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髋关节的生物力学特征范文1
关键词 鞭打动作 体育项目 应用
中图分类号：G804.66 文献标识码：A
0引言
人体在结构上是由关节将身体各环节相连，在体育动作中，当希望环节链末端产生最大的速度和力量时，肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加，把这种动作形式称为鞭打动作。人体四肢结构类似于鞭子，它们近端环节的质量大，末端环节的质量小，因此在作鞭打动作时，鞭根近端环节先加速挥动，获得动量，然后制动，在制动过程中，动量向鞭梢末端环节传递，因此获得极大的运动速度。人体鞭打动作在体育运动技术中有着举足轻重的作用，它几乎渗透到各项体育运动技术动作中，所有的投掷项目无一例外的都与鞭打技术有关，如：标枪、棒球和垒球，其中标枪的鞭打技术最为复杂，再如排球的扣球、乒乓球、羽毛球及网球的扣杀动作，无一例外首先要解决好鞭打的技术，足球运动员的大力踢球、散打中的鞭腿、游泳中的打水，以及体操中的腿鞭打都与鞭打技术有关。
鞭打动作的分类，主要分为上肢鞭打动作和下肢鞭打动作，其中上肢鞭打动作又可以分为投掷性鞭打动作（例如：投掷标枪、垒球等）和打击性鞭打动作（例如：排球扣球、发球，乒乓球和羽毛球的扣杀等），下肢鞭打动作常在足球、体操、武术技术中运用，足球中射门、传球和武术中的鞭腿都是下肢鞭打动作的典型范例。另外，也有人提出全身鞭打，但由于最后的发力是通过肢体末端，也可以归到下肢鞭打动作（例如：蝶泳等）。
1上肢鞭打动作
在上肢鞭打中“力的曲线”呈现出规律性的变化，首先人体上肢环节的反向运动使肢体的肌肉预先拉长，紧接着肌肉由离心收缩转向向心收缩，力的曲线出现了第一次波峰，由于躯干的制动和身体的另一部分的固定，使力的曲线出现了一个小小的波谷，最后在鞭打动作即将结束时，力的曲线出现了第二次波峰，达最大值。人体各环节的曲线图，呈现出规律性的变化，肩关节首先出现速度峰值，接着开始减速，肘关节出现速度峰值。接着开始减速，最后腕关节出现速度峰值，以上说明鞭打动作的一个特点，即每一个环节最大运动速度是在前一个环节达到最大速度后，获得的近端环节制动的同时远端环节做加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，使远端获得最大的角速度和线速度。当然，动量传递只是肢体鞭打动作快速有力的一个方面，在这一过程中，使远端环节在鞭打方向上加速的原动肌也发挥着较大的作用肢体各关节依次发力，使各环节的动量逐步积累，末端环节手或足的运动速度是由其各近侧环节的运动速度的依次叠加而成，这是另一个重要方面。排球的扣球、发球等均为上肢打击性鞭打中的无器械鞭打动作形式，打击性鞭打动作，其运动规律与投掷性鞭打动作相仿，其特点是在做动作之前，各关节的肌肉更加放松被拉长，以保证肢体完成鞭打动作的速度和幅度。
2下肢鞭打动作
下肢鞭打动作角速度特征为：后摆时表现为大腿逐渐减速，小腿加速――最大角速――减速的特点；前摆时表现为大腿加速――最大角速度――减速，小腿持续加速的特点。髋关节的屈肌力矩，膝关节的伸肌力矩，踝关节的背屈力矩在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用。髋关节的内收，外展力矩起定向作用。髋关节旋内、旋外力矩，膝关节旋内、旋外力矩以及踝关节内翻力矩的主要作用是对脚的方位及倾斜程度进行调整。股直肌、股内肌、股外肌、胫骨前肌在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用。小腿加速前摆的初期伸膝肌群产生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩与来自大腿角动量的传递共同在起作用。
3结论与建议
鞭打动作中，肢体的反向动作，给原动肌一个最适宜的初长度，同时也提高了原动肌的爆发式收缩力，尽可能延长了肌力工作距离。鞭打过程中，各环节的依次加速与制动，最终近端获得最大的角速度与线速度。鞭打效果的好坏，不仅与动量的传递有关，而且与原动肌加速有关，同时与动量的逐步积累和依次叠加有着密切关系。
因此，教师在教学过程中应该注意强调发力顺序，注重对学生动作的规范性。学生自己在学习过程中应该勤于思考多加练习，注重对自己发力的体会，注重各项目间的相通性，学会发现规律并应用于实践中。
参考文献
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髋关节的生物力学特征范文2
关键词:下肢环节链;动力学模型;踢球技术
中图分类号:G804.63
文献标识码:A
文章编 号: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
人体是一个十分复杂的生物体系统,人体运动是在神经控制下肌肉骨骼系统的非常复杂 的运动,因此,要研究人体的运动就必须首先对人体进行必要的简化与抽象,提取能代表其 力学本质的方面,建立人体模型。由于所建立的人体模型在反映力学性质方面是真实人体的 “复制品”,在对人体模型研究时,期望能够掌握人体运动的本质及影响人体运动的主要力 学因素。
关节肌力矩表示“控制”某一关节的肌肉群(主动肌与对抗肌)的紧张程度。对力矩进 行分析,特别是在对成功与失败的技术动作时,或对各个不同运动员的技术进行比较分析, 就能够从定量的层次上反映出引起人体运动的相关肌群的工作情况与肌肉的活动特性,因此 ,关节肌力矩可以回答是什么引起肢体运动以及引起肢体运动出现差异的原因。人体在结构 上是由关节将身体各环节相连,因此在对人体运动进行研究时往往可将人体简化为环节链[ 1,2]。基于此,本研究试图借鉴前人的相关研究成果建立踢球技术摆动腿环节链的3刚体 7自 由度的多刚体模型,应用所测运动学数据,通过牛顿-欧拉法对摆动腿各环节运动的肌肉力 矩进行计算,得到环节运动的动力学特征,以期能够揭示踢球技术摆动腿摆动过程中的动力 学特征,并为其它项目进行类似研究时提供参考与借鉴。
1 研究对象与方法
以8名成年男子足球运动员为研究对象,均接受过长时间系统训练。采用4台SONY摄像机 对运动员踢球技术进行拍摄,拍摄速度为50 幅/s,设置电子快门为1/1 000 s,四台摄像机 高度均为1.2 m,分别置于运动员运动空间正前方的左右两侧约45°以及正后方的左右两侧 约45°。每两台摄像机之间主光轴约为90°。运动员要将球踢入距其20 m的圆内,圆的半径 为2 m。运动员可进行2～3步助跑。踢球的质量由测试者与被测试者共同判定。拍摄的录像 通过德国产SIMI°MOTION 7.3三维录像解析系统进行解析,获得肢体运动的原始数据。在 进行录像解析时,采用软件提供的三 维标定精度验证功能对计算得到的控制点的坐标与实际 坐标的一致性进行检验,通过计算得到控制点坐标相对于实际坐标平均误差≤0.10 cm。
本研究基于牛顿-欧拉法建立的人体多刚体模型进行逆向动力学计算,数据计算使用自 编的MATLAB语言程序包,分别得到相应关节的关节力与关节力矩,在进行计算时由于不同运 动员完成动作时间不同,对运动员完成动作时间进行归一化处理,以便进行统计分析。
2 正脚背踢球技术的动力学模型
2.1 下肢多刚体模型的简化
整个下肢可分为大腿、小腿和足三个部分,根据下肢实际的生理结构和以往建模经验, 建模时采取了以下的简化[3-7]:
1) 将下肢简化为大腿、小腿和足三个刚性环节,各环节之间均以光滑铰链连接,环 节间产生的运动被认为只是肌肉收缩净活动的作用,即忽略关节周围韧带、关节囊及其它软 组织的作用因素。
2) 三关节的铰接点分别位于肢体端面的中心。
3) 脚趾部的运动忽略不计,由于在实际的运动过程中,脚趾的运动和受力对整个下 肢的运动影响很小,因此,建立模型时把足看作一个整体,忽略脚趾的自由度。
4) 下肢的物理模型共有三个刚体、七个转角,髋关节有三个:收展角、屈伸角、旋 内旋外角;膝关节有两个:屈伸角、旋内旋外角;踝关节有两个:屈伸角、内翻外翻角。
根据上述简化,建立下肢的三刚体、七自由度的物理模型,然后利用牛顿-欧拉法对关 节的力矩及反力进行计算。
2.2 下肢环节坐标系的建立
为了描述环节在三维空间中相对于大地坐标系的位置及运动,需要在各环节建立环节坐 标系,其原点均位于环节重心位置,如图1所示。为了描述及表达方便,在后面的方程式里 ,环节坐标系均用表示,大地坐标系用表示。
建立下肢开放链条件下环节坐标系的方法借鉴Vaughan建立下肢闭合链条件下环节坐标 系的方法[8],首先根据环节的外部标志点建立坐标系计算各关节的中心及环节的 端点位置 ,然后根据得出的关节中心及端点的位置计算各环节的重心位置,最后以各环节重心为原点 建立各环节的环节坐标系以描述环节在三维空间的运动。
注:图中O1、O2、O3、O4分别为骨盆、大腿、小腿、足四环节的重心
图1 环节坐标系的建立对于关节中心的计算参考Vaughan提出的方法[8],采用9个标志点对各环节的运动 进行 跟踪定位,9个标志点贴放位置如表1所示。一个物体在三维空间中的运动有六个自由度,三 个为线位移自由度与三个为旋转角自由度。为了确定这六个坐标,必须在每个环节上设置至 少三个不相关的标志点,对于大、小腿环节分别设置了标志点6与标志点4。为了使每个环节 的三个不相关标志点不在同一平面内,分别将6点与4点放在了大腿的股骨大转子和小腿胫骨 的最大粗隆处。在测试中,为了提高计算的精确度,保证在三维空间内为各环节的运动提供 更精确的定位,可以加高6点与4点两个标志点的高度,如Vaughan在步态测试过程中,在两 标志点位置分别绑定了7～10cm的杆状标志并在其顶端安放标志点。这样计算关节中心的所 需不相关标志点全部确定,即:髋关节处为标志点7、8、9;膝关节处为标志点3、4、5;踝 关节处标志点为1、2、3。然后分别以标志点9、5、3为原点分别建立髋、膝、踝三处的坐标 系,并根据Vaughan等人提供的相关经验方程计算得到各关节中心位置和端点位置[8],即 髋、膝、踝关节中心和脚趾的位置,分别为PHip、PKnee、PAnlde、P Toe。
表1 标志点贴放位置
标志点标 志点的位置标志点标志点的位置标志点1右脚第二跖骨前端标志点6股骨大转子标志点2右脚脚跟部标志点7右髂前上棘部标志点3右脚外踝标志点8左髂前上棘部标志点4右小腿胫骨粗隆处标志点9骶骨部标志点5右膝关节(股骨外侧髁)
对于环节重心的计算,研究中采用了Chandler等人研究得出的各环节重心平均估计参数以及 得出的各关节中心位置,就可以计算出各环节重心的位置坐标,环节重心位置确定后即可建 立原点为环节重心的环节坐标系ixjxkx[8],它们为:
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.为近端关节中心的位置,建立以大腿、小腿、足三环节重心为坐 标 原点的坐标系时,Pm.pro.分别是髋、膝、足后跟的位置,Pm.dis.为P m. pro.与相邻的远端关节中心的位置,Pα依次为膝、踝、足尖的位置,依次为表1中P 6、P5、P2的位置。
2.3 下肢关节肌力矩的计算
由位移、速度和加速度之间的关系可知,已知各时刻重心的坐标,对位移进行微分可 以得出重心运动的速度,再对速度进行微分可以得出重心运动的加速度。
环节的角速度和角加速度可以通过环节欧拉角进行计算。由欧拉角可以推导出环节运 动的角速度ωx、ωy、ωz。然后,沿时间轴对角速度进行求导就可以得出环节运动 的角加速度ω&x、ω&y、ω&z(即为的表达,下文中的类似符号含义相 同)。由于推算过程较为繁琐,在此不再对运动学参数的计算进行阐述。根据上文中下肢多刚体模型的简化模式以及借鉴前人的相关研究成果[8],建立下 肢开 放式环节链条件下的三个刚体、七个自由度物理模型,然后就可以分别建立三个刚体的动力 学方程。足、小腿、大腿三环节的受力情况如图2所示。注:图a、图b、图c分别为大腿、小腿、足三环节受力分析图。
其中MH、MK、MA分别为髋关节力矩、膝关节力矩、踝关节力矩;
FH、FK、FA分别为髋关节力、膝关节力、踝关节力;mT、mC、
mF分别为大腿质量、小腿质量、足的质量。下同 图2 下肢三环节受力分析
根据下肢开放环节链条件下的受力情况,通过三维分析软件获得的数据即可进行逆向动 力学计算。进行逆向动力学计算时,首先对足部运用牛顿第二定律和转动定律,建立足部的 动力学方程,解算出小腿施加给足部的力和力矩。其方法为:把足部从下肢进行隔离,作为 独立刚体对其进行受力分析,足部受到自身的重力mFg,小腿施加给足部的作用力FA以 及力矩MA,受力示意图如图2所示。参考Vaughan在闭合链条件下下肢关节力矩的算法[ 8],结合下肢开放链条件下足部环节的实际受力情况就可以推算出下肢开放链条件下踝 关节合力距的计算公式,踝关节合力距的计算公式为:
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.分别为踝关节三个方向的关 节 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 别为足在三个方向上的重心加速度;Ppyx4.为力FA的力臂,它们的计算公式分别 为 :FA=FA.XI+FA.YJ+FA.ZK,PPyx4=PAnkle-PFC .G (PAnkle、PFC.G分别为踝关节中心和足环节重心);H&4x、H& 4y、H&4z分别为足部环节角动量在三个方向上的分量。
对足部建立动力学方程,解算出小腿施加给足部的力与力矩,根据牛顿第三定律,小 腿施加给足部的力和力矩与足部施加给小腿的力和力矩大小相等,方向相反,因此可建立小 腿的动力学方程,计算出膝关节的力和力矩。重复这个过程可建立起大腿的动力学方程,解 算出髋关节的力和力矩。因此重复上述过程可分别得出膝、髋关节的力与力矩。其计算方式 与踝关节力矩计算方法相同,在此不再赘述。
2.4 人体惯性参数的测量与计算
在上文关节动力学计算中需要用到人体下肢各环节的惯性参数,譬如环节的质量、环节 的转动惯量等。根据郑秀瑗等公布的关于中国成年人人体惯性参数计算方法,对所需人体惯 性参数进行了测量,并对大、小腿环节的相应惯性参数进行了计算[9,10],需要 测量的人 体参数包括:体重、身高、腰围、臀围、大腿长、大腿围、小腿长、小腿围、踝上围、足长 以及足宽。将测量出的人体参数分别代入相应的经验公式,就能计算出足部的质量、质心位 置及转动惯量。但是在使用郑秀媛等给出的中国成年男性各环节转动惯量多元回归方程对所 需惯性参数进行计算时,由于其没有给出足部环节的回归方程,因此对足部进行计算时采用 了Chandler给出的多元回归方程。尽管研究过程中由于受到研究条件的限制在计算惯性参数 时采用了不同的模型,但是,Vaughan在对步态进行研究时已经证明了该回归方程的计算结 果用于该方法时的有效性,因此,采用Chandler给出的多元回归方程对足部惯性参数进行计 算对研究结果的准确性影响较小。
3 足球踢球技术的动力学特征
3.1 髋关节肌力矩的变化特征
图3为正脚背踢球摆动腿髋关节力矩变化图,表2为髋关节各力矩峰值一览表。研究结果 表明,在摆动腿脚尖离地后,存在一个较小的伸髋力矩,说明摆动腿蹬离地面后大腿的后摆 不仅仅是依靠摆动腿蹬离地面时的惯性,还存在一个微小的主动后摆阶段(大腿肌群的主动 用力过程),与前期通过肌电信号特征进行分析所得结论相一致,二者相互佐证[11,1 2] 。之后,髋关节屈肌力矩开始占优势,屈力矩峰值最大达到106.94(100 Nm/kg),大腿达 到最大摆速。这一过程表明髋关节的屈力矩对摆动腿的摆动速度起了决定性作用。在摆动腿 的摆动末期,伸髋肌群开始占优势,伸力矩峰值最大为57.48(100 Nm/kg),其主要作用 是防止由于大腿过度前摆影响到小腿的前摆空间。从大腿开始前摆到达到最大速度峰值,再 到大腿摆动速度的降低,是由髋关节的屈伸力矩控制的。特别是摆动末期髋关节伸肌的主动 参与工作表明,大腿的制动并不完全依靠远端环节的反作用力,因此,单从这一过程来看, 这一动作并不完全符合鞭打动作的特征,在Nunome的研究中也注意到了这一区别于鞭打动作 的特征[6]。注:Fle-Ext代表屈、伸力矩;Add-Abd代表内收、外展力矩;
Ext-Int代表旋内、旋外力矩。其中髋关节屈为正、伸为负、
外展为正,内收为负;旋内为正,旋外为负。
图3 髋关节力矩变化特征 在髋关节向前屈摆过程中,髋关节还存在一较大的内收力矩,最大为106.62(100 Nm/kg ),这是由于大腿后摆时髋关节略呈外展姿位,因此大腿前摆过程中必须存在一个内收力矩 ,将摆动腿纳入正常的摆动轨迹上来,由此看来,大腿的前摆是一个由大腿屈曲和内收组成 的动作形式。摆动末期出现的较小外展力矩作用则是防止大腿过度内收,与内收力矩对大腿 的运动轨迹进行共同控制。这一过程表明髋关节作为摆动腿的最近端关节在决定摆动腿保持 正确方向上具有积极作用。Nunome研究也表明[6],在摆动腿摆动阶段确实存在内 收力矩, 其作用主要是控制髋关节的外展角度,因此这个力矩的作用就是定向作用,使大腿能在正常 轨道上运行。大腿作为摆动腿的近端环节,其动作轨迹会直接影响到远端环节的动作轨迹, 因此,外展、内收力矩对于保证摆动腿合理的动作轨迹具有重要的作用。髋关节的旋内力矩 的存在则是因为受踝关节自身解剖学结构的影响,其自身不能进行有效的旋内,其最邻近的 膝关节也只有在一定屈膝条件下,才能进行幅度较小的旋内,因此,需要摆动腿的最远端关 节髋关节与之配合来完成旋内动作以形成触球前的稳定脚型,因此,尽管旋内力矩峰值较小 ,其值仅为17.36(100 Nm/kg),但是触球前髋关节存在的这个旋内力矩对于帮助足形成 合理的触球脚形,保证正确的触球位置具有重要作用。
表2 髋关节肌力矩峰值
(100 Nm/kg;n=8)
特征值屈力矩峰 值伸力矩峰值外展力矩峰值内收力矩峰值旋内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 膝关节肌力矩的变化特征
图4为膝关节肌力矩的变化特征图,表3为膝关节肌力矩峰值一览表。由多关节肌特性可 知,多关节肌作为原动肌收缩发力时,其肌力已对其中一个关节发挥作用后,就不能再充分 作用于其它关节,或同时作用于所跨各关节时,产生力量不足的现象。图4显示,在脚尖离 地时存在一个较大的伸膝力矩,伸膝力矩的存在就是使的小腿不会提前后摆,为大腿后摆留 下一定空间,避免多关节肌“原动肌力量不足”现象过早出现。之后,膝关节屈肌力矩开始 占优势,以使得小腿快速屈曲后摆,膝关节最大屈力矩为42.14(100 Nm/kg),小腿达到 最 大后摆速度后,膝关节伸肌开始占优势,小腿后摆速度减缓,直到达到最大屈曲状态,此后 ,膝关节伸肌力矩逐渐增大,膝关节伸力矩最大为45.88(100 Nm/kg),脚触球前膝关节 伸 力矩略有下降,可能是由于运动员为了追求踢球的精度而进行的主动控制。这一过程也反映 了膝关节的屈伸力矩对小腿摆动速度的控制作用。注:Fle-Ext代表屈、伸力矩;Ext-Int代表旋内、旋外力矩;
其中膝关节屈为负、伸为正;旋内为正,旋外为负。
图4 膝关节力矩变化特征 Nunome & Apriantono的研究表明[6,13],膝关节在触球前会存在一个屈膝力矩, 以防 止膝关节过度伸展,造成运动损伤。而本研究没有发现触球前屈膝力矩的存在,究其原因, 研究目的与实验设计的不同是造成不同结果出现的主要原因。Nunome在对运动员进行踢球测 试时要求运动员最大能力的踢球,研究内容注重踢球的速度,以达到摆动腿的最大摆动速度 为主要目的,摆动阶段末期,小腿会达到一个很大的前摆角速度,为了防止小腿过度伸展, 避免损伤,就必须有一个屈膝力矩的存在;而本研究要求运动员一定距离的踢球,注重运动 员踢球的精度,对踢球力量的要求较Nunome的要低,不会造成膝关节过度伸展引起损伤,因 此摆动腿摆动末期就不需要屈膝力矩存在,仅仅表现为伸膝力矩的轻微下降。受膝关节解剖 学结构的制约,膝关节只有在一定的屈膝状态下才能进行有限度的旋内、旋外动作,因此膝 关节最大旋内、旋外的力矩较小,分别为5.07(100 Nm/kg)、4.11(100 Nm/kg),对正 脚背踢球的影响较小。事实上,对触球前脚方向的调整主要是由踝关节和髋关节配合完成的 ,膝关节对其贡献十分微小。
表3 膝关节肌力矩峰值
(100 Nm/kg;n=8)
特征值屈力矩峰 值伸力矩峰值旋内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 踝关节肌力矩的变化特征
图5为踝关节肌力矩变化特征图。研究结果表明,在摆动过程中踝关节一直是背屈力矩 占优势,说明踝关节背屈肌群收缩发力以形成坚固的脚踝屈曲状态,一方面可以固化踝关节 ,减少球-脚碰撞时的微变,增大动量的传递效果;另一方面踝关节的固化可以增大踢球腿 的有效质量,达到增大脚-球碰撞前初始动量的效果。前人的研究表明[11,13,14,1 5], 能够踢出高速、准确球的运动员往往都具有坚固的脚踝屈曲状态。在本研究中,由于是进行 特定距离的踢准,而不是追求最大踢球力量,因此,踢球前踝关节并不是处于跖屈状态,而 是在踝关节背屈肌群的主动用力下处于背屈状态,踝关节背屈肌群持续主动地用力是踝关节 背屈状态下固化踝关节的重要条件,因此踢球前背屈力矩的存在对于提高球的速度与精度具 有重要的作用。 踝关节内翻力矩的存在主要是配合踝关节背屈使其形成良好的固化状态。 由此看来,触球前合理的脚型是保证踢球质量的关键因素,特别是在进行中、长距离传球时 ,踝关节背屈肌群的持续主动用力尤为重要。
注: Dor-Pla代表背屈、跖屈力矩;Inv-Eve代表内翻、
外翻力矩。其中跖屈为正、背屈为负;内翻为正,外翻为负。
图5 踝关节力矩变化特征
4 结 论
1) 对下肢三个环节及其链接进行了简化,建立了代表下肢的3刚体7自由度的多刚体模型。 实践证明对人体下肢所作的简化是可行的,模型可以代表人体下肢的主要运动形式和功能, 所生成的髋关节、膝关节、踝关节力矩图能够真实、有效的反映环节运动的实际情况。应用 牛顿-欧拉法对人体下肢多刚体模型进行分析计算时,具有列解方程规范、易懂,编程方便 高效的特点,计算结果能够真实反映实际运动情况,可以进行推广使用。
2) 对足球踢球技术下肢三关节的力矩进行了计算,初步了解了足球踢球技术中摆动腿在摆 动过程中关节力矩的变化特点。研究表明,踢球的效果不仅是由速度决定的,还有踢球的精 度,因此除环节的屈伸活动外,环节内收、外展力矩与旋内、旋外力矩的存在也是影响踢球 效果的重要因素,它们的这种活动形式对踢球技术的完成起着重要作用。对于髋关节,大腿 摆动末期存在一个伸髋力矩,其作用是防止大腿过度前摆;大腿内收、外展力矩 的存在对于 维持大腿前摆稳定的摆动轨迹具有重要作用;大腿旋内、旋外力矩的存在则是补偿踝关节解 剖结构存在的缺陷,形成触球前合理脚型。对于膝关节,摆动腿脚尖离地时伸膝力矩的存在 对于小腿的积极后摆有重要作用,在追求一定精度的传球时,触球前伸膝力矩略有下降,膝 关节旋内、旋外力矩的存在对摆动腿的整个摆动过程贡献较小。对于踝关节,在追求踢球的 精度时,踢球前踝关节往往表现为背屈肌群的主动用力,踝关节背屈肌群持续主动地用力是 踝关节背屈状态下固化踝关节的重要条件,因此踢球前背屈力矩的存在对于提高球的速度与 精度具有重要的作用。一般来讲,在摆动腿的摆动过程中,决定摆动腿摆动速度的是关节的 屈伸力矩,决定环节摆动的运动轨迹对肢体运动起定向作用的是关节的展、收力矩与旋内、 旋外力矩。
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髋关节的生物力学特征范文3
关键词：柔道；损伤；功能解剖；运动学；女子柔道运动员
中图分类号：G 808.1 文章编号：1009-783X（2017）01-0053-05 文献标志码：A
柔道项目是奥运会比赛中的金牌大户（14枚），从其列入奥运会正式竞赛项目以来越来越受到人们的重视。我国柔道运动开展的历史虽不长，但近几年来，我国女子柔道运动开始走入低谷，各个级别优秀女子柔道运动员在国际大赛上鲜有亮点。其原因是多方面的，通过长期随队进行体能测试与观察发现，运动损伤也是影响我国女子柔道成绩的因素之一。
在柔道竞赛中，身体各部位直接接触对手，有大量的摔、锁、扼、刈等力量与技巧相结合的动作，对抗激烈，运动损伤在所难免。运动员一旦出现运动损伤，轻则影响训练的系统性，不利于运动员训练和比赛成绩的提升，重则对运动员的身心带来危害，甚至会因此影响到运动员的运动生涯，缩短运动员的运动寿命。韩国学者对782例该国男女柔道运动员损伤的研究表明，每名运动员平均每年受伤4次，约一半（47%）的受伤属于一级伤害（需要1～3 d的治疗）。就女子运动员来讲，重量级选手比轻量级选手有更大的遭受三级伤害（需要超^8 d的治疗）的概率（P=0.008 7）。
训练和竞赛中的损伤在所难免，预防、治疗与康复显得尤为重要；但文献表明，目前国内对柔道运动员的损伤问题研究多数停留在单纯的运动或医学层面，治疗策略与恢复手段更多源于影像依据与经验积累，效果并不理想。本研究引入目前国际先进的“功能训练”理念，从功能解剖学视角对柔道运动损伤的特征、分类及影响因素进行分析，提出运动功能训练的策略与方法，这不仅有助于预防和减少柔道项目的运动损伤，为一线教练提供直接的实践帮助，而且为其他项目的科学化训练展示一个新的思路。
1研究对象与方法
1.1研究对象
选取2014―2015赛季国家柔道集训队女子运动员32名。基本情况为：年龄19～24岁，平均21.8岁；参加训练时间最长12年，最短5年，平均训练时间7年左右；平均身高1.62 m。其中健将级运动员5名，一级运动员15名，二级运动员12名。
1.2研究方法
1.2.1录像分析法
对柔道运动员主要技术动作录像。采用运动学方法对其进行技术诊断，分析致伤原因。具体方法：采用三维定点摄像的方法，通过模拟比赛动作，让运动员在同一对手的对抗下实施背负投、内股、鞠投等技术，用2部数字摄像机（JVCGZ-EX575度AC，800万像素）主光轴约成90°，拍摄频率为50帧/s，对运动员完成技术的整个过程进行拍摄；采用“APAS三维运动分析系统”对拍摄录像进行解析，按照模型关节点的方法进行图像采集和数据处理，得到原始坐标数据后采用自带程序分析计算。
1.2.2文献资料法
根据本研究课题的需要，广泛地查阅、收集国内外关于运动损伤理论、内容和方法等方面的大量文献资料；认真阅读、分析运动队搜集的优秀女子运动员运动损伤的各种案例；利用图书馆和网络等渠道搜集柔道运动员运动损伤评价的常用指标和方法，并进行分类整理。
1.2.3访谈法
针对我国柔道运动员常见损伤的现状、存在的主要问题、训练内容和方法的选择及运动员的个体损伤差异等方面内容，对柔道项目管理人员、队医、教练员和运动员进行了调查访谈。获取运动损伤诱因、治疗方案与恢复效果及专项技战术、体能训练实施细节信息。
1.2.4观察法
对研究对象的日常训练过程进行12周的跟踪观察，将各项运动素质训练数据与图像资料进行了整理与收集，特别是对其力量素质训练过程中身体重心、上下肢的关节变化轨迹与负重器械移动路线进行力学上的分析，并针对实战对抗时技术动作录像进行了比较与归纳，获取相关训练学方面的数据。
1.2.5数理统计法
对获得的有效数据，运用Excel软件进行录入和基本统计，后期使用SPSS 17.0统计软件进行数据处理和分析，并对统计结果进行检验，以保证数据统计结果的可靠性。
2研究结果
运动损伤按照时间来划分，可分为急性损伤和慢性损伤2种。关于“损伤部位”调查统计（见表1）显示，研究对象的急性、慢性损伤的概率基本相同，急性损伤有64例（49.2%），慢性损伤有66例（50.8%）。其中，肩关节损伤居首位（18.5%），其次是膝关节损伤（17.7%），再次是手指损伤（12.3%），之后依次是手腕损伤、下背部损伤、踝关节损伤等。
从“不同损伤性质”的调查数据（见表2）中可以看出，韧带损伤以51例居首位（39.2%），其次是肌肉损伤31例（23.8%），局部炎症16例（12.3%），关节错位15例（11.5%）。之后分别是骨质异化、脱位、软骨损伤4例、骨折2例，这些损伤所占比例比较少。这与国外研究结果相似，澳大利亚学者Pocecco于2013年对参加2008和2012年奥运会的柔道运动员的损伤统计表明，运动员的平均受伤概率为11%～12%，受伤频次最高的部位是膝盖、肩、手指。
同时，通过对一线教练员和运动员的访谈统计发现，32名优秀女子柔道运动员的运动损伤致病因素排序（见表3）分别是：受伤未能及时治疗、意外冲撞、局部负担过重、准备活动不合理、带伤参加比赛、技术动作不正确、注意力不集中、自我保护意识差及防伤训练的组织方法不当。其中，各个致伤因素在不同的训练阶段所占的比率不同，这主要是因为在不同的训练时期训练运动员的年龄、身体发育情况、健康状态、身体素质、训练水平、技术水平、心智水平等状况不同。
另一方面，通过生物力学数据分析可以发现，柔道运动员肩关节完成“平板卧推”与“平板卧拉”的肌力比值失衡，意味着肩关节水平面推的能力远大于拉的能力，而且，通过髋关节灵活性和稳定性测试（见表5）可知，被调查的柔道运动员髋关节的灵活性和稳定性较差。
基于此，本研究将重点分析女子柔道运动员损伤频率最高的3个部位：肩关节、膝关节、手指关节，并以功能解剖理念为指导，构建形态、结构、功能与运动项目特征相互关联的整体观，探讨韧带损伤、肌肉损伤、局部炎症与错位的生物力学与训练学诱因，并提出针对性的训练建议。
3分析与讨论
3.1肩关节损伤的功能解剖特征与训练学因素分析
肩关节是柔道运动员上肢损伤的主要部位。该部位运动损伤主要与其活动范围广、稳定性差的解剖结构和关节周围的肌肉力量不足及本体感觉控制训练程度不高有关。
3.1.1人体肩关节解剖特征
肩关节是球窝关节，因为肱骨头较大，呈球形，关节盂浅而小，仅包绕肱骨头的1/3，关节囊薄而松弛；所以肩关节是人体运动范围最大而又最灵活的关节，它可做前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋及环转等运动。
肩关节运动时，通过肩胛骨的内收外展和肱骨的来回移动控制肱骨头在关节盂内的正常运动，能够保证肩关节的安全性并提供强有力的固定支撑力；但是，柔道攻防技术中的绝大多数推、拉、压、顶等爆发性发力动作易造成肱骨头与关节盂的过度错位诱发损伤。
3.1.2专项力量练习中动作结构缺失
肩关节损伤原因调查中，肩关节“周围肌肉力量不足”在调查中排序第3位（见表4），显示柔道教练员和运动员普遍认同其是造成运动员肩关节损伤的重要因素。柔道运动员在实际的训练或比赛中，有很多动作体现“引把”（提把、拉把）的重要性，例如背负投、内股、扫腰、大外刈、舍身技等都有“引把”动作。运用“引把”动作是破坏对手身体重心、完成贴身打入技术的重要手段。如果“引把”力量强，将对方的重心移动幅度就大，达到破坏对方重心的目的，有利于进攻动作的使用。如果“引把”不到位或“引把”力量不足，就使投技动作得不到充分发挥，动作成功率下降；然而，通过录像分析可知，柔道运动员进行力量训练过程中，采用练习动作与“引把”技术动作规格不符。换句话说，运动员完成3个方向“引把”动作时肩关节运动轨迹与相关力量练习时肩关节运动轨迹存在差异，主要表现为以下几点。
3.1.2.1提拉“引把”技术
运动员抓住对方的衣领（袖）完成向后侧提拉动作时，肘关节做屈曲动作，肩关节水平位外旋；此时肩袖肌群发力，前臂接近冠状面（前臂与地面垂直）。然而，运动员在力量训练中完成“壶铃提拉”动作时，肘关节做屈曲动作，肩关节水平位外旋幅度较小，此时三角肌、斜方肌发力，前臂仅与地面平行；特别是当壶铃负荷较大时，肩关节水平位外旋幅度更小。这说明运动员利用“壶铃提拉”动作来提升提拉“引把”动作时出现了偏差：肩关节外旋幅度不足，肩袖肌群未得到足够刺激；因此，应该增加“前平举负重水平伸展”练习，来提高肩袖肌群力量。
3.1.2.2平拉“引把”技术
运动员抓住对方的袖口或胸襟完成向后平拉动作时，肘关节做屈曲动作，肩关节后伸35°～42°，此时肘关节超越冠状面，手指（腕）触及躯干；然而，运动员在力量训练中完成“拉托盘”或“平板卧拉”动作时，并未要求手指（腕）触及躯干，此时肘关节虽做屈曲动作但肩关节后伸仅为3°～7°，做功距离明显缩短，影响动作效果。特别是教练员要求运动员完成大负荷练习时，运动员常常采用身体前倾或团身进行动作代偿；因此，在进行此类练习时，教练员应重点强调运动员的躯干姿态的规范性，建立良好动力定型基础后，增加负荷重量。
3.1.2.3下拉“引把”技术
当运动员抓住对方的衣领完成向后侧下拉动作时，肘关节做屈曲动作，肩关节外展28°～35°，背阔肌中上部发力；然而，运动员在力量训练中完成“爬带”动作时，肘关节做屈曲动作，肩关节无外展动作（夹肘状态），此时肱二头肌主要发力，与专项技术动作需要的工作肌群、施力方向均有较大差异。长期如此无法提升专项技术动作的对抗能力。
3.1.3肌肉力量不平衡导致关节稳定性下降
肩关节稳定性是通过其周围软组织的共同作用来维持的，主要是肩袖肌群维持着关节在运动中的稳定性，肱二头肌长头腱和连接肩胛骨与胸壁之间的肩胛带肌肉也起到一定的辅助作用，并且通过本体感觉信息的传导，发挥肌群之间的协同作用。
柔道项目管理人员和教练员指出，随着柔道规则快节奏和高对抗性的变化日趋加强，竞技比赛中要求运动员必须动作突然、快速发力致使对手失去重心，在失重心的情况下将其摔倒才能取得有效得分；因此，在比赛或训练中一旦遭受对手暴力改变的瞬间或者被摔倒肩膀着地，易出现躯体接触性损伤或严重摔伤，引发冈上肌腱、肱二头肌长头腱或者肩峰下滑囊的炎症与撕裂。而且，由于运动员经常被摔倒后肩部着地或者一侧肩着地对侧肩又被外力向下拉扯时，发生肩锁关节损伤。调查中2/3以上的队医认为，柔道运动员在完成提拉“引把”动作时，遭强大阻力致肩关节突然外展、后伸致肱二头肌肌腱急性拉伤。上述急性损伤后由于治疗不彻底及得不到足够时间休息，导致肩关节的局部软组织炎症或撕裂伤，严重者可造成肩关节反复脱位。
另一方面，通过数据分析发现，柔道运动员肩关节完成水平位推、拉动作时力量比值不均（见表4）。长此以往，造成肩胛内收肌群和颈部肌肉肌力弱且肌肉被动拉长，前侧肌肉（胸大肌、胸小肌、前锯肌）持续紧张形成错误的姿势（脊柱胸椎段弯曲或“驼背”）。此时肱骨头移位盂窝的上、前或后方，出现典型的不稳定症状。加之，柔道运动员需要完成大量内旋、外旋发力动作（背负投、内股等），这种受限的身体结构将导致肩袖肌群（例如冈上肌，完成本该由菱形肌去完成的肩胛内收动作）的代偿性工作，久而久之也会加剧肩关节稳定性的破坏。
3.2膝关节损伤的功能解剖特征与训练学因素分析
膝关节损伤在竞技体育运动中较为常见，尤其是柔道这种单腿支撑发力、旋转或扭转动作为主的运动项目更为突出。
3.2.1人体膝关节解剖特征
膝关节自身的解剖学特征和运动功能特征决定了膝关节是各项运动中受伤几率最高的部位之一。膝关节是椭圆滑车关节，关节之间通过半月板以加深关节窝，加大关节的稳固性和灵活性。膝关节拥有额状轴和垂直轴2个运动轴。在额状轴上做屈伸运动，绕垂直轴做内、外旋转运动；但由于十字韧带的限制，旋内、旋外的幅度非常小。
柔道专项训练中，膝关节经常处于半屈曲状态，此时韧带松弛，使关节稳定性下降，再加上部分运动员下肢股后肌群力量不足，训练中身体姿态错误或步法转换不得当等因素，髌骨或滑膜皱襞会在外力的作用下因髌骨错位而致伤；所以，膝关节的解剖功能缺点决定了它在过度的外旋、内旋及过伸时，会引发其周围软组织遭受到不同程度的创伤。
3.2.2柔道运动员下肢力量训练针对性不足
研究表明，大腿前、后肌群肌肉力量的比例失调和肌肉之间相互作用失调，大腿后肌群肌力与股四头肌肌力之比小于6%则容易拉伤，左右腿肌肉力量之差超过8%以上时同样易发生拉伤。
柔道项目中大多数投技动作是运动员在单腿支撑情况下完成的。调查过程中发现在力量训练环节教练员为了提高运动员的下肢支撑、蹬伸能力，往往只重视股前肌群的训练而忽视了股后肌群的训练（例如重视深蹲、硬拉练习的向心收缩发力阶段的动作质量，忽视离心收缩阶段动作规格和速度的控制），造成关节前后肌群力量发展不平衡，久而久之，形成发达的股四头肌、不发达的臀大肌及持续处于紧张状态的屈髋肌群组成的非衡结构。此种结构在大负荷训练后容易诱发股前肌群局部或大面积的紧张、痉挛，继而导致股前肌群会向上牵拉髌骨和胫骨，挤压膝关节，导致膝关节内部或周围结缔组织出现疼痛症状。更甚者，当运动在完成单腿支撑发力时，膝关节受到外来切力（对手实施大外刈、小外刈、送足扫等技术动作），会造成膝关节前交叉韧带或后交叉韧带的断裂。
3.2.3运动员髋关节灵活性受限加剧膝关节负担
柔道投技技术的最后用力过程是通过髋部前后或侧向转动，将下肢的动力传导到躯干或上肢后，将对手摔翻在地。访谈调查中教练员指出“髋部动作”在投技技术中具有特殊的重要作用。髋关节可以围绕“水平轴”进行屈伸运动，围绕“额状轴”做内收、外展运动，也可以围绕“矢状轴”做内旋、外旋运动；然而，通过髋关节灵活性和稳定性测试数据可知（见表5），女柔运动员在投技（背负投、内股、扫腰等技术）最后用力时，本来应由髋部转动完成的动作，就会由膝关节或脊柱腰椎段的转动来进行代偿，再加之其下肢后侧、外侧肌群力量较弱，就造成膝关节突然外展外旋或内收内旋，诱发前、后交叉韧带甚至侧副韧带损伤；因此，提高臀肌、股后肌群力量，加强髋关节的灵活性练习，对于柔道运动员预防伤害事故发生，提高竞技能力和比赛成绩意义重大。
3.3手指损伤的功能解剖特征与训练学因素分析
3.3.1专项技术动作需要
柔道运动员运用技术过程中，不但要完成“抓把”，而且要抓到能控制对方的把位，从而配合各种步法的移动达到拉扯、引导、调动对方，打破对方的重心使其失去平衡，进而将对方摔倒。
因此，运动员在训练和比赛过程中手指关节的运动量和运动强度最大。手指关节运动负荷的不断加大，造成手指关节损伤的风险不断增加，再加之部分运动员技术动作使用有误，在对抗过程中违反了规则或者是突然受到外力的冲击避闪不及，就会进一步增加了手指关节损伤的概率（见表1，手指手腕合计34例，占总比率的26.2%）。此外，伤后如果处理不当，就可能造成屈指肌腱收缩变形，关节囊及鞘状韧带增厚，表现为近、远节指间关节梭形肿大、疼痛（“杵钪浮被颉鞍糸持浮保，最后导致骨关节炎。
3.3.2恢复性手段缺失
柔道运动员手指关节的损伤以侧副韧带扭伤，韧带撕裂和挫伤为主要症状。调查中发现运动员手指侧副韧带扭伤高达93.75%，韧带撕裂达到75%，手指挫伤则高达87.5%；但是由于这种损伤的严重性不及脱臼、骨折和移位，教练员、运动员对此类损伤并未引起高度认识和重视，从而忽略了损伤部位的预防和治疗，增加了损伤问题反复发生的概率。
另一方面，训练过程中（后）科学地恢复方法与手段是修复组织“破损”、消除疲劳，取得“超量恢复”效应的重要途径。半数以上的队医建议：运动员在每堂训练课后，特别是专项力量训练（爬带、提壶玲练习）后，除了按压、揉捋进行手指关节放松之外，应采用冰水浸泡法，用2份冰1份水的比例混合好，将全部手掌放入冰水中，持续30～60 s，然后空气中停留90 s，反复进行3～5次来减轻炎症，预防手指关节损伤。
3.3.3缺少针对性“补偿练习”
调查发现，柔道运动员在参加比赛、技术训练甚至进行体能训练时，手指关节反复大量完成屈曲、抓握动作，而很少进行伸展动作的力量练习。其结果是手指伸肌的能力会不断削弱，继而该手指关节的神经交互抑制能力也会削弱，妨碍手指正常运动功能的发挥；因此，柔道运动员在技术训练课后应进行手指关节的“补偿练习”一弱势拮抗肌训练，例如抓握实心球、捏提杠铃片、手指撑弹力皮筋等。
综上所述，柔道训练过程中，运动员既要注意技术动作的正确性、合理性，避免产生硬拉动作，又要充分缓冲对手拆手、封手的力量，同时在力量训练过程中，应重视针对性恢复手段的运用和补偿训练的实施。只有这样才能对预防手指关节损伤起到重要的作用。
4结论
髋关节的生物力学特征范文4
【关键词】竞技太极拳难度动作；提膝独立；落地稳定性
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
我国竞技武术的规则自1996年实行“切块”评分法以来，经历了三次变化〔1〕，从2003年至今已经形成了一套较为完善的评分规则，也被称作“新规则”。“新规则”制定实施以来，太极拳类项目的难度成功率呈逐年上升的状态，但总体成功率还是相对处于较低的水平上。之所以选取旋风脚接提膝独立（323B+3）和腾空摆莲脚接提膝独立（324B+3）动作重点分析，是因为这两个跳跃类难度动作的失误率最高，笔者对2006-2010年全国武术冠军赛太极拳项目前八名男子运动员的所有难度动作失误率进行了统计，其中322B+3失误率为5%，312B+3失误率为2.5%，312A+324C失误率为2.5%，而323B+3的失误率达到10%，324B+3的失误率高达12.5%。因此选择这两组动作进行细致研究。近年来，河南省太极拳队在锦标赛和冠军赛中取得了优异的成绩，难度成功率很高，因此本研究选取了河南省队太极拳运动员作为研究对象。
2研究对象与方法
2.1研究对象
河南省太极拳队一线竞技太极拳运动员，马建超、张振兴、甘泉等。
2.2研究方法
2.2.1影像分析法：在训练场地定点拍摄运动员的难度动作。
2.2.2访谈法：对河南省队教练和运动员进行深度访谈，了解运动员难度动作的训练方法。
2.2.3数理统计法:对获取的有效数据通过统计软件进行数理统计和分析。
3河南省队队员323B+3/324B+3难度动作的运动生物力学分析
3.1河南省队太极拳运动员完成323B+3/324B+3难度动作的特点
竞技太极拳的跳跃类难度――腾空摆莲脚接提膝独立和旋风脚接提膝独立与长拳类的腾空摆莲脚和旋风脚不同，长拳类武术竞技比赛中的旋转动作是人体整体的抛物线运动和自身旋转运动的复合运动形式，而且这两种形式在运动中又互不影响，而竞技太极拳的腾空旋转类动作是不加助跑的；因此，竞技太极拳中的腾空旋转动作都是纯粹的轴运动，没有抛物线运动。长拳的旋风脚转体在蹬地后，迅速拧腰、转髋、伸踝、伸膝、伸髋关节和提气、拧头、摆臂、摆腿、转体,使身体随着蹬地腾空向上时,将已储备的角动量传到全身完成空中旋转中〔2〕，但是竞技太极拳在做该动作时必须充分考虑在下落时独立的稳定性，因此在转体过程中不可能像长拳运动员那样把储备的角动量全部用于旋转，那样极容易造成身体旋转过度，在下肢着地静止后躯干继续旋转，从而造成失误，因此竞技太极拳的原地腾空旋转动作接提膝独立是有其独特性的。下图分别为河南省队队员马建超和张振兴在训练中做324B+3和323B+3的动作示意图。
3.2河南省队太极拳运动员323B+3/324B+3难度动作腾空和空中旋转因素的分析
腾空阶段是指蹬离地面瞬间离地到完成转体到落地前的全过程，从蹬离地面的瞬间，人体只受到重力作用，不再受外力的影响，所以在腾空的绕轴运动中，运动员的身体进入腾空状态后身体任何部位的改变或者移动都能对角速度的大小产生影响。轴运动是一个可以调节的变量，要想平稳地落地而不出现失误（晃动、捻动或跳动），即由动态瞬间达到静态平衡，就必须合理控制身体在旋转过程中的每一个过程。研究人体旋转问题时，转动惯量I是一个基本参数。由于人体并非规则的几何体，很难列出相对于某个转动轴的数学表达公式。此外，人体虽是连续分布的介质，但质量分布不均匀，所以在研究中撇开一些影响不大的次要因素〔3〕P123，采用了人体力学模型的方法（汉纳范Hanavan）建立模型。
腾空旋转的大部分角度是在人体的上升阶段完成的。运动员从蹬离地面到腾空的瞬间，就已经开始转体，在转体时通常是头部先于身体开始转动，因为头先转体产生的角速度、角加速度刺激前进分析器，才能更有利于形成方向感觉，以便调节全身运动器官完成转体〔4〕。根据惯量定理:I=Mt/ω可推导出ω=Mt/I，从公式可知，绕身体纵轴Z的转动惯量越小，旋转的角速度就越大，而惯量I=mr2，质量m是固定值，因此为了能够在最短时间内完成转体动作，可以减少绕轴转动的半径r，从动作示意图中可以看出，两名运动员在旋转时身体是几乎垂直于地面的，在完成起击脚后，肩关节里合，击响腿迅速回收，两臂尽量展开，这与长拳类和南拳类的腾空旋转动作完全不同，这样做的目的是快速降低角动量，使运动员的身体能够尽快进入静止状态，便于稳定地独立落地。另外人体的脏腑和组织内的体液都能产生惯性作用，对转体产生一定的影响，因此，在转体时屏住气息，增加隔膜内压，减少组织内体液的流动性，会降低对旋转动作的影响。
影响空中旋转的另一个重要因素是击响脚时惯量I的变化。根据河南省队优秀运动员马建超采集的录像作图（图3324B+3腾空摆莲脚转体过程）可以看出运动员在击响脚后在空中的重心高度反而增加了，这与运动员的击响时机非常有关。在完成向上的加速前，重心达到最高点前击响脚，摆动腿的上摆运动增加了一个新的向上惯量。根据惯量I=I1+I2+…In〔5〕P124（汉范模型中惯量I是各个轴的惯量之和），因此向上摆腿和摆臂起到了相同的效果。所以，在躯体到达最高点之前击响有助于实现“二次腾空”。这个时机非常重要，如果击响过早会增加r的值，影响角速度，如果击响太晚则会在动作未完成时加速下落，造成失误。
图3 324B+3腾空摆莲脚转体过程
3.3河南省队太极拳运动员323B+3/324B+3难度动作落地平稳性的分析
提膝独立难度的关键动作是落地动作的稳定性，它直接影响运动员难度分值的确认和连接难度分的获得。在运动员落地时髋关节、膝关节和踝关节起到了重要的缓冲作用。与提膝独立动作相关的肌肉主要包括背肌、臀大肌、大腿前部的股四头肌、缝匠肌等和大腿后群的股二头肌、半膜肌、半腱肌，以及群的股薄肌，小腿后群的腓肠肌和比目鱼肌等。我们可以从生理解剖的结构看出，膝关节是一个具有承上启下作用的关节，承担起身体落地后自身的重力负荷，从而保证提膝独立腿的支撑和力的有效传递和缓冲。从弹动技术上分析，当脚着地时随着人体重心的持续下降，支撑腿膝、踝关节的肌肉进行退让收缩，使膝、踝关节的角度快速缩小，角速度也随之增大，并且方向向下。当踝关节角度缩小到一定的程度时，跟腱的形变刚度大小以及踝关节肌肉强力收缩产生的肌力矩克服阻力力矩的作用，使踝关节的角度不能持续缩小，此时角速度快速减小，一直到缓冲完成。
根据录像分析，河南省太极拳队运动员马建超、张振兴和女运动员甘泉在完成缓冲后膝关节和踝关节的夹角都小于90°且重心位置很低（见表1）。重心降低的过程是完成缓冲的过程，重心下降得越低意味着缓冲时间越多，运动员调整身体稳定性的时间也就越充分，但是重心越低踝关节肌肉收缩产生的肌力矩克服的阻力力矩越大，承担的负荷越大。要达成重心的快速降低，运动员多采取借助上躯干前倾产生的重力作用完成。上躯干前倾落地的意义主要有：一、对落地缓冲产生积极作用，由于髋关节肌肉的特定生理现象，上体前倾可分解和延缓冲力对身体组织造成的额影响；二、因为上体的适度前倾，使得重心快速降低，提高了运动员落地稳定性；三、落地时上体保持适度的前倾在很大程度上利于右大腿前肌群在收缩时更加有力，不仅易于控制平衡而且能有充足的时间完成动作,符合太极拳运动对完成动作的“轻灵沉稳”的要求。
图4
运动员在完成提膝独立动作时，上躯干部的前倾主要依靠背肌和腹外斜肌的收缩来实现。所以前倾角度过小或者过大就会造成背部肌肉和腹外斜肌用力太小或者过度，直接影响独立腿的控制稳定性。要保持上躯干和独立腿的平衡，背部肌群的力矩应该等于头部的重力力矩和躯干部重力力矩的和。（图4）当人体同时受到多个力矩的作用时，往往需要多个力矩合成一个力矩，这个力矩就叫做合力矩，用ΣM来表示。ΣM是各个力矩的代数和，公式为ΣM=M1+M2+……Mn
在这里笔者把提膝独立的落地动作简化为三个力矩的合力矩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为背肌群的作用力，G1表示躯干受的重力，G2表示头部受的重力，L为上躯干长度）
因为运动员的躯干、头部重量、上躯干长度是一定的，背部肌群的拉力大小随着前倾度数的增加而减小，当身体接近垂直于地面时，背肌群受到的拉力最小。当一个体重为65kg的运动员躯干前倾角度超过30°时，背肌群承受的拉力将会超过180kg；而前倾角度小于80°时，背肌群受到的作用力将不足60kg，这样就不能充分发挥背肌群的作用，重心降低的速度也会大大减小，运动员落地时身体受到的冲力不容易被缓冲，膝盖承受的冲力会过大，而过大的冲力会造成运动员在单腿支撑时产生跳动、捻动和左右晃动的失误动作，增加失误率；而前倾角度过大，背肌受到的作用力也会过大，当前倾角超过30°时，背肌群拉力就会超过180kg，意味着运动员的背肌控制不了向前的重力作用，产生前倒，甚至附加支撑。由此可见，前躯干前倾度数过大或者过小都会造成失误率的增加。
4结论和建议
通过对河南省队优秀太极拳运动员的运动生物力学分析，笔者认为在竞技武术越来越白热化的当代，要想提高运动员的竞技水平就必须在训练中采取更加科学化和严谨化的训练方法，河南省太极拳队在训练过程中综合了各个方面的因素，从肌肉力量、爆发力、耐力和柔韧训练方面不断进行科学化、合理化的探索，除此之外还对每一个难度动作进行了分解和量化。
（1）在完成腾空难度动作起跳时要充分下蹲，拉伸腿部肌肉将有助于提高腾空高度，其次，预蹲时双脚应张开齐肩宽直立，踵、膝、髋关节依次迅速弯曲，重心下降，双臂快速有力地辅助上摆，可以增加身体的失重程度，还有蹬离地面时速度要快，以减少用力时间增加爆发力。在起跳离地瞬间，起跳腿的髋、膝、踝三关节应充分蹬直，最大极限地向上腾起。
（2）在腾空旋转时身体应尽量保持伸直，两臂在完成起击脚后，肩关节里合，击响腿迅速回收，两臂在落地前要打开。另外人体的脏腑和组织内的体液都能产生惯性作用，对转体产生一定的影响，因此在转体时应屏住气息，增加隔膜内压，减少组织内体液的流动性，以降低对旋转动作的影响。击响脚的位置也非常重要，由于向上摆腿和摆臂起到了相同的效果，所以在躯体到达最高点之前击响有助于实现“二次腾空”。如果击响过早或过晚都会影响角速度，对转体产生负面影响。
（3）在着地时重心应快速降低，躯干前倾，前倾角尽量保持在30°到80°之间，悬垂的髋关节和悬垂腿应收紧，脚尖绷直。因此除了通过分解训练法进行独立动作下蹲训练以外，对运动员在着地时身体的前倾角度、重心的位置以及悬空腿的胯关节控制力都是着重训练的重点。
（4）最后，注重身体素质和技术能力训练以外，针对难度动作的心理训练也占有很重要的地位，每逢大赛前，在运动员出现应激水平过高或者涣散时教练员都会对运动员进行心理训练和认知干预，保证运动员在场上的稳定发挥，因此，武术运动员的心理训练应贯穿于训练和比赛的全过程，应制定长期的、系统的心理训练计划，同时结合赛前的心理训练，使运动员能达到心理、技术能力比较完美的结合，出色地表现行动统一的技术效果〔7〕。
参考文献
〔1〕全国武术套路竞赛规则第一到八版.国家武术运动管理中心.
〔2〕邱建华,陈军.旋风脚转体540°动作的运动生物力学与解剖学析〔J〕.山东体育学院学报,2000,16(1):62-63.
〔3〕〔5〕〔6〕运动生物力学〔M〕.北京:人民体育出版社，2005.
髋关节的生物力学特征范文5
关键词：运动学特征；坐角；坐高；踏蹬技术；指标
中图分类号：G804.66
文献标识码：A
文章编号：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
最近几十年，生物力学和空气动力学方面的研究正日益影响着自行车运动的的发展，毫无疑问，骑行成绩的提高除了要注重训练、管理、营养外，选取最佳骑行姿势、改善骑行的动作效率绝对是获取优异成绩不可替代的前提。目前我国有关自行车技术理论方面的研究较少，训练中，缺乏科学的技术理论指导，教练员们仅靠经验去矫正运动员的技术，因而难以获得明显的效果；此外，由于我国基础研究不足,长期以来,自行车、特别是竞赛用自行车的设计基本上依靠国外的试验数据，出现运动员被动地适应国外设计的符合他们人体结构特性的运动器械的现象。本研究是在前人研究的基础上，从运动生物力学角度出发，利用目前先进的传感技术与计算机技术，研制出一件测量仪器（图1），通过控制受试者上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚蹬、车坐、手把上的力值变化、下肢踏蹬中运动学参数的变化及下肢主要肌群的肌肉放电变化进行分析，从而为适合于中国人人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据和有效的原始数据。为真正实现“自行车适合于人的理念” 迈出了重要的一步，从而更好地为体育运动及全民健身服务。（限于篇幅，本文只对运动学特征进行报道）
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 5位来自北京市自行车运动队的优秀运动员身高（179.6±2.19)cm；体重(65.7±9.09)kg；耻骨联合高度（称为TH高）(81±2.3)cm；有效小腿长(46.8±1.3）cm被招收参与本次实验。实验前经过体格检查，均没有神经肌肉、心肺功能障碍及外科方面的疾病。实验前向受试者详细解释实验目的及相关程序，并需进行几项人体测量学参数及个人最大功率的测试。
1.2 研究方法
1.2.1 研究范围及时相阶段划分 踏蹬动作是自行车技术中最重要、最复杂的技术环节。在一个踏蹬周期中，当一条腿往前下方蹬时（驱动），另一条腿则在往后上方恢复（提拉），反之，亦然。就一条腿而言，在一个踏蹬周期中，均经历了前蹬和提拉两个过程。为了研究问题方便，本文将测试对象右腿踏蹬动作进行分析。
1.2.2 实验设计 选取三种坐角（65°、72°、77°）、三种坐高（96%TH、101%TH、106%TH）,共九种位置组合进行踏蹬实验。实验进行的顺序见图2，选择是随机的，但每个对象的起点都是从组合5(坐角72°、坐高101%TH)的位置开始，九种组合测试完毕后又回到出发点进行重复测试。打乱实验顺序的目的是为了排除因时间、实验顺序引起的随机误差；回到出发点，并对该组合位进行重复测试，其目的是检验运动员是否存在因疲劳、心肺功能漂移、脱水或无氧代谢引起测量参数的失真，以检验九种组合位置上的数据是否都是在对象没有产生疲劳的情况下取得的。
用节拍器和测试车内置的频率控制器共同控制踏蹬频率。每种组合下，当踏蹬频率达到实验规定值110 rpm（附：这是优秀自行车选手的经典踏蹬频率）时，要求受试者保持稳定骑行状态至少1 min，这期间进行运动学、动力学及肌电的同步测试（测试车上有同步发光点），采样时间不少于10 s。整个实验过程是非连续的，其中曲柄长为标准值170 mm，所有的实验对象穿统一品牌的运动鞋，躯干姿态角控制为45°左右。每次正式实验开始前，要求对象先做5 min热身式的踏蹬练习，踏蹬频率一般为50 rpm（转/min）,功率输出100 w左右，然后慢慢调整载荷直达实验要求值（即受试者最大功率输出均值的80%，本实验测得该值为250 w）。
为了检验运动员比赛用车的尺寸是否满足个体与赛车系统之间的最佳结合，我们对实验对象还补做“赛车位实验”。所谓“赛车位实验”是指先测量好运动员赛车尺寸，然后在测试车上调出与“赛车尺寸”相近的实验位，再重做上述实验，其目的是对运动员比赛所采用的赛车定位是否合理进行检验。
1.2.3 运动学研究方法 利用日本产JVC数字摄像一体机GR-DV3000ED安放在测试车的正侧面，其主光轴与受试者矢状面垂直，摄像机镜头正对测试对象右边髋关节中心稍偏下的部位，拍摄距离8 m，机高1.2 m。每次采集时摄像机至少比测力及肌电仪先开机10 s以上，由本实验自行开发的视讯解析系统对所选动作画面进行解析，画面采集频率为50场/s，所得数据进行滤波平滑，截断频率为10。
1.2.4 统计方法 以脚蹬两次连续通过上死点定义为一个完整的曲柄圆。每种组合下选取两个连续的曲柄圆所对应的参数值进行叠加以求得每个对象的相关参数，再将同类受试者在同一组合位下参数值进行叠加，并把各参数值与曲柄角对应起来，求得均值关于曲柄角的函数曲线，以及每种组合下的有关参数的最值及标准差、均值及标准差。单因素、双因素方差分析被用于该实验的数据处理上，所有统计检验的显著水平设置为a=0.05。
2 结果与分析
2.1 对组合5下重复测试的检验 表1数据表明：组合5下重复测试所得的运动学参数值经检验均无统计学意义（P>0.05）。因此，这基本排除了运动员因时间因素、实验顺序及疲劳因素带来的干挠，故下面的有关运动学特征分析时所用数据具有一定的有效性和可靠性。
2.2 坐角、坐高对曲柄转动的影响分析 我们先从纯理论角度来探讨做等速转动的曲柄，其回转角速度的变化特征。我们把膝关节中心至第一拇趾关节的连线长称为有效小腿长。于是下肢环节与自行车系统可简化为由大腿、有效小腿长（又称小腿足）、曲柄和坐管长构成的（这里的坐管长指髋关节中心至曲柄中轴轴心的距离）四环节链模型［1］（机械原理中称为四杆机构见图3）。
基于四环节模型基础上，设运动员处于稳定的骑行状态，此时曲柄AB作等速转动，大腿CD作往复变速摆动。曲柄在回转一周的过程中与有效小腿长BC有两次共线，这时大腿CD分别位于最限位置C1D和C2D。由图2-6中可以看出，曲柄相应的两个转角Ф1和Ф2分别Ф1=180°+θ和Ф2=180°-θ，式中θ是大腿处于两最限位置时，相应的曲柄位置线所夹的锐角，称之为最位夹角。
由于Ф1＞Ф2，因此当曲柄以等角速度ω转过这两个角度时，对应时间t1＞t2,故V1=C1C2弧长/t1,V2=C2C1弧长/t2,显然V1＜V2。由此可知，当曲柄等速转动时，大腿上下摆动的平均速度是不同的，前蹬过程大腿速度小于恢复过程，这一特征我们不妨称为大腿的急回特征。
因此如果恢复阶段的大腿速度小于前蹬过程大腿速度，这样在恢复阶段脚掌会对曲柄施加一定量的向下作用力，从而导致过多的负曲柄力矩，降低了骑行效率。
从表2可以看出改变坐角、坐高对前蹬平均角速度没什么影响，但却显著影响到恢复阶段的平均角速度,通过对坐角、坐高间的影响进行多重比较分析发现，坐角对恢复阶段平均角速度的影响作用是有一定范围，也就是当坐角大于72°时将不再具有显著意义。同样地，当坐高达到101%TH时，再增加坐高其影响作用不再显著。从总体上看坐高低于101%TH，恢复阶段的平均角速度小于前蹬；而坐角小于72°，坐高必须达到106%TH时，才能确保恢复阶段平均角速度大于前蹬。这意味着对自行车运动员而言，坐高太低（小于101%TH）以及坐角太小（小于72°）均妨碍下肢环节链杠杆系统的绕圆运动，即导致恢复阶段的平均角速度小于前蹬，这样不利于运动员提高骑行效率。
自行车踏蹬技术中，“踏蹬死点”一直是运动员、教练员及科研究人员最关心的问题。众所周知，在一个踏蹬圆中，死点的位置是运动员发力倍感困难的地方。当初人们对死点的认识比较粗糙，以为死点处脚蹬不受力（即脚蹬受力等于0）。随着现代高速摄像、计算机技术以及传感技术的发展，目前对“死点”的认识大致有了统一的说法，即“死点”处脚蹬不是不受力，而是作用于脚蹬上的有效力等于0。就运动学方面的有关知识对“死点”的理解是：死点不是一个点，而是一个区域，确切地说是一个曲柄角速度突减区域，这样的区域一般都出现在曲柄圆的最高点与最低点附近。
本实验过程中，对自行车运动员测试时控制踏蹬频率是110 rpm。通过摄影解析所获得的自行车运动员的实际踏蹬频率均值约为108.45 rpm,折算为平均角速度分别为650.7°/s,故本文规定当自行车运动员曲柄角速度610°/s对应的曲柄角范围记为死点区。
从表3可以看到坐角、坐高以及交互作用都显著影响到自行车运动员上、下死点区域的大小。就整体而论，九种组合情况下，普遍存在上死点区域比下死点区域宽。通过多重比较发现：坐角65°与72°及65°与77°间、坐高96%TH与101%TH及96%TH与107%TH间对上死点区域有显著改变。对下死点，三坐高两两间及三坐角两两间均对下死点区域的改变有显著意义，即随着坐角、坐高的增加，下死点区域呈递减趋势，这显然对骑行有益。
综合表2、3中数据，我们确证了理论分析与实验结果间的一致性，即恢复阶段的曲柄角速度应适当高于前蹬。对本实验的自行车运动员而言，在固定的功率输出下，坐角必大于72°时才能对恢复阶段角速度产生积极的影响，如果低于72°，那么坐高必须达到106%TH以上才有利于恢复角速度的提高。因此，在运动训练中不能只注重提高坐高来增加恢复阶段角速度。对那些山地自行车运动员，由于他们的自行车坐角较浅（有些在68°左右），因而适当提高坐高是必要的。另一方面，当坐角大于72°、坐高达到101%TH后，再改变坐角、坐高对缩小上死点区域无益，然而却始终对缩小下死点区域有益，据骑行有关规律，上、下死点区域的减小，显然有利于提高骑行效率，因为处于上、下死点区域内的大腿对脚蹬几乎不做正功，多数情况下是“惰性力”［2］，但应注意的是增加坐角、坐高是有条件的（因受比赛规则以及运动员身体结构的限制）。
2.3 下肢各关节角度变化特征分析 据有关文献报道［3，4］，曲柄转动角速度变化只能反映踏蹬周期中踏蹬动作的外部特征，而下肢环节链杠杆系统的机械条件，下肢肌肉正确的发力顺序等是决定踏蹬技术好坏的内部因素，它是引起曲柄转动角速度变化的动因。踏蹬动作主要是由腿部肌肉的收缩实现的，而下肢三个关节角度的变化情况也许能反映出驱动腿相关肌群的工作性质及发力特点。
综观表4、5、6中可以清楚地看到坐角对受试者髋、膝、踝角最值位置移动无影响，而坐高显著影响到髋、膝、踝角位置的移动。当坐高从96%TH-101%TH-106%TH递增过程中，最大髋角出现时刻均值大约是-5.86°-1.93°-1.58°（P0.05），也就是说只有当坐高达到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置显著后移；最大踝角出现时刻均值约从174.66°-176.39°-184.56°，同样第一个坐高增量所引起踝角最值位置移动无统计学意义（P>0.05）。坐高也同样影响到髋、膝、踝角最小值的位置移动，在同样坐高增量下，最小髋角出现时刻分别约从173.26°-184.33°-194.36°，说明大腿后伸作用延长，且坐高每增5%TH，位置后伸大约10°（P
说明：表中出现的负角，是以曲柄圆上死点0°为标志点，曲柄处于该位置前记为负，后记为正，以下各表含义相同。
据骑行生物力学文献［5，6］，假如大腿过了最高点（0°）后其屈曲还未达到最大值，那么它将继续屈，此时对于进入前蹬阶段的大腿应立即转为下压才对骑行有利；反之，如果在最高点（0°）前较远的位置大腿屈曲达到了最大值，此时的脚蹬还未跨过曲柄圆的最高点，那么只能依靠屈膝或踝背屈所产生的运动幅度越过最高点，这时对于失去屈髋作用的小腿足而言，要快速跨越“上死点区”是不利的。从改变坐角、坐高对受试者髋、膝、踝角最值（包括最大值与最小值）出现的时刻看，坐高的影响是主要的。坐高增加引起髋角最大值出现位置明显前移，当坐高达106%TH，最大髋角出现时刻（对应曲柄角1.58°）恰好是脚蹬跨过了曲柄圆最高点少许的位置；另一方面，坐高增加引起髋角最小值位置下移，同样的坐高增量下，下移从173.26°―184.33°―194.36°，这种下移趋向明显延长了大腿的后伸作用，因而延长大腿对脚蹬驱动作用。有意思的是坐高同样引起受试者膝角最小值位置的移动，当坐高从96%TH―101%TH―106%TH递增过程中，最小膝角出现时刻向曲柄圆最高点靠拢，且当坐高等于106%TH时，大腿与小腿几乎同时在过了曲柄圆最高点少许的地方完成最大屈曲（对应曲柄角约为0.65°）。同样我们讨论坐高对膝角最大值位置的移动，结果表明只有当坐高超过101%TH时所引起的位置下移才具有显著差异，这也就启示我们，对自行车运动员只有当坐高达到一定的高度后，再增加坐高才能引起最大膝角位置的显著下移。由此可见，只有当坐高达到106%TH后可能对自行车运动员更有益。
2.4 膝、踝关节中心轨迹的特征分析 自行车骑行技术动作过程是一个复杂的复合运动,运动员在骑行中躯置相对固定不变。上肢手臂的拉撑静力动作也仅为对车子的内力有影响,但是，下肢多环节的运动过程却涉及诸多变化的动力学因素，各关节运动为多轴心的连续运动。其中髋关节中心点相对躯干位置几乎没有变化，脚掌绕中轴作转动动作，膝、踝关节运动点是以一定轨迹规律运动的动点。在骑行中膝关节和踝关节运动点在其运动轨迹上的速度和加速度等运动特征量的矢量性、瞬时性和相对性又导致它们的运动轨迹较为复杂。运动员在骑行过程中，下肢是唯一产生动力的系统。其用力过程是否合理有效，可以通过下肢关节运动轨迹来反映。
现将直角坐标系XOY与自行车固连。设髋关节中心点坐标M（a,b），髋关节中心点与膝关节中心点N的连线为r1,如图4-a,则从理论上可推得膝关节中心点的轨迹方程:
(x1-α)2+(y1-b)2=r21 （1）
假若髋关节中心点坐标不变，因而大腿绕髋关节中心转动（上下摆动）只在一定范围内，故膝关节中心轨迹应是两段重合的圆弧。然而，运动员在实际踏蹬过程中，当大腿、小腿及足的向前下方积最下压时（前蹬），脚蹬的骨杠杆连动作用致使髋关节中心少许前移；而在180°～360°的恢复过程中，足、小腿及大腿向后积最恢复脚蹬时骨杠杆连动作用又使髋关节略有后移，而整个踏蹬过程中大腿长度这一转动半径是不变的。因此从理论上可以推出实际骑行过程中，膝关节的轨迹是两段不完全重合的圆弧（图4―b)。即曲柄从上死点（0°）至下死点（180°）时，膝关节轨迹对应EFG弧；由180°到360°时，膝关节轨迹对应GHE弧。两弧并不完全重合。
图4 膝、踝关节轨迹理论推论图5 自行车运动祁跃在九种不同组合下膝关节中心轨迹曲线同样若踏板中轴轴心坐标P（c,d）,中轴中心至踝关节中心的连线为r2,那么踝关节中心轨迹方程为：
(x2-c)2+(y2-d)2=r22（2）
显然，如果踝关节角保持不变，踝关节中心轨迹是一个圆。事实上，当曲柄从上死点至90°水平位，踝关节中心至中轴轴心的距离逐渐减小，从90°水平位至180°时，这个距离逐渐增大。且由于接近180°时足主动做恢复动作，踝关节略上移地改变了原来的运动方向，PA小于PC（图4-b），由此可以看出踝关节的动点真正轨迹应是水平半径小于纵轴半径，且纵轴的上半径略大于下半径，即类似于一个椭圆。
图5是自行车运动员祁跃在九种组合位下踏蹬时膝、踝两关节中心轨迹曲线，可从如下三方面进行分析。1) 每种组合下两段弧线的重合程度，重合度愈高，说明髋关节中心前后、上下移动较小。2) 看每段弧的光滑程度，弧段愈光滑，说明膝关节颤动较小。3) 不同对象在同一组合下的曲线对比。分析图5不难看出：坐角对受试者髋、膝关节的稳定性及位置有很大的影响，在三种坐高条件下，77°坐角最稳定，72°次之，65°坐角稳定性最差；坐高影响到髋关节中心的位置移动，特别在96%TH坐高条件下，髋、膝关节中心波动最大，因而弧段最不光滑，106%TH坐高最好，因为两弧段较光滑且较靠近。
图6 自行车运动祁跃在九种组合下踝关节中心轨道图6运动员祁跃在九种组合位踏蹬时踝关节中心轨迹，作为例子，同样可从如下几个方面对曲线进行诊断分析：1) 每种组合下所得类似椭圆的长轴、短轴的变化特点，曲线的光滑程度，左、右及上、下两部分的非对称程度，以此主要推断踝关节中心变化的稳定性及驱动过程中屈踝作用是否强烈。2) 椭圆的移位现象，一般体现在略微上移，这是优秀运动员主动恢复的标志。3) 不同类别间受试者及同类别不同个体间在同一组合下曲线对比可间接反映各自踏蹬技术特点及优劣。
在77°坐角下，受试者有相对较好椭圆曲线，坐高小于101%TH，受试者曲线的波动程度明显增加。从总体观察，随坐高增加，椭圆变得更扁、更光滑，说明下肢环节链系统绕圆运动越舒展，且具有明显的主动恢复观象。
2.5 “赛车位”与“实验最佳位”对比分析 至此，我们已清楚地感到对所检测的五位自行车运动员而言，坐角77°与106%TH坐高（组合3）似乎对他们都有益,现暂且把这个组合位称为“实验最佳位”。现将五位运动员各自“赛车位”与“实验最佳位”做对比测试。结果如下：
（说明：这里的“位置”指最大髋角、膝角、踝角出现时刻所对应的曲柄角）
由表7可以看出：付、朱两运动员在“赛车位”的上、下死点区域比“实验最佳位”宽，周、祁的表现恰相反，张在这两个位置上的表现没明显差异。五运动员在髋角最值上表现出一致性―即“实验最佳位”比“赛车位”大,髋角变化范围朱慧阔、付仁杰较大，其余三位相差不大。而且我们发现无论是“实验最佳位”还是“赛车位”，对参与本实验自行车运动员而言，其髋角始终处于30°～85°之间。
从表8可以看出：付、周、祁、张四运动员膝角最值在“实验最佳位”与“赛车位”没有明显差异（差异在1°～2°），而朱慧阔则明显不同，其“赛车位”的膝角最大值明显大于“实验最佳位”，而“赛车位”的最小膝角值则明显小于“实验最佳位”，故其膝角变化范围比其余四运动员要大得多。五运动员在“赛车位”的最大踝角值都大于“实验最佳位”，而最小值在两个位置处无太大差异，因此“赛车位”的踝角变化范围明显大于“实验最佳位”。
髋关节的生物力学特征范文6
关键词：田径；推铅球；生物力学
中图分类号：G824.1 文献标识码：A 文章编号：1007―3612(2007)03―0404―03
现代推铅球技术是在投掷圈内从静止姿势背对投掷方向开始，通过滑步或旋转后将铅球推出的过程。铅球的飞行远度主要是由铅球的出手速度、出手角度和出手高度决定的，其中出手速度起着决定作用，而铅球的出手速度又是身体各环节协调用力的结果，因此研究投掷过程中人体各环节和铅球的速度变化特征，找出其内在规律，对指导教学与训练有着重要的现实意义。
1 研究对象与方法
1.1研究方法 以参加2006年全国田径大奖赛肇庆站男子铅球比赛的冠军庞侨韬琳(以下简称庞)和广州体育学院运动员李富(以下简称李)为研究对象，二人均为右手持球，采用背向滑步推铅球技术，其中庞的身高188 cm，体重115 kg，本次比赛最好成绩17.02 m，李的身高193 cm，体重115 kg，本次比赛最好成绩14.13 m。
1.2研究方法
1.2.1影像解析法 采用日本NAC牌高速摄像机在比赛现场从投掷方向正侧面进行平面定点定焦拍摄，拍摄频率为250帧，s，拍摄距离为12 m，机高1.2 m，比赛后拍摄标尺完整图像，采用APAS System对运动员的最好成绩进行图像解析，对采集的数据使用数字滤波法进行数据平滑。
1.2.2文献资料法 本研究从中国期刊网上搜索查寻了13种体育类核心期刊(从1994―2005年)、中国期刊全文数据库(从1980―1993年)以及中国优秀博硕士学位论文全文数据库中有关铅球训练与技术分析的文献50余篇，并进行了分析研究。
为了便于分析，本文将推铅球的技术动作分为四个时相：滑步开始右脚离地瞬间(t1)、滑步结束右脚着地瞬间(t2)、左脚着地瞬间(t3)、铅球出手瞬间(t4)，其中可分为三个阶段：滑步阶段(t1―t2)、过渡阶段(t2―t3)、最后用力阶段(t3―t4)。
2 结果与分析
在本次比赛中，庞在推出17.02 m的成绩时，铅球的出手速度为12.40 m/s，出手角度为40.60，出手高度为2.47 m。李在推出14.13 m的成绩时，铅球的出手速度为10.80 m/s，出手角度为37.3°，出手高度为2.54 m。
2.1人体重心和铅球重心速度的变化在 图1和图2中给出的分别是两名运动员从t1至t4时相人体重心的速度和铅球的速度，其中曲线上第一个涂黑的标志点的时间为t2，第二个标志点的时间为t3，由于李的t3出现在t2之前0.008 s，故没有标出。从图1中可以看出，庞和李两人的身体重心速度在腾空阶段出现明显下降，但在t2时刻前又有所上升，但李的上升幅度更大，经查看图像，是由于李的躯干抬起幅度较大所致，这对于保持超越器械和工作距离是不利的。在图1中，庞的身体重心速度在t2―t3时段内略有下降，在t3之后即有较大的上升，持续时间达0.036 s，说明身体有向前上方的加速运动，随之身体重心的速度大幅度的快速下降，说明左腿制动性的支撑动作强而有力。与庞有所不同的是，李的左脚在右脚着地前0.008 s时着地(这在优秀运动员中极为罕见)，尽管落地速度较快，但在较长时间内身体重心的速度持续下降，没有出现向前上方的加速运动，说明李的双腿没有及时发力，较长时间处于缓冲阶段，这对于髋部的及时加速和利用滑步的速度显然是不利的，也说明左脚过早着地并一定能提高用力的效果。
从图2中可以看出，李的铅球速度在双脚着地后有所下降，虽然速度上升的拐点出现较早，但速度增长的持续时间较短，在铅球出手前，铅球的速度增加较缓，经过观察录像可知，主要是因为李的用力顺序不正确，躯干过早转向投掷方向运动所致。虽然庞的铅球速度增长拐点出现较晚，但持续增长的时间较长，最后达到了较大的出手速度。
2.2身体右侧环节的速度变化 在图3和图4中显示的是庞和李从左脚落地瞬间至铅球出手瞬间身体右侧环节的速度变化，并可间接反映有关环节的肌群的用力情况。从图3中可见庞的右髋先加速达到峰值，随后其速度逐渐下降，然后是右肩、右肘和右腕速度快速上升同时达到峰值，其后是右手的速度达到峰值，在O.040 s之后铅球的速度达到峰值，这是值得注意的。从图4中可以看出，李在最后用力过程中肘关节的速度峰值再现在肩关节的速度峰值之前，因而其速度的增量不大，影响了投掷效果，也不符合人体运动链自下而上逐渐加速进行动量传递的原理，是一个错误的动作。
为了详细分析庞李两人在最后用力时身体各环节速度变化情况，在图5中画出了他们两人自左脚落地瞬间至铅球出手瞬间胸部的速度曲线。
从图5中可以看出，李在左脚落地后胸部即有较高的速度，但随即速度下降至较低水平，庞的胸部速度峰值出现稍晚，存在‘延迟用力’的现象，但却达到了较大的速度峰值。这。说明在左脚落地后胸部过早加速不但不会提高最后的铅球出手速度和增加用力效果，反而会破坏用力的结构，给最后用力带来负面影响。从图5中还可见到，两人的胸部速度曲线都存在双峰型的情况，而且第一峰值速度大于第二峰值。庞的胸部速度曲线出现了时间短而峰值高的特征，李的曲线延续时间较长但较低平。两人胸部速度曲线说明，他们的躯干动作有很大区别：庞的躯干动作表现为以髋部为起点的鞭打动作，时间短而增速快，在动作之后速度急速下降；李的胸部动作时间长，增速少而慢，鞭打动作特性表现不突出。
为了详细观察两名运动员的身体环节速度变化情况，按顺序列出了两人投掷时身体环节的峰值速度和出现时间。从表中可见，运动员肩关节的峰值速度比髋关节的峰值速度增加了一倍以上，肘关节的峰值速度比肩关节的峰值速度也有较大增加，但腕关节的峰值速度与肘关节的差异很小，手的峰值速度比腕的速度有所增加，铅球的峰值速度与手的峰值速度相比略有增加而且时间稍迟。
庞、李的身体环节峰值速度基本上呈现出依次递增的规律，其中庞在肘关节处的速度增量最大，增幅达到5.0 m/s，李的肩关节速度增量最大，增幅达到4.5 m/s，且其肩的峰值速度明显大于庞的峰值速度；经观察比赛录像得知，李在最后用力的过程中，躯干向前的幅度较大，时间较长，使处于躯干上端的右肩的速度增加明显，但由于肩带肌肉未能及时发力使上臂前伸，影响了肘关节的速度，并最终影响了铅球的出手速度。
对两位选手最后用力时身体主要环节峰值速度的大小和出现的时间进行分析，表明上述参数可以作为评价推铅球最后用力效果的具体指标。为了更详细的了解身体各环节速度变化的基本规律，我们以最后用力时髋关节的峰值速度为基准点，自下而上算出身体其它环节和铅球峰值速度的增加比例，按下列公式将之换算成为环节峰值速度递增系数，具体计算公式如下：
环节峰值速度递增系数＝(Vmax2－Vmax1)/Vmax1×100％
其中Vmax1表示前一个环节的峰值速度，Vmax2表示该环节的峰值速度。
3 结论与建议
1)水平较高的铅球运动员身体重心速度在过渡阶段呈现出基本保持或略有下降的态势，在最后用力阶段的开始较短时间内快速上升，随即快速大幅度下降。
2)铅球运动员推铅球时，按照自下而上的用力顺序和一定的时间间隔进行投掷，但庞在投掷时呈现出胸部和右肩、右肘的峰值速度在左脚落地后0.184 s同时出现的特点，腕关节和肘关节的峰值速度相比差别很小，未出现加速现象，但出现时间稍晚，两名运动员的手的峰值速度比腕和肘关节增加了10％以上。