武術旋子轉體720°接馬步動作的運動生物力學分析

陳盼盼，牛健壯，于少勇，孫得朋，牛 崢，任祥鈺

（1.西安電子科技大學體育部，陜西西安710071；2.西安財經學院體育部，陜西西安710100；3.西安醫(yī)學院體育部，陜西西安710021）

?民族傳統(tǒng)體育學

武術旋子轉體720°接馬步動作的運動生物力學分析

陳盼盼1，牛健壯1，于少勇1，孫得朋2，牛 崢2，任祥鈺3

（1.西安電子科技大學體育部，陜西西安710071；2.西安財經學院體育部，陜西西安710100；3.西安醫(yī)學院體育部，陜西西安710021）

采用高速攝像機、遙測肌電儀和三維測力臺等測試儀器，運用“三機同步”的研究方法，結合運動訓練學、運動解剖學、運動生理學、運動生物力學等學科知識，對旋子轉體720°接馬步動作技術進行測試和分析，客觀地反映出有利于旋子轉體技術的運動學、動力學、肌肉力學指標，探究此技術動作內在的一般規(guī)律，以期為豐富技術理論和指導教學、訓練提供有價值的運動生物力學參數。

武術；旋子720°；三機同步；生物力學

通過查閱近20年的文獻資料，發(fā)現目前關于武術的研究大都傾向于武術教學與教法、武術文化以及武術史等方面，多為定性的研究。而運用運動生物力學“多機”測試儀器對武術動作進行定性和定量綜合分析的卻鮮有見到。近年來研究主要集中在對騰空飛腳、騰空擺蓮、旋子轉體等動作上，在研究方法方面主要采用運動學方法；從技術層面上來看，主要從身體重心與重心速度、角度、身體各環(huán)節(jié)速度方面進行分析，從機械運動的角度入手較多，并且對技術動作階段的劃分尚不確切，未能考慮到影響人體運動的某些內部因素。

基于以上原因，采用 “三機同步”測試研究方法，對旋子轉體720°接馬步落地動作進行較深入的運動生物力學研究，分析出優(yōu)秀運動員完成該動作的技術要領及生物力學特征，同時找出數據中的不足部分，為運動員科學合理的訓練提供理論依據和數據支持。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以陜西省體工隊武術專業(yè)國家一級運動員1人、西安體育學院武術專業(yè)國家一級運動員2人為研究對象（表1）。

表1 研究對象基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法 通過查閱、分析國內外相關文獻資料，了解目前關于武術旋子轉體動作技術的研究現狀及理論基礎，并對其進行分類整理，對于與本文的研究目的和任務相關的信息作了較為詳細的歸納與總結。

1.2.2 專家訪談法 通過走訪運動生物力學有關專家，了解有關競技武術跳躍類難度動作旋子轉體720°接馬步動作技術的生物力學知識，確定研究動作的選取、肌電測試的肌肉選擇，以及攝像機、遙測肌電測試儀及同步信號發(fā)生器的使用方法，并向運動隊教練員了解旋子轉體動作技術的特點。

1.2.3 測試法 使用芬蘭MEGA Electronic Ltd.制造的MEGWIN6000 16通道遙測肌電測試儀、瑞士KISTLER9287C測力臺、美國PULNIX高速攝像機。開機后，當高速攝像機、遙測肌電測試儀和三維測力臺工作正常時，開啟三維測力臺中的同步信號發(fā)生器，同時觸發(fā)高速攝像機要捕捉的畫面內的同步信號燈及觸發(fā)遙測肌電測試儀在原始肌電輸出曲線上的MARK標記，同時打上MARK標記。三機同步進行現場定點測試，測試范圍從起跳腳著測力臺開始至起跳腿離開測力臺瞬間結束。

1.2.4 數理統(tǒng)計法 運動學數據處理：采用日本松井秀治的人體模型，解析時選取人體19個關節(jié)點和1個靜止參考點（共計20個點），通過圖像剪輯、圖形合成、圖像解析等，采用美國Ariel公司的APAS運動錄像解析系統(tǒng)對動作進行數字化處理，得到測試動作的速度、角度、重心高度以及角速度等相關運動學數據，再將這些數據Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計和分析。

遙測肌電數據處理：用芬蘭MEGAWIN公司自帶的MegaWin2.4軟件對采集到的表面肌電信號進行計算、處理。導出ASC文件，再將數據結果轉換并存為“.xls”格式的文件，將數據輸入EXCEL軟件中，得出測量肌肉的積分肌電值、肌肉貢獻率、肌肉發(fā)力順序（本研究以大于肌肉積分肌電最大值的10%為標準，并且持續(xù)0.05 s以上的時間點，為肌肉激活時間）、肌肉持續(xù)用力時間等參數，運用Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計處理和分析。

常規(guī)統(tǒng)計學處理：將肌電、攝像系統(tǒng)和測力數據各自計算、處理和分析后的數據用Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計和分析。本文進行分析計算所采用的坐標軸的方向如圖1。

圖1 坐標軸的方向圖

2 研究結果與分析

2.1 起跳階段的運動生物力學特征

2.1.1 頭部動作環(huán)節(jié)的運動學和分析 從表2、表3中看出，從最大緩沖瞬間到左腳離地瞬間頭部向左上方擺動，運動軌跡呈現一個漸升的弧線，而且頭部逐漸向左肩傾斜。通過解析，發(fā)現3名運動員頭部合速度逐漸減小，由平均7.47 m／s到平均5.15 m／s；頭部向運動方向左側的分速度也明顯減小，由平均6.21 m／s減小到-0.17 m／s。而頭部向上的分速度增加，平均速度由-1.13 m／s增加到4.02 m／s。

表2 運動員頭部速度對比分析

表3 頭部在Y、Z軸上的速度變化分析

2.1.2 上肢動作環(huán)節(jié)的運動學和肌肉力學分析

表4數據顯示，運動員從最大緩沖瞬間到左腳離地瞬間的過程中右手的合速度變化不大，3次測試中運動員左手的合速度增加了，于*的左手速度由6.96 m／s增大到8.23 m／s，于**的速度由6.71 m／s增大到9.97 m／s，楊*的速度由7.13m／s增大到8.97 m／s。左手速度的增加是由左臂由屈到直的擺動引起的。而在左腳離地瞬間受試者的右手在垂直方向上的速度較最大緩沖瞬間都有明顯的增大。這是因為在最大緩沖個瞬間到左腳離地瞬間的過程中，通過不對稱的加速擺動，能加強了人體繞縱軸的轉動能力，有利于完成空中的轉體動作。而兩臂在這一過程中的弧線擺動同時又加強了人體繞矢狀軸的轉動能力，有利于自身完成空中旋子的動作。在此過程中右側三角肌內側和右側肱二頭肌等上肢肌群也都表現出了較強的興奮性。2.1.3 下肢動作環(huán)節(jié)的動力學和運動學分析 從測力臺受力情況折線圖中可以看出，起跳階段地面垂直反作用力隨時間變化折線圖呈現1個典型的特征：3個波峰和1個波谷。從運動員第3次波峰的數據來看，楊*所達到的峰值最高，為238.3 N，較第2次峰值增加了40 N；于**次之，第3次峰值達到194.1 N，較第2次峰值增加了38 N；于*最小。由此說明運動員楊*下肢肌肉力量最強，并且爆發(fā)力較好，于**次之，于*最差。

表4 最大緩沖瞬間和右腳離地瞬間左右手速度變化對比表（單位：m／s）

運動員在起跳階段蹬伸離地時刻髖關節(jié)和膝關節(jié)的伸展都比較充分，其中髖關節(jié)角度在最大緩沖階段平均為34.7°，在蹬伸離地瞬間為170.3°，在蹬伸階段角度增加了135.6°。膝關節(jié)角度在最大緩沖瞬間為127.7°，蹬伸離地時刻為167.9°。平均增加了40.2°。髖、膝關節(jié)的變化說明在蹬伸過程中，髖、膝關節(jié)一起迅速伸直，起跳腿膝關節(jié)角度迅速增大，這種快速的蹬伸有利于增大蹬地力量、提高身體重心騰起的垂直速度。

表5 運動員最大緩沖瞬間和離地瞬間起跳腿的運動學參數（單位：°）

通過高速攝像觀察和數據解析發(fā)現，運動員的右腳在離地后快速向右上方擺動，這樣右腿的加速上擺所產生的慣性力和體重一起作用于左腳上，使得左腿的負荷加大，增加了左腿肌肉的緊張程度，提高了肌肉的彈性勢能，同時配合了兩臂向左上方的擺動，為左腿更好地蹬伸和身體完成旋轉提供了動力。在左腳離地瞬間，運動員垂直速度迅速增大，其中于*增大了5.66 m／s，于**增大了1.5 m／s，但是從表5中可以看出于**在左腳觸地瞬間垂直速度就比較大，雖然增加幅度不大，但是重心一直保持較高的速度，楊*的垂直速度增加了3.03 m／s，垂直速度越大，使得騰起初速度就越大。

2.1.4 起跳階段所測肌肉的肌肉力學分析 在助跑起跳階段，運動員的大部分肌肉已經開始活動，不同的是活動強度和激活順序不一樣。助跑起跳階段的肌肉激活順序為左側臀大肌、左側腓腸肌后側，左側股二頭肌、左側股直肌、右側豎脊肌、左側三角肌外側，右側三角肌內側，右側肱二頭肌、右側肱三頭肌、左側腹外斜肌、右側腹外斜肌、右側腹直肌。從3名運動員所測肌肉激活延遲時間（平均為0.07 s）來看，楊*肌肉激活時間最迅速，也就是說肌纖維募集程度較高，于*次之，于**最慢。

從肌肉活動持續(xù)時間來看，左側股二頭肌、股直肌、右側三角肌和肱二頭肌持續(xù)時間最長，腓腸肌后側、臀大肌以及左側三角肌外側持續(xù)時間次之，軀干肌群持續(xù)時間最短，原因可能是運動員在助跑階段速度比較快，下肢集群募集相對較多，在緩沖階段起跳腿部分肌群做退讓性工作（離心收縮），起跳蹬伸階段髖關節(jié)的伸肌群收縮（臀大?。リP節(jié)肌群做向心收縮，如股二頭肌為雙關節(jié)肌，既能使髖關節(jié)伸又是屈膝的主要肌肉，所以作用時間相對較長，加上上肢手臂向左上方的擺動配合，共同完成起跳。

2.2 旋子轉體720°騰空階段動作運動學和肌肉力學分析

表6 人體左腳離地瞬間重心速度、到達最高點時重心高度及所用時間

從表6技術動作分析看，楊*左腳離地瞬間重心速度最大為5.89 m／s，達到最高騰空點時，騰空高度相對于其他兩人來說要高，騰空高度達到1.53 m，其動作完成的質量也相對較高。于**次之，左腳離地瞬間的重心速度為5.83 m／s，騰空重心高度為1.5 m。于*表現最差，左腳離地瞬間重心速度和最大騰空高度都相對都較低。

通過對比運動員3次動作的表面肌電曲線圖同時結合數據分析，運動員的右臂肌群都表現出了較強的興奮性，并且振幅較大，尤其是右臂肱三頭肌振幅最大，持續(xù)時間最長，這說明在左腳離地瞬間右臂繼續(xù)帶動身體上擺，其主要發(fā)力肌為肱三頭肌，肱三頭肌近固定收縮時，長頭使上臂在肩關節(jié)處伸，三頭共同收縮使前臂在肘關節(jié)處伸。所以，右臂的上擺肱三頭肌為主要發(fā)力肌。

同時還發(fā)現此階段運動員腰腹部肌肉的曲線一直保持持續(xù)的波動，尤其是右側腹直肌興奮性較強，其他腰腹部肌群，如左、右腹外斜肌，右側豎脊肌，也保持一定的興奮性，但振幅較小，在騰空階段腰腹部肌群的主要作用就是控制身體的穩(wěn)定，保持挺胸、直腰、梗頭的姿態(tài)。

在下肢肌肉肌群中左腿腓腸肌后側近固定收縮時，使足在踝關節(jié)處跖屈，所以腓腸肌在進入騰空階段后處于收縮狀態(tài)，左腿股二頭肌表現出了較強的興奮性，振幅最大，并且持續(xù)時間貫穿整個階段。運動員左腳離地之后進入騰空階段，左腿積極向右腿靠攏，兩腿保持并攏伸直姿態(tài)，同時要繃腳尖，此時左腿股二頭肌近固定收縮，使大腿在髖關節(jié)處伸。

圖2 于*騰空階段肌電曲線圖

2.3 落地接馬步階段動作的運動學和肌肉力學分析

當運動員完成空中動作落地時兩臂在左腳落地后快速向兩側展開，來維持身體的平衡。同時，馬步動作對運動員肌肉的彈性和柔韌性提出了很高的要求。從表7運動員雙腳落地時間差來看，于*、于* *雙腳落地時間差相對較小一些，分別為0.02 s和0.04 s，而楊*雙腳落地時間差較大，達到0.08 s。在現行的裁判體制中，場上的裁判員是靠耳朵聽聲音來判斷運動員在落地時兩腳是否同時著地。如果只聽到一個聲音，則視為運動員兩腳同時落地，符合要求。反之則視為運動員兩腳依次落地，相應的連接難度分就會扣掉。在郭明明和黃強等人的研究中同樣也發(fā)現了相同的問題，通過觀察每個運動員的高速攝像，運動員的雙腳并沒有同時落地，但是在比賽中都得到了連接難度的得分。所以在現行的武術裁判評分方法下，這種失誤是可以被忽略的。

圖3 于**騰空階段肌電曲線圖

圖4 楊*騰空階段肌電曲線圖

表7 運動員雙腳落地時間差（單位：s）

運動員在落地馬步過程中下肢肌群和豎脊肌表現出了較強的興奮性。在落地緩沖階段，除右側腹外斜肌肌電積分值較小以外（平均肌電積分值為82 uvs）其他11塊肌肉都一致表現出較強的興奮性，尤其是右側豎脊肌最為突出，平均肌電積分值達到了434 uVs，最大放電值為1 371 uVs。這可能是由于在落地緩沖階段運動員為保持身體平衡，身體軀干稍向前傾，脊柱前屈，兩側的豎脊肌在固定的狀態(tài)下收縮，所以興奮性較高，放電較強，在落地緩沖階段控制身體的平衡起重要作用。

3 結論及建議

3.1 結論

1）起跳階段。在起跳階段，運動員頭部向左上方的加速擺動，兩手臂不對稱的加速擺動，以及從最大緩沖瞬間到左腳離地瞬間右腳向右上方的擺動，有利于加強運動員繞身體矢狀軸和縱軸的旋轉能力。通過分析測力臺的曲線圖可知，楊*起跳腿的發(fā)力情況呈現一個上升的趨勢，且第3次達到了3人中最高峰值，238.5 N。這說明楊*起跳腿力量較強，從在左腳離地瞬間楊*的重心速度也達到了最大值（5.89 m／s），與測力臺數據表現一致。于**在整個起跳階段始終保持著較高的速度，起跳瞬間的重心高度達到5.83 m／s，楊*在身體各部位動作速度不占優(yōu)勢的情況下，左腳離地瞬間的重心速度達到了5.89 m／s，充分說明楊*具有很強的腿部力量和爆發(fā)力。

同時結合運動員動作過程中肌肉激活順序和持續(xù)發(fā)力時間進行分析，運動員肌肉激活順序為左側臀大肌、左側腓腸肌后側，左側股二頭肌、左側股直肌、右側豎脊肌、左側三角肌外側，右側三角肌內側，右側肱二頭肌、右側肱三頭肌、左側腹外斜肌、右側腹外斜肌、右側腹直肌。從肌肉活動持續(xù)時間來看左側股二頭肌、股直肌、右側三角肌和肱二頭肌持續(xù)時間最長，腓腸肌后側、臀大肌以及左側三角肌外側持續(xù)時間次之，軀干肌群持續(xù)時間最短，從肌纖維募集程度來看，楊*肌纖維募集速度最快，從楊*起跳瞬間的重心速度和測力臺3組峰值數據也充分說明了這一點。

2）騰空階段。通過對運動員起跳階段動作技術的分析，發(fā)現楊*起跳腿力量和爆發(fā)力較強。從技術動作上看，楊*在左腳離地瞬間重心速度最大，為5.89 m／s，達到最高騰空點時，騰空高度相對于其他兩人來說要高，騰空高度達到1.53 m，其動作完成的質量相對較高；于**相對于楊*來說左腳離地瞬間速度要小，為5.83 m／s，但騰空高度僅次于楊*，達到1.5 m；于*此階段最差，動作完成質量不高。

騰空階段所測肌肉中，下肢肌肉肌群中的左側股二頭肌表現出了較強的興奮性，振幅最大，持續(xù)放電時間也最長，貫穿整個騰空階段；左腿腓腸肌后側近固定收縮時，使足在踝關節(jié)處屈，所以腓腸肌在進入騰空階段后處于收縮狀態(tài)。

3）落地階段。落地后，從支撐側下肢肌肉放電情況來看，下肢肌肉肌群和豎脊肌都表現出持續(xù)而強烈的興奮性，尤其是右側的豎脊肌表現格外突出，平均肌電積分值達到了434 uvs，最大放電值為1371 uv，其次是股直肌、腓腸肌和股二頭肌。在完成動作過程中，3名運動員還存在著實際轉體角度不足和落地接馬步時兩腳沒能同時落地的問題。

從肌肉做功與負荷情況來看，右側的豎脊肌做功與負荷最大，也就是說右側豎脊肌的貢獻率最大，其次是股二頭肌。

3.2 建議

1）在訓練的過程中加強頭部和兩臂向左上方的弧線擺動速度，以提高運動員空中旋轉角速度。

2）教練員在對運動員訓練時要求運動員落地時盡量雙腳同時落地，在落地時刻應采用右腳向右的側蹬動作，有助于落地的穩(wěn)定。運動員有意識地加速自身旋轉，縮短旋轉時間，讓運動員盡可能在武術套路規(guī)則允許的范圍內縮短兩腳依次著地的時間。

3）加強運動員對武術跳躍類動作運動生物力學知識的學習，使用現場高速攝像回放等，使其更深入地理解該動作的技術特征，有利于運動員更好地完成技術動作。

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責任編輯：郭長壽

Sports Biomechanics Analysis of Spinning Butterfly 720°Connecting Horse Stance in W ushu

CHEN Panpan1，NIU Jianzhuang1，YU Shaoyong1，SUN Depeng2，NIU Zheng2，REN Xiangyu3（1.PE Department，Xidian University，Xi’an 710071，Shannxi，China；
2.PE Department，Xi’an University of Finance and Economics，Xi’an 710100，Shannxi，China；3.PE Department，Xi’an Medical University，Xi’an 710021，Shannxi，China）

This paper uses advantage kinematical research instrumentof Speed Cameras，Telemetry EMG and Three-dimensional force platform，as well as the research method of“three instruments working together”，combines w ith the test and analysis of the sports biomechanics on spinning butterfly 720°connecting the horse stance inmartial revolving technology by the know ledge of sports training，anatomy ofmovement，exercise physiology and sports biomechanics；reflects the kinematical indicators，movementmechanical indicators，musclemechanical indicatorswhich are helpful for revolving technology，and explores the common disciplines inside this kind of technology，in order to provide valuablemovementmechanical indicators to enrich the theories and direct teaching practices.

Wushu；spinning butterfly 720°；three synchronousmachines；biomechanics

G804.66

：A

：1004-0560（2014）06-0135-05

2014-06-14；

2014-07-20

2013年陜西省體育局常規(guī)課題項目，項目編號：13005。

陳盼盼（1988—），女，碩士，主要研究方向為運動生物力學與運動訓練學。