不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析

管延飛，郭 黎，吳娜娜，鄭加財(cái)，劉海瑞

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不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析

管延飛，郭 黎，吳娜娜，鄭加財(cái)，劉海瑞

目的：分析不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員在弓步動(dòng)作過(guò)程中雙側(cè)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)表現(xiàn)的差異，探討影響弓步速度的生物力學(xué)因素。方法：7名優(yōu)秀擊劍運(yùn)動(dòng)員和9名一般水平擊劍運(yùn)動(dòng)員以最快速度完成原地向前的大幅度弓步動(dòng)作，同步采集、分析運(yùn)動(dòng)員弓步速度、后腿蹬地地面反作用力及弓步過(guò)程中雙側(cè)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)表現(xiàn)。結(jié)果：優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中水平方向重心速度峰值、后腿蹬地地面水平方向反作用力峰值以及后腿伸膝力矩峰值均顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員(P<0.05)，后腿伸膝功率峰值到達(dá)時(shí)間顯著小于一般運(yùn)動(dòng)員(P<0.05)；弓步啟動(dòng)后所有運(yùn)動(dòng)員前腿膝關(guān)節(jié)先屈后伸，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿屈膝程度、伸膝角速度峰值均顯著低于一般運(yùn)動(dòng)員(P<0.05)，前腿伸膝時(shí)間顯著大于一般運(yùn)動(dòng)員(P<0.05)。結(jié)論：后腿膝關(guān)節(jié)在弓步過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)是決定擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度的主要因素；不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿蹬地能力的差異導(dǎo)致了前腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)的差異；弓步啟動(dòng)時(shí)，前腿伸膝之前屈膝程度過(guò)大可能會(huì)限制弓步距離，同時(shí)對(duì)弓步落地和出劍選擇產(chǎn)生不利影響。

擊劍；弓步；膝關(guān)節(jié)；爆發(fā)力；重心速度

1 前言

弓步技術(shù)是擊劍比賽中運(yùn)動(dòng)員得分的主要技術(shù)[5]。研究表明，在擊劍比賽中，男子運(yùn)動(dòng)員平均每23.9 s使用一次弓步，女子運(yùn)動(dòng)員平均每20 s就會(huì)使用一次弓步[2]。弓步的質(zhì)量直接關(guān)系比賽勝負(fù)，弓步速度是評(píng)價(jià)弓步質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)擊劍運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的重要依據(jù)[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度與弓步動(dòng)作中后腿伸膝最大角速度顯著相關(guān)，后腿的蹬伸速度是弓步速度的主要決定因素之一[1]。舒建平[4]采用APAS系統(tǒng)對(duì)擊劍弓步動(dòng)作進(jìn)行分析后認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中雙側(cè)膝關(guān)節(jié)角度變化大小是決定擊劍弓步速度的主要因素。在擊劍弓步動(dòng)作中，運(yùn)動(dòng)員前腿和后腿執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)模式，后腿伸肌群快速收縮使后腿蹬地為弓步動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)力，而前腿快速伸膝帶動(dòng)小腿向前踢出[14,15]。在弓步動(dòng)作開(kāi)始后，前腿的快速擺動(dòng)能獲得較大的沖力，延長(zhǎng)后腿蹬地的時(shí)間，配合后腿蹬地帶動(dòng)人體總重心前移，且前腿向前擺動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)的伸展程度能夠?qū)缴疃犬a(chǎn)生影響[13]。另外，有研究報(bào)道， 弓步速度和前腿膝關(guān)節(jié)最大功率到達(dá)時(shí)間及平均功率存在關(guān)聯(lián)[6]。

綜合已有研究可以發(fā)現(xiàn)，下肢雙側(cè)膝關(guān)節(jié)在擊劍弓步動(dòng)作中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)是影響弓步速度的重要因素。然而，已有研究大多集中在運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)膝關(guān)節(jié)在弓步動(dòng)作中的生物力學(xué)表現(xiàn)與弓步速度的關(guān)系方面，而不同水平運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)膝關(guān)節(jié)在弓步過(guò)程中的生物力學(xué)表現(xiàn)差異對(duì)弓步質(zhì)量的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)比較一般運(yùn)動(dòng)員與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)膝關(guān)節(jié)在弓步過(guò)程中生物力學(xué)表現(xiàn)的差異，探究影響擊劍弓步速度的生物力學(xué)因素，為提高擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步質(zhì)量提供參考。

2 研究對(duì)象和方法

2.1 研究對(duì)象

上海市男子重劍隊(duì)運(yùn)動(dòng)員7人，其中，運(yùn)動(dòng)健將4人，一級(jí)運(yùn)動(dòng)員3人，為優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員；某體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專(zhuān)業(yè)及附屬競(jìng)技學(xué)校男子擊劍二級(jí)運(yùn)動(dòng)員9人，為一般運(yùn)動(dòng)員(表1)。

n年齡(歲)身高(m)體重(kg)訓(xùn)練年限(年)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員722．6±2．161．93±0．3387．00±7．267．29±1．25一般運(yùn)動(dòng)員923．2±2．101．85±0．5373．44±7．465．89±2．21

2.2 研究方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試之前受試者進(jìn)行5 min慢跑，跑步機(jī)速度設(shè)置為6.5 km/h。慢跑完畢后再進(jìn)行5 min拉伸活動(dòng)。測(cè)試時(shí)受試者面向劍靶，前后腳分別位于兩塊測(cè)力臺(tái)上，劍靶與受試者的距離根據(jù)受試者身高進(jìn)行調(diào)節(jié)，使靶面距運(yùn)動(dòng)員后腳腳尖水平距離為1.5倍身高[17]。要求受試者持劍以最快速度弓步刺靶(圖1)，每名受試者試刺5次。每名受試者正式測(cè)試成功采集至少6次，選取其中峰值速度最大的3次弓步動(dòng)作進(jìn)行分析。

圖 1 本研究受試者弓步動(dòng)作示意圖Figure 1. Fencing Lunge of the Subject

2.2.2 所用儀器和評(píng)價(jià)參數(shù)

測(cè)試設(shè)備采用瑞士生產(chǎn)的KISTLER三維測(cè)力臺(tái)(型號(hào)9287B，長(zhǎng)×寬：90×60 cm，內(nèi)置信號(hào)放大器，采樣頻率1 000 Hz)和英國(guó)生產(chǎn)的16臺(tái)VICON T40鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion Analysis Inc.,Oxford,UK，采樣頻率100 Hz)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作地面反作用力(GRF)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

將VICON系統(tǒng)中預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)(C3D文件)導(dǎo)入Visual 3D(C-Motion,Inc.,Germantown,MD,U.S.A.) 軟件。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和GRF濾波采用4th-order Butterworth 低通濾波，截止頻率分別為12 Hz和100 Hz[18]。在Visual 3D中構(gòu)建14環(huán)節(jié)人體模型[11]，根據(jù)人體慣性參數(shù)[20]確定人體重心位置，以人體重心在水平方向上的速度代表弓步速度。在Visual 3D軟件中計(jì)算下肢3維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)(采用右手法則)并導(dǎo)出。力矩、角速度、功率指標(biāo)，膝關(guān)節(jié)屈為負(fù)值(-)，伸為正值(+)。弓步動(dòng)作起點(diǎn)定義為前腳離開(kāi)地面瞬間(前腳GRF=0)，動(dòng)作終點(diǎn)定義為前腿膝關(guān)節(jié)伸膝達(dá)最大角度。

2.2.4 選取指標(biāo)

1)弓步過(guò)程中受試者水平方向重心速度峰值(Horizontal Peak Velocity of Center of Gravity,HVmax)，單位為m/s;2) 經(jīng)體重標(biāo)準(zhǔn)化后的受試者弓步過(guò)程中后腿蹬地產(chǎn)生地面反作用力的水平方向分力峰值(GRFmax)，單位為體重(BW);3) 膝關(guān)節(jié)角度(Knee Joint Angle)為小腿向量與大腿向量的夾角(°)，大腿向量由膝關(guān)節(jié)指向髖關(guān)節(jié)，小腿向量由膝關(guān)節(jié)指向踝關(guān)節(jié)，下肢直立位膝關(guān)節(jié)角度為180°；4) 膝關(guān)節(jié)角速度峰值(Peak Angular Velocity of Knee Joint)為伸膝階段膝關(guān)節(jié)角速度最大值，單位為°/s；5) 前腿伸膝時(shí)間(Time of Extension in Leading Knee)為自前腿膝關(guān)節(jié)最小角度至最大角度所用時(shí)間，單位為s；6) 通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算關(guān)節(jié)力矩峰值(Peak Joint Moment)，關(guān)節(jié)功率峰值(Peak Joint Power)為關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角速度乘積的最大值(均在Visual 3D軟件中直接計(jì)算)。力矩和功率峰值均為根據(jù)體重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果，單位分別為Nm/kg和W/kg；7) 前膝關(guān)節(jié)功率峰值到達(dá)時(shí)間(Time to Peak Power of Leading Knee Joint)為自動(dòng)作起點(diǎn)至前腿伸膝功率達(dá)峰值所用時(shí)間，單位為s。

2.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

選取每名受試者峰值速度最快的3次弓步動(dòng)作，計(jì)算相關(guān)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(Independent t tests)比較兩組受試者弓步動(dòng)作過(guò)程中膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)指標(biāo)及HVmax、GRFmax之間的差異，顯著性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為α=0.05。統(tǒng)計(jì)軟件為SPSS 20.0。

3 研究結(jié)果

3.1 不同水平運(yùn)動(dòng)員弓步表現(xiàn)

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步過(guò)程中HVmax(P=0.001)和GRFmax(P=0.016)均顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員(表2)。

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員(n=7)一般運(yùn)動(dòng)員(n=9)PHVmax(m/s)2．64±0．162．32±0．130．001GRFmax(BW)0．91±0．100．78±0．080．016

3.2 不同水平運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作前腿膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)指標(biāo)

兩組運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中前腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)如表3所示。兩組運(yùn)動(dòng)員屈膝程度均為正值，可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)員前腿膝關(guān)節(jié)屈膝末膝角小于初始膝角，說(shuō)明在弓步開(kāi)始時(shí)運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝前首先屈膝。不同水平運(yùn)動(dòng)員前腿屈膝程度不同，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員屈膝程度顯著低于一般運(yùn)動(dòng)員(P=0.037)。在隨后的伸膝階段，兩組運(yùn)動(dòng)員伸膝程度無(wú)顯著性差異(P=0.293)，但優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員伸膝末膝角顯著大于一般運(yùn)動(dòng)員(P=0.018)，伸膝角速度峰值顯著低于一般運(yùn)動(dòng)員(P=0.029)。在弓步過(guò)程中，兩組運(yùn)動(dòng)員前腿膝關(guān)節(jié)伸膝力矩峰值(P=0.056)和功率峰值(P=0.074)均無(wú)顯著性差異。

3.3 不同水平運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作后腿膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)指標(biāo)

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作后腿伸膝末膝角與一般運(yùn)動(dòng)員無(wú)顯著性差異(P=0.079)，但優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員后腿膝關(guān)節(jié)伸膝力矩峰值(P=0.030)顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員，后腿伸膝功率峰值到達(dá)的時(shí)間顯著小于一般運(yùn)動(dòng)員(P=0.021)；運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿伸膝角速度峰值組間無(wú)顯著差異(P=0.416；表4)。

注：初始膝角為準(zhǔn)備姿勢(shì)中的前腿膝關(guān)節(jié)角度；屈膝末膝角為弓步開(kāi)始后前腿膝關(guān)節(jié)屈膝末的角度；屈膝程度=初始膝角-屈膝末膝角；伸膝末角度為前腿伸膝階段最大膝角；伸膝程度=伸膝末角度-屈膝末角度。

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員(n=7)一般運(yùn)動(dòng)員(n=9)P初始角度(°)127．99±12．80125．52±7．590．638伸膝末膝角(°)175．75±5．57168．47±8．850．079角速度峰值(°/s)470．23±82．19434．12±88．040．416力矩峰值(Nm/kg)2．78±0．272．37±0．380．030功率峰值(W/kg)12．21±2．0210．16±2．280．082功率峰值到達(dá)時(shí)間(s)0．45±0．060．59±0．130．021

注：初始角度為弓步動(dòng)作起點(diǎn)受試者后腿膝關(guān)節(jié)角度；伸膝末膝角為后腿伸膝階段最大膝角。

4 討論與分析

國(guó)內(nèi)、外對(duì)擊劍弓步動(dòng)作的研究多以運(yùn)動(dòng)員弓步重心平均速度、最大速度以及弓步距離作為評(píng)判弓步質(zhì)量的主要指標(biāo)[12]。在多數(shù)研究中，只要求受試者以最快速度做弓步動(dòng)作，并未設(shè)置弓步目標(biāo)和距離，且受試者未持劍，這可能會(huì)使不同受試者在測(cè)試時(shí)選擇不同標(biāo)準(zhǔn)的弓步距離，而運(yùn)動(dòng)員在做長(zhǎng)距離大幅度弓步和短距離快節(jié)奏弓步時(shí)速度可能并不相同。在征求運(yùn)動(dòng)員和教練員建議的基礎(chǔ)上，結(jié)合擊劍運(yùn)動(dòng)員比賽狀態(tài)下發(fā)動(dòng)弓步的距離，本研究將劍靶設(shè)置在距運(yùn)動(dòng)員準(zhǔn)備姿勢(shì)后腳腳尖1.5倍身高處[17]。這一距離下的弓步為長(zhǎng)弓步[17]，要求運(yùn)動(dòng)員持劍盡力做快速弓步刺靶，將弓步動(dòng)作中身體重心最大水平速度定義為弓步速度[9,10,16]。結(jié)果顯示，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步水平方向重心速度峰值(2.64±0.16 m/s)顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員(2.32±0.13 m/s,P=0.001)。可見(jiàn)，以弓步速度作為評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員弓步質(zhì)量的指標(biāo)，本研究?jī)?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步質(zhì)量高于一般運(yùn)動(dòng)員。

在擊劍弓步動(dòng)作中，后腿蹬地獲得的水平方向地面反作用力是弓步向前的驅(qū)動(dòng)力，其大小是弓步速度的決定性因素[1,8,12]。本研究?jī)?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值(0.91±0.10 BW)顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員(0.78±0.08 BW,P=0.016)，說(shuō)明優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步向前的驅(qū)動(dòng)力高于一般運(yùn)動(dòng)員。

目前有研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員后腿膝關(guān)節(jié)伸肌力量是影響弓步驅(qū)動(dòng)力大小的重要因素[6,9]。Guilhem等人[9]對(duì)優(yōu)秀擊劍運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)下肢主要肌肉進(jìn)行等速肌力測(cè)試，另外對(duì)其在弓步過(guò)程中的活動(dòng)進(jìn)行肌電測(cè)試，結(jié)合運(yùn)動(dòng)員弓步表現(xiàn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，弓步后腿膝關(guān)節(jié)伸肌最大等速肌力與弓步速度峰值顯著相關(guān)(r=0.60～0.81)；在弓步加速階段，運(yùn)動(dòng)員后腿伸肌的活動(dòng)水平與此階段運(yùn)動(dòng)員的重心平均速度相關(guān)，運(yùn)動(dòng)員弓步后腿臀大肌、股直肌、股外側(cè)肌、比目魚(yú)肌、腓腸肌外側(cè)的收縮對(duì)弓步速度貢獻(xiàn)明顯。另外，Cronin等人[6]對(duì)擊劍運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)伸肌進(jìn)行等速肌力測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，弓步速度與弓步后腿膝關(guān)節(jié)伸肌最大等速肌力的相關(guān)系數(shù)為0.62。通過(guò)已有研究可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員弓步后腿膝關(guān)節(jié)伸肌是貢獻(xiàn)弓步向前驅(qū)動(dòng)力的主要肌群之一，其爆發(fā)力及在擊劍弓步動(dòng)作中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)能夠?qū)剿俣犬a(chǎn)生重要影響。

本研究結(jié)果顯示，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步過(guò)程中后腿膝關(guān)節(jié)所能達(dá)到的力矩峰值(2.87±0.27 Nm/kg)顯著高于一般運(yùn)動(dòng)員(2.37±0.38 Nm/kg,P=0.030)，后腿伸膝功率峰值到達(dá)時(shí)間(0.45±0.06 s)顯著小于一般運(yùn)動(dòng)員(0.59±0.13 s,P=0.021)，且優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員后腿伸膝功率峰值(12.21±0.27 W/kg)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有高于一般運(yùn)動(dòng)員(10.16±2.28 W/kg,P=0.082)的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步后腿膝關(guān)節(jié)在短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生更強(qiáng)的關(guān)節(jié)功率，反映出優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員具有更強(qiáng)的膝關(guān)節(jié)伸肌爆發(fā)力。本研究認(rèn)為，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步速度大于一般水平運(yùn)動(dòng)員的重要原因是優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步后腿膝關(guān)節(jié)伸肌具有更強(qiáng)的爆發(fā)力，在蹬地時(shí)能產(chǎn)生更大的水平方向地面反作用力，而這個(gè)力是弓步向前的驅(qū)動(dòng)力[1,8,12]，弓步驅(qū)動(dòng)力的增大必然有利于弓步速度的提高。

在對(duì)弓步后腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式的研究中，彭道福等人[3]對(duì)影響12名擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度的生物力學(xué)因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析后認(rèn)為，后腿膝關(guān)節(jié)角度變化越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)員弓步速度的影響也越大，降低重心減小弓步動(dòng)作膝關(guān)節(jié)初始角度有利于弓步速度的提高。另外有研究表明，在擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿膝關(guān)節(jié)最大角度平均在170°以上，后腿基本接近伸直[19]。然而，不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員在弓步準(zhǔn)備姿勢(shì)中的后腿膝關(guān)節(jié)角度以及弓步動(dòng)作中后腿膝關(guān)節(jié)最大角度是否存在差異尚不清楚。本研究結(jié)果顯示，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員和一般運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿膝關(guān)節(jié)初始角度、伸膝末角度均無(wú)顯著性差異(P>0.05)?？梢?jiàn)，優(yōu)秀擊劍運(yùn)動(dòng)員與一般水平擊劍運(yùn)動(dòng)員在弓步動(dòng)作中后腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式基本相似，弓步后腿膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式可能并非導(dǎo)致不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度差異的原因。

近年來(lái)，前腿膝關(guān)節(jié)在擊劍弓步中的運(yùn)動(dòng)方式引起了研究者的注意，有研究發(fā)現(xiàn)，不同水平運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中前腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式存在差異[7]。Gholipour等人[7]使用高速攝像機(jī)分別采集優(yōu)秀擊劍運(yùn)動(dòng)員和擊劍初學(xué)者的弓步動(dòng)作，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，弓步開(kāi)始后受試者前腿膝關(guān)節(jié)并非直接開(kāi)始做伸膝動(dòng)作，而是先屈膝后伸膝，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員屈膝程度(20°±12°)顯著低于初學(xué)者(38°±15°,P<0.05)。研究結(jié)果顯示，兩組受試者在弓步準(zhǔn)備姿勢(shì)時(shí)前腿膝角無(wú)顯著性差異(P>0.05)，在弓步啟動(dòng)后所有受試者前腿膝關(guān)節(jié)先做屈，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員屈膝程度(13.86°±6.52°)顯著低于一般運(yùn)動(dòng)員(25.35°±11.84°,P=0.037)，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員屈膝末膝角(113.64°±12.57°)顯著大于一般運(yùn)動(dòng)員(100.26°±10.66°,P=0.037)，與Gholipour等人[7]的研究結(jié)果相似。本研究認(rèn)為，一般運(yùn)動(dòng)員在弓步動(dòng)作中增大前腿伸膝之前的屈膝程度，使前腿股四頭肌初長(zhǎng)度被拉長(zhǎng)，為之后的加速伸膝積蓄了能量，有利于小腿向前加速擺動(dòng)。結(jié)果顯示，一般運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝角速度峰值(428.50±135.13°/s)顯著高于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員(287.08±82.31°/s，P=0.029)，說(shuō)明一般運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝過(guò)程中小腿向前擺動(dòng)的速度更快。從本研究的結(jié)果看，一般運(yùn)動(dòng)員后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值顯著小于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員(P<0.05)，推測(cè)一般運(yùn)動(dòng)員因后腿蹬地為弓步提供驅(qū)動(dòng)力不足，故通過(guò)增大前腿伸膝前的屈膝程度來(lái)提高伸膝角速度，使前側(cè)小腿向前快速擺動(dòng)帶動(dòng)身體總重心前移，以代償后腿蹬地力量的不足，試圖將弓步速度維持在較高水平。

另外，一般運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝之前較大的屈膝程度可能會(huì)對(duì)弓步效果產(chǎn)生不利影響。運(yùn)動(dòng)員弓步啟動(dòng)時(shí)前腿離地，后腿迅速蹬地產(chǎn)生向前的地面反作用力。本研究認(rèn)為，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿由于屈膝程度較小，能更早地配合后腿蹬地進(jìn)行伸膝，并迅速向前踢出小腿完成弓步；而一般運(yùn)動(dòng)員前腿屈膝程度較大，可能會(huì)延長(zhǎng)屈膝時(shí)間，導(dǎo)致前腿伸膝與后腿蹬地銜接較慢，表現(xiàn)為前腿伸膝動(dòng)作更加倉(cāng)促。本研究結(jié)果顯示，在前腿伸膝階段，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝時(shí)間(0.39±0.09 s)顯著長(zhǎng)于一般運(yùn)動(dòng)員(0.27±0.05 s，P=0.005)，與上述推測(cè)一致。提示，相比于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，一般運(yùn)動(dòng)員因?yàn)榍巴认リP(guān)節(jié)伸膝動(dòng)作開(kāi)始較晚，故需要更大的關(guān)節(jié)角速度在更短的時(shí)間內(nèi)完成伸膝動(dòng)作。這可能會(huì)造成一般運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作不如優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員更加舒展、有效，表現(xiàn)在前腿的過(guò)分使用，并可能對(duì)弓步末期前腿的落地造成不利影響。從戰(zhàn)術(shù)角度考慮，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿更加寬松的伸膝時(shí)間可為最終的出劍和下劍選擇創(chuàng)造條件，而一般運(yùn)動(dòng)員前腿較快速的伸膝和落地反而會(huì)造成出劍和下劍選擇較少，難以做到根據(jù)對(duì)手反應(yīng)適時(shí)改變劍的落點(diǎn)。此外，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿伸膝末膝角(169.35°±4.51°)顯著大于一般運(yùn)動(dòng)員(160.61°±7.66°,P=0.018)，說(shuō)明優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員前腿在相對(duì)寬松的伸膝時(shí)間內(nèi)得到了較充分的伸展，前腿擺動(dòng)幅度更大，有利于增加弓步距離[4]。

綜上，優(yōu)秀擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度高于一般水平運(yùn)動(dòng)員，主要原因與弓步動(dòng)作中后腿膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)的差異有關(guān)。優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員弓步后腿膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)優(yōu)于一般運(yùn)動(dòng)員可能是由于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員后腿膝關(guān)節(jié)伸肌爆發(fā)力強(qiáng)于一般運(yùn)動(dòng)員。運(yùn)動(dòng)員弓步啟動(dòng)后前腿首先屈膝后伸膝。在后腿提供驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小的情況下，一般運(yùn)動(dòng)員弓步啟動(dòng)時(shí)通過(guò)增大前腿伸膝前的屈膝程度來(lái)增大小腿擺動(dòng)速度，帶動(dòng)身體重心前移，以代償后腿蹬地力量的不足，試圖將弓步速度維持在較高水平。但是，一般運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中前腿伸膝前相對(duì)較大的屈膝程度可能會(huì)限制弓步距離，同時(shí)，對(duì)出劍選擇及弓步落地后續(xù)連接動(dòng)作產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)論與建議

后腿膝關(guān)節(jié)在弓步動(dòng)作中的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)是決定擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步速度的主要原因。不同水平擊劍運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿蹬地能力的差異導(dǎo)致了前腿膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)的差異，一般運(yùn)動(dòng)員通過(guò)增加前腿伸膝前的屈膝程度，增大伸膝階段的小腿擺動(dòng)速度，帶動(dòng)重心前移來(lái)代償后腿蹬地為弓步提供驅(qū)動(dòng)力的不足。在擊劍運(yùn)動(dòng)員力量訓(xùn)練中，加強(qiáng)后腿膝關(guān)節(jié)伸肌爆發(fā)力訓(xùn)練，有利于提高運(yùn)動(dòng)員弓步動(dòng)作中后腿蹬地提供的驅(qū)動(dòng)力。減小弓步啟動(dòng)時(shí)前腿伸膝前的屈膝程度，提前伸膝動(dòng)作，可減少前腿在弓步動(dòng)作中的負(fù)擔(dān)，有利于提高弓步動(dòng)作的有效性。

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Biomechanical Analysis on Knee Joints during Fencing Lunge in Athletes of Different Levels

GUAN Yan-fei,GUO Li,WU Na-na,ZHENG Jia-cai,LIU Hai-rui

Objective:To investigate the kinetic and kinematic difference of knees and their contribution to the speed in fencing lunges in athletes of different levels.Methods:7 elite fencers (EF) and 9 medium-level fencers (MF) were asked to perform long-distance lunges at their fastest possible speed.Three-dimensional kinematics and kinetics of knees,horizontal velocity of center of gravity (HV),ground reaction force (GRF) of the lunges were recorded and then analyzed using Visual3D.Result:EF group showed significantly higher peak HV,horizontal peak GRF of rear leg and peak joint moment of rear knee joint than MF group (P<0.05) during lunge;Both EF and MF group flexed their leading knee prior to extension in the initiation phase of a lunge.However,EF group showed significantly smaller initial flexion angle with higher peak extension angular velocity in leading knee compared to MF group (P<0.05).Conclusions:EF group can reach higher lunge speed which is closely related to the kinetic variables of rear knee during lunge.The different kinematic performance of leading knees is determined by GRF produced by rear leg.A large flexion of the leading knee prior to extension in initiation phase of a lunge might restrict lunge distance,influence decision-making of fencers and have adverse effect in landing and brake phase.

fencing;lunge;kneejoint;explosivepower;velocityofcenterofgravity

2014-06-04；

2015-05-28

上海市地方高校大文科研究生學(xué)術(shù)新人培育計(jì)劃項(xiàng)目(xsxr2013043)；上海市科委項(xiàng)目(13490503800)。

管延飛(1988-)，男，山東青島人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)控，E-mail:413230648@163.com；郭黎(1976-)，男，陜西西安人，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦咚竭\(yùn)動(dòng)隊(duì)訓(xùn)練監(jiān)控，Tel:(021)51253246，E-mail:guoli@sus.edu.cn；吳娜娜(1988-)，女，山東聊城人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)健康促進(jìn)，E-mail:xiaoqi158158@163.com；鄭加財(cái)(1986-)，男，山東淄博人，碩士，主要研究方向?yàn)閮?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)控，E-mail:317468783@qq.com；劉海瑞(1988-)，男，河南安陽(yáng)人，博士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，E-mail:lhr_mm@163.com。

上海體育學(xué)院，上海 200438 Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.

1002-9826(2015)04-0058-05

10.16470/j.csst.201504008

G885.016

A