武術(shù)騰空動(dòng)作落地階段致膝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

李飛鵬

(明知大學(xué) 藝術(shù)體育學(xué)院，韓國 龍仁 17058)

作為傳統(tǒng)體育運(yùn)動(dòng)的武術(shù)有著數(shù)千年的歷史，內(nèi)涵博大精深。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，借助先進(jìn)的儀器對武術(shù)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行量化分析，特別是難度較大的技術(shù)動(dòng)作，可以加深對武術(shù)技術(shù)動(dòng)作的認(rèn)識及探尋高難度動(dòng)作的規(guī)律，能夠改進(jìn)這些動(dòng)作的訓(xùn)練方法和預(yù)防損傷的發(fā)生。近年來，一些專家學(xué)者在武術(shù)動(dòng)作技術(shù)方面進(jìn)行了量化分析的嘗試，取得了許多有價(jià)值的成果[1-5]。但由于量化分析需要涉及影像測量和生物力學(xué)等方面的專業(yè)知識，因此研究仍有很大的局限性。

隨著競技武術(shù)的不斷發(fā)展，教練員和運(yùn)動(dòng)員常常將武術(shù)運(yùn)動(dòng)中的高難度動(dòng)作作為訓(xùn)練的目標(biāo)。但訓(xùn)練方法的不合理，導(dǎo)致武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員的損傷成為普遍現(xiàn)象，且損傷部位多為膝關(guān)節(jié)，損傷階段多表現(xiàn)在落地階段。通過選取武術(shù)運(yùn)動(dòng)中典型高難度動(dòng)作“騰空擺蓮720°接馬步”作為研究對象，采用3D攝像測量技術(shù)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理對各階段特征參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)出了該動(dòng)作落地階段致使膝關(guān)節(jié)損傷的主要影響因素，為從事該項(xiàng)目的教練員及運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)訓(xùn)練提供可參考依據(jù)。

1 研究對象及方法

參與本實(shí)驗(yàn)的被試者為山西省武術(shù)隊(duì)4名運(yùn)動(dòng)員，男女各2名，分別編號為A1，A2，B1，B2；其中武英級運(yùn)動(dòng)員1名，其余為國家一級運(yùn)動(dòng)員。實(shí)驗(yàn)動(dòng)作選定為騰空擺蓮720°接馬步，該動(dòng)作基本能表現(xiàn)武術(shù)高難度動(dòng)作中常見的起跳、騰空、繞身體縱軸璇轉(zhuǎn)以及落地緩沖等主要典型動(dòng)作，符合本研究的需要。

采用2臺JVC9800高速攝像機(jī)，拍攝頻率為50幀/s，定點(diǎn)拍攝指定難度動(dòng)作，2臺攝像機(jī)主光軸夾角接近90°，每名被試者在相同實(shí)驗(yàn)條件下完成動(dòng)作3次，取動(dòng)作技術(shù)完整的1次，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。將采集的數(shù)據(jù)使用愛捷運(yùn)動(dòng)圖像測量分析系統(tǒng)進(jìn)行處理，將解析獲得數(shù)據(jù)使用 Excel和 SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，繪制圖表進(jìn)行量化分析。

圖1 被試者完成騰空擺蓮720°接馬步動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.1 Subjects finished vacates swing 720°followed by horse stance

2 結(jié)果與分析

2.1 武術(shù)運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷主要原因及類型

由于武術(shù)動(dòng)作中，膝關(guān)節(jié)常處于半屈曲狀態(tài)，此時(shí)韌帶松弛導(dǎo)致關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性降低。而關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要是由髕骨、股四頭肌來支撐。髕骨的掌腱膜和髕韌帶所承受的牽拉張力及髕骨相應(yīng)關(guān)節(jié)面收到的擠壓力都很大，因此，膝關(guān)節(jié)屈位支撐比直立受到的負(fù)荷要大，易產(chǎn)生疲勞。如果在運(yùn)動(dòng)中身體姿勢錯(cuò)誤，下肢肌力不足，肌肉韌帶放松不夠，亦或是步法互換不得當(dāng)?shù)?，都會引起膝關(guān)節(jié)的損傷。

武術(shù)運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)的損傷通常為半月板損傷、髕骨勞損、膝關(guān)節(jié)側(cè)副韌帶順上或膝關(guān)節(jié)交叉韌帶損傷，其中，半月板和側(cè)副韌帶損傷居多[6-7]。在完成本文所研究動(dòng)作騰空擺蓮720°接馬步的過程中，由于蹬伸階段髖關(guān)節(jié)與股骨扭轉(zhuǎn)會使相鄰上下骨之間發(fā)生擠壓、磨損，當(dāng)承受力超過其極限時(shí)，則會造成半月板的損傷；而離地瞬時(shí)的扭轉(zhuǎn)角度超過關(guān)節(jié)韌帶的承受范圍時(shí)，則會造成側(cè)副韌帶和十字韌帶的損傷[8]。有類似研究表明，舞蹈者或運(yùn)動(dòng)員從30 cm高臺單腳跳到地面靜止的過程中，在落地階段均會出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)冠狀面相擠壓，并認(rèn)為肌肉疲勞是增加前交叉韌帶損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素[9]。KERNOZEK et al[10]認(rèn)為前交叉韌帶的損傷是由神經(jīng)肌肉疲勞的外部因素所導(dǎo)致的，它會因性別的不同而產(chǎn)生差異。也有學(xué)者建議，可對膝關(guān)節(jié)及肌肉韌帶等通過合理的訓(xùn)練方式使其耐力水平得到提升，以更好地完成相應(yīng)的難度動(dòng)作。

2.2 騰空擺蓮720°接馬步動(dòng)作的3D攝像測量數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.2.1各階段主要特征數(shù)據(jù)分析

本研究參考文獻(xiàn)[11]的方法將技術(shù)動(dòng)作騰空擺蓮720°接馬步大致劃分為3個(gè)階段：起跳階段、騰空階段和落地階段。其中，起跳階段可細(xì)分為起跳緩沖和蹬伸離地，該階段指從著地緩沖到雙腳離地瞬時(shí)，且地面沒有對身體其他部位產(chǎn)生任何力的階段[12]；騰空階段是指雙腳離地瞬時(shí)到身體的重心速度為0時(shí)，即重心最高點(diǎn)；落地緩沖階段包括落地瞬時(shí)和落地緩沖兩部分，也就是從身體重心最高點(diǎn)到雙腳觸地瞬時(shí)直至重心穩(wěn)定。該技術(shù)動(dòng)作從離地瞬時(shí)到落地階段的時(shí)間為騰空時(shí)間；重心高度為人體重心最高點(diǎn)到地面的垂直距離，其中在人體騰空上升過程中，當(dāng)重心加速度為0時(shí)的高度為人體最高重心高度；緩沖時(shí)間為雙腳著地瞬時(shí)到人體重心進(jìn)入穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)的時(shí)間。通過3D運(yùn)動(dòng)圖像法，測量4名被試者完成該技術(shù)動(dòng)作各階段相關(guān)特征數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 被試者完成騰空擺蓮720°接馬步各階段動(dòng)作的部分特征數(shù)據(jù)Table 1 Data of each takeoff stage of vacated swing 720° followed by horse stance

以表1中被試者A1為例，他在完成該動(dòng)作中的騰空時(shí)間為0.70 s，重心上升距離為66 cm，身體最高重心高度為179 cm，緩沖時(shí)間為0.16 s，顯著高于其他被試者，但4名被試者的各參數(shù)均值都與郭佳欣[13]的研究指標(biāo)一致。由表2分析可知，最高重心高度與騰空高度呈正相關(guān)，兩者的高度決定被試者是否有足夠的時(shí)間來完成其騰空動(dòng)作，也為落地緩沖贏得充分的準(zhǔn)備時(shí)間，故二者是能否順利完成騰空擺蓮720°接馬步動(dòng)作的重要條件。由于騰空高度是否對動(dòng)作中的轉(zhuǎn)體以及落地穩(wěn)定性產(chǎn)生影響仍存在爭議，但有部分學(xué)者認(rèn)為可以通過加快起跳時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度、降低空中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來提高空中旋轉(zhuǎn)速度[11]。根據(jù)武術(shù)運(yùn)動(dòng)中騰空狀態(tài)下遵循的動(dòng)量矩守恒定律[12]公式，即：

a=Iω.
I=mr2.

式中：a為常數(shù)，I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為角速度，m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r為質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是度量轉(zhuǎn)動(dòng)物體慣性大小的物理量，用以描述轉(zhuǎn)動(dòng)物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力[12]。由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與被試者轉(zhuǎn)軸的垂直距離有關(guān)，因此被試者可以通過調(diào)整空中姿態(tài)來增加垂直距離從而增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以順利完成相應(yīng)難度動(dòng)作的旋轉(zhuǎn)度數(shù)。

如果被試者的旋轉(zhuǎn)角度和騰空高度不夠，那么在空中的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可能達(dá)不到相應(yīng)的難度要求，這樣就會忽略落地前由伸膝到屈膝的合理緩沖，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重力的作用下，極易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的損傷[8]。能否完成騰空擺蓮720°接馬步的動(dòng)作與運(yùn)動(dòng)員起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉(zhuǎn)和落地緩沖等階段均有關(guān)，且各階段相互影響。由表2可以看出，與被試者A1各動(dòng)作特征參數(shù)相比較，被試者B2的最高重心高度(176 cm)相對較低，緩沖時(shí)間(0.12 s)較少，為了完成好該難度的動(dòng)作，被試者B2應(yīng)該在滯空狀態(tài)下對肢體做相應(yīng)調(diào)整，為落地緩沖贏得更多的時(shí)間，以此來達(dá)到保護(hù)膝關(guān)節(jié)的目的。

2.2.2完成騰空擺蓮720°接馬步的動(dòng)作落地階段重力速度和受力情況分析

武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員完成高難度跳躍動(dòng)作時(shí)，落地階段為導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的主要階段。落地階段包括落地瞬時(shí)和緩沖兩部分，其中，落地瞬時(shí)是指人體在到達(dá)最高點(diǎn)而后下降過程中，下降速度由0逐漸增大，當(dāng)腳觸地瞬時(shí)開始受到地面的反作用力，此時(shí)速度開始減小，也就是說，落地瞬時(shí)是指當(dāng)向下的速度達(dá)到最大時(shí)的瞬間。當(dāng)速度趨于0時(shí)的瞬間為最大落地緩沖瞬時(shí)。參考文獻(xiàn)[11]對落地階段受力計(jì)算的方法，對該動(dòng)作在落地階段被試者的重心速度及相關(guān)受力進(jìn)行討論(見表2).計(jì)算公式如下：

Fx,y=m(v2-v1)/t;
Fz=m(v2-v1)/t+mg.

式中：Fx,y表示水平方向的力，F(xiàn)z表示為垂直方向的力。根據(jù)落地階段相關(guān)數(shù)據(jù)可知(見表2)，被試者落地瞬時(shí)重心加速度較大，垂直、水平方向的速度均值分別為-221.8 cm/s，56.0 cm/s.由于落地瞬時(shí)的速度主要受垂直方向沖力的影響，故均值較大，為1 021.3 N；其次是受水平方向分力的影響，均值為338.2 N.由于運(yùn)動(dòng)效果的大小是由沖力所決定的，根據(jù)沖力計(jì)算公式F=mv/t可知，相同體重的被試者受力情況與其速度和耗時(shí)有關(guān)。為了減少地面反作用力對膝關(guān)節(jié)造成的損傷，被試者應(yīng)適當(dāng)延長落地緩沖時(shí)間。

由表2可以看出，被試者A1在落地瞬間的垂直速度為-293.6 cm/s，水平速度為80.2 cm/s，緩沖時(shí)間為0.16 s，垂直和水平緩沖速度的改變量分別為214.1，-57.6 cm/s，其落地總沖力為1 496 N，是其體重的2.37倍；而被試者B1的相關(guān)指標(biāo)比被試者A1的略小，但是落地總沖力是其體重的2.3倍，這說明落地時(shí)的沖力與被試者的體重有關(guān)，體重這一因素也是較難調(diào)整的。為了落地緩沖階段提高穩(wěn)定性從而達(dá)到保護(hù)膝關(guān)節(jié)的目的，被試者可以通過在騰空過程中伸開肢體來增加轉(zhuǎn)動(dòng)半徑以加大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使得旋轉(zhuǎn)速度降低[12]。由于被試者在完成騰空擺蓮720°接馬步動(dòng)作的落地緩沖階段時(shí)會受到起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作的影響，因此如果起跳不充分會使得在空中的轉(zhuǎn)體動(dòng)作完成不到位，這樣在重力加速度的影響下，膝關(guān)節(jié)外旋補(bǔ)償完成相應(yīng)難度的旋轉(zhuǎn)度數(shù)，如超出負(fù)荷則會導(dǎo)致半月板、側(cè)副韌帶或十字韌帶的損傷[12]。

表2 被試者在落地階段的重心速度與受力情況Table 2 Center of gravity velocity and impulse force during subjects' landing phase

2.3 被試者落地階段膝關(guān)節(jié)角度的變化

關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)在運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析中主要用于判斷和評價(jià)被試者肢體的姿態(tài)，對于使用評分方式計(jì)量運(yùn)動(dòng)成績的武術(shù)套路比賽具有重要的指導(dǎo)意義[12]。本實(shí)驗(yàn)中的膝關(guān)節(jié)角度是指同側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)3點(diǎn)的夾角。由表4可以看出，通過配對樣本t檢驗(yàn)分析可知，在落地瞬間，左膝關(guān)節(jié)角度顯著小于右膝(P=0.000<0.05)；在最大緩沖瞬間，左膝關(guān)節(jié)角度較小于右膝，但二者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.298>0.05)；在落地緩沖階段右膝角度的變化量顯著大于左膝變化量(P=0.003<0.05)，由此可知，右膝關(guān)節(jié)較左膝關(guān)節(jié)更容易受傷，這與實(shí)地走訪調(diào)查結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)[7]結(jié)果相吻合。

角位移是指描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)位置變化的物理量，文中指的是膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的幅度，且角位移會隨著膝關(guān)節(jié)角度變化量的增大而增大。由表3膝關(guān)節(jié)角度變化參數(shù)可以看出，被試者從落地瞬時(shí)到最大緩沖瞬時(shí)，隨著制動(dòng)的產(chǎn)生，膝關(guān)節(jié)角度逐漸減小。在騰空擺蓮720°接馬步動(dòng)作進(jìn)入落地緩沖階段后，膝角變化量對緩沖產(chǎn)生一定的影響。在膝角位移和緩沖時(shí)間均測得的情況下，通過角速度公式可知，角速度與緩沖時(shí)間成反比。為了能夠順利完成該難度動(dòng)作，根據(jù)前文提到的騰空狀態(tài)下的動(dòng)量矩守恒定律公式可知，被試者需要改變空中肢體動(dòng)作，以此來增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，延長緩沖時(shí)間。

表3 落地階段膝關(guān)節(jié)角度參數(shù)Table 3 Knee joint angle at landing stage of vacated swing 720° followed by horse stance

以被試者A1和B1為例，在落地瞬間到最大緩沖瞬間，右膝的關(guān)節(jié)角度變化量大于左膝關(guān)節(jié)角度變化量，這與被試者落地瞬時(shí)身體還在扭轉(zhuǎn)有關(guān)系[11]。由此可以推斷，右膝關(guān)節(jié)較左膝關(guān)節(jié)容易受傷，這與實(shí)地走訪、調(diào)查結(jié)果相一致。由于運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)存在關(guān)節(jié)肌力弱，韌帶松弛等問題，因此在完成騰空擺蓮720 °接馬步動(dòng)作的落地階段，膝關(guān)節(jié)在由伸到屈的過程中，使得膝關(guān)節(jié)周圍肌力不均衡，失去其穩(wěn)定性，并且屈膝下蹲的過程中，髕骨的接觸面逐漸減小，壓力增加，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的損傷。

3 結(jié)論

1) 騰空擺蓮720 °接馬步動(dòng)作落地階段致膝關(guān)節(jié)的損傷多以半月板、側(cè)副韌帶或交叉韌帶等的損傷為主，并具有普遍性。

2) 落地瞬時(shí)沖力是武術(shù)騰空動(dòng)作中致膝關(guān)節(jié)損傷的主要影響因素，而沖力大小主要是由被試體重、騰空高度以及落地緩沖方式等的因素決定，由于被試體重為相對不可變量，那么其他兩個(gè)因素則起到了決定性作用。

3) 騰空高度與動(dòng)作完成質(zhì)量成正相關(guān)，兩者完成質(zhì)量高則會為落地緩沖提供了相對充分的準(zhǔn)備時(shí)間。若體重與騰空高度相對穩(wěn)定的情況下，那么被試者則要通過調(diào)整空中姿態(tài)來加大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)需要調(diào)整落地瞬間膝關(guān)節(jié)角度，為落地緩沖贏得準(zhǔn)備時(shí)間，使落地瞬時(shí)沖力的值減到最小，以此來保護(hù)膝關(guān)節(jié)。