基于跳遠運動員起跳動作膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險的生物力學(xué)研究

李欣鑫

1 前言

跳遠屬于快速力量類運動項目。不僅要求運動員具備超強的爆發(fā)能力與協(xié)調(diào)能力，而且還要求運動員具備高效的技術(shù)運用能力。因此，跳遠運動對運動員的體能和專項技術(shù)都有較高的要求。這種高要求也使得跳遠運動員起跳腿的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷的風(fēng)險增高。膝關(guān)節(jié)是人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，在人體運動和承重上具有十分重要的作用。研究表明，膝關(guān)節(jié)損傷占人體所有損傷的14% ～33%［1］;加大垂直地面的反作用力容易造成膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷，而且膝關(guān)節(jié)損傷后，垂直地面反作用力最大瞬間的運動學(xué)與動力學(xué)參數(shù)也會發(fā)生顯著性變化［2］。跳遠的起跳技術(shù)使運動員身體重心的動量發(fā)生急劇變化，以獲得必要的騰起速度與騰起角度的同時，也會對運動員的膝關(guān)節(jié)造成運動損傷的風(fēng)險。因為膝關(guān)節(jié)在助跑、起跳運動中都是發(fā)力的主要點，而膝關(guān)節(jié)周圍肌腱與韌帶組織又相對較少，缺乏保護，容易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。本研究通過實驗測試和數(shù)理統(tǒng)計等研究方法對跳遠運動員起跳技術(shù)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)力與角度等方面進行系統(tǒng)研究，以探討影響跳遠起跳技術(shù)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險的生物力學(xué)因素，以及膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動損傷的生物力學(xué)機制，為膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防與康復(fù)訓(xùn)練提供理論參考。

2 研究對象與方法

2．1 研究對象

以跳遠的起跳動作導(dǎo)致運動員膝關(guān)節(jié)損傷為研究對象。選取3名國家一級和2名國家二級男子跳遠運動員為被試對象，被試對象的基本信息(見表1)。

表1 受試對象的基本信息

2．2 研究方法

2．2．1 文獻資料法 通過電子期刊網(wǎng)輸入關(guān)鍵詞“跳遠起跳”“膝關(guān)節(jié)損傷”等，查閱相關(guān)文獻資料，明確跳遠起跳動作可能會使運動員膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動損傷的風(fēng)險，深刻理解運動損傷產(chǎn)生的機制，為本研究提供理論基礎(chǔ)。

2．2．2 實驗測試法 2019年4月在中北大學(xué)運動生物力學(xué)實驗室，運用英國Oxford Metrics Cimited(OML)公司生產(chǎn)的Vicon動作捕捉系統(tǒng)和Bertec三維測力臺測試系統(tǒng)對5名不同水平的男子跳遠運動員在起跳過程中起跳腿的技術(shù)環(huán)節(jié)、肌肉用力形式進行了同步測試。實時獲取運動員完成起跳動作時身體重心、膝關(guān)節(jié)以及下肢肌肉用力、力矩等參數(shù)，以這些參數(shù)為依據(jù)，進一步分析跳遠運動員在起跳過程中對起跳腿膝關(guān)節(jié)損傷的影響因素。

所選的受試對象沒有任何疾病與傷病，在實驗之前對實驗對象說明本實驗的意圖，并做好充分的準(zhǔn)備活動，以保證本次測試任務(wù)順利完成。要求受試對象以良好的助跑節(jié)奏和最大速度完成助跑，最后一步起跳腳踏準(zhǔn)測力臺，并成功完成跳遠的后續(xù)技術(shù)動作。

2．2．3 數(shù)理統(tǒng)計法 利用 Excel2010、SPSS25．0等軟件對所獲得的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計學(xué)處理以及相關(guān)性分析。

3 研究結(jié)果與分析

3．1 跳遠運動員完成起跳過程各階段的參數(shù)分析

跳遠運動員通過一定距離的助跑獲得最佳的速度，為上板起跳做好充分的準(zhǔn)備。起跳時，充分利用助跑所獲得的速度，在極短的時間內(nèi)，完成速度的轉(zhuǎn)化，以便獲得最大的騰起速度與適宜的騰起角度。根據(jù)一般研究分析，把起跳過程大致分為四個時相、三個階段［4］:即著地瞬間、最大緩沖瞬間、身體重心達到垂直面瞬間和起跳離地瞬間［4］。其中，著地瞬間到最大緩沖瞬間為緩沖階段;最大緩沖瞬間到身體重心達到垂直面瞬間為轉(zhuǎn)化階段;身體重心達到垂直面到離地瞬間為蹬伸階段［4］(見圖1)。

圖1 跳遠運動員起跳動作各階段時相示意圖

運動員在起跳過程中，要將水平速度在最短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為一定的垂直速度，并獲得適宜的騰起角度。這就要求運動員起跳時必須給起跳板施加一定的作用力。因而，跳起時間和作用力的大小將決定著起跳的效果。

起跳時間(T)是指起跳腿著板瞬間至離地瞬間的時間［3］，由緩沖時間(T1)、轉(zhuǎn)化時間(T2)和蹬伸時間(T3)組成。緩沖階段，起跳腿受到作用于人體重心向后上方的支撐反作用力較大，使人體受到了較大的水平制動沖量，緩沖時間過短或過長，都會影響起跳效果。轉(zhuǎn)化階段是起跳腿開始從退讓性工作向克制性工作轉(zhuǎn)化［3］，起跳腿肌群開始為蹬伸做準(zhǔn)備，隨著身體重心的前移，支撐反用力的方向逐漸轉(zhuǎn)向垂直方向。此時人體在垂直方向上受到更大的沖擊力。由于在緩沖與轉(zhuǎn)化兩個階段，跳遠運動員膝關(guān)節(jié)所受力的方向與身體重心運動方向相反，而且膝關(guān)節(jié)由伸膝到屈膝進行緩沖。如果緩沖不夠合理，起跳腿肌群退讓性工作能力較差，容易造成膝關(guān)節(jié)的半月板、兩側(cè)副韌帶和十字韌帶的損傷。因此，在緩沖和轉(zhuǎn)化階段容易造成膝關(guān)節(jié)運動損傷。蹬伸階段是起跳腿轉(zhuǎn)化做克制性工作，身體重心已經(jīng)移過垂直面，支撐反作用力的方向改為向前上方，膝關(guān)節(jié)由屈曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈派鞝顟B(tài)，起跳腿肌群會爆發(fā)出更大的力量，為騰空創(chuàng)造有利的條件。如果起跳腿肌肉力量不足、身體重心不夠穩(wěn)定就容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)受損。

表2 受試對象在起跳過程中各階段的運動參數(shù)比較

從表2可看出，受試對象在著地瞬間、最大緩沖瞬間和蹬伸離地瞬間身體重心高度平均值分別為 89．3cm、84．2cm 和 96．0cm;緩沖時間、轉(zhuǎn)化時間和蹬伸時間分別為 0．042s、0．044s和 0．046s;起跳總時間的平均值為0．132s，大于世界優(yōu)秀男子跳遠運動員的起跳平均時間 0．10 ～ 0．125s［3］，而且受試對象在起跳過程中各階段的時間特征不符合“T1較短、T2較長、T3次之”的時間規(guī)律。轉(zhuǎn)化時間(T2)短，說明起跳腿所受到的沖量大;同時，蹬伸時間大于轉(zhuǎn)化時間，可能是實驗對象的下肢力量不足或沒有充分做好起跳動作而造成的。而由于起跳腿力量差，沒能完成好起跳腿肌肉的退讓性工作，起跳動作不規(guī)范就很容易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

3．2 跳遠運動員在起跳過程中身體重心速度與受力情況分析

研究顯示:跳遠運動員在起跳過程中發(fā)生運動損傷大多在起跳的緩沖階段［4］。由于在著地瞬間運動員向下的速度逐漸增大，當(dāng)開始進入緩沖時，受到地面的作用力不斷加大，向下的加速度就不斷增大。最大緩沖瞬間向下的作用力是最大的。起跳腿肌肉作用力的方向瞬間也轉(zhuǎn)為向上方向，垂直速度開始上升;同時，身體重心的運動方向與支撐腿所承受的水平分力方向相反(見表3、表4)。跳遠運動員在完成起跳動作瞬間，會產(chǎn)生較大的伸膝力矩。較大的伸膝力矩與其著地瞬間受到的較大的水平向后反作用力有關(guān)。而較大的水平向后反作用力則與起跳前身體水平速度較大有關(guān)。也就是說跳遠運動員在起跳前獲得了較大的助跑速度，起跳前突停制動，可能會對地面產(chǎn)生較大的沖擊力，從而使起跳腿肌群受到的負荷較大。如果起跳腿肌群力量不足，往往會造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

表3 受試對象在起跳過程中各時相身體重心速度比較(單位:m/s)

表4 受試對象在起跳過程中各時相起跳腿受力比較(單位:N)

從表3和表4可以看出，實驗對象在著地瞬間身體重心的速度都比較大，其中水平速度為8．617m/s、垂直速度為 3．384m/s。著地瞬間主要受到地面的垂直反作用力，其均值為53．9N;其次是水平方向的分力，均值為4．8N;另外是左右方向的側(cè)向分力，均值為2．0N。最大緩沖瞬間，實驗對象受到的地面垂直反作用力均值為2 804．9N、水平分力均值為794．3N、側(cè)向分力均值為183．7N。根據(jù)運動生物力學(xué)原理，運動狀況效果的大小是由施加的力值(F)與時間(t)乘積(即沖量)決定的［4］。而沖量 F·t=M·V(其中，M 表示運動員的身體質(zhì)量、V表示運動員跑動的速度)，也就是說施加力值F=MV/t。由于運動員的體重是保持不變的，因此，運動員受到的沖擊力與身體重心的速度以及作用時間有著密切的關(guān)系。但是，跳遠運動員為了獲得優(yōu)異的運動成績，必須保持最大的起跳速度或減少起跳時間，而這恰巧對膝關(guān)節(jié)的作用力比較大，起跳腿肌群所受到的負荷就比較大。如果起跳腿的力量不夠強，很容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。為了減少跳遠運動員在起跳過程中膝關(guān)節(jié)的損傷，應(yīng)加強運動員膝關(guān)節(jié)周圍肌群的力量練習(xí)以及韌帶的柔韌性練習(xí);同時，規(guī)范運動員的起跳技術(shù)，以合理的技術(shù)也能起到保護運動員膝關(guān)節(jié)的目的。

研究表明，著地時較大的沖擊力也可能是膝關(guān)節(jié)損傷的一個危險因素，特別是膝關(guān)節(jié)的前交叉韌帶損傷的風(fēng)險［5］。因為在跳遠的起跳過程中，起跳腿承受地面垂直反作用力越大，股四頭肌收縮的力量就越大，而股四頭肌是對抗落地緩沖階段膝關(guān)節(jié)所受負荷的主要肌肉。膝關(guān)節(jié)的前交叉韌帶所承受的負荷越大，可能會造成前交叉韌帶損傷的風(fēng)險。從表4可知，受試對象在最大緩沖瞬間所承受的地面垂直支撐反作用力平均值為2 804．9N、水平分力均值為794．3N、側(cè)方向的分力達到了183．7N。如果沒有合理的緩沖，就可能會對其膝關(guān)節(jié)造成損傷的風(fēng)險。垂直與側(cè)向分力是跳遠運動員在起跳時地面反作用力對支撐腿垂直與左右的支撐力。側(cè)向分力值的大小與身體重心的變化以及膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量大小有關(guān)。也就是說跳遠運動員在起跳過程中由于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)力量的薄弱，致使身體重心左右擺動。由于身體重心的不穩(wěn)定，往往會增加膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險。因此，加強跳遠運動員膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量素質(zhì)練習(xí)，提高起跳腿肌肉的退讓性工作能力，鞏固膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，既可提高運動員的專項成績，又可減少運動員損傷的風(fēng)險。

3．3 跳遠運動員在起跳過程中起跳腿膝關(guān)節(jié)角度變化分析

從表5可知，實驗對象從著地瞬間到最大緩沖瞬間，起跳腿的膝關(guān)節(jié)角度隨著制動在不斷減小，起到緩沖的作用，其目的就是減少膝關(guān)節(jié)受到地面的沖擊力。研究表明，膝關(guān)節(jié)角度的變化量對支撐腿的緩沖具有一定的作用［6］。膝關(guān)節(jié)角度變化大，說明緩沖效果好，而膝關(guān)節(jié)角度變化量大，角位移也就大。根據(jù)運動生物力學(xué)原理，角速度與緩沖時間成反比，即角速度 W=(a1-a2)/t［7］。由此可見，膝關(guān)節(jié)角度變化越大，說明角速度就越大。角速度大就會增大轉(zhuǎn)動慣量，使膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性變?nèi)?，再加上屈膝?dǎo)致髕骨與接觸面減小，容易造成膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險。根據(jù)運動生物力學(xué)原理，ft=mv，則v=f/t。如果作用于物體上的力一定時，延長了作用時間，必然會影響物體運動的速度。如果延長了緩沖時間，勢必造成水平速度與垂直速度的損失，降低起跳的高度和騰起的速度，影響起跳效果。另外，緩沖時間過長，會導(dǎo)致身體重心不能快速前移，身體重心落于支撐面的后方，會對膝關(guān)節(jié)造成更大的水平剪切力。而這種剪切力會加大髕腱負荷量，使脛骨向前的剪切力和前交叉韌帶負荷增加，容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險。因此，既要保持合理的緩沖效果，又要提高起跳效果。在訓(xùn)練過程中要求運動員有意識地預(yù)先將下肢的肌肉綁緊，有利于改變骨的受力形式，從而減少膝關(guān)節(jié)的運動損傷。另外，加強下肢肌肉力量的訓(xùn)練，提高肌肉的彈性，以達到保護膝關(guān)節(jié)的目的。

表5 實驗對象在各時相起跳腿膝關(guān)節(jié)角度變化比較(單位:°)

4 結(jié)論與建議

(1)跳遠運動員在完成起跳動作時，膝關(guān)節(jié)所承受的壓力非常之大，且膝關(guān)節(jié)此時處于屈曲狀態(tài)，引起關(guān)節(jié)中心點發(fā)生改變，使膝關(guān)節(jié)內(nèi)的半月板上產(chǎn)生異常高的扭轉(zhuǎn)與剪切應(yīng)力，極易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。因此，應(yīng)該明確膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)，規(guī)范技術(shù)動作，合理安排運動負荷，加強對膝關(guān)節(jié)的預(yù)防與保護措施，防止不科學(xué)的訓(xùn)練方法及不規(guī)范的技術(shù)動作造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

(2)跳遠運動員在起跳的緩沖和轉(zhuǎn)化階段，膝關(guān)節(jié)所受力的方向與身體重心運動的方向相反，且膝關(guān)節(jié)由伸膝到屈膝不能合理地進行緩沖，容易造成膝關(guān)節(jié)半月板、兩側(cè)副韌帶和十字韌帶的損傷。因此，加強運動員下肢力量素質(zhì)的訓(xùn)練，增加肌肉的彈性，提高下肢韌帶的柔韌性，以保護膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)跳遠運動員受到的沖擊力與身體重心的速度以及作用的時間有著密切的關(guān)系。為了避免跳遠運動員在起跳過程中膝關(guān)節(jié)的損傷，應(yīng)該加強運動員膝關(guān)節(jié)周圍肌群的力量練習(xí)以及韌帶的柔韌性練習(xí);同時，規(guī)范運動員的起跳技術(shù)，以合理的技術(shù)達到保護運動員膝關(guān)節(jié)的目的。

(4)跳遠運動員在起跳過程中，垂直分力和側(cè)向分力是地面反作用力對支撐腿在上方和左右的支撐力。側(cè)向力值的大小與身體重心的變化以及膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量大小有關(guān)。因此，加強跳遠運動員膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量素質(zhì)，鞏固起跳腿的穩(wěn)定性，既可以提高運動員的專項成績，又可以減少運動員受損傷的風(fēng)險。

(5)跳遠運動員在緩沖階段，膝關(guān)節(jié)角度的變化量大，角速度就大，就會增大轉(zhuǎn)動慣量，使膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性變?nèi)?，同時，屈膝導(dǎo)致髕骨與接觸面減小，容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。因此，在訓(xùn)練過程中要求運動員有意識地預(yù)先將下肢的肌肉綁緊，有利于改變骨的受力形式，從而減少膝關(guān)節(jié)的運動損傷。