運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法在武術(shù)套路中的應(yīng)用現(xiàn)狀研究

陳盼盼

關(guān)鍵字：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；理論原理；測量方法；研究結(jié)論導(dǎo)向

武術(shù)文化，博大精深，蘊(yùn)含著中國幾千年來的文化精髓，有著悠久的歷史和廣泛的群眾基礎(chǔ)。同時(shí)，武術(shù)作為中華民族的傳統(tǒng)文化項(xiàng)目，沉淀了中國幾千年來的歷史，形成了各具特色的流派,建立了科學(xué)的理論和技術(shù)體系，為華夏文化的傳承和發(fā)展起了不可磨滅的作用。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)作為體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的重要理論基礎(chǔ)，對提高武術(shù)技術(shù)動(dòng)作和改善武術(shù)傳統(tǒng)訓(xùn)練方法起著重要的推動(dòng)作用。同時(shí)運(yùn)用生物力學(xué)基本理論和生物力學(xué)研究方法進(jìn)行定性與定量相結(jié)合分析，對于競技武術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

九運(yùn)會以后，國家體育總局管理中心為了適應(yīng)我國競技武術(shù)發(fā)展的需要提出了“難度動(dòng)作”和“連接難度”得新概念，2003年在試行的新的武術(shù)競技規(guī)則中，競技武術(shù)套路規(guī)定了指定動(dòng)作內(nèi)容、扣分標(biāo)準(zhǔn)以及競技規(guī)格要求，我國的競技武術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的歷史階段。競技武術(shù)動(dòng)作中的難度動(dòng)作以及動(dòng)作之間的銜接難度直接影響到參賽運(yùn)動(dòng)員的比賽成績，在新的競技規(guī)則導(dǎo)向下，運(yùn)用新的研究方法和手段對難度動(dòng)作的研究不斷出現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究就是其中之一。

1.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論原理在武術(shù)項(xiàng)目中的應(yīng)用

1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原理

物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持原來轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)不變的物理量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大使物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小使物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力越差[1]。從力學(xué)條件出發(fā)人體轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是：作用在人體上的外力對某一轉(zhuǎn)軸的力矩的矢量和不為零，即ΣM≠0。動(dòng)量矩定理就是指動(dòng)量矩的改變量，等于作用于剛體上的沖量矩。沖量矩是力矩和時(shí)間的乘積，它表示外力矩對轉(zhuǎn)動(dòng)物體的作用在時(shí)間上的積累效應(yīng)。動(dòng)量矩是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的乘積，它反映了剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。兩個(gè)不同時(shí)刻動(dòng)量矩之差表示的是在這段時(shí)間內(nèi)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況，物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化是外力沖量矩作用的結(jié)果，外力矩越大，作用時(shí)間越長，物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)(動(dòng)量矩)的變化越大[2]。根據(jù)公式I=mr2，對于質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，其半徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，半徑越小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小。以旋子轉(zhuǎn)體為例，人體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中要盡量減小人體轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，首先頭部要保持梗直，如果低頭或后仰就會造成半徑加大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會增大，旋轉(zhuǎn)角速度相應(yīng)減小，不利于空中旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的完成。其次人的手臂和左右腿在騰空的過程中要盡量貼近身體或夾住，根據(jù)動(dòng)量矩守恒定理可知，兩手臂打開或是騰空過程中兩腿夾角過大則會增大身體繞縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。另外，人體的肌肉在騰空過程中也要保持緊張狀態(tài)，腰部和腹部的肌肉起關(guān)鍵作用。

1.2 肌肉激活順序原理

肌肉的激活順序是運(yùn)動(dòng)員完成動(dòng)作節(jié)奏的重要體現(xiàn)，而動(dòng)作節(jié)奏直接影響運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作是否協(xié)調(diào)一致，進(jìn)而決定運(yùn)動(dòng)成績的好壞[3]。

肌肉激活順序原理指出了人體如何在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)動(dòng)員身體各環(huán)節(jié)參與運(yùn)動(dòng)。人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)。一般先是由大肌肉群參與活動(dòng)，由大肌肉群帶動(dòng)小肌肉群參與，也就是由整體逐漸帶動(dòng)局部的過程。這樣一來，不僅增大了運(yùn)動(dòng)的范圍和速度，而且每個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所支配的肌纖維參與數(shù)量也會相應(yīng)減少，更增加了運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。近端環(huán)節(jié)先于遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的活動(dòng)順序也保證了遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)肌肉的收縮前的適度拉長。在旋子轉(zhuǎn)體動(dòng)作的起跳階段，上肢向順時(shí)針擰轉(zhuǎn)，使軀干向左回旋的肌肉群(包括左側(cè)三角肌外側(cè)、左側(cè)腹外斜肌、右側(cè)腹外斜肌等)預(yù)先拉伸，腰部肌肉群首先活動(dòng)，以依次帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)。

2.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)診斷測量方法在武術(shù)項(xiàng)目中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)技術(shù)的診斷可以從3個(gè)方面入手，既運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)和肌肉力學(xué)，這三個(gè)方面從三種不同層次上反映出人體運(yùn)動(dòng)狀況，運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷的發(fā)展主要是以測量技術(shù)的進(jìn)步為標(biāo)志的，目前采用先進(jìn)的體育科研儀器，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)、運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等學(xué)科知識對動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行測試和分析，客觀地反映出有利于武術(shù)動(dòng)作技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)、動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及肌肉力學(xué)指標(biāo)，從而從中找出技術(shù)動(dòng)作的一般規(guī)律，為以后的科學(xué)訓(xùn)練提供參考和依據(jù)。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)診斷測量

人體運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究人體或是器械在空間的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律性。從運(yùn)動(dòng)學(xué)層面上看，可以確定運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)作技術(shù)的空間特征(技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)軌跡)，時(shí)間特征(技術(shù)動(dòng)作的開始、結(jié)束，運(yùn)動(dòng)持續(xù)的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)頻率，運(yùn)動(dòng)節(jié)奏等)以及時(shí)空特征(角速度，角加速度)。運(yùn)動(dòng)拍攝及其解析技術(shù)是進(jìn)行技術(shù)動(dòng)作診斷的重要手段，運(yùn)動(dòng)這一手段可以獲取運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，為運(yùn)動(dòng)員的科學(xué)的訓(xùn)練提供有效依據(jù)和及時(shí)反饋。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電影拍攝，錄像拍攝和紅外拍攝逐漸運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究中。

黃強(qiáng)等人對我國2000年全國武術(shù)錦標(biāo)賽自選拳比賽前3名運(yùn)動(dòng)員完成旋子轉(zhuǎn)體720°接跌叉的動(dòng)作進(jìn)行了高速攝影的測試分析，通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn),獲得了相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)與數(shù)據(jù)，制作出了該動(dòng)作各關(guān)鍵時(shí)相的運(yùn)動(dòng)學(xué)三維立體動(dòng)感圖。

郭明明應(yīng)用DLT法分別對第十屆全國運(yùn)動(dòng)會女子長拳冠軍梅寒完成的旋子轉(zhuǎn)體720°的起跳技術(shù)和旋子轉(zhuǎn)體720°接豎叉的落地技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別指出了完成兩個(gè)技術(shù)動(dòng)作的完美身體特征和姿態(tài)[4][5]。

樊藝杰對3名全國武英級優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員所做的高難度353C+4(旋子轉(zhuǎn)體720°接跌叉)動(dòng)作進(jìn)行了高速攝像的測試分析，同時(shí)提出了相應(yīng)的訓(xùn)練方法[6]。

甘雷[7]和習(xí)開磊[8]都運(yùn)用高速攝像技術(shù)對C級跳躍難度旋子轉(zhuǎn)體720°接跌叉動(dòng)作進(jìn)行了測量，并將整個(gè)技術(shù)動(dòng)作分為助跑踏跳、騰空、落地三個(gè)階段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過三名運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的比對，選出優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和指標(biāo)，為以后的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供理論數(shù)據(jù)。

2.2 動(dòng)力學(xué)診斷測量

人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化都是因?yàn)榱Φ淖饔枚a(chǎn)生的，因此，對于力量的測試有助于客觀深入的分析人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)診斷時(shí)，除運(yùn)動(dòng)學(xué)測量診斷之外，動(dòng)力學(xué)診斷也是必不可少的一部分，運(yùn)動(dòng)學(xué)測量診斷主要討論人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的規(guī)律，動(dòng)力學(xué)診斷測量主要討論人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的內(nèi)在原因。從動(dòng)力學(xué)層面上看，主要討論人體運(yùn)動(dòng)力矩、沖量以及能量的特征。常用動(dòng)力學(xué)測量儀器為力傳感器，三維測力臺，足底壓力分布測量平臺，足底壓力分布測量鞋墊，等動(dòng)肌力測試系統(tǒng)。

2004年，北京體育大學(xué)的研究生谷楓運(yùn)用紅外遠(yuǎn)射測量系統(tǒng)和足底壓力測量系統(tǒng)，對兩組不同水平的楊氏太極拳練習(xí)者摟膝拗步下肢動(dòng)作進(jìn)行了測量與比較分析。同時(shí)對受試者的動(dòng)作技術(shù)的合理性做出了診斷與評價(jià)，為太極拳技術(shù)評價(jià)與訓(xùn)練以及全民健身指導(dǎo)提供了理論參考依據(jù)[9]。

2010年，郭孝君運(yùn)用三維影像測量和三維測力的方法，以東北師范大學(xué)體育學(xué)院武術(shù)專業(yè)一級運(yùn)動(dòng)員為研究對象，對太極拳旋風(fēng)腳360°動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究與分析，指出了完成該動(dòng)作的的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)，為運(yùn)動(dòng)員完成完整動(dòng)作提供了參考依據(jù)[10]。

2.3 肌肉力學(xué)診斷測量

斷討論的主要是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一般規(guī)律，動(dòng)力學(xué)診斷討論的主要是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因，既力的作用引起的機(jī)體的活動(dòng)變化，而肌肉力學(xué)主要討論的是動(dòng)力變化作用下人體內(nèi)部的肌肉力學(xué)特征。從肌肉力學(xué)的層面上講，肌肉力學(xué)主要是確定人體運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征，區(qū)分在運(yùn)動(dòng)過程中的原動(dòng)肌和對抗肌，固定肌和中和肌，并清楚各自的發(fā)力特點(diǎn)以及參與肌群的發(fā)力時(shí)序、大小等。肌肉力學(xué)特征主要通過人體活動(dòng)時(shí)肌電信號體現(xiàn)，對于肌電信號的分析方法可分為時(shí)域和頻域兩種，時(shí)域的主要指標(biāo)有積分肌電(IEMS)，均方根振幅(RMS)，時(shí)序(參與運(yùn)動(dòng)的肌肉激活順序)等，頻域主要是分析肌肉肌電信號的頻率特征，主要包括信號的帶寬，平均功率頻率，中位頻率等。在體育科學(xué)研究中，通過肌肉肌電圖，可以判定肌肉所處的狀態(tài)，肌肉之間的協(xié)同，肌肉的收縮類型及強(qiáng)度，肌肉的運(yùn)動(dòng)損傷以及疲勞程度等。

2010年，牛建華運(yùn)用肌電測試系統(tǒng)對太極推手初學(xué)者和優(yōu)秀武術(shù)運(yùn)動(dòng)員之間肌電圖的變化進(jìn)行了比較，研究結(jié)果顯示，在太極推手過程中初學(xué)者技術(shù)動(dòng)作不協(xié)調(diào)，主要表現(xiàn)為上肢肌肉、軀干肌肉和下肢肌肉同時(shí)放電，而且發(fā)力肌群主要以上肢肌群為主，而優(yōu)秀的武術(shù)運(yùn)動(dòng)員為部分下肢肌肉和腰腹肌肉率先放電，技術(shù)動(dòng)作協(xié)調(diào)、連貫。通過兩組的比較分析，得出優(yōu)秀的武術(shù)運(yùn)動(dòng)員的太極推手表現(xiàn)為力由下肢來生，傳遞到腰腹，最后到達(dá)上肢。

2011年，晁燕麗運(yùn)用三維高速攝影和表面肌電兩種測量方法對經(jīng)濟(jì)太極拳旋風(fēng)腳360°接提膝獨(dú)立動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和表面肌電力學(xué)的分析，找出了影響競技太極拳旋風(fēng)腳360°接提膝獨(dú)立動(dòng)作技術(shù)的主要因素，確立了正確的技術(shù)概念。為運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)合理的訓(xùn)練，減少不必要的運(yùn)動(dòng)損傷提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，具有很大的進(jìn)步意義。

3.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究結(jié)論導(dǎo)向及意義

3.1 為改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)

運(yùn)用先進(jìn)的體育科研儀器，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)生理學(xué)，運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)，體育訓(xùn)練學(xué)以及生物力學(xué)等知識進(jìn)行綜合分析和測量，通過對高難度動(dòng)作的分析和數(shù)據(jù)解析，有利于動(dòng)作之間的銜接和靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)用，找出技術(shù)動(dòng)作的內(nèi)在的一般規(guī)律。為豐富技術(shù)理論和人指導(dǎo)體育訓(xùn)練、教學(xué)提供有價(jià)值的生物力學(xué)參數(shù)。

3.2 建立武術(shù)技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練模式，提高比賽成績

任何實(shí)驗(yàn)的測量以及動(dòng)作的分析都是為提高比賽成績服務(wù)的，針對比賽的動(dòng)作細(xì)節(jié)以及不足之處進(jìn)行生物力學(xué)的分析和實(shí)驗(yàn)，通過對大量數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)針對運(yùn)動(dòng)員自身的運(yùn)動(dòng)素質(zhì)特點(diǎn)，建立個(gè)人檔案。對運(yùn)動(dòng)員比賽動(dòng)作中出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素進(jìn)行強(qiáng)化，模擬比賽強(qiáng)度和環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練，建立專屬個(gè)人訓(xùn)練模式，提高比賽成績。

3.3 為預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和康復(fù)提供科學(xué)依據(jù)

隨著武術(shù)的不斷發(fā)展，中國的傳統(tǒng)文化逐漸走出國門，走向世界，武術(shù)的文化精髓以及武術(shù)的博大精深也逐漸被世界所關(guān)注，世界級武術(shù)比賽也如雨后春筍般涌出，更多高、難、美的武術(shù)動(dòng)作逐步呈現(xiàn)，但是隨著技術(shù)動(dòng)作高要求的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)損傷再所難免。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)對運(yùn)動(dòng)損傷的部位特點(diǎn)進(jìn)行研究和原因分析，能夠更準(zhǔn)確的定位運(yùn)動(dòng)損傷的程度以及確定更好的康復(fù)措施。

3.4 為運(yùn)動(dòng)選材提供依據(jù)

隨著武術(shù)的不斷發(fā)展，武術(shù)套路的運(yùn)動(dòng)員選材方面也是教練員關(guān)注的重要的一方面，科學(xué)有效的制定運(yùn)動(dòng)員選材指標(biāo)體系以及運(yùn)動(dòng)員的各項(xiàng)指標(biāo)對于運(yùn)動(dòng)員后期的發(fā)展以及比賽成績的獲取具有重要的意義。根據(jù)力學(xué)原理數(shù)據(jù)分析，運(yùn)動(dòng)員的身體形態(tài)跟運(yùn)動(dòng)員選材具有密切的聯(lián)系。