擊劍弓步動作的生物力學研究進展

管延飛，朱 歡，吳娜娜，郭 黎

1 擊劍的弓步動作

擊劍運動起源于中世紀的歐洲，由古代劍術決斗發(fā)展而來。擊劍是奧運會比賽的傳統(tǒng)項目之一。擊劍比賽節(jié)奏極快，對運動員的技術、體能要求極高。一名優(yōu)秀的擊劍運動員在比賽中必須同時具備穩(wěn)定的身體姿勢、靈活準確的步法、快速的移動以及精準的判斷等。步法是擊劍運動員最基礎也是最重要的技術。運動員通過快速、準確的步法可在進攻和防守中為自己爭取到有利的距離和時機，從而完成自己的戰(zhàn)術目的。擊劍比賽項目分為花劍、佩劍、重劍三個劍種。每個劍種對運動員步法的要求各不相同，且各劍種運動員比賽中不同步法的使用頻率不同，但比賽中弓步技術的作用對三個劍種都至關重要，也可以說弓步技術是所有劍種運動員進攻和得分的利器[1]。由于不同劍種之間的弓步動作基本不存在差異，故目前絕大多數(shù)擊劍弓步相關研究都不考慮劍種差別[1]。有研究表明擊劍比賽中男子運動員平均每23.9s使用一次弓步；女子運動員平均每20s就會使用一次弓步。弓步技術在比賽中如此頻繁的使用決定了它是擊劍比賽勝負的關鍵影響因素之一[2]。

擊劍弓步動作可分為五個連續(xù)階段(見圖1)[2]：(1)準備姿勢：持劍手同側(cè)下肢為前腿，異側(cè)下肢為后腿，運動員身體重心在兩腿之間；(2)后腿蹬地，同時前腳離地，小腿向前踢出，身體重心向前移動，開始出劍；(3)后腿持續(xù)蹬地，前腿大幅度向前擺動，身體重心大幅度前移；(4)前腳落地，劍尖抵達目標；(5)弓步結束，持劍手與后腿基本伸直，身體完全伸展。整個動作快速、流暢，可使運動員在較遠距離達到迅速攻擊對手的效果。

圖1步動作的五個階段

弓步質(zhì)量的高低是決定運動員比賽成績的重要因素之一，與擊劍運動員競技水平關系密切[3]。弓步速度是評價擊劍運動員弓步質(zhì)量的重要指標[3]。多數(shù)研究認為運動員雙側(cè)下肢在弓步動作中的生物力學表現(xiàn)是影響弓步速度的主要因素。在擊劍弓步動作中，前腿和后腿分別發(fā)揮不同的作用：后腿伸肌肌群的快速收縮使后腿快速蹬地，產(chǎn)生地面反作用力。這個力在水平方向的分力是弓步動作的驅(qū)動力，直接決定弓步速度水平；前腿的大幅度擺動可配合后腿蹬地維持弓步速度[4—6]。

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，生物力學測試在擊劍弓步的相關研究已被廣泛應用，其中紅外三維運動捕捉系統(tǒng)、三維測力臺、高速攝像機等高科技產(chǎn)品的使用在很大程度上促進了擊劍弓步動作的研究。高科技生物力學測試儀器的應用使不同關節(jié)的運動學和動力學表現(xiàn)、肌肉收縮情況及不同運動員的弓步技術差異分析等成為現(xiàn)實。表1為近年國內(nèi)外擊劍弓步動作生物力學相關研究的常見測試方法及作用匯總。

表1 擊劍弓步生物力學研究常見測試方法

2 運動員弓步動作中的生物力學表現(xiàn)

2.1 后腿三關節(jié)動力學表現(xiàn)對弓步速度的影響

在擊劍弓步速度影響因素的研究中，運動員弓步過程中后腿的動力學表現(xiàn)一直是研究熱點。在擊劍弓步動作中，運動員后腿蹬地產(chǎn)生的地面反作用力在水平方向的分力是弓步向前的驅(qū)動力[16—18]。這個力為運動員身體重心加速的時間超過600ms，其大小直接決定弓步速度水平[5]，而運動員后腿三關節(jié)的動力學表現(xiàn)是影響弓步驅(qū)動力大小的關鍵[10]。Guilhem等人[5]結合10名優(yōu)秀擊劍運動員雙側(cè)下肢主要肌肉弓步動作中肌電測試與等速肌力測試結果進行分析后發(fā)現(xiàn)：弓步后腿膝、髖關節(jié)伸肌最大等速向心肌力與運動員弓步最大速度顯著相關(r=0.60～0.81)；后腿膝、髖關節(jié)伸肌是為弓步加速段提供驅(qū)動力的主要肌肉。其活動水平與運動員弓步加速階段的平均速度顯著相關。Cronin等人[16]將31名擊劍運動員的弓步速度與其下肢力量、靈活性以及人體測量學等指標進行多元線性回歸分析后發(fā)現(xiàn)：后腿伸膝峰力矩到達時間、峰功率以及后腿伸肌肌力是影響弓步速度的重要因素。其中后腿伸膝峰力矩到達時間與弓步速度的相關系數(shù)為0.62，為預測擊劍運動員弓步速度的最佳指標。Turner等人[19]認為在擊劍弓步動作中，運動員后腿伸肌向心收縮使后腿蹬地產(chǎn)生驅(qū)動弓步向前的力。運動員后腿膝關節(jié)伸肌肌力是決定弓步驅(qū)動力大小的關鍵；而后腿踝關節(jié)和髖關節(jié)由于受弓步準備姿勢的限制，伸肌的活動范圍有限而不能完全發(fā)揮作用。

綜合上述研究不難發(fā)現(xiàn)，后腿膝、髖關節(jié)在弓步過程中的動力學表現(xiàn)是決定擊劍運動員弓步速度的關鍵，其中膝關節(jié)動力學表現(xiàn)的作用最為重要；在擊劍弓步動作中，運動員后腿膝、髖關節(jié)的動力學表現(xiàn)決定了其后腿蹬地獲得地面反作用力的大小。這個力在水平方向上的分力是弓步向前的驅(qū)動力[16—18]。其大小及作用時間決定了弓步速度。

然而，有研究結果表明運動員后腿踝關節(jié)的動力學表現(xiàn)同樣是弓步速度的重要影響因素。彭道福[11]等人對12 名擊劍運動員的弓步速度與其影響因素進行灰色關聯(lián)分析后發(fā)現(xiàn)后腿踝關節(jié)峰值力矩對運動員弓步速度的影響程度高于后腿膝關節(jié)峰值力矩；Morris等人[12]通過分析某高水平擊劍運動員弓步動作后發(fā)現(xiàn)踝關節(jié)伸肌的收縮對后腿蹬地作用力貢獻高于后腿膝、髖關節(jié)伸肌。目前擊劍弓步動作中踝關節(jié)的動力學表現(xiàn)相關研究較少，踝關節(jié)伸肌的收縮對弓步速度的貢獻尚不明確，需要進一步研究驗證。

2.2 后腿三關節(jié)運動學表現(xiàn)對弓步速度的影響

后腿的動力學表現(xiàn)是運動員弓步速度的決定因素這一觀點目前已得到廣泛認可，而有關后腿三關節(jié)運動學表現(xiàn)影響擊劍運動員弓步速度的研究較為少見。彭道福等人[11]發(fā)現(xiàn)，準備姿勢中后腿膝關節(jié)角度是影響擊劍運動員弓步速度的重要因素，并推測運動員減小準備姿勢中的后腿膝關節(jié)角度、降低重心有利于提高弓步速度；Zhang[8]等人通過分析優(yōu)秀擊劍運動員弓步動作后，發(fā)現(xiàn)弓步落地時運動員后腿接近伸直，后腿膝關節(jié)角度平均在170°以上。研究認為，運動員后腿在弓步動作中的大幅度伸膝能夠延長后腿蹬地力的作用時間，從而提高弓步速度[9]。在擊劍弓步動作中，運動員后腿髖關節(jié)伸能夠配合后腿蹬地使身體重心向前移動。周繼和等人[13]認為，在后腿接近伸直的狀態(tài)下后側(cè)髖關節(jié)的大幅度伸展可以減小后腿與地面的夾角，使后腿蹬地獲得的地面反作用力在水平方向上的分力加大，從而增大弓步向前的驅(qū)動力，提高弓步速度；Bottoms等人[6]將擊劍運動員弓步動作中下肢關節(jié)運動學表現(xiàn)與其弓步速度進行相關分析后發(fā)現(xiàn)后腿膝關節(jié)的關節(jié)活動范圍、后腿髖關節(jié)伸的最大程度均與弓步速度顯著相關。通過上述研究結果可以發(fā)現(xiàn)，擊劍運動員在弓步動作中增大后腿膝、髖關節(jié)的運動幅度能夠使弓步驅(qū)動力更好地發(fā)揮作用，從而提高弓步速度。后腿踝關節(jié)在弓步動作中的運動學表現(xiàn)對運動員弓步速度的影響目前尚不清楚。

2.3 前腿三關節(jié)對弓步速度的影響

近年來擊劍運動員前腿膝關節(jié)在弓步動作中的運動方式引起了研究者的注意。有研究發(fā)現(xiàn)不同水平擊劍運動員前腿膝關節(jié)在弓步動作中的運動方式存在差異[10]。Gholipour等人[10]通過對比優(yōu)秀擊劍運動員和初學者弓步動作中前腿膝關節(jié)的運動方式后發(fā)現(xiàn)：所有受試者前腿向前擺動時，在伸膝之前優(yōu)秀運動員屈膝的程度顯著小于初學者，隨后的伸膝階段優(yōu)秀運動員伸膝程度則顯著大于初學者；舒建平等人[9]認為擊劍運動員增加弓步動作時前腿伸膝程度有利于前腿的大幅度擺動，避免前腳過早落地，延長后腿蹬地力的作用時間，配合后腿蹬地提高弓步速度。

在擊劍弓步動作中，前腿髖關節(jié)的作用主要是和前膝關節(jié)相互協(xié)調(diào)，使前腿能夠迅速完成大幅度擺動，配合后腿蹬地完成弓步動作。 Bottoms等人[6]使用Visual3D軟件對弓步運動學數(shù)據(jù)進行計算并分析后，認為運動員弓步動作中前側(cè)髖關節(jié)活動范圍與弓步速度顯著相關。前側(cè)髖關節(jié)屈的程度越大，說明其前側(cè)下肢的運動越主動，有利于增大前腿向前擺動的幅度。

根據(jù)前人研究可知，前腿在弓步中的作用主要是通過快速、大幅度地向前擺動來配合后腿的蹬地，延長弓步驅(qū)動力的作用時間，從而提高弓步速度。但目前前腿踝關節(jié)的運動學表現(xiàn)對弓步動作的影響尚不明確。另外尚未見到關于前腿的動力學表現(xiàn)影響弓步速度的研究。前腿動力學表現(xiàn)是否對弓步速度有貢獻尚需進一步證實。

3 弓步動作質(zhì)量的生物力學研究進展

3.1 環(huán)節(jié)運動時序性對擊劍弓步質(zhì)量的影響

在運動技能中，每個動作都由身體各個環(huán)節(jié)合理配合完成，不同肌肉在時間上的運動順序不同，從而使身體各個環(huán)節(jié)通過不同的順序完成該動作，而這種時序性是影響動作質(zhì)量的重要因素[20]。在擊劍弓步技術中，傳統(tǒng)教學認為弓步啟動時持劍手先于身體其他環(huán)節(jié)開始運動，運動員身體由持劍手牽引而向前移動。近年來研究發(fā)現(xiàn)很多優(yōu)秀運動員的弓步動作并不遵循這一傳統(tǒng)觀點。Suchanowski等人[7]采用肌電測試記錄女子花劍世界冠軍Mroczkiewicz弓步動作中雙側(cè)下肢股直肌和持劍臂撓側(cè)腕伸肌的活動情況。分析后發(fā)現(xiàn)弓步啟動時受試者后腿股直肌首先收縮，112ms后持劍手撓側(cè)腕伸肌才開始收縮，前腿股直肌最后收縮。Suchanowski等人的研究結果顯示，弓步啟動時首先開始運動的是后腿股直肌，而非持劍手。另外，Gholipour等人[10]使用高速攝像機采集優(yōu)秀擊劍運動員與擊劍初學者的弓步動作，對比分析后發(fā)現(xiàn)：弓步動作開始時，初學者持劍手先于下肢0.13±0.15s開始運動；而優(yōu)秀運動員持劍手與下肢幾乎同時開始運動。Hassan等人[14]使用三維運動捕捉系統(tǒng)采集4名擊劍運動員的弓步動作，分析后發(fā)現(xiàn)其中兩名運動員弓步啟動時持劍手的運動在下肢之前；另外兩名運動員下肢的運動則明顯在持劍手之前。以上實驗結果都與傳統(tǒng)擊劍弓步教學觀點不同，但是卻恰好能夠解釋經(jīng)驗豐富的運動員在比賽中根據(jù)對手后腿的動態(tài)預測對手行動的戰(zhàn)術[7]。在今后的研究中，如果能增加高水平受試者樣本，同時探究運動時序性影響擊劍運動員弓步質(zhì)量的原理，此方面的研究結果將更具說服力。

3.2 準備姿勢中后腳位置對擊劍弓步質(zhì)量的影響

在擊劍準備動作中，運動員前腳位置指向?qū)κ郑瑐鹘y(tǒng)教學觀點認為后腳與前腳所成角度為90°時運動員的身體平衡和穩(wěn)定性最好。但也有人認為根據(jù)個人身體結構的不同特點，后腳與前腳的角度小于90°可能更加合理。Gresham等人[18]對美國某高校25名擊劍運動員在后腳與前腳角度成45°、90°、135°和自然姿勢下的弓步速度分別進行了測試，比較后發(fā)現(xiàn)在后腳與前腳角度成90°時，運動員弓步速度最大。該研究結果與傳統(tǒng)擊劍教學觀點一致。Gresham等人[18]認為后腳位置的差異通過影響后腿膝、髖關節(jié)的角度影響了蹬地腿肌肉的收縮效率，但具體機制尚不清楚。從運動員足底壓力的變化來分析，當后腳與前腳角度為90°時，后腳蹬地獲得地面反作用力能夠作用在整個腳底；而在后腳與前腳角度為45°時，地面反作用力主要作用在后腳的趾骨球和腳趾；當該角度為135°時，地面反作用力主要作用在后腳腳后跟。相對來說，后腳與前腳角度為90°時地面反作用力作用在足底的面積較大。這可能是該角度下后腳蹬地產(chǎn)生功率較大的重要原因[18]。

綜上所述，在擊劍弓步動作中，運動員后腿蹬地產(chǎn)生地面反作用力在水平方向上的分力是弓步向前的驅(qū)動力，是弓步速度的決定性因素，而后腿三關節(jié)的動力學表現(xiàn)是決定弓步驅(qū)動力大小的關鍵；雙側(cè)下肢膝、髖關節(jié)的運動學表現(xiàn)通過影響弓步驅(qū)動力的作用時間對弓步速度產(chǎn)生影響；踝關節(jié)在弓步動作中的運動學表現(xiàn)對弓步速度的貢獻尚不明確，需要進一步研究驗證。其他運動學因素如環(huán)節(jié)運動時序性、準備姿勢中后腳的位置等影響弓步質(zhì)量的研究目前處于起步階段，今后可作為弓步質(zhì)量的重要影響因素進行進一步研究。

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