連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究進(jìn)展

張海濤

連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究進(jìn)展

張海濤

對(duì)于人體連續(xù)縱跳的研究近年來持續(xù)增加，很多學(xué)者重復(fù)研究。本文主要從連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究方法；連續(xù)縱跳的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究現(xiàn)狀；連續(xù)縱跳的動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀等幾個(gè)方面對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究成果進(jìn)行綜述。為連續(xù)縱跳的后續(xù)研究提供參考。

連續(xù)縱跳 ; 動(dòng)力學(xué);運(yùn)動(dòng)學(xué);研究現(xiàn)狀

10.16730/j.cnki.61-1019/g8.2016.11.133

縱跳是體育運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)作之一, 可分為原地縱跳和助跑縱跳, 前者是后者的基礎(chǔ)。 縱跳起跳動(dòng)作是人體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下, 依靠身體各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)配合, 發(fā)揮下肢肌群最大爆發(fā)力, 以達(dá)到最佳縱向起跳效果的技術(shù)動(dòng)作。

1. 連續(xù)縱跳的概念

正確地界定連續(xù)縱跳的概念對(duì)進(jìn)行連續(xù)縱跳的研究具有非常重要的意義。前期的研究認(rèn)為，連續(xù)縱跳是指運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練和比賽的條件下利用下肢各相關(guān)肌群，結(jié)合專項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作，以最快的動(dòng)作速度重復(fù)性地完成緩沖和蹬伸動(dòng)作獲得最大彈跳高度[1]。連續(xù)過程中每次起跳可以都是從直立姿勢(shì)動(dòng)作開始，完成一個(gè)完整的緩沖和蹬伸過程，然后還原成直立姿勢(shì)，再進(jìn)行下一次縱跳，也可以中間沒有停頓，前一次的著地緩沖階段是后續(xù)起跳的準(zhǔn)備階段。因此對(duì)于連續(xù)縱跳概念的解釋要依據(jù)不同項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)而定，在實(shí)際應(yīng)用中不應(yīng)僅僅停留在動(dòng)作的表面形式上，更重要的是要抓住縱跳的本質(zhì)及關(guān)鍵因素。

何亮[2]在分析連續(xù)起跳在籃球比賽中的作用時(shí)認(rèn)為，連續(xù)起跳技術(shù)是多次起跳與多次緩沖及起跳準(zhǔn)備相結(jié)合的動(dòng)作。與單次起跳的不同之處在于連續(xù)起跳技術(shù)的落地緩沖階段也是下一次起跳的準(zhǔn)備階段，即彈性勢(shì)能的儲(chǔ)備過程，這一過程的時(shí)間長(zhǎng)短決定了兩次起跳之間的間隔時(shí)間。好的連續(xù)起跳技術(shù)不僅表現(xiàn)在其后續(xù)起跳的高度要接近于第一次起跳，還在于每?jī)纱纹鹛g盡量沒有停頓。這一概念主要正對(duì)籃球?qū)ｍ?xiàng)技術(shù)提出的。也有一些運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，譬如排球中的連續(xù)起跳扣球、連續(xù)起跳攔網(wǎng)等技術(shù)動(dòng)作中的連續(xù)起跳，這些連續(xù)起跳動(dòng)作有時(shí)是一個(gè)完整的緩沖和蹬伸過程，兩次連續(xù)起跳之間可能存在短暫的時(shí)間間歇，與籃球中的技術(shù)有所不同。當(dāng)然，在進(jìn)行基礎(chǔ)性研究時(shí)，可以采用連續(xù)不間斷原地連續(xù)縱跳的動(dòng)作形式在探討動(dòng)作過程中人體的各種生物力學(xué)信息特征。

2. 連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究方法

國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)記載，鄭亦華等在1993年最早對(duì)連續(xù)縱跳動(dòng)作進(jìn)行研究[3]當(dāng)時(shí)采用的研究方法是受試者進(jìn)行原地連續(xù)縱跳莫高三次，記錄三次莫高高度，同時(shí)運(yùn)用SSC-C型計(jì)時(shí)、計(jì)頻、計(jì)數(shù)毫秒計(jì)來記錄每次跳躍的時(shí)間，并根據(jù)相關(guān)原理計(jì)算出每次起跳的速度和時(shí)間等參數(shù)，所得數(shù)據(jù)都是采用計(jì)算器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析比較?？梢钥闯霎?dāng)時(shí)采用的研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)備是比較落后的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速攝像機(jī)、測(cè)力平臺(tái)、肌電采集儀等先進(jìn)的技術(shù)手段在體育科研中的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)連續(xù)縱跳動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌肉力學(xué)等生物力學(xué)參數(shù)的獲得越來越便捷、快速，并且獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大提高，減小了由于研究方法的技術(shù)手段引起的系統(tǒng)誤差，研究結(jié)果更加真實(shí)、可靠。高速攝像技術(shù)具有非接觸性的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，因此在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)受試者的技術(shù)動(dòng)作不會(huì)產(chǎn)生影響，并且對(duì)拍攝的錄像運(yùn)用軟件分析可以獲得相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征；測(cè)力平臺(tái)和肌電測(cè)試技術(shù)大多用于實(shí)驗(yàn)室研究，利用這些技術(shù)可以直接或間接地獲得連續(xù)縱跳過程中人體的動(dòng)力學(xué)特征和肌肉力學(xué)特征。目前，隨著人們對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)規(guī)律認(rèn)識(shí)上的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的日益更新，科學(xué)家逐漸選擇多種同步的測(cè)量方法。但是，從目前來看，這種多維的研究方法對(duì)連續(xù)縱跳動(dòng)作進(jìn)行研究的還很少。單海信[4]利用錄像攝像和測(cè)力平臺(tái)同步測(cè)試的方法研究了不同節(jié)奏對(duì)連續(xù)性原地縱跳的影響。Alberto等運(yùn)用紅外攝像機(jī)與Kistler測(cè)力臺(tái)同步測(cè)試的方法以不同頻率原地連續(xù)縱跳的動(dòng)作形式比較了幾種計(jì)算人體重心位移的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法[5].張英媛[6]等人運(yùn)用Vicon高速攝像系統(tǒng)和Kistler測(cè)力平臺(tái)對(duì)13名健康男性優(yōu)勢(shì)側(cè)和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)在連續(xù)縱跳下落階段中的表現(xiàn)進(jìn)行研究。將錄像拍攝、三維測(cè)力和肌電采集同步測(cè)試的研究方法已經(jīng)逐漸增多，于此同時(shí)，由于各變量之間復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系和多變量的存在，多遠(yuǎn)統(tǒng)計(jì)方法也越來越多地運(yùn)用于連續(xù)縱跳動(dòng)作的研究中，在數(shù)據(jù)處理方面，可以利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行操作。

3. 連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀

3.1 連續(xù)縱跳的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

人體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是人體或器械在空間的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律性。在運(yùn)動(dòng)學(xué)層上，可以確定動(dòng)作技術(shù)的空間特征、時(shí)間特征和時(shí)空特征。運(yùn)動(dòng)軌跡可反映空間特征，運(yùn)動(dòng)的開始與結(jié)束、運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)頻率、運(yùn)動(dòng)節(jié)奏等，(角)速度、(角)加速度等可以反映動(dòng)作的空間特征。一方面可以揭示動(dòng)作技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，另一方面能對(duì)動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行診斷和評(píng)價(jià)。

目前對(duì)于連續(xù)縱跳動(dòng)作進(jìn)行專門性的研究并不多見，國(guó)內(nèi)相關(guān)資料較少。鄭亦華最早從運(yùn)動(dòng)學(xué)層面對(duì)人體連續(xù)縱跳過程進(jìn)行了專門性研究[3].研究結(jié)果表明連續(xù)3次摸高高度逐漸減小，起跳速度逐漸降低，并且3次連續(xù)縱跳過程中支撐時(shí)間(從下蹲開始到足離地的時(shí)間)逐漸延長(zhǎng)，分析其原因認(rèn)為原地連續(xù)縱跳過程中人體局部出現(xiàn)暫時(shí)的疲勞而造成工作時(shí)間的延緩，延長(zhǎng)了肌肉工作時(shí)間，導(dǎo)致肌肉收縮能力的減小。陸阿明[7]等研究發(fā)現(xiàn)，,30次連續(xù)縱跳的平均摸高高度整體上也出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明人體的運(yùn)動(dòng)能力隨著縱跳次數(shù)的增加出現(xiàn)明顯的下降；通過對(duì)蹬伸時(shí)間的分析，略有延長(zhǎng)的趨勢(shì)。可以看出，目前原地連續(xù)縱跳的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究主要集中在對(duì)騰空高度和時(shí)間參數(shù)等幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)研究上，其他運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)如連續(xù)縱跳中人體重心的運(yùn)動(dòng)特征，下肢各關(guān)節(jié)角度、角速度等指標(biāo)的變化特征研究的較少。另外，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)節(jié)奏作用下連續(xù)縱跳過程中人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)信息變化特征研究較少。單信海[4]對(duì)不同快慢節(jié)奏連續(xù)原地縱跳動(dòng)作進(jìn)行了相對(duì)較為系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的加快，縱跳的支撐時(shí)間、騰空高度、動(dòng)作速度、下肢關(guān)節(jié)屈曲幅度及膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角速度都顯著下降。Alberto[5]研究表明，原地連續(xù)縱跳過程中隨著縱跳頻率的增加人體重心垂直位移表現(xiàn)出明顯逐漸減小的趨勢(shì).可以看出，不同運(yùn)動(dòng)節(jié)奏下連續(xù)縱跳過程中人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征存在很大差異。從目前研究來看，相關(guān)研究非常少見，研究?jī)?nèi)容哈不是很系統(tǒng)，研究成果還不夠深入。因此，在今后研究中應(yīng)該對(duì)連續(xù)縱跳過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)、全面、深入的了解。

3.2 連續(xù)縱跳的動(dòng)力學(xué)研究

在對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究中只討論了人體或器械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化規(guī)律，并沒有闡明人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因，而動(dòng)力學(xué)研究則討論人體或器械運(yùn)動(dòng)的外部規(guī)律所包含的動(dòng)力學(xué)原因。動(dòng)力學(xué)研究主要闡明人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因，在動(dòng)力學(xué)層面上，課確定力(力矩)特征、沖量(動(dòng)量)特征。動(dòng)力學(xué)研究方法的引入實(shí)現(xiàn)了對(duì)引起肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)的力學(xué)原因進(jìn)行更加合理、有效的揭示。

圖1 背屈方向關(guān)節(jié)角度比較圖

圖2 外旋方向角度、角速度比較圖

陸阿明[7]等人研究發(fā)現(xiàn),30次連續(xù)縱跳的平均縱向最大力值最高值出現(xiàn)在第2次，前4次不穩(wěn)定，第5至10次逐漸下降，以后變化相對(duì)穩(wěn)定，整體上仍然表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，沖量值除個(gè)別次數(shù)外基本上也表現(xiàn)出隨著縱跳次數(shù)的增加而下降的趨勢(shì)。究其原因認(rèn)為，縱向最大力值反映了人體完成縱跳蹬伸過程中各環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)加速和下肢肌肉的活動(dòng)效率?？v跳開始時(shí)，由于人體肌肉力量有一個(gè)解除大腦皮層內(nèi)抑制而逐漸激活的過程，同時(shí)中樞神經(jīng)的協(xié)調(diào)機(jī)制—肌肉內(nèi)部協(xié)調(diào)和肌肉之間的協(xié)調(diào)也有一個(gè)過程。因此，肌肉的力量和整體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的不穩(wěn)定是造成前4次不穩(wěn)定的原因，當(dāng)這個(gè)過程在數(shù)秒鐘內(nèi)曲玉穩(wěn)定時(shí)，肌肉內(nèi)高效的供能物質(zhì)又開始下降，從而導(dǎo)致肌肉活動(dòng)效率的下降。然而盡力縱跳又要求肌肉爆發(fā)用力，即肌肉的快速收縮，其結(jié)果必然以肌肉的收縮力量下降為代價(jià)，這是造成縱向最大力值下降的原因。沖量的大小是由力與時(shí)間兩個(gè)變量決定的，不同跳次之間出現(xiàn)差異的原因可能是由于肌肉工作時(shí)間延長(zhǎng)，活動(dòng)效率下降，導(dǎo)致地面支撐反作用力下降造成的。張英媛[6]通過對(duì)優(yōu)勢(shì)側(cè)和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)在連續(xù)縱跳中的表現(xiàn)的研究，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)縱跳的下落階段，優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)的背屈方向和外旋方向上的角速度、垂直方向上的地面反作用力均大于非優(yōu)勢(shì)側(cè)。

圖3 垂直地面反作用力比較圖

(摘自體育科學(xué)，2015 68-73)

縱跳下落階段兩側(cè)踝關(guān)節(jié)的外旋方向的最大角速度和屈曲方向的最大角速度具有顯著性差異。作者認(rèn)為屈曲方向上角速度產(chǎn)生差異的原因可能是由于人體在下落著地過程中，非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)比目魚肌進(jìn)行離心收縮，防止踝關(guān)節(jié)過分屈曲的能力優(yōu)于優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)，減小下落過程中的垂直地面反作用力使人體產(chǎn)生的圍繞冠狀軸旋轉(zhuǎn)的速度，從而減小踝關(guān)節(jié)屈曲，更好的預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷。但外旋方向產(chǎn)生的差異性，目前還沒有很好地做出解釋，對(duì)于其確切的產(chǎn)生機(jī)理還需做肌肉肌電分析的進(jìn)一步研究。垂直方向的地面反作用力峰值，優(yōu)勢(shì)側(cè)顯著性大于非優(yōu)勢(shì)側(cè)，這說明在下落階段優(yōu)勢(shì)側(cè)要承擔(dān)更大的地面反作用力，者不僅會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)中肢體的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生一定餓影響，而且長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)積累，可能會(huì)使優(yōu)勢(shì)側(cè)勞損較快，影響運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)及健康。

3.3 連續(xù)縱跳的肌肉力學(xué)特征

肌肉力學(xué)方面研究主要是探討產(chǎn)生動(dòng)力變化的人體內(nèi)部的肌肉力學(xué)特征。在肌肉力學(xué)層面上，主要是確定人體骨骼肌的生物力學(xué)特征，區(qū)分運(yùn)動(dòng)過程中原動(dòng)機(jī)與輔助肌、協(xié)同肌與對(duì)抗肌、穩(wěn)定肌與中和肌，并探明各自的發(fā)力特點(diǎn)以及各肌群的法力時(shí)序、大小等。目前，獲得肌肉生物力學(xué)特征的主要測(cè)量方法是肌電圖(electromyogram，簡(jiǎn)稱EMG)測(cè)試法。

肌電學(xué)測(cè)量在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用較為廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態(tài)、肌肉間的協(xié)調(diào)程度、肌肉收縮類型及強(qiáng)度、判斷肌肉疲勞即損傷、評(píng)定肌肉素質(zhì)等具有很好的幫助。但是從目前查閱的資料看，肌電學(xué)測(cè)量和表面肌電在連續(xù)縱跳動(dòng)作中的研究近乎空白。僅有丁世聰[8]等人運(yùn)用表面肌電的研究方法對(duì)兩個(gè)連續(xù)彈跳能力不同的排球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)彈跳能力強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)員左右兩側(cè)伸肌與屈肌的峰值力矩和相對(duì)峰值力矩在慢速測(cè)試中都不如連續(xù)彈跳能力差的運(yùn)動(dòng)員，但是在快速測(cè)試中卻都優(yōu)于連續(xù)彈跳能力差的運(yùn)動(dòng)員，者說明連續(xù)彈跳能力強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)員絕對(duì)力量素質(zhì)較差，而快速力量素質(zhì)較好。對(duì)連續(xù)起跳效果起決定作用的伸肌向心的疲勞指標(biāo)，連續(xù)彈跳能力好的運(yùn)動(dòng)員小于能力差的運(yùn)動(dòng)員，表現(xiàn)出更強(qiáng)的肌肉耐力素質(zhì)。通過分析膝關(guān)節(jié)屈肌和伸肌的比值發(fā)現(xiàn)，在慢速狀態(tài)下連續(xù)彈跳能力好的運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)的絕對(duì)力量不如能力差的運(yùn)動(dòng)員，但是在快速狀態(tài)下所反映的肌肉快速力量和耐受疲勞的能力，能力行的運(yùn)動(dòng)員優(yōu)于能力差的運(yùn)動(dòng)員。這可能是導(dǎo)致兩名運(yùn)動(dòng)員連續(xù)起跳能力差異的重要原因之一。不難看出，目前對(duì)連續(xù)縱跳過程中下肢主要肌群的研究非常少，研究結(jié)論不夠深入，之后的研究應(yīng)該對(duì)人體下肢主要肌群的肌肉力學(xué)特征進(jìn)行更加深入的研究。

4. 小結(jié)與建議

從目前有關(guān)連續(xù)縱跳的生物力學(xué)研究進(jìn)展來看，國(guó)內(nèi)外這方面的研究非常少，僅有的一些相關(guān)研究?jī)?nèi)容也相對(duì)單一，不夠系統(tǒng)，表現(xiàn)在對(duì)表面的指標(biāo)研究較多，缺乏對(duì)連續(xù)縱跳過程中人體下肢主要肌群肌肉力學(xué)特征的研究，并且研究方法相對(duì)單一，很少運(yùn)動(dòng)多種方法同步測(cè)試。另外，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)節(jié)奏連續(xù)縱跳生物力學(xué)特征的研究還不夠深入。總之，目前對(duì)于連續(xù)縱跳生物力學(xué)特征的研究還缺乏一定的深度和廣度，至今仍然還沒有形成較為成熟的理論體系。因此，今后對(duì)連續(xù)縱跳的研究應(yīng)該朝著研究方法實(shí)用化，研究手段多維化、研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)化的研究方向發(fā)展，以期待更加系統(tǒng)、全面地揭示連續(xù)縱跳動(dòng)作的外部表現(xiàn)及內(nèi)在機(jī)制，豐富和發(fā)展連續(xù)縱跳理論。

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張海濤(1991-)，女，漢族，江蘇淮安人，碩士在讀，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，蘇州大學(xué)體育學(xué)院。