幼兒跑步能力差異性的生物力學(xué)分析

王 新,鄭錫明

(沈陽體育學(xué)院運動人體科學(xué)系,遼寧沈陽 110102)

幼兒跑步能力差異性的生物力學(xué)分析

王 新,鄭錫明

(沈陽體育學(xué)院運動人體科學(xué)系,遼寧沈陽 110102)

為了找到幼兒由走向跑的學(xué)習(xí)過程中不同階段的步態(tài)特征,為指導(dǎo)幼兒形成正確的跑步姿勢和運動康復(fù)提供依據(jù),以初步具有跑步能力的 2歲左右的幼兒為研究對象,采用影像分析技術(shù),對幼兒的跑步姿態(tài)進行平面定點測量。研究發(fā)現(xiàn):幼兒步態(tài)特征同成人存在明顯區(qū)別,支撐階段所占的比例遠大于騰空階段;從走向跑的學(xué)習(xí)存在一個過渡階段,該階段跑步時沒有雙腳同時離地的騰空階段。

幼兒;跑步能力;生物力學(xué)

走與跑是幼兒在日常生活中最常見的基本動作,同時也是鍛煉幼兒身體的手段之一。走跑運動可以促進幼兒腿部骨骼生長,發(fā)展肌肉力量。幼兒通過走跑鍛煉可以提高身體的靈敏度和活動速度,鍛煉協(xié)調(diào)性與平衡性,提高耐力與心肺功能[1]。兒童運動能力的發(fā)展,至少經(jīng)歷兩個明顯的穩(wěn)定性學(xué)習(xí)階段。第一階段與走跑技能的最初發(fā)展有關(guān),第二階段與根據(jù)環(huán)境要求調(diào)節(jié)步頻的能力增加有關(guān),3歲以前的幼兒還不具備成人的調(diào)節(jié)步頻的能力,這種能力直到 7歲時才初步建立[2-3]。幼兒剛剛學(xué)會跑步時,受肌肉力量發(fā)展情況、運動的協(xié)調(diào)性好壞和平衡能力的影響,將表現(xiàn)出不同的步態(tài)特征。從運動生物力學(xué)角度出發(fā),利用影像分析方法,對剛剛學(xué)會跑步的幼兒步態(tài)進行技術(shù)分析,根據(jù)步態(tài)特征的差別,分析其影響原因,進而提出改進意見,以促進幼兒體格健康成長。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試對象 1活潑好動,家長也經(jīng)常帶孩子到戶外運動。受試對象 2不太愛動,戶外運動也相對少。

1.2 研究方法

采用 SonyDCR-HC90E攝像機對幼兒 20m快速跑步進行側(cè)面定點拍攝,拍攝頻率 50赫茲。利用 DVTracker金牌教練運動訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)解析。所得數(shù)據(jù)利用 O-ring6.0進行分析整理。

表1 受試對象基本情況

1.3 階段劃分

為了討論技術(shù)動作的方便,把跑步途中一個單步分為三個階段、三個時相來分析 (圖 1和圖 2)。緩沖階段:著地時相 (擺動腿著地瞬間)到蹬伸時相 (人體重心在支撐點垂線時刻)。蹬伸階段:蹬伸時相到蹬伸結(jié)束時相 (支撐腿完全伸展)。騰空階段:蹬伸結(jié)束時相到著地時相。

2 結(jié)果與分析

在人的跑動過程中,是通過腿部肌肉的收縮、關(guān)節(jié)的伸展,并以腳接觸地面,地面產(chǎn)生向前上方的支持反力推動人體向前運動。兩只腳積極交替地邁出一定的步幅,在地面的反作用力作用下,如同車輪轉(zhuǎn)動的作用,使人體實現(xiàn)向前的運動。幼兒由于肌肉力量的不足,在跑步過程中表現(xiàn)出與成人不同的步態(tài)特征。

圖1 1號受試者快速跑中一個單步的動作

2.1 步幅與步頻特征

2.1.1 緩沖時間、蹬伸時間與騰空時間 從表 2可見,受試對象單步時間分別為 0.14s和 0.12s,其中支撐階段所占的比例遠大于騰空階段,這與成人的時間分配不同,成人在快速跑時騰空時間要大于支撐時間[4],其原因主要與幼兒騰起高度較低有關(guān)。

表2 受試對象各運動階段時相變化

同時,從圖 1、圖 2和表 2可見,受試對象 2在跑動中沒有雙腳同時離地的騰空階段,一側(cè)腿蹬伸結(jié)束時,并沒有立刻完全抬起,而是當另一側(cè)腿著地時,才離地收腿。從圖像上看這種跑姿還不能成為完全意義上的跑,而是沒有脫離走的特點,身體沒有完全離地,這是幼兒從走向跑學(xué)習(xí)的一個過渡特征。這種特征與腿部力量和身體協(xié)調(diào)性的發(fā)育有關(guān),由于幼兒蹬地力量不足,導(dǎo)致離地速度較小,無法使身體獲得較大的騰起速度,所以表現(xiàn)為月齡越小的孩子在騰起時間上越短,騰空距離越短。隨著月齡的增加,下肢蹬伸力量逐漸加強,產(chǎn)生的蹬地力加大,肢體的協(xié)調(diào)性也逐漸增強,才逐漸出現(xiàn)騰空階段,并隨著年齡的增長,騰起的高度逐漸增加,進而延長了騰空時間。受試對象 1雖然月齡小,但由于腿部力量和身體協(xié)調(diào)性較好,跑步能力比較強,騰空時間占總時間的 33.3%,且雙腳可以同時離地,步態(tài)已經(jīng)初步具有成人的特征。

2.1.2 著地距離、后蹬距離和騰空距離 從表 3可見幼兒步長較其身高略短,補償和身高的比值分別為 96.3%和 56.6%。跑步姿勢具有走的特征時,這種現(xiàn)象越加明顯。兩個幼兒單步重心水平移動平均速度分別為 2.075m/s和 1.724m/s。從步幅和步頻變化特征看,幼兒在跑動過程中基本是采用短步幅、高步頻來維持速度,在運動時要求肢體的加速更加頻繁。而幼兒的平衡能力較低,這就增加了其摔倒的幾率。

圖3 步長的組成

表3 受試對象快速跑步長結(jié)構(gòu)(單位:m)

2.2 緩沖和蹬伸技術(shù)

2.2.1 緩沖技術(shù) 從圖 1和圖 2可見,幼兒著地運動學(xué)特征與成人存在差異,主要表現(xiàn)在足中部先著地,踝關(guān)節(jié)在著地瞬間出現(xiàn)一個快速的背屈。踝關(guān)節(jié)在背屈狀態(tài)下,很難使踝關(guān)節(jié)做迅速的伸展,如果踝關(guān)節(jié)不能做到迅速的屈伸,就會嚴重影響踝關(guān)節(jié)在前支撐階段的緩沖能力。而成人的緩沖技術(shù)多是腳尖先著地,由于腳尖先著地,所以支撐腿承受壓力主要部位為踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。為了提高跑速,現(xiàn)在還提倡足跟不著地,從而使支撐腿承受壓力的主要部位由膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)移到踝關(guān)節(jié),而膝關(guān)節(jié)主要是通過股四頭肌退讓性工作的加固作用,承擔(dān)身體的基本重力,并保證支撐腿的剛性支撐,以有利于力的有效傳遞[6]。而幼兒做不到這一點,這與幼兒肌肉力量發(fā)展程度不夠和平衡能力不足有關(guān)。如果幼兒采用腳尖先著地,使踝關(guān)節(jié)在緩沖時成為主要承受壓力的部位,將增加踝關(guān)節(jié)損傷幾率。

從圖 4和圖 5可見幼兒著地緩沖過程主要以膝關(guān)節(jié)屈和踝關(guān)節(jié)背屈為主,髖關(guān)節(jié)處于伸展狀態(tài)。膝伸肌群做退讓性工作,膝關(guān)節(jié)在強大的壓力作用下屈曲程度逐漸增大,身體具有一個向下的加速度而產(chǎn)生失重現(xiàn)象。2號受試者膝關(guān)節(jié)屈曲角度較大 (21.2696°),而 1號受試者膝關(guān)節(jié)屈曲角度較小 (4.834°),顯然 1號受試者與成人膝關(guān)節(jié)角度變化適當(410°)[4],表現(xiàn)出較好的膝關(guān)節(jié)承受壓力的能力。

圖4 1號受試者一個單步支撐腿關(guān)節(jié)角度變化

圖5 2號受試者一個單步支撐腿關(guān)節(jié)角度變化

2.2.2 蹬伸技術(shù) 在腿蹬伸離地時,髖、膝、踝關(guān)節(jié)依次伸展,1號受試者膝關(guān)節(jié)伸展程度比較接近成人,目前比較一致的認識是,在完成蹬伸動作時,膝關(guān)節(jié)不必充分伸直。在蹬伸結(jié)束時,膝關(guān)節(jié)角在 150°～165°之間,其原因是當膝關(guān)節(jié)從 165°伸展到 180°時,膝關(guān)節(jié)與髓關(guān)節(jié)之間的距離非但沒有增加,反而縮短了 8mm,這是由于股骨關(guān)節(jié)面向股骨關(guān)節(jié)面曲率半徑大的那一部分滑動的原因。而 2號受試者后蹬離地時膝關(guān)節(jié)過分蹬直,直接影響了騰空后的屈膝擺動。

在蹬伸過程中,踝關(guān)節(jié)的活動幅度與成人一致,在 34°～38°之間,緩沖與蹬伸時,踝關(guān)節(jié)的活動是由小腿三頭肌肌健等的彈性變形與復(fù)原完成的,因此,就要求踝關(guān)節(jié)的肌腱有非常好的彈性和強度。彈性好在緩沖階段可儲存更多的能量,強度大在蹬伸階段可支撐住髖膝關(guān)節(jié)肌肉的蹬伸力。

幼兒剛剛從走向跑步過渡時,由于蹬地力量的不足,沒有使身體完全離開地面,重心在高度上的變化也較小,見 2號受試者 (重心在蹬伸階段垂直方向變化 0.0123m);當真正學(xué)會跑步時,身體出現(xiàn)騰空狀態(tài)后,重心在高度上變化才會增加,見 1號受試者 (重心在蹬伸階段垂直方向變化0.0573m),說明蹬地力的大小開始增加,足以克服本身的重力使人騰起。

2.3 肢體擺動情況

在跑步動作技術(shù)原理中,非常重視擺動腿和兩臂的擺動、軀干的扭轉(zhuǎn)等的結(jié)合。幼兒由于身體協(xié)調(diào)性的發(fā)育不完善,在肢體擺動中會出現(xiàn)各種各樣的問題,而擺動動作的方向、幅度和速度直接影響跑步的步幅和步頻。2號受試對象其收腿和兩臂的擺動動作均存在明顯的問題。

2.3.1 下肢擺動情況 蹬伸腿離地后就成為擺動腿,從圖 6和圖 7可見,在慣性作用下,擺動腿的大腿先做后伸,然后快速前擺。在進入第二個單步離地瞬間,擺動腿達到最大擺幅,兩名幼兒的擺動幅度分別為 39.1°和 48.1°。大腿開始前擺后小腿迅速向大腿做屈膝折疊,在蹬伸時相達到最大屈曲程度,兩名幼兒的最大屈曲程度差別也很大,分別為 50.9。和 92.9°。由于擺動時膝關(guān)節(jié)的屈曲能減小腿的轉(zhuǎn)動慣量,更容易使腿擺動,而腿擺動情況會直接影響到蹬地的效果[5]。1號受試對象膝關(guān)節(jié)的屈曲時間與伸展時間幾乎相等,但 2號受試者在蹬伸結(jié)束時,擺動腿小腿沒有迅速向大腿做屈膝折疊(膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度僅為 92.9°),由于擺動動作不充分,在蹬伸階段沒有增加支撐腿的負荷,降低了蹬地效果,另外,擺動腿的鞭打動作幅度小,在進入緩沖階段時,不會有效地起到減小著地碰撞力的作用,從而導(dǎo)致身體承受的壓力較大,這同樣會影響到蹬伸階段伸膝作用,在動作上表現(xiàn)為著地后膝關(guān)節(jié)屈曲角度和時間相對較長。

2.3.2 上肢擺動情況 上肢質(zhì)量雖相對小,但卻可以快節(jié)奏擺動,這對下肢快速相向運動——蹬伸起到了促進作用。從圖 1和圖 2可見,1號受試者上肢擺動較為合理,而 2號受試者上肢一直處于上舉狀態(tài),沒有起到擺臂的作用,這也同樣影響蹬地效果,使得 2號受試者蹬地力沒有充分發(fā)揮出來,無法將身體騰空,步態(tài)中表現(xiàn)為沒有騰空現(xiàn)象,是一種帶有走的特征的跑。隨著時間的推移,家長應(yīng)注意糾正孩子的不良姿勢,以便順利地學(xué)會跑步,增強孩子的運動能力,促進體格健康發(fā)育。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)幼兒步態(tài)中時間分配與成人不同,支撐階段所占的比例遠大于騰空階段。

2)幼兒由于腿部力量和身體協(xié)調(diào)性的發(fā)育不足,導(dǎo)致從走向跑學(xué)習(xí)存在一個過渡階段。該階段沒有雙腳同時離地的騰空階段。這個階段時間的長短受幼兒身體機能和運動協(xié)調(diào)性的發(fā)育程度影響。隨著年齡的增長,騰起的高度逐漸增加,才出現(xiàn)騰空階段。

3)從步幅和步頻變化特征看,幼兒在跑動過程中基本是采用短步幅、高步頻來維持速度。在運動時肢體的加速更加頻繁,而幼兒的平衡能力較低,這就增加了其摔倒的幾率。

4)幼兒著地運動學(xué)特征與成人存在差異,主要表現(xiàn)在足中部先著地,踝關(guān)節(jié)在著地瞬間出現(xiàn)一個快速的背屈,而且幼兒下肢肌肉力量發(fā)育不足,導(dǎo)致緩沖時膝關(guān)節(jié)屈曲角度過大,時間過長。

5)幼兒剛剛學(xué)跑,后蹬離地時膝關(guān)節(jié)過分蹬直,直接影響了騰空后的屈膝擺動,擺動腿小腿不能迅速向大腿做屈膝折疊,在蹬伸階段沒有增加支撐腿的負荷,降低了蹬地效果。3.2 建議

根據(jù)幼兒跑步時的步態(tài)特征,為了增加蹬地效果,使身體騰起高度增加,家長應(yīng)注重練習(xí)孩子的下肢肌肉力量,如練習(xí)跳和單足站立等。并注意身體協(xié)調(diào)性的鍛煉,以便有效地增加肢體擺動的效果,配合下肢的蹬伸。如果家長能注意鍛煉孩子的跑動能力培養(yǎng),幼兒便有可能縮短從走向跑的過渡期,盡快學(xué)會跑步,摔倒的幾率也會降低。

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[2]周安艷,李 海,黃東鋒,等.視頻壓力式步態(tài)分析系統(tǒng)對正常學(xué)齡前兒童的步態(tài)分析[J].中國臨床康復(fù),2005(9):115-117.

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Biomechan ical Analysis of D ifferences in I nfant’s Runn ing Ability

WANG X in,ZHENG X im ing (D epar tm ent of Hum an Sports Science,Shenyang Sport U niversity,Shenyang110102,L iaoning,China)

By biom echanicalm easurem ent and w ith2-year-old children as the research objects,the authors analyzed running of the infants for the purpose of finding out the features of gaits at different stages w hen infants begin to run and guiding them to form a correct running posture and sports rehabilitation.The results show that an infant’s gaits are obviously different from that of an adult’s gaits.The rate of support phase is larger than that in flight phase.M oreover,running capacity of infants tends to change w ith the increasing age.There is a phase in that both feet don′t leave the ground sim ultaneously.

infant;running ability;biom echanics

G804.6

A

1004-0560(2010)04-0081-04

2009-04-16;

2009-06-28

王新(1974-),女,講師,博士,主要研究方向為運動生物力學(xué)。

責(zé)任編輯:喬艷春

體育人文社會學(xué)