跳遠(yuǎn)起跳腿的受力分析

姜 文，伍 飛

（湖南新化縣第二中學(xué)，湖南 婁底 417600）

跳遠(yuǎn)起跳腿的受力分析

姜 文，伍 飛

（湖南新化縣第二中學(xué)，湖南 婁底 417600）

通過對起跳腿的受力分析和能量轉(zhuǎn)換的研究，得出以下結(jié)論：就運動學(xué)特征而言，起跳過程是發(fā)生在起跳腳與地面之間的一次類似于非完全彈性碰撞物理現(xiàn)象；膝關(guān)節(jié)緩沖動作是“沖力矩”對膝關(guān)節(jié)作用的結(jié)果；推導(dǎo)出機械能與肌肉做功能量轉(zhuǎn)換模擬圖，表明肌肉被拉伸后所儲備的能量可能是碰撞發(fā)生后能量上傳的結(jié)果。

跳遠(yuǎn)；起跳腿；受力；沖力矩；能量轉(zhuǎn)換

伸肌群的退讓性收縮能力是體育運動中一切爆發(fā)性用力動作獲得最佳力學(xué)效果的主要因素，這一點在跳躍起跳中表現(xiàn)得尤為顯著。伸肌群退讓性收縮的結(jié)果就表現(xiàn)為腿部緩沖動作，退讓性收縮與緩沖動作實際上屬于本質(zhì)與現(xiàn)象的關(guān)系。

但退讓性收縮的發(fā)生機理存在著不同的說法。有教材認(rèn)為緩沖的發(fā)生機制是重力的作用，有些認(rèn)為是慣性力的作用，還有些其認(rèn)為是外力矩的作用的結(jié)果，也有學(xué)者認(rèn)為是肌肉克服的是沖擊慣壓外力。可見，緩沖過程的受力非常復(fù)雜，下面將從起跳腳的受力變化與能量轉(zhuǎn)換的角度來研究起跳過程。

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)資料法

查閱有關(guān)起跳機制、運動生物力學(xué)和起跳技術(shù)分析的研究文獻(xiàn)和專著，并對其進行收集、整理、歸納和推導(dǎo)。

1.2 調(diào)查法

通過個別調(diào)查法，就某些概念和理論的鑒定對有關(guān)專家進行訪談。

2 結(jié)果與分析

2.1 起跳過程的肌肉工作狀態(tài)與動作階段劃分

任何一種跳躍的起跳都是受人意識支配的，都是人體肌肉主動收縮（內(nèi)力），通過運動支撐器官與地面相互作用（產(chǎn)生外力）的必然結(jié)果，故我們不能把起跳過程等視為物理學(xué)上所描述的理想化的非完全彈性碰撞。但就運動學(xué)特征而言，把起跳過程的外部特征視為發(fā)生在起跳腳與地面之間的一次類似于非完全彈性碰撞的物理現(xiàn)象，并將其分為兩個階段。第一階段為起跳腳與地面開始接觸到屈肌退讓收縮結(jié)束的能量吸收階段（擠壓階段），第二階段為能量釋放階段（形變恢復(fù)）。在第一階段，起跳腳與地面沖撞擠壓后由于內(nèi)部應(yīng)力使二者均發(fā)生形變，如地面的凹陷、跳高鞋海綿墊的塑性形變、膝關(guān)節(jié)的彎曲等。在這一過程中，膝關(guān)節(jié)肌群為了阻止膝關(guān)節(jié)的彎曲而發(fā)生了退讓性收縮，也就是我們通常所說的緩沖。

表1中起跳過程的第一階段是著地緩沖階段，肌肉工作類型為退讓收縮和等長收縮。教材所說的在著地瞬間肌肉克服的外力（沖力）最大，但并不是說此時的肌肉力量是最大的，根據(jù)離體肌肉拉伸過程的力學(xué)研究顯示，當(dāng)一塊完全激活的肌肉或肌纖維，以適宜的速度從一個恒定長度拉伸到另一長度時，在其末端記錄到的力，要大于同樣長度的最大等長活動的力，且拉伸結(jié)束時肌肉力比同樣長度下的最大等長活動力大2倍，即所謂的“拉伸過程的力增強現(xiàn)象”。所以，膝關(guān)節(jié)肌群的最大肌力可能出現(xiàn)在等長收縮結(jié)束和克制收縮開始的一瞬間，之后膝關(guān)節(jié)肌群力量慢慢減小，腳離地時為零。退讓收縮階段外力矩是始終大于肌力矩的，隨著肌肉被拉長和緩沖動作幅度的增大，在等長收縮階段二者相當(dāng)。

第二階段是蹬伸階段，肌肉工作類型為克制性收縮。隨著蹬伸動作的完成，肌肉力量也就隨之減小，但蹬伸過程中肌力矩大于外力矩。

2.2 起跳過程中的受力分析

潘慧炬在修正復(fù)杠桿模型的研究中認(rèn)為在蹬伸階段股四頭肌起主要作用，復(fù)杠桿只在伸膝后半程起一定作用，但在退讓收縮階段復(fù)杠桿可能發(fā)揮較大作用。依照“復(fù)杠桿模型”對膝關(guān)節(jié)的外力矩進行模擬設(shè)計，圖1是起跳過程的各階段的重力矩和地面支撐力矩的模擬圖，N為支撐力，G為重力，d為力臂，O點為膝關(guān)節(jié)（本模型沒有考慮膝關(guān)節(jié)重心高度的變化和摩擦力在碰撞過程的作用）。從圖1中可知，膝關(guān)節(jié)受重力矩（MG = G×d1）與地面支撐力矩（MN = N×d2）同時作用。據(jù)右手法則對力矩的方向和正負(fù)做出判斷：（1）起跳著地，重力矩和地面支撐力矩方向均向內(nèi)，為負(fù)，所以起跳腳著地時兩力矩是重疊作用的；（2）緩沖階段，當(dāng)膝關(guān)節(jié)緩沖超過踝關(guān)節(jié)時，重力矩方向向內(nèi)，為負(fù)，但支撐力矩向外，為正，所以兩力矩有抵消的現(xiàn)象；（3）蹬伸階段，隨著蹬伸動作的進行，兩力矩的方向向外，為正，為人體離地提供動力。

表1 起跳過程的肌肉工作狀態(tài)和動作階段劃分

可見，著地時地面對腿部的沖力實際上是地面支撐力矩和重力矩同時作用的結(jié)果。研究顯示，地面對人體的沖擊力，其值能達(dá)到體重的14倍，所以把緩沖動作看作是重力作用的結(jié)果的說法是不準(zhǔn)確的。沖力隨著退讓性收縮的結(jié)束而隨之減小并消失，但其能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換。至于認(rèn)為是慣性力作用的說法也不太確切，慣性力是加速運動參照系（非慣性參照系）內(nèi)物體出現(xiàn)的運動狀態(tài)的變化，為了應(yīng)用牛頓定律解釋而引進“虛擬力”，稱慣性力。它沒有施力者，不符合力的三要素，當(dāng)然也就不能說是慣性力造成了腿部的緩沖動作，但慣性力對肢體擺動和人體補償運動的研究是很有意義的。王保成教授提出的“沖擊慣壓外力”的作用，說明了膝關(guān)節(jié)肌群做退讓性收縮所受的是一個復(fù)雜的變化的合外力?！扼w育科學(xué)詞典》提及外力矩與屈肌力矩的作用，它的力學(xué)系統(tǒng)的確立是下肢局部環(huán)節(jié)，把緩沖作為以膝關(guān)節(jié)為軸的轉(zhuǎn)動過程，而局部環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動一般只提及重力矩和肌力矩，所以認(rèn)為膝關(guān)節(jié)被迫緩沖是“沖力矩”對膝關(guān)節(jié)作用的結(jié)果，即重力矩與地面支撐力矩的共同作用。

圖1 重力矩與地面支撐力矩的膝關(guān)節(jié)模擬圖

圖2 機械能與肌肉做功能量轉(zhuǎn)換模擬圖

當(dāng)物體受外力作用時，其內(nèi)部會發(fā)生不同的應(yīng)力分布與出現(xiàn)變形形態(tài)。應(yīng)力是物體在外因（如受力、溫度等）影響下發(fā)生狀態(tài)和體積改變時，其內(nèi)部任一截面上所受的力，屬內(nèi)力。應(yīng)力的傳遞伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，應(yīng)力的特點是往薄弱環(huán)節(jié)聚集，當(dāng)人體的某一個面或是某一點的應(yīng)力超出承受范圍就會出現(xiàn)形變形態(tài)。在應(yīng)力的傳遞過程中，人體關(guān)節(jié)是應(yīng)力集中的主要部位，在起跳過程中，膝關(guān)節(jié)肌群的退讓性收縮是為了防止應(yīng)力過大而使膝關(guān)節(jié)過分彎曲。因此，加強其肌群的退讓工作能力在跳躍項目的訓(xùn)練中是非常有意義的。

2.3 碰撞過程中的功能量轉(zhuǎn)換

有人（周成之，王保成，1985年）認(rèn)為，人體騰空的動力，來源于運動器官肌肉快速收縮所產(chǎn)生的“爆發(fā)能量”，而不是“力”。所以，對起跳過程中的能量轉(zhuǎn)換來探討是非常有意義的。

2.3.1人體肌肉組織對機械能的吸收和釋放肌肉拉伸過程的力增強現(xiàn)象的研究表明，橫橋附著物和腱組織構(gòu)成串聯(lián)彈性成分（SEC），SEC的力-長度（應(yīng)力-應(yīng)變）關(guān)系可用快速釋放實驗確定，肌肉拉伸時肌力增加兩陪，激活肌肉最大拉伸后存儲于SEC中的應(yīng)變能量可相應(yīng)的增加到兩倍。拉伸后完全激活的肌肉被立即釋放，肌肉做的正功可增加到兩陪。在肌肉拉伸過程的能量學(xué)研究中顯示，激活的離體骨骼肌拉伸過程中的代謝能量消耗（能量釋放和ATP水解），比肌肉縮短和等長用力過程中的消耗要低，據(jù)報道，肌肉負(fù)功（作用于肌肉上的功）的基本部分，并不產(chǎn)生肌肉活動的熱產(chǎn)物。

圖3 起跳能量的轉(zhuǎn)換圖

既然肌肉在拉伸過程中沒有熱產(chǎn)物，說明肌肉本身沒有消耗能量去做負(fù)功，但其肌力、SEC的應(yīng)變能和其做正功的能力卻增加了兩倍。所以本文推斷，肌肉被拉伸后所儲備的能量是碰撞發(fā)生后能量上傳的結(jié)果，且碰撞過程中損失的機械能在理論上應(yīng)等于人體各環(huán)節(jié)所吸收的機械能、熱能和塑性形變能之和，據(jù)此，推導(dǎo)出機械能與肌肉做功能量轉(zhuǎn)換模擬圖，如圖 2所示，（1）在 0 ～ t1時段為碰撞后能量上傳至SEC存儲能量的過程，同時也是肌肉做負(fù)功的過程，且存儲的能量與肌肉負(fù)功的數(shù)值相當(dāng)；（2）在t1～ t2時段是肌肉拉伸后主動收縮做2倍正功過程。由此可見，膝關(guān)節(jié)的緩沖過程是肌肉傳遞和轉(zhuǎn)換能量的主要階段。當(dāng)然，肌肉做正功的能量不僅僅是來源于SEC存儲的能量，肌肉主動收縮也消耗來自體內(nèi)的能量來做功。起跳腿肌群與離體肌肉不同之處在于，其分布在踝、膝和髖三大關(guān)節(jié)，長短跨度和收縮的起止時間也不一樣，所以能量轉(zhuǎn)換時間也可能不同步，但肌肉的作用時間和能量轉(zhuǎn)換總體集中在上述的兩個時間段。

在著地過程，身體所承受的沖擊力，使被動解剖組織（韌帶、軟骨等）和肌肉吸收了碰撞后的機械能，且會給機體帶來傷害，這就激活了肌肉消耗機械能的能力，肌肉這種能力可能對保護被動解剖結(jié)構(gòu)非常有利。

2.3.2碰撞后的能量轉(zhuǎn)換與訓(xùn)練指導(dǎo)起跳的能量不僅僅來自于碰撞過程的能量轉(zhuǎn)換，其中一部分也來自于肌肉的主動收縮。據(jù)肌肉組織對機械能的吸收與釋放來看，碰撞過發(fā)生后總機械能的轉(zhuǎn)變方式如下，如圖3所示。

碰撞發(fā)生后，除接觸碰撞區(qū)附近的地面發(fā)生的塑性變形、屈曲、褶皺、穿透（鞋釘），起跳腳周圍流體參與的能量交換與吸收之外，其余能量將轉(zhuǎn)化為被動解剖組織和肌肉吸收的機械能。所以，起跳能量的來源是碰撞發(fā)生后被動解剖組織和肌肉所吸收的機械能和肌肉主動收縮產(chǎn)生機械能之和。在起跳技術(shù)的訓(xùn)練過程中，我們要盡量提高機械能的合理轉(zhuǎn)換。首先，提高運動員的屈肌力量和退讓工作能力，并給予合理的能量吸收和轉(zhuǎn)換時間，并不是起跳時間越短越好；同時，減少塑性形變的發(fā)生；再者，提高運動輔助器械的剛性，如釘鞋鞋底的設(shè)計即要防止應(yīng)力給人體帶來的傷害，又要減少能量的損失。

3 結(jié) 論

通過對起跳腿工作過程中的受力分析和能量轉(zhuǎn)換的研究，得出以下結(jié)論。

3.1 起跳不等同于物理學(xué)上理想化的碰撞，但就運動學(xué)特征而言，起跳過程是發(fā)生在起跳腳與地面之間的一次類似于非完全彈性碰撞物理現(xiàn)象，并將起跳過程分為能量吸收階段和能量釋放階段。

3.2 膝關(guān)節(jié)緩沖動作是“沖力矩”對膝關(guān)節(jié)作用的結(jié)果?！皼_力矩”實際上是重力矩和地面支撐力矩的共同作用。

3.3 推導(dǎo)出機械能與肌肉做功能量轉(zhuǎn)換模擬圖，表明肌肉被拉伸后所儲備的能量是碰撞發(fā)生后能量上傳的結(jié)果，而起跳能量的來源是碰撞發(fā)生后被動解剖組織和肌肉所吸收的機械能和肌肉主動收縮產(chǎn)生機械能之和。

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G823.3

A

1674-151X（2012）02-018-03

10.3969/j.issn.1674-151x.2012.02.010

投稿日期：2011-12-07

姜文（1979 ～），中教一級。研究方向：體育教學(xué)。