練中采取更加科學化和嚴謹化的訓練方法，河南省太極拳隊在訓練過程中綜合了各個方面的因素，從肌肉力量、爆發力、耐力和柔韌訓練方面不斷進行科學化、合理化的探索，除此之外還對每一個難度動作進行了分解和量化。
（1）在完成騰空難度動作起跳時要充分下蹲，拉伸腿部肌肉將有助于提高騰空高度，其次，預蹲時雙腳應張開齊肩寬直立，踵、膝、髖關節依次迅速彎曲，重心下降，雙臂快速有力地輔助上擺，可以增加身體的失重程度，還有蹬離地面時速度要快，以減少用力時間增加爆發力。在起跳離地瞬間，起跳腿的髖、膝、踝三關節應充分蹬直，最大極限地向上騰起。
（2）在騰空旋轉時身體應盡量保持伸直，兩臂在完成起擊腳后，肩關節里合，擊響腿迅速回收，兩臂在落地前要打開。另外人體的臟腑和組織內的體液都能產生慣性作用，對轉體產生一定的影響，因此在轉體時應屏住氣息，增加隔膜內壓，減少組織內體液的流動性，以降低對旋轉動作的影響。擊響腳的位置也非常重要，由于向上擺腿和擺臂起到了相同的效果，所以在軀體到達最高點之前擊響有助于實現“二次騰空”。如果擊響過早或過晚都會影響角速度，對轉體產生負面影響。
（3）在著地時重心應快速降低，軀干前傾，前傾角盡量保持在30°到80°之間，懸垂的髖關節和懸垂腿應收緊，腳尖繃直。因此除了通過分解訓練法進行獨立動作下蹲訓練以外，對運動員在著地時身體的前傾角度、重心的位置以及懸空腿的胯關節控制力都是著重訓練的重點。
（4）最后，注重身體素質和技術能力訓練以外，針對難度動作的心理訓練也占有很重要的地位，每逢大賽前，在運動員出現應激水平過高或者渙散時教練員都會對運動員進行心理訓練和認知干預，保證運動員在場上的穩定發揮，因此，武術運動員的心理訓練應貫穿于訓練和比賽的全過程，應制定長期的、系統的心理訓練計劃，同時結合賽前的心理訓練，使運動員能達到心理、技術能力比較完美的結合，出色地表現行動統一的技術效果〔7〕。
參考文獻
〔1〕全國武術套路競賽規則第一到八版.國家武術運動管理中心.
〔2〕邱建華,陳軍.旋風腳轉體540°動作的運動生物力學與解剖學析〔J〕.山東體育學院學報,2000,16(1):62-63.
〔3〕〔5〕〔6〕運動生物力學〔M〕.北京:人民體育出版社，2005.
髖關節的生物力學特征范文5
關鍵詞：運動學特征；坐角；坐高；踏蹬技術；指標
中圖分類號：G804.66
文獻標識碼：A
文章編號：1007-3612(2008)08-1076-06
A Kinematic Characteristics Analysis of Variation in Seat Tube Angle at Different Seat Heights on
Submaximal Cycling Performance
LUO Jiong
(College of Physical Education,Southwest University, Chongqing 400715, China)
Abstract:A few results have been obtained through the variations in seat tube angle at different seat heights on submaximal cycling performance. The better agreement on the theoretic analysis of knee and ankle joint tracks and the angular velocity of crank in the recovery phase with practical results .Seat angle should be more than 72° and seat height be more than 106% TH are considered the better orientation for participating this experiment bicycle-athletes. Three Kinematic indexes using in diagnosis for pedalling techniques were decided. The first is the angular velocity of crank in the recovery phase.The second is copes of TDC in the different combinations. The third is lubricous degree, symmetry and unsymmetry of knee and ankle joint track. The experiment discovers that the invariablenes basically about bending and extending scope of thigh angle during the pedaling which tells us the strength training method of improving stretching power of coax joint related to bicycle athletes, namely bending and stretching angle of thigh must be controlled in 30°～85°while pursuing strength training.
Key words: kinematic characteristics；seat angle；seat height；pedalling techniques；index
最近幾十年，生物力學和空氣動力學方面的研究正日益影響著自行車運動的的發展，毫無疑問，騎行成績的提高除了要注重訓練、管理、營養外，選取最佳騎行姿勢、改善騎行的動作效率絕對是獲取優異成績不可替代的前提。目前我國有關自行車技術理論方面的研究較少，訓練中，缺乏科學的技術理論指導，教練員們僅靠經驗去矯正運動員的技術，因而難以獲得明顯的效果；此外，由于我國基礎研究不足,長期以來,自行車、特別是競賽用自行車的設計基本上依靠國外的試驗數據，出現運動員被動地適應國外設計的符合他們人體結構特性的運動器械的現象。本研究是在前人研究的基礎上，從運動生物力學角度出發，利用目前先進的傳感技術與計算機技術，研制出一件測量儀器（圖1），通過控制受試者上體姿位、改變坐角、坐高所引起的腳蹬、車坐、手把上的力值變化、下肢踏蹬中運動學參數的變化及下肢主要肌群的肌肉放電變化進行分析，從而為適合于中國人人體結構特性的坐姿定位以及為所測的每個自行車運動員獲得各自最優的車架結構尺寸提供理論依據和有效的原始數據。為真正實現“自行車適合于人的理念” 邁出了重要的一步，從而更好地為體育運動及全民健身服務。（限于篇幅，本文只對運動學特征進行報道）
1 研究對象與方法
1.1 研究對象 5位來自北京市自行車運動隊的優秀運動員身高（179.6±2.19)cm；體重(65.7±9.09)kg；恥骨聯合高度（稱為TH高）(81±2.3)cm；有效小腿長(46.8±1.3）cm被招收參與本次實驗。實驗前經過體格檢查，均沒有神經肌肉、心肺功能障礙及外科方面的疾病。實驗前向受試者詳細解釋實驗目的及相關程序，并需進行幾項人體測量學參數及個人最大功率的測試。
1.2 研究方法
1.2.1 研究范圍及時相階段劃分 踏蹬動作是自行車技術中最重要、最復雜的技術環節。在一個踏蹬周期中，當一條腿往前下方蹬時（驅動），另一條腿則在往后上方恢復（提拉），反之，亦然。就一條腿而言，在一個踏蹬周期中，均經歷了前蹬和提拉兩個過程。為了研究問題方便，本文將測試對象右腿踏蹬動作進行分析。
1.2.2 實驗設計 選取三種坐角（65°、72°、77°）、三種坐高（96%TH、101%TH、106%TH）,共九種位置組合進行踏蹬實驗。實驗進行的順序見圖2，選擇是隨機的，但每個對象的起點都是從組合5(坐角72°、坐高101%TH)的位置開始，九種組合測試完畢后又回到出發點進行重復測試。打亂實驗順序的目的是為了排除因時間、實驗順序引起的隨機誤差；回到出發點，并對該組合位進行重復測試，其目的是檢驗運動員是否存在因疲勞、心肺功能漂移、脫水或無氧代謝引起測量參數的失真，以檢驗九種組合位置上的數據是否都是在對象沒有產生疲勞的情況下取得的。
用節拍器和測試車內置的頻率控制器共同控制踏蹬頻率。每種組合下，當踏蹬頻率達到實驗規定值110 rpm（附：這是優秀自行車選手的經典踏蹬頻率）時，要求受試者保持穩定騎行狀態至少1 min，這期間進行運動學、動力學及肌電的同步測試（測試車上有同步發光點），采樣時間不少于10 s。整個實驗過程是非連續的，其中曲柄長為標準值170 mm，所有的實驗對象穿統一品牌的運動鞋，軀干姿態角控制為45°左右。每次正式實驗開始前，要求對象先做5 min熱身式的踏蹬練習，踏蹬頻率一般為50 rpm（轉/min）,功率輸出100 w左右，然后慢慢調整載荷直達實驗要求值（即受試者最大功率輸出均值的80%，本實驗測得該值為250 w）。
為了檢驗運動員比賽用車的尺寸是否滿足個體與賽車系統之間的最佳結合，我們對實驗對象還補做“賽車位實驗”。所謂“賽車位實驗”是指先測量好運動員賽車尺寸，然后在測試車上調出與“賽車尺寸”相近的實驗位，再重做上述實驗，其目的是對運動員比賽所采用的賽車定位是否合理進行檢驗。
1.2.3 運動學研究方法 利用日本產JVC數字攝像一體機GR-DV3000ED安放在測試車的正側面，其主光軸與受試者矢狀面垂直，攝像機鏡頭正對測試對象右邊髖關節中心稍偏下的部位，拍攝距離8 m，機高1.2 m。每次采集時攝像機至少比測力及肌電儀先開機10 s以上，由本實驗自行開發的視訊解析系統對所選動作畫面進行解析，畫面采集頻率為50場/s，所得數據進行濾波平滑，截斷頻率為10。
1.2.4 統計方法 以腳蹬兩次連續通過上死點定義為一個完整的曲柄圓。每種組合下選取兩個連續的曲柄圓所對應的參數值進行疊加以求得每個對象的相關參數，再將同類受試者在同一組合位下參數值進行疊加，并把各參數值與曲柄角對應起來，求得均值關于曲柄角的函數曲線，以及每種組合下的有關參數的最值及標準差、均值及標準差。單因素、雙因素方差分析被用于該實驗的數據處理上，所有統計檢驗的顯著水平設置為a=0.05。
2 結果與分析
2.1 對組合5下重復測試的檢驗 表1數據表明：組合5下重復測試所得的運動學參數值經檢驗均無統計學意義（P>0.05）。因此，這基本排除了運動員因時間因素、實驗順序及疲勞因素帶來的干撓，故下面的有關運動學特征分析時所用數據具有一定的有效性和可靠性。
2.2 坐角、坐高對曲柄轉動的影響分析 我們先從純理論角度來探討做等速轉動的曲柄，其回轉角速度的變化特征。我們把膝關節中心至第一拇趾關節的連線長稱為有效小腿長。于是下肢環節與自行車系統可簡化為由大腿、有效小腿長（又稱小腿足）、曲柄和坐管長構成的（這里的坐管長指髖關節中心至曲柄中軸軸心的距離）四環節鏈模型［1］（機械原理中稱為四桿機構見圖3）。
基于四環節模型基礎上，設運動員處于穩定的騎行狀態，此時曲柄AB作等速轉動，大腿CD作往復變速擺動。曲柄在回轉一周的過程中與有效小腿長BC有兩次共線，這時大腿CD分別位于最限位置C1D和C2D。由圖2-6中可以看出，曲柄相應的兩個轉角Ф1和Ф2分別Ф1=180°+θ和Ф2=180°-θ，式中θ是大腿處于兩最限位置時，相應的曲柄位置線所夾的銳角，稱之為最位夾角。
由于Ф1＞Ф2，因此當曲柄以等角速度ω轉過這兩個角度時，對應時間t1＞t2,故V1=C1C2弧長/t1,V2=C2C1弧長/t2,顯然V1＜V2。由此可知，當曲柄等速轉動時，大腿上下擺動的平均速度是不同的，前蹬過程大腿速度小于恢復過程，這一特征我們不妨稱為大腿的急回特征。
因此如果恢復階段的大腿速度小于前蹬過程大腿速度，這樣在恢復階段腳掌會對曲柄施加一定量的向下作用力，從而導致過多的負曲柄力矩，降低了騎行效率。
從表2可以看出改變坐角、坐高對前蹬平均角速度沒什么影響，但卻顯著影響到恢復階段的平均角速度,通過對坐角、坐高間的影響進行多重比較分析發現，坐角對恢復階段平均角速度的影響作用是有一定范圍，也就是當坐角大于72°時將不再具有顯著意義。同樣地，當坐高達到101%TH時，再增加坐高其影響作用不再顯著。從總體上看坐高低于101%TH，恢復階段的平均角速度小于前蹬；而坐角小于72°，坐高必須達到106%TH時，才能確保恢復階段平均角速度大于前蹬。這意味著對自行車運動員而言，坐高太低（小于101%TH）以及坐角太?。ㄐ∮?2°）均妨礙下肢環節鏈杠桿系統的繞圓運動，即導致恢復階段的平均角速度小于前蹬，這樣不利于運動員提高騎行效率。
自行車踏蹬技術中，“踏蹬死點”一直是運動員、教練員及科研究人員最關心的問題。眾所周知，在一個踏蹬圓中，死點的位置是運動員發力倍感困難的地方。當初人們對死點的認識比較粗糙，以為死點處腳蹬不受力（即腳蹬受力等于0）。隨著現代高速攝像、計算機技術以及傳感技術的發展，目前對“死點”的認識大致有了統一的說法，即“死點”處腳蹬不是不受力，而是作用于腳蹬上的有效力等于0。就運動學方面的有關知識對“死點”的理解是：死點不是一個點，而是一個區域，確切地說是一個曲柄角速度突減區域，這樣的區域一般都出現在曲柄圓的最高點與最低點附近。
本實驗過程中，對自行車運動員測試時控制踏蹬頻率是110 rpm。通過攝影解析所獲得的自行車運動員的實際踏蹬頻率均值約為108.45 rpm,折算為平均角速度分別為650.7°/s,故本文規定當自行車運動員曲柄角速度610°/s對應的曲柄角范圍記為死點區。
從表3可以看到坐角、坐高以及交互作用都顯著影響到自行車運動員上、下死點區域的大小。就整體而論，九種組合情況下，普遍存在上死點區域比下死點區域寬。通過多重比較發現：坐角65°與72°及65°與77°間、坐高96%TH與101%TH及96%TH與107%TH間對上死點區域有顯著改變。對下死點，三坐高兩兩間及三坐角兩兩間均對下死點區域的改變有顯著意義，即隨著坐角、坐高的增加，下死點區域呈遞減趨勢，這顯然對騎行有益。
綜合表2、3中數據，我們確證了理論分析與實驗結果間的一致性，即恢復階段的曲柄角速度應適當高于前蹬。對本實驗的自行車運動員而言，在固定的功率輸出下，坐角必大于72°時才能對恢復階段角速度產生積極的影響，如果低于72°，那么坐高必須達到106%TH以上才有利于恢復角速度的提高。因此，在運動訓練中不能只注重提高坐高來增加恢復階段角速度。對那些山地自行車運動員，由于他們的自行車坐角較淺（有些在68°左右），因而適當提高坐高是必要的。另一方面，當坐角大于72°、坐高達到101%TH后，再改變坐角、坐高對縮小上死點區域無益，然而卻始終對縮小下死點區域有益，據騎行有關規律，上、下死點區域的減小，顯然有利于提高騎行效率，因為處于上、下死點區域內的大腿對腳蹬幾乎不做正功，多數情況下是“惰性力”［2］，但應注意的是增加坐角、坐高是有條件的（因受比賽規則以及運動員身體結構的限制）。
2.3 下肢各關節角度變化特征分析 據有關文獻報道［3，4］，曲柄轉動角速度變化只能反映踏蹬周期中踏蹬動作的外部特征，而下肢環節鏈杠桿系統的機械條件，下肢肌肉正確的發力順序等是決定踏蹬技術好壞的內部因素，它是引起曲柄轉動角速度變化的動因。踏蹬動作主要是由腿部肌肉的收縮實現的，而下肢三個關節角度的變化情況也許能反映出驅動腿相關肌群的工作性質及發力特點。
綜觀表4、5、6中可以清楚地看到坐角對受試者髖、膝、踝角最值位置移動無影響，而坐高顯著影響到髖、膝、踝角位置的移動。當坐高從96%TH-101%TH-106%TH遞增過程中，最大髖角出現時刻均值大約是-5.86°-1.93°-1.58°（P0.05），也就是說只有當坐高達到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置顯著后移；最大踝角出現時刻均值約從174.66°-176.39°-184.56°，同樣第一個坐高增量所引起踝角最值位置移動無統計學意義（P>0.05）。坐高也同樣影響到髖、膝、踝角最小值的位置移動，在同樣坐高增量下，最小髖角出現時刻分別約從173.26°-184.33°-194.36°，說明大腿后伸作用延長，且坐高每增5%TH，位置后伸大約10°（P
說明：表中出現的負角，是以曲柄圓上死點0°為標志點，曲柄處于該位置前記為負，后記為正，以下各表含義相同。
據騎行生物力學文獻［5，6］，假如大腿過了最高點（0°）后其屈曲還未達到最大值，那么它將繼續屈，此時對于進入前蹬階段的大腿應立即轉為下壓才對騎行有利；反之，如果在最高點（0°）前較遠的位置大腿屈曲達到了最大值，此時的腳蹬還未跨過曲柄圓的最高點，那么只能依靠屈膝或踝背屈所產生的運動幅度越過最高點，這時對于失去屈髖作用的小腿足而言，要快速跨越“上死點區”是不利的。從改變坐角、坐高對受試者髖、膝、踝角最值（包括最大值與最小值）出現的時刻看，坐高的影響是主要的。坐高增加引起髖角最大值出現位置明顯前移，當坐高達106%TH，最大髖角出現時刻（對應曲柄角1.58°）恰好是腳蹬跨過了曲柄圓最高點少許的位置；另一方面，坐高增加引起髖角最小值位置下移，同樣的坐高增量下，下移從173.26°―184.33°―194.36°，這種下移趨向明顯延長了大腿的后伸作用，因而延長大腿對腳蹬驅動作用。有意思的是坐高同樣引起受試者膝角最小值位置的移動，當坐高從96%TH―101%TH―106%TH遞增過程中，最小膝角出現時刻向曲柄圓最高點靠攏，且當坐高等于106%TH時，大腿與小腿幾乎同時在過了曲柄圓最高點少許的地方完成最大屈曲（對應曲柄角約為0.65°）。同樣我們討論坐高對膝角最大值位置的移動，結果表明只有當坐高超過101%TH時所引起的位置下移才具有顯著差異，這也就啟示我們，對自行車運動員只有當坐高達到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置的顯著下移。由此可見，只有當坐高達到106%TH后可能對自行車運動員更有益。
2.4 膝、踝關節中心軌跡的特征分析 自行車騎行技術動作過程是一個復雜的復合運動,運動員在騎行中軀置相對固定不變。上肢手臂的拉撐靜力動作也僅為對車子的內力有影響,但是，下肢多環節的運動過程卻涉及諸多變化的動力學因素，各關節運動為多軸心的連續運動。其中髖關節中心點相對軀干位置幾乎沒有變化，腳掌繞中軸作轉動動作，膝、踝關節運動點是以一定軌跡規律運動的動點。在騎行中膝關節和踝關節運動點在其運動軌跡上的速度和加速度等運動特征量的矢量性、瞬時性和相對性又導致它們的運動軌跡較為復雜。運動員在騎行過程中，下肢是唯一產生動力的系統。其用力過程是否合理有效，可以通過下肢關節運動軌跡來反映。
現將直角坐標系XOY與自行車固連。設髖關節中心點坐標M（a,b），髖關節中心點與膝關節中心點N的連線為r1,如圖4-a,則從理論上可推得膝關節中心點的軌跡方程:
(x1-α)2+(y1-b)2=r21 （1）
假若髖關節中心點坐標不變，因而大腿繞髖關節中心轉動（上下擺動）只在一定范圍內，故膝關節中心軌跡應是兩段重合的圓弧。然而，運動員在實際踏蹬過程中，當大腿、小腿及足的向前下方積最下壓時（前蹬），腳蹬的骨杠桿連動作用致使髖關節中心少許前移；而在180°～360°的恢復過程中，足、小腿及大腿向后積最恢復腳蹬時骨杠桿連動作用又使髖關節略有后移，而整個踏蹬過程中大腿長度這一轉動半徑是不變的。因此從理論上可以推出實際騎行過程中，膝關節的軌跡是兩段不完全重合的圓弧（圖4―b)。即曲柄從上死點（0°）至下死點（180°）時，膝關節軌跡對應EFG?。挥?80°到360°時，膝關節軌跡對應GHE弧。兩弧并不完全重合。
圖4 膝、踝關節軌跡理論推論圖5 自行車運動祁躍在九種不同組合下膝關節中心軌跡曲線同樣若踏板中軸軸心坐標P（c,d）,中軸中心至踝關節中心的連線為r2,那么踝關節中心軌跡方程為：
(x2-c)2+(y2-d)2=r22（2）
顯然，如果踝關節角保持不變，踝關節中心軌跡是一個圓。事實上，當曲柄從上死點至90°水平位，踝關節中心至中軸軸心的距離逐漸減小，從90°水平位至180°時，這個距離逐漸增大。且由于接近180°時足主動做恢復動作，踝關節略上移地改變了原來的運動方向，PA小于PC（圖4-b），由此可以看出踝關節的動點真正軌跡應是水平半徑小于縱軸半徑，且縱軸的上半徑略大于下半徑，即類似于一個橢圓。
圖5是自行車運動員祁躍在九種組合位下踏蹬時膝、踝兩關節中心軌跡曲線，可從如下三方面進行分析。1) 每種組合下兩段弧線的重合程度，重合度愈高，說明髖關節中心前后、上下移動較小。2) 看每段弧的光滑程度，弧段愈光滑，說明膝關節顫動較小。3) 不同對象在同一組合下的曲線對比。分析圖5不難看出：坐角對受試者髖、膝關節的穩定性及位置有很大的影響，在三種坐高條件下，77°坐角最穩定，72°次之，65°坐角穩定性最差；坐高影響到髖關節中心的位置移動，特別在96%TH坐高條件下，髖、膝關節中心波動最大，因而弧段最不光滑，106%TH坐高最好，因為兩弧段較光滑且較靠近。
圖6 自行車運動祁躍在九種組合下踝關節中心軌道圖6運動員祁躍在九種組合位踏蹬時踝關節中心軌跡，作為例子，同樣可從如下幾個方面對曲線進行診斷分析：1) 每種組合下所得類似橢圓的長軸、短軸的變化特點，曲線的光滑程度，左、右及上、下兩部分的非對稱程度，以此主要推斷踝關節中心變化的穩定性及驅動過程中屈踝作用是否強烈。2) 橢圓的移位現象，一般體現在略微上移，這是優秀運動員主動恢復的標志。3) 不同類別間受試者及同類別不同個體間在同一組合下曲線對比可間接反映各自踏蹬技術特點及優劣。
在77°坐角下，受試者有相對較好橢圓曲線，坐高小于101%TH，受試者曲線的波動程度明顯增加。從總體觀察，隨坐高增加，橢圓變得更扁、更光滑，說明下肢環節鏈系統繞圓運動越舒展，且具有明顯的主動恢復觀象。
2.5 “賽車位”與“實驗最佳位”對比分析 至此，我們已清楚地感到對所檢測的五位自行車運動員而言，坐角77°與106%TH坐高（組合3）似乎對他們都有益,現暫且把這個組合位稱為“實驗最佳位”?，F將五位運動員各自“賽車位”與“實驗最佳位”做對比測試。結果如下：
（說明：這里的“位置”指最大髖角、膝角、踝角出現時刻所對應的曲柄角）
由表7可以看出：付、朱兩運動員在“賽車位”的上、下死點區域比“實驗最佳位”寬，周、祁的表現恰相反，張在這兩個位置上的表現沒明顯差異。五運動員在髖角最值上表現出一致性―即“實驗最佳位”比“賽車位”大,髖角變化范圍朱慧闊、付仁杰較大，其余三位相差不大。而且我們發現無論是“實驗最佳位”還是“賽車位”，對參與本實驗自行車運動員而言，其髖角始終處于30°～85°之間。
從表8可以看出：付、周、祁、張四運動員膝角最值在“實驗最佳位”與“賽車位”沒有明顯差異（差異在1°～2°），而朱慧闊則明顯不同，其“賽車位”的膝角最大值明顯大于“實驗最佳位”，而“賽車位”的最小膝角值則明顯小于“實驗最佳位”，故其膝角變化范圍比其余四運動員要大得多。五運動員在“賽車位”的最大踝角值都大于“實驗最佳位”，而最小值在兩個位置處無太大差異，因此“賽車位”的踝角變化范圍明顯大于“實驗最佳位”。
髖關節的生物力學特征范文6
關鍵詞：田徑；推鉛球；生物力學
中圖分類號：G824.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007―3612(2007)03―0404―03
現代推鉛球技術是在投擲圈內從靜止姿勢背對投擲方向開始，通過滑步或旋轉后將鉛球推出的過程。鉛球的飛行遠度主要是由鉛球的出手速度、出手角度和出手高度決定的，其中出手速度起著決定作用，而鉛球的出手速度又是身體各環節協調用力的結果，因此研究投擲過程中人體各環節和鉛球的速度變化特征，找出其內在規律，對指導教學與訓練有著重要的現實意義。
1 研究對象與方法
1.1研究方法 以參加2006年全國田徑大獎賽肇慶站男子鉛球比賽的冠軍龐僑韜琳(以下簡稱龐)和廣州體育學院運動員李富(以下簡稱李)為研究對象，二人均為右手持球，采用背向滑步推鉛球技術，其中龐的身高188 cm，體重115 kg，本次比賽最好成績17.02 m，李的身高193 cm，體重115 kg，本次比賽最好成績14.13 m。
1.2研究方法
1.2.1影像解析法 采用日本NAC牌高速攝像機在比賽現場從投擲方向正側面進行平面定點定焦拍攝，拍攝頻率為250幀，s，拍攝距離為12 m，機高1.2 m，比賽后拍攝標尺完整圖像，采用APAS System對運動員的最好成績進行圖像解析，對采集的數據使用數字濾波法進行數據平滑。
1.2.2文獻資料法 本研究從中國期刊網上搜索查尋了13種體育類核心期刊(從1994―2005年)、中國期刊全文數據庫(從1980―1993年)以及中國優秀博碩士學位論文全文數據庫中有關鉛球訓練與技術分析的文獻50余篇，并進行了分析研究。
為了便于分析，本文將推鉛球的技術動作分為四個時相：滑步開始右腳離地瞬間(t1)、滑步結束右腳著地瞬間(t2)、左腳著地瞬間(t3)、鉛球出手瞬間(t4)，其中可分為三個階段：滑步階段(t1―t2)、過渡階段(t2―t3)、最后用力階段(t3―t4)。
2 結果與分析
在本次比賽中，龐在推出17.02 m的成績時，鉛球的出手速度為12.40 m/s，出手角度為40.60，出手高度為2.47 m。李在推出14.13 m的成績時，鉛球的出手速度為10.80 m/s，出手角度為37.3°，出手高度為2.54 m。
2.1人體重心和鉛球重心速度的變化在 圖1和圖2中給出的分別是兩名運動員從t1至t4時相人體重心的速度和鉛球的速度，其中曲線上第一個涂黑的標志點的時間為t2，第二個標志點的時間為t3，由于李的t3出現在t2之前0.008 s，故沒有標出。從圖1中可以看出，龐和李兩人的身體重心速度在騰空階段出現明顯下降，但在t2時刻前又有所上升，但李的上升幅度更大，經查看圖像，是由于李的軀干抬起幅度較大所致，這對于保持超越器械和工作距離是不利的。在圖1中，龐的身體重心速度在t2―t3時段內略有下降，在t3之后即有較大的上升，持續時間達0.036 s，說明身體有向前上方的加速運動，隨之身體重心的速度大幅度的快速下降，說明左腿制動性的支撐動作強而有力。與龐有所不同的是，李的左腳在右腳著地前0.008 s時著地(這在優秀運動員中極為罕見)，盡管落地速度較快，但在較長時間內身體重心的速度持續下降，沒有出現向前上方的加速運動，說明李的雙腿沒有及時發力，較長時間處于緩沖階段，這對于髖部的及時加速和利用滑步的速度顯然是不利的，也說明左腳過早著地并一定能提高用力的效果。
從圖2中可以看出，李的鉛球速度在雙腳著地后有所下降，雖然速度上升的拐點出現較早，但速度增長的持續時間較短，在鉛球出手前，鉛球的速度增加較緩，經過觀察錄像可知，主要是因為李的用力順序不正確，軀干過早轉向投擲方向運動所致。雖然龐的鉛球速度增長拐點出現較晚，但持續增長的時間較長，最后達到了較大的出手速度。
2.2身體右側環節的速度變化 在圖3和圖4中顯示的是龐和李從左腳落地瞬間至鉛球出手瞬間身體右側環節的速度變化，并可間接反映有關環節的肌群的用力情況。從圖3中可見龐的右髖先加速達到峰值，隨后其速度逐漸下降，然后是右肩、右肘和右腕速度快速上升同時達到峰值，其后是右手的速度達到峰值，在O.040 s之后鉛球的速度達到峰值，這是值得注意的。從圖4中可以看出，李在最后用力過程中肘關節的速度峰值再現在肩關節的速度峰值之前，因而其速度的增量不大，影響了投擲效果，也不符合人體運動鏈自下而上逐漸加速進行動量傳遞的原理，是一個錯誤的動作。
為了詳細分析龐李兩人在最后用力時身體各環節速度變化情況，在圖5中畫出了他們兩人自左腳落地瞬間至鉛球出手瞬間胸部的速度曲線。
從圖5中可以看出，李在左腳落地后胸部即有較高的速度，但隨即速度下降至較低水平，龐的胸部速度峰值出現稍晚，存在‘延遲用力’的現象，但卻達到了較大的速度峰值。這。說明在左腳落地后胸部過早加速不但不會提高最后的鉛球出手速度和增加用力效果，反而會破壞用力的結構，給最后用力帶來負面影響。從圖5中還可見到，兩人的胸部速度曲線都存在雙峰型的情況，而且第一峰值速度大于第二峰值。龐的胸部速度曲線出現了時間短而峰值高的特征，李的曲線延續時間較長但較低平。兩人胸部速度曲線說明，他們的軀干動作有很大區別：龐的軀干動作表現為以髖部為起點的鞭打動作，時間短而增速快，在動作之后速度急速下降；李的胸部動作時間長，增速少而慢，鞭打動作特性表現不突出。
為了詳細觀察兩名運動員的身體環節速度變化情況，按順序列出了兩人投擲時身體環節的峰值速度和出現時間。從表中可見，運動員肩關節的峰值速度比髖關節的峰值速度增加了一倍以上，肘關節的峰值速度比肩關節的峰值速度也有較大增加，但腕關節的峰值速度與肘關節的差異很小，手的峰值速度比腕的速度有所增加，鉛球的峰值速度與手的峰值速度相比略有增加而且時間稍遲。
龐、李的身體環節峰值速度基本上呈現出依次遞增的規律，其中龐在肘關節處的速度增量最大，增幅達到5.0 m/s，李的肩關節速度增量最大，增幅達到4.5 m/s，且其肩的峰值速度明顯大于龐的峰值速度；經觀察比賽錄像得知，李在最后用力的過程中，軀干向前的幅度較大，時間較長，使處于軀干上端的右肩的速度增加明顯，但由于肩帶肌肉未能及時發力使上臂前伸，影響了肘關節的速度，并最終影響了鉛球的出手速度。
對兩位選手最后用力時身體主要環節峰值速度的大小和出現的時間進行分析，表明上述參數可以作為評價推鉛球最后用力效果的具體指標。為了更詳細的了解身體各環節速度變化的基本規律，我們以最后用力時髖關節的峰值速度為基準點，自下而上算出身體其它環節和鉛球峰值速度的增加比例，按下列公式將之換算成為環節峰值速度遞增系數，具體計算公式如下：
環節峰值速度遞增系數＝(Vmax2－Vmax1)/Vmax1×100％
其中Vmax1表示前一個環節的峰值速度，Vmax2表示該環節的峰值速度。
3 結論與建議
1)水平較高的鉛球運動員身體重心速度在過渡階段呈現出基本保持或略有下降的態勢，在最后用力階段的開始較短時間內快速上升，隨即快速大幅度下降。
2)鉛球運動員推鉛球時，按照自下而上的用力順序和一定的時間間隔進行投擲，但龐在投擲時呈現出胸部和右肩、右肘的峰值速度在左腳落地后0.184 s同時出現的特點，腕關節和肘關節的峰值速度相比差別很小，未出現加速現象，但出現時間稍晚，兩名運動員的手的峰值速度比腕和肘關節增加了10％以上。