“騰空外擺蓮360°接提膝獨(dú)立”起跳階段的生物力學(xué)分析

魏永敬，王廣亮

（石家莊理工職業(yè)學(xué)院 公共教學(xué)部，河北 石家莊 050000）

0 引言

競(jìng)技太極拳是中華民族的文化瑰寶，目前，競(jìng)技太極拳運(yùn)動(dòng)正向著難度高、動(dòng)作新、動(dòng)作美的方向發(fā)展，為了提高我國(guó)競(jìng)技太極拳的水平，相關(guān)學(xué)者多采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備對(duì)競(jìng)技太極拳典型動(dòng)作進(jìn)行研究.

“騰空外擺蓮360°接提膝獨(dú)立（編碼324B+3）”是競(jìng)技太極拳比賽中重要的難度動(dòng)作，動(dòng)作完成的質(zhì)量關(guān)系到運(yùn)動(dòng)員的最終成績(jī).324B+3動(dòng)作可分為起跳、騰空轉(zhuǎn)體、落地3個(gè)階段，其中，起跳是324B+3動(dòng)作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，好的起跳技術(shù)是高質(zhì)量完成動(dòng)作的保障[1].對(duì)此，本研究采用Ariel影像解析系統(tǒng)和三維測(cè)力臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)起跳動(dòng)作進(jìn)行分析和研究，旨在揭示324B+3起跳動(dòng)作的規(guī)律，為教練員科學(xué)指導(dǎo)訓(xùn)練提供理論依據(jù)，進(jìn)而提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī).

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以河北師范大學(xué)12名國(guó)家一級(jí)競(jìng)技太極拳運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，其健康狀況良好，基本情況見(jiàn)表1.

1.2 儀器設(shè)備

錄像拍攝與解析采用兩臺(tái)JVC9800高速攝像機(jī)，拍攝頻率為50格/s.三維測(cè)力臺(tái)采用兩塊中科院合肥智能所研制的SAFMS-T三維測(cè)力臺(tái)，大小為600 mm×600 mm，采集頻率為1 600 Hz，采集時(shí)間為10 s.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將測(cè)力臺(tái)固定在一塊長(zhǎng)2 m、寬1.2 m的平臺(tái)凹槽中，兩塊測(cè)力臺(tái)之間無(wú)間距，平臺(tái)面與測(cè)力臺(tái)面在同一水平面上，將一塊長(zhǎng)2 m、寬1.2 m的比賽專(zhuān)用地毯平放在平臺(tái)上.兩臺(tái)攝像機(jī)夾角接近90°，鏡頭中心距離地面約1.25 m，拍攝過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員輪流做動(dòng)作5次，現(xiàn)場(chǎng)邀請(qǐng)了3名國(guó)家一級(jí)裁判員對(duì)動(dòng)作進(jìn)行確認(rèn).

表1 受試者基本情況

1.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理

采用美國(guó)艾里爾（Ariel Dynamics）公司生產(chǎn)的The APAS System錄像解析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行解析，所得數(shù)據(jù)采用數(shù)字化濾波進(jìn)行平滑處理，截?cái)囝l率為10 Hz.使用SPSS 11.0軟件對(duì)所獲得的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理.

1.3.2 動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)處理

采用三維測(cè)力平臺(tái)軟件獲取蹬伸階段的力、蹬伸沖量等動(dòng)力學(xué)參數(shù).使用SPSS 11.0軟件對(duì)所獲得的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 緩沖階段重心高度與緩沖時(shí)間

324B+3起跳動(dòng)作分為緩沖和蹬伸階段，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)（表2），12名運(yùn)動(dòng)員在緩沖階段身體重心均下降，最大緩沖階段左右腿屈膝幅度均大于90°，其中，左腿屈膝幅度為131.87°±12.88°，右腿屈膝幅度為121.81°±15.27°，左腿屈膝幅度大于右腿，右膝角小于左膝角.顯然，運(yùn)動(dòng)員雙腿屈膝幅度越大，身體重心下降幅度越大，進(jìn)而延長(zhǎng)了髖、膝、踝關(guān)節(jié)蹬伸的距離和時(shí)間，在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，完成324B+3動(dòng)作的緩沖時(shí)間為0.42 s±0.08 s，人體重心下降的幅度為0.41 m±0.49 m，且12名運(yùn)動(dòng)員都能成功完成動(dòng)作，說(shuō)明緩沖時(shí)間和重心高度較為合理，符合動(dòng)作要求.

值得注意的是，緩沖階段身體重心下降幅度越大，緩沖時(shí)間越長(zhǎng)，在力一定的情況下，增大了發(fā)作用力沖量，根據(jù)動(dòng)量定理可知，合外力沖量增加，能夠提高起跳初速度，進(jìn)而提高動(dòng)作完成的質(zhì)量.但人是生物體，肌肉只有在高速?zèng)_擊下才能產(chǎn)生較大的張力[2]，緩沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成肌肉彈性勢(shì)能的利用率降低，所以緩沖的時(shí)間不易太長(zhǎng)，應(yīng)適當(dāng)縮短緩沖時(shí)間.相關(guān)研究[3]表明：緩沖在起跳動(dòng)作中處于非常重要的地位，迅速完成緩沖并較早開(kāi)始蹬伸是提高起跳速度的關(guān)鍵.縮短緩沖時(shí)間可以更快地改變運(yùn)動(dòng)方向，獲得更大的垂直速度，然而，緩沖時(shí)間過(guò)短又可能使緩沖動(dòng)作不充分.因此，正確的緩沖技術(shù)應(yīng)該是在緩沖動(dòng)作充分的前提下縮短緩沖時(shí)間.每個(gè)運(yùn)動(dòng)員在緩沖階段都有一個(gè)重心高度和緩沖時(shí)間的最佳結(jié)合點(diǎn).

2.2 緩沖階段膝關(guān)節(jié)角度

在競(jìng)技太極拳中，324B+3動(dòng)作的起跳技術(shù)是全蹲式雙腳原地起跳，這種起跳方式具有騰起初速度大、髖膝踝關(guān)節(jié)蹬伸時(shí)間長(zhǎng)、滯空時(shí)間短的特點(diǎn).

在緩沖階段，隨著運(yùn)動(dòng)員身體重心的下降，膝關(guān)節(jié)的角度在減小，到最大緩沖時(shí)刻，左右膝角平均值分別達(dá)到 48.13°±5.59°和 58.19°±4.61°（表 2），符合雙腳起跳動(dòng)作特點(diǎn).有研究顯示[4]，起跳蹬伸階段的最大力值隨膝角的減小而增大，膝角在30°～45°之間蹬伸力達(dá)到最大值，膝角小于30°后，隨膝角的減小，蹬伸最大力值開(kāi)始減小.本研究中，在最大緩沖時(shí)刻左右膝角在30°～45°之間，蹬伸瞬間蹬伸力未能達(dá)到最大值，而且，運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)兩腳基本在一條水平線上，并且是原地起跳，大大增加了運(yùn)動(dòng)員擺腿初速度的加速難度，下肢的爆發(fā)力顯得尤為重要，尤其是小腿三頭肌、股四頭肌的肌肉力量對(duì)完成最終動(dòng)作至關(guān)重要.所以，在日常訓(xùn)練中可以采用負(fù)重提踵的方式發(fā)展小腿三頭肌，通過(guò)改變負(fù)荷及外部環(huán)境來(lái)增加難度，如在不穩(wěn)定支撐環(huán)境下完成負(fù)重提踵動(dòng)作.此外，發(fā)展股四頭肌肌肉力量的方式有很多，如負(fù)重蹲舉，并且注意動(dòng)作的規(guī)范性，否則易帶來(lái)腰部損傷.除了發(fā)展下肢的肌肉力量外，還要側(cè)重發(fā)展運(yùn)動(dòng)員的核心力量，因?yàn)楹诵牟课皇橇α總鲗?dǎo)的中樞環(huán)節(jié)，核心力量不強(qiáng)，易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員的空中姿態(tài)控制不穩(wěn)定.上下肢的協(xié)調(diào)配合能力也需要在訓(xùn)練中加強(qiáng).

表2 緩沖階段運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

2.3 蹬伸階段髖、膝、踝三關(guān)節(jié)角度

運(yùn)動(dòng)員起跳離地后，垂直速度的獲取主要取決于蹬伸階段，蹬伸技術(shù)決定了運(yùn)動(dòng)員離地后所能達(dá)到的高度，進(jìn)而影響著后繼高難動(dòng)作的完成.所以，蹬伸技術(shù)影響著動(dòng)作完成的質(zhì)量.

324B+3動(dòng)作采用原地雙腳起跳技術(shù)，為了保證空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作的完成，運(yùn)動(dòng)員需要在騰空階段身體重心達(dá)到一定的理想高度，否則影響動(dòng)作的完成及質(zhì)量.為了達(dá)到理想的騰空高度，要求運(yùn)動(dòng)員在蹬伸階段，髖、膝、踝關(guān)節(jié)積極、快速、充分蹬伸，進(jìn)而增加騰起初速度及騰起高度.科斯塔迪諾娃是世界優(yōu)秀跳高運(yùn)動(dòng)員，她在跳高起跳離地瞬間，起跳腿膝角為180°，顯然，科斯塔迪諾娃做到了充分蹬伸，提高了騰起初速度，為取得好成績(jī)奠定了基礎(chǔ).本研究中，運(yùn)動(dòng)員離地瞬間三關(guān)節(jié)伸展都比較充分，如表3所示.理論上講，在蹬伸階段踝、膝、髖三關(guān)節(jié)離地瞬間角度達(dá)到180°是最有利于起跳的，所以，在平時(shí)訓(xùn)練中，發(fā)展下肢肌肉力量顯得尤為重要，同時(shí)，還要側(cè)重核心力量訓(xùn)練及上、下肢協(xié)調(diào)能力訓(xùn)練，進(jìn)而提高髖、膝、踝三關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)用力的能力.

髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)用力完成了蹬伸動(dòng)作，為了獲得最佳的騰空高度，運(yùn)動(dòng)員需要提高離地瞬間的垂直速度，蹬伸動(dòng)作完成的效果決定了離地瞬間的垂直速度.從表4可以看出，在蹬伸過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員右踝、右膝的變化量分別為56.15°和110.35°，左踝、左膝的變化量分別為66.83°和121.04°，顯然，右踝、右膝的變化量小，說(shuō)明在蹬伸階段運(yùn)動(dòng)員身體的重心偏重右腿，而離地瞬間髖關(guān)節(jié)的變化量右髖明顯大于左髖，說(shuō)明在起跳離地瞬間右腿的蹬伸擺動(dòng)速度加快，主要來(lái)源于髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的依次伸展.本研究表明，324B+3動(dòng)作雖然是原地雙腳起跳，但在蹬伸過(guò)程中動(dòng)力主要來(lái)源于右腿的蹬擺動(dòng)作，左腿次之.

2.4 起跳階段髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及肩髖夾角

武術(shù)競(jìng)賽規(guī)則中明確規(guī)定：運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)體度數(shù)不夠?qū)⒖鄯?324B+3騰空階段是身體繞垂直軸旋轉(zhuǎn)360°，旋轉(zhuǎn)度數(shù)越高，難度越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的要求越高，尤其是運(yùn)動(dòng)員的核心力量.事實(shí)上，324B+3動(dòng)作的技術(shù)要求為：在身體緩沖到離地瞬間，身體轉(zhuǎn)過(guò)的角度和騰空階段轉(zhuǎn)過(guò)的角度相加達(dá)到360°即可，規(guī)則中沒(méi)有明確規(guī)定騰空前身體可旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，所以，為了減少騰空階段身體旋轉(zhuǎn)的角度，騰空前身體要盡可能多地旋轉(zhuǎn).為了快速準(zhǔn)確地完成空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)員必須有足夠的轉(zhuǎn)體動(dòng)力，其來(lái)源由離地瞬間身體繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量和蹬伸時(shí)支撐反作用所提供的的偏心力矩組成[5].因此人體在支撐狀態(tài)下，身體繞垂直軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度和速度，在一定程度上影響著騰空階段人體繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)量矩的大小.根據(jù)研究?jī)?nèi)容的需要，本研究選取髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)分析和討論.

如表5所示，離地時(shí)，運(yùn)動(dòng)員髖關(guān)節(jié)已轉(zhuǎn)過(guò)的角度平均值為62.87°±10.22°，同時(shí)，起跳階段總平均時(shí)間為0.711 s，研究認(rèn)為：運(yùn)動(dòng)員在0.711 s平均時(shí)間內(nèi)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)了62.87°±10.22°，積累了一定的身體繞縱軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)量矩，保證了后繼高難動(dòng)作的完成.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在起跳階段，運(yùn)動(dòng)員肩髖夾角發(fā)生了一定的變化（表5），開(kāi)始緩沖時(shí)肩髖夾角平均值為13.49°±2.87°，離地瞬間肩髖夾角為35.02°±5.02°，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員在起跳階段均不同程度地加大了軀干向右扭轉(zhuǎn).肩髖夾角的增大一方面便于右腿向右后上方的加速擺動(dòng)，提高右腳離地瞬間擺腿的初速度；另一方面這種向右的回旋，加大了腹內(nèi)外斜肌、髖部肌群等肌肉群的肌肉初長(zhǎng)度，進(jìn)而增大了這些肌肉力值，為騰空轉(zhuǎn)體動(dòng)作的完成奠定了基礎(chǔ).

表3 離地瞬間下肢各關(guān)節(jié)角度值 （°）

表4 蹬伸階段踝、膝、髖三關(guān)節(jié)角度相對(duì)變化量 （°）

表5 起跳階段髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度及肩髖夾角 （°）

2.5 起跳階段人體受到的支撐反作用力

起跳是324B+3動(dòng)作的關(guān)鍵技術(shù)，為了使身體獲得較大的動(dòng)量，順利完成空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)員快速有力蹬地是關(guān)鍵.在起跳階段，身體重心的軌跡由起跳腿蹬地力量的大小和方向決定，為了揭示人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的根本原因，本研究采用三維測(cè)力臺(tái)對(duì)起跳階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，測(cè)試起跳過(guò)程中地面支撐反作用力的變化.Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別表示支撐面對(duì)起跳腳前后、左右、垂直方向上的支撐反作用力.圖1所示動(dòng)態(tài)曲線Fz反映人體在垂直方向上起跳腳受到的地面支撐反作用力的大小，其值決定了人體騰空的高度.圖1中橫軸時(shí)間指的是起跳總時(shí)間的百分比.

圖1顯示人體在起跳階段垂直方向的受力情況，可以看到曲線比較規(guī)則，從曲線上看，運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作平穩(wěn)利落，尤其是在蹬伸階段，曲線呈雙峰一谷，且第二波峰明顯小于第一波峰，與原地縱跳的理想曲線明顯不同.原地縱跳曲線也是雙峰一谷，但第一波峰明顯大于第二波峰，第一波峰是髖、膝兩關(guān)節(jié)伸展產(chǎn)生的蹬伸力值，第二波峰是髖、膝、踝關(guān)節(jié)共同參與做大幅度的伸展運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的蹬伸力值[6].324B+3動(dòng)作在蹬伸過(guò)程中髖、膝、踝關(guān)節(jié)依次蹬伸，協(xié)調(diào)用力，理想的曲線應(yīng)與原地縱跳曲線一致，但在蹬伸后期雙腳先后離地，且右腳先于左腳，這是第二個(gè)波峰小于第一個(gè)波峰的主要原因.

由動(dòng)量定理可知，沖量的大小等于動(dòng)量的變化量.騰空轉(zhuǎn)體階段的動(dòng)力來(lái)源于離地前身體在蹬伸階段獲得的動(dòng)量，通過(guò)沖量來(lái)研究運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的變化.運(yùn)動(dòng)員完成324B+3動(dòng)作，在起跳階段垂直方向的沖量為6 037.84 N·s，前后方向的沖量為237.98 N·s，左右方向的沖量為-180.92 N·s，垂直方向上的沖量最大，證明離地瞬間人體重心獲得了較大的垂直速度.左右方向的沖量較大，證明起跳階段身體有左右傾斜，這種傾斜在手臂動(dòng)作的配合下使身體繞垂直軸轉(zhuǎn)體.

3 結(jié)論

圖1 起跳階段人體z軸受力曲線

在324B+3起跳蹬伸階段，運(yùn)動(dòng)員的下肢肌肉爆發(fā)力和核心力量對(duì)完成動(dòng)作至關(guān)重要，訓(xùn)練過(guò)程中，應(yīng)側(cè)重發(fā)展核心肌群、小腿三頭肌、股四頭肌等的肌肉力量，上下肢的協(xié)調(diào)配合能力也需要在訓(xùn)練中加強(qiáng)；運(yùn)動(dòng)員在起跳階段均不同程度地加大了軀干向右扭轉(zhuǎn)，提高了右腳離地瞬間擺腿的初速度，加大了腹內(nèi)外斜肌、髖部肌群等肌肉群的肌肉初長(zhǎng)度，為騰空轉(zhuǎn)體動(dòng)作的完成奠定了基礎(chǔ)；起跳蹬伸階段運(yùn)動(dòng)員身體所受的垂直方向的沖量很大，是騰空轉(zhuǎn)體階段的動(dòng)力來(lái)源.