體操后空翻類落地動(dòng)作的下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷及其控制特征

吳成亮 郝衛(wèi)亞

1 武漢體育學(xué)院（武漢430079）

2 國家體育總局體育科學(xué)研究所（北京100061）

體操的落地或下法涉及到高速度的沖擊，并且在落地前要控制身體的旋轉(zhuǎn)，落地中要保持身體平衡。體操運(yùn)動(dòng)員要承受頻繁的落地沖擊，每周可能會(huì)超過200 次[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，體操運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率很高，其中膝和踝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生率最高[2-5]。

體操落地負(fù)荷被認(rèn)為是引起下肢損傷的重要因素[5，6]，體操運(yùn)動(dòng)員落地過程中吸收過大的載荷與下肢損傷高發(fā)存在關(guān)聯(lián)[6-10]。人體所受的地面反作用力（ground reaction force，GRF）是最常用的落地負(fù)荷指標(biāo)，盡管有學(xué)者認(rèn)為GRF 與損傷之間的相關(guān)性尚不明確[11，12]，但當(dāng)力學(xué)載荷過高時(shí)，骨組織產(chǎn)生較大應(yīng)變，會(huì)引起骨骼損傷[13]。然而，目前很少有研究討論如何通過有效的方法來減小落地的GRF，從而減小落地?fù)p傷的發(fā)生率。Mills等[14]通過修改落地墊的材料參數(shù)減小了GRF，但是會(huì)增加關(guān)節(jié)的內(nèi)部載荷，以及落地過程中踝關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)[15]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)在垂直落地階段，下肢先伸展，然后在即將落地前屈曲[16]，可以減小GRF峰值，然而并不清楚類似的落地策略是否會(huì)在復(fù)雜的體操落地中出現(xiàn)。

向后空翻技巧動(dòng)作是體操兩大空翻類技巧之一（另一類是向前的空翻技巧）[17]，運(yùn)動(dòng)員使用頻率非常高。后空翻（backward somersault，BS）是基礎(chǔ)難度動(dòng)作，直體后空翻轉(zhuǎn)體720°（S720）是一般難度動(dòng)作，直體后空翻轉(zhuǎn)體1080°（S1080）是較高難度動(dòng)作，它們都屬于同一類型動(dòng)作。Marianne 等[18]分析了體操平衡木的后空翻落地，他們從運(yùn)動(dòng)學(xué)的視角研究了身體在空中的轉(zhuǎn)動(dòng)特征。c?uk等[19]對體操后空翻和前空翻落地的對稱性進(jìn)行了分析，為了更好地實(shí)現(xiàn)對稱性落地，運(yùn)動(dòng)員需要較大的騰空高度和角動(dòng)量，并控制好角速度的變化。國內(nèi)文獻(xiàn)中關(guān)于體操后空翻類動(dòng)作的研究多集中在對單個(gè)難度動(dòng)作的落地分析，暫未見到對不同難度后空翻類落地動(dòng)作的系統(tǒng)研究。因此，本研究探討高水平體操運(yùn)動(dòng)員不同難度向后空翻技巧動(dòng)作（BS、S720 和S1080）落地的下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷及其動(dòng)作控制特征，為預(yù)防落地中下肢關(guān)節(jié)損傷提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

中國國家體操隊(duì)男子運(yùn)動(dòng)員6人，年齡17.3 ± 1.3歲，身高165.7 ±5.0 cm，體重57.3 ± 3.9 kg。其均參加過體操世界杯或錦標(biāo)賽，并且近6 個(gè)月沒有骨骼肌肉損傷。所有運(yùn)動(dòng)員均被告之實(shí)驗(yàn)過程，并簽署知情同意書。本研究獲得國家體育總局體育科學(xué)研究所倫理委員會(huì)同意并批準(zhǔn)（委16-27）。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究3個(gè)動(dòng)作（BS、S720和S1080）的數(shù)據(jù)采集過程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2.1 BS動(dòng)作數(shù)據(jù)采集

地點(diǎn)：國家體育總局體育科學(xué)研究所運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。6名體操運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行15分鐘的熱身活動(dòng)（包括慢跑、跳步和拉伸）后，依次完成3 次BS（團(tuán)身后空翻）落地動(dòng)作。要求：運(yùn)動(dòng)員赤足站立于測力臺(tái)前方適合位置，BS落地后不能有邁步或跳步。使用包含8個(gè)攝像機(jī)的QualisysOqus 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（瑞典）對三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采樣頻率為250 Hz，另外使用1臺(tái)高清攝像機(jī)記錄動(dòng)作。標(biāo)準(zhǔn)紅外反光markers（直徑16 mm）粘貼于頭、第7 頸椎，以及兩側(cè)的肩胛骨內(nèi)角、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)、腳后跟和腳趾，具體的位置參考CAST 全身markers（共52 個(gè)）模型[20]。使用一個(gè)測力臺(tái)（40×60 mm，Kistler，瑞典）采集垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，vGRF），采樣頻率為1000 Hz，在上面放置與其大小相同的落地墊（厚5 cm），并在周圍用泡沫軟墊進(jìn)行保護(hù)。測力臺(tái)上的落地墊對測量獲得的vGRF 結(jié)果影響很小，有研究報(bào)道12 cm 厚的落地墊使測力臺(tái)測得的結(jié)果大約減小了5%[21]。使用Delsys無線表面肌電系統(tǒng)（美國），采集兩側(cè)下肢股直?。╮ectus femoris，RF）、股二頭?。╞iceps femo?ris，BF）、脛骨前?。╰ibialis anterior，TA）和腓腸肌外側(cè)（lateral gastrocnemius，LG）共8 塊肌肉的表面肌電信號(hào)，采樣頻率：2000 Hz。肌電粘貼方法及位置事先參考SENIAM 指南[22]。QualisysOqus 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、Kis?tler 測力臺(tái)和無線表面肌電系統(tǒng)使用內(nèi)同步進(jìn)行同步處理。

1.2.2 S720動(dòng)作數(shù)據(jù)采集

地點(diǎn)：國家體育總局訓(xùn)練局體操館。1名體操運(yùn)動(dòng)員在熱身活動(dòng)后，成功完成3 次S720 落地動(dòng)作。使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)（JVC，GC-PX100BAC）進(jìn)行三維定點(diǎn)錄像，拍攝頻率為250 Hz，兩臺(tái)攝像機(jī)離地高度1.2 m，夾角約為90°，兩臺(tái)攝像機(jī)的拍攝距離分別為18 m、23 m，滿足拍攝距離大于拍攝范圍5～6 m 的要求[23]。采用28 個(gè)Marker 球的三維輻射型Peak 框架對落地位置進(jìn)行空間標(biāo)定。

1.2.3 S1080動(dòng)作數(shù)據(jù)采集

地點(diǎn)：中國第13 屆全運(yùn)會(huì)體操?zèng)Q賽現(xiàn)場。1 名體操運(yùn)動(dòng)員完成S1080 落地，使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)（JVC，GC-PX100BAC）進(jìn)行三維定點(diǎn)錄像，拍攝頻率為250 Hz。兩臺(tái)攝像機(jī)固定于體操館看臺(tái)座位的前方，夾角約為90°，并安排專人看管以免攝像機(jī)被觀眾誤碰，兩臺(tái)攝像機(jī)的拍攝距離都超過25 m，同樣也滿足拍攝距離的要求。提前用28 個(gè)Marker 球的三維輻射型Peak框架對落地位置進(jìn)行空間標(biāo)定。自由操?zèng)Q賽開始時(shí)，對指定運(yùn)動(dòng)的成套動(dòng)作進(jìn)行拍攝。

對于BS、S720，每名運(yùn)動(dòng)員的落地動(dòng)作由兩名國家級(jí)裁判選取最佳的一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行結(jié)果分析；S1080來源于比賽現(xiàn)場，選取成功的一次落地動(dòng)作進(jìn)行結(jié)果分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將3種動(dòng)作的落地過程都分為預(yù)激活階段（T0，觸地前100 ms[24]）、落地沖擊初期[T1，從觸地到峰值vGRF（peak vertical ground reaction force，PvGRF）]和落地沖擊后期[T2，從PvGRF 回到1 倍體重（body weight，BW）]（圖2左）。

圖2 BS落地階段劃分示意圖（左）及19環(huán)節(jié)人體模型（右）

BS 落地：使用Qualisys Track Manager 軟件對三維運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，低通截?cái)囝l率10 Hz進(jìn)行濾波[25]。通過關(guān)節(jié)上3 點(diǎn)組成的兩條直線計(jì)算關(guān)節(jié)角度和角速度。對vGRF 使用低通截?cái)囝l率50 Hz進(jìn)行濾波[25]。對PvGRF用每名運(yùn)動(dòng)員的體重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將落地瞬間時(shí)刻定義為測力臺(tái)vGRF 大于10 N的初始時(shí)刻[26]。全波整流原始肌電信號(hào)后，再進(jìn)行帶通濾波處理（10～400 Hz）[27]。肌電信號(hào)采用各個(gè)肌電的最大值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，用標(biāo)準(zhǔn)化后的脛骨前肌除以腓腸肌外側(cè)表面肌電表示踝關(guān)節(jié)拮抗肌-主動(dòng)肌的共激活，用標(biāo)準(zhǔn)化后的股二頭肌除以股直肌表面肌電表示膝關(guān)節(jié)拮抗肌-主動(dòng)肌的共激活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用20 ms內(nèi)的平均值來呈現(xiàn)，并對結(jié)果進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。

S720 與S1080 落地：使用SIMI MOTION 軟件對三維錄像進(jìn)行人工解析，對解析獲得的數(shù)據(jù)采用低通濾波進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為10 Hz[25]。獲取各關(guān)節(jié)的位移、關(guān)節(jié)角度和角速度，根據(jù)漢納范人體模型計(jì)算身體重心軌跡[28]。

另外，3 種落地動(dòng)作的髖、膝和踝關(guān)節(jié)剛度（joint stiffness）使用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中，△M 為某關(guān)節(jié)力矩的變化量，△θ為對應(yīng)關(guān)節(jié)屈曲角度位移的變化量[26]。

1.4 計(jì)算機(jī)建模與仿真

建模與仿真通常可以獲得實(shí)驗(yàn)無法測量的指標(biāo)，如關(guān)節(jié)力和力矩等，人體系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)的仿真研究中[29]。LifeMod（LifeMod?eler，Inc.San Clemente，CA）是較為先進(jìn)的多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)仿真軟件，主要運(yùn)用于人體運(yùn)動(dòng)的仿真，是基于主流仿真軟件系統(tǒng)ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems）的人體建模插件。BS測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6名高水平體操運(yùn)動(dòng)員落地的動(dòng)作表現(xiàn)差異較小，選取近似中間結(jié)果的1 名運(yùn)動(dòng)員（年齡17歲，身高168 cm，體重63 kg），以及分別完成S720 和S1080 動(dòng)作的2 名運(yùn)動(dòng)員（前者：年齡19 歲，身高162 cm，體重59 kg；后者：年齡19 歲，身高160 cm，體重51 kg）進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模與仿真。對上述3 種最佳落地動(dòng)作所涉及的3名運(yùn)動(dòng)員，分別建立19環(huán)節(jié)、50自由度的多剛體人體模型（圖2 右），根據(jù)他們的性別、年齡、身高和體重參數(shù)在GeBod人體數(shù)據(jù)庫（BRG.LifeMODTM）中進(jìn)行個(gè)性化建模。人體模型包括頭、頸、上軀干、中軀干、下軀干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足（圖2）[30，31]。利用仿真軟件ADAMS建模體操落地墊模型（長寬高：2 m × 2 m × 0.05 m）。落地墊材料性能的優(yōu)化（公式2，3）（BS仿真落地墊模型優(yōu)化之后，S720與S1080仿真使用了相同的落地墊模型），以及人體模型的驗(yàn)證（公式4），詳細(xì)過程參考郝衛(wèi)亞團(tuán)隊(duì)之前的研究[32-35]，此處作簡要介紹。

其中，xi是實(shí)際測試的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，yi是仿真的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，△δ是實(shí)際運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的均方根誤差（root mean square error，RMSE），△T是達(dá)到PvGRF 時(shí)間的RMSE ，△vGRF是vGRF 的RMSE，△Joint angles是下肢關(guān)節(jié)角度的RMSE，n為每條曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，最優(yōu)化時(shí)S需最小。

其中，m 是曲線的條數(shù)，n 是每條曲線所含點(diǎn)的數(shù)量，xij是第i條曲線的第j個(gè)點(diǎn)，是m條曲線的第j個(gè)點(diǎn)的平均值，是m 條曲線n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的總體平均值。為了驗(yàn)證模型的可靠性，對實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行復(fù)相關(guān)系數(shù)（coefficients of multiple correlation，CMC）計(jì)算，0.25～0.50、0.50～0.75 和>0.75 分別表示較差、中等和好的相關(guān)性[36]。在驗(yàn)證模型的可靠性之后，通過仿真獲得下肢關(guān)節(jié)力和力矩。

2 結(jié)果

如圖3所示，從運(yùn)動(dòng)員BS、S720和S1080動(dòng)作起跳離地瞬間開始，經(jīng)空中動(dòng)作再到落地后200 ms 為止，這3 個(gè)動(dòng)作身體重心（center of gravity，COG）最大高度分別為：1.41 m、1.98 m 和2.18 m，其騰空時(shí)間分別為：640 ms、948 ms 和1250 ms。3 個(gè)動(dòng)作的身體重心高度在起跳瞬間基本相同，落地瞬間時(shí)分別為0.83 m、0.85 m 和0.73 m；落地后200 ms 重心分別下降了0.08 m、0.21 m和0.30 m。

圖3 BS、S720和S1080動(dòng)作身體重心（COG）垂直位移變化曲線（n=3）

BS落地的T0階段，兩側(cè)髖關(guān)節(jié)平均伸展了22°，膝關(guān)節(jié)角度基本沒有變化，踝關(guān)節(jié)角度先跖屈了8°，后背屈了24°（圖4A）；T1階段下肢3個(gè)關(guān)節(jié)角度變化較大，髖、膝和踝關(guān)節(jié)（背屈）分別屈曲了8°、20°和18°；在T2階段變化很小，3 個(gè)關(guān)節(jié)最后分別維持在90°、120°和60°附近（圖4A）。踝、膝和髖關(guān)節(jié)角速度先后在T1 階段達(dá)到峰值，分別為－3026°/s、－1578°/s 和－1086°/s，T2階段末，3個(gè)關(guān)節(jié)角速度分別都趨近于零（圖4B）。

S720 落地的T0 階段，髖、膝和踝關(guān)節(jié)的角度基本沒有變化（圖5A），T1階段其分別屈曲了4°、16°和34°，T2階段又分別屈曲31°、50°和21°；踝、膝和髖關(guān)節(jié)角速度先后在T2階段達(dá)到峰值，分別為－1093°/s、－720°/s和407°/s（圖5B）。

S1080 落地的T0、T1 和T2 階段，髖、膝和踝關(guān)節(jié)一直在屈曲，T0階段分別為27°、6°和22°，T1階段分別為19°、42°和25°，T2 階段分別為52°、71°和7°（圖6A）；踝、膝和髖關(guān)節(jié)角速度先后在T1 及T2 階段達(dá)到峰值，分別為－679°/s、－1415°/s和837°/s（圖6B）。

3種動(dòng)作落地的下肢關(guān)節(jié)力矩在T1階段表現(xiàn)出屈肌力矩（踝背屈），T2階段力矩方向反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出伸肌力矩（踝跖屈），且力矩幅值遠(yuǎn)大于T1 階段（圖4C、圖5C和圖6C）。BS和S720落地，T2階段下肢關(guān)節(jié)伸肌力矩大小關(guān)系為：膝>髖>踝（圖4C 和圖5C），S1080 落地中這種大小關(guān)系為：髖>膝>踝（圖6C）。

3 種動(dòng)作落地下肢關(guān)節(jié)反作用力（joint reaction force，JRF）大小關(guān)系為：踝>膝>髖，JRFs 峰值都出現(xiàn)在PvGRF 之后，即T2 階段（圖4D、圖5D 和圖6D）。BS落地左側(cè)下肢JRFs比右側(cè)先達(dá)到峰值（時(shí)差約8 ms），且兩側(cè)的踝、膝和髖JRFs峰值先后出現(xiàn)（圖4D）。S720和S1080動(dòng)作落地中，兩側(cè)的踝、膝和髖JRFs峰值幾乎同時(shí)出現(xiàn)；另外，S720 落地的左側(cè)下肢JRFs 峰值小于右側(cè)，而S1080落地的左側(cè)下肢JRFs峰值大于右側(cè)（圖5D和圖6D）。

BS、S720和S1080落地，仿真獲得的PvGRF分別為11.9 BW（圖4E）、16.8 BW（圖5E）和18.3 BW（圖6E）。使用測力臺(tái)獲取的BS 落地的PvGRF 為12.5 BW，與仿真結(jié)果（11.9 BW）相差4.6%，并且實(shí)測值與仿真結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)CMC 為0.86（>0.75）（圖4E）。BS 落地中左、右腳的PvGRF 分別為5.9 BW 和6.0 BW（圖4E），S720落地中左、右腳的PvGRF分別為7.3 BW和9.5 BW（圖5E），S1080 落地中左、右腳的PvGRF 分別為11.1 BW和7.3 BW（圖6E）。

圖4 BS落地下肢關(guān)節(jié)角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲線（n=1）

圖5 S720落地下肢關(guān)節(jié)角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲線（n=1）

圖6 S1080落地下肢關(guān)節(jié)角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲線（n=1）

BS、S720 和S1080 落地，下肢關(guān)節(jié)剛度大小關(guān)系為：髖>膝>踝（圖7），但S1080的T2階段出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)剛度大于膝關(guān)節(jié)的情況。另外，T2 階段的下肢關(guān)節(jié)剛度大于T1階段。3種動(dòng)作落地的下肢關(guān)節(jié)剛度比較未見明顯規(guī)律。

圖7 BS、S720和S1080落地時(shí)下肢關(guān)節(jié)T1和T2階段的剛度（n=3）

BS落地T0階段，左右下肢共8塊肌肉的肌電都已預(yù)激活（圖8），肌電幅值從T0 到T1 都在增加，并在PvGRF附近達(dá)到峰值，且在T2階段仍保持較高振幅。

圖8 BS標(biāo)準(zhǔn)化后肌電均方根（EMGRMS）的共激活（n=6）

3 討論

BS 是體操中的一個(gè)非?；A(chǔ)的技巧動(dòng)作，它是發(fā)展難度動(dòng)作以及組合動(dòng)作的基礎(chǔ)，S720、S1080與BS同屬于向后的空翻類技巧動(dòng)作[17]。BS、S720 和1080 難度依次增加，其騰空高度、落地后重心下降的幅度、峰值vGRF 也依次增加。沖擊初期3 種落地的髖、膝和踝關(guān)節(jié)快速屈曲，表現(xiàn)為屈肌力矩（踝背屈），而沖擊后期轉(zhuǎn)變?yōu)樯旒×兀柞徘?，且下肢EMGs、JRFs 及關(guān)節(jié)剛度達(dá)到較高水平。

落地前（T0 階段），3 種落地動(dòng)作的膝關(guān)節(jié)角度基本沒有變化，大致保持在約170°的微屈狀態(tài)。BS由于騰空時(shí)間較短，髖關(guān)節(jié)在此階段有一定幅度的伸展，主要是為了增加身體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以減小落地的角速度；踝關(guān)節(jié)有較大幅度的背屈，以至于踝關(guān)節(jié)的角速度在此階段達(dá)到或接近最大值。S720、S1080的騰空時(shí)間相對較長，身體處于伸展?fàn)顟B(tài)，S720下肢3個(gè)關(guān)節(jié)角度基本沒有變化，S1080的髖、踝關(guān)節(jié)同時(shí)小幅度屈曲（踝背屈），后者可能是由于難度更大，需要盡早地為落地做準(zhǔn)備。

落地沖擊初期（T1 階段）時(shí)間較短（36～40 ms），3種落地動(dòng)作的下肢關(guān)節(jié)都快速且有較大幅度的屈曲（踝背屈）。BS、S720都是踝關(guān)節(jié)角速度最大，而S1080卻是膝關(guān)節(jié)角速度最大，踝關(guān)節(jié)的最小，說明高難度動(dòng)作的落地站穩(wěn)需要踝關(guān)節(jié)更好的固定，這對踝關(guān)節(jié)提出了更高要求。流行病學(xué)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，踝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生率是體操項(xiàng)目中最高的[37，38]。BS、S720 和S1080動(dòng)作落地PvGRF 分別達(dá)到11.9BW，16.8 BW 和18.3 BW。有文獻(xiàn)報(bào)道BS落地PvGRF 為7.1～13.2 BW[25]，后空翻兩周落地時(shí)PvGRF 可以達(dá)到8.8～14.4 BW[21]。本研究S720 和S1080 落地的PvGRF 超過前人文獻(xiàn)的報(bào)道，可能因?yàn)檫@兩個(gè)技巧動(dòng)作難度高于后空翻兩周落地，但目前暫未看到更高難度動(dòng)作落地有關(guān)GRF 的報(bào)道。

另外，BS、S720 雙腳幾乎同時(shí)落地，而S1080 雙腳并非同時(shí)落地（間隔4～8 ms）。有研究發(fā)現(xiàn)雙腳依次著地技術(shù)與同時(shí)著地相比，可以減少落地沖擊力2～3 BW[5]，這可能是本研究S1080中左、右腳不同時(shí)落地的原因。雖然體操裁判很難分辨極短時(shí)間內(nèi)的不同步落地，但S1080先落地的左腳PvGRF比右腳大很多，左下肢JRFs 也明顯大于右側(cè)，這勢必會(huì)增加左下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)。3個(gè)動(dòng)作落地下肢關(guān)節(jié)都表現(xiàn)出屈肌力矩，意味著體操運(yùn)動(dòng)員并不是一旦觸地就馬上來抵抗沖擊負(fù)荷，而是下肢關(guān)節(jié)有主動(dòng)屈曲動(dòng)作。根據(jù)動(dòng)量定理（F·△t=m·△v），落地站穩(wěn)后速度為零，等式的右邊只由觸地瞬間的速度決定，所以體操運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)主動(dòng)屈曲，有利于增加沖擊力作用時(shí)間，從而達(dá)到有效減小沖擊力的目的。婁彥濤等[39]在研究自由式滑雪空中技巧落地時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用主動(dòng)屈髖、屈膝和背屈踝動(dòng)作，可以有效減少損傷的發(fā)生。所以，此階段運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)快速而主動(dòng)的屈曲（踝背屈），有利于更好地減緩落地沖擊；而高難度技巧動(dòng)作雙腳的不同步落地可能會(huì)增加一側(cè)關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)，尤其是踝關(guān)節(jié)。

落地沖擊后期（T2 階段）時(shí)間相對T1 較長（120～140 ms），BS 落地下肢關(guān)節(jié)角趨于穩(wěn)定，而S720 和S1080 落地會(huì)繼續(xù)快速屈曲（踝背屈）。隨著難度的增加，下肢關(guān)節(jié)的屈曲程度也會(huì)增加，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S1080最后下肢關(guān)節(jié)角度都小于90°，這種落地通常被稱為軟著陸（膝關(guān)節(jié)屈曲小于90°）[40]。研究報(bào)道增加落地時(shí)下肢關(guān)節(jié)角度可以有效減小GRF[25]，但可能會(huì)導(dǎo)致肌肉和韌帶的損傷風(fēng)險(xiǎn)、影響落地的穩(wěn)定性[5，41]。另外，3個(gè)動(dòng)作落地的下肢JRFs 在此階段達(dá)到峰值，且都是踝關(guān)節(jié)最大，膝其次，髖最小，這可能與3 個(gè)關(guān)節(jié)距地面作用點(diǎn)的距離有關(guān)，體現(xiàn)了多關(guān)節(jié)之間的協(xié)同[42]。還有，這些JRFs 峰值都發(fā)生在各自的PvGRF 之后，S720、S1080 落地下肢JRFs 幾乎同步達(dá)到峰值，說明更難的技巧動(dòng)作落地下肢關(guān)節(jié)會(huì)采用同步用力方式來抵抗落地沖擊。3個(gè)動(dòng)作落地下肢關(guān)節(jié)從T1階段的屈肌力矩轉(zhuǎn)變?yōu)榇穗A段的伸肌力矩（踝跖屈力矩），且大小為屈肌力矩的幾倍，說明此階段下肢關(guān)節(jié)在全力抵抗落地沖擊。BS、S720落地膝關(guān)節(jié)伸肌力矩大于髖和踝關(guān)節(jié)，提示膝關(guān)節(jié)在落地中緩沖了更多的GRF。然而，在S1080 落地中，髖關(guān)節(jié)的伸肌力矩最大，提示運(yùn)動(dòng)員在一般難度動(dòng)作中使用以膝關(guān)節(jié)為主的緩沖策略，而在更高難度的動(dòng)作中會(huì)使用以髖關(guān)節(jié)為主的緩沖策略。因此，隨著動(dòng)作落地難度的增加，下肢關(guān)節(jié)會(huì)增大屈曲角度和伸肌力矩，以及由膝關(guān)節(jié)為主的緩沖策略向髖關(guān)節(jié)為主的緩沖策略轉(zhuǎn)變，與此同時(shí)也對踝關(guān)節(jié)及周圍韌帶提出了更高的要求，增加了其損傷風(fēng)險(xiǎn)。

下肢關(guān)節(jié)剛度和肌肉的激活水平在落地過程中起到重要的調(diào)節(jié)作用。盡管剛度本身是一個(gè)材料力學(xué)概念，但可以將關(guān)節(jié)的變形和屈曲行為簡化成彈簧-質(zhì)量模型[43]。關(guān)節(jié)剛度自身的調(diào)節(jié)也要依賴于關(guān)節(jié)周圍肌肉的激活程度和神經(jīng)反饋?zhàn)饔肹44]。上述所測的下肢表面肌電信號(hào)結(jié)果表明，T0階段都已激活，為落地做好積極準(zhǔn)備，T0到T1階段肌電均方根振幅總體上呈增加趨勢，并在T2階段仍保持較高的激活水平。下肢關(guān)節(jié)剛度在T2階段大于T1階段，這種剛度的調(diào)節(jié)有利于身體姿勢的穩(wěn)定，以及順應(yīng)周圍的環(huán)境[45]。T2階段下肢關(guān)節(jié)剛度的增加有利于防止身體的“坍塌”，它和下肢關(guān)節(jié)力、伸肌力矩和肌肉激活程度共同吸收或抵抗落地沖擊。另外，值得關(guān)注的是S1080的T2階段踝關(guān)節(jié)剛度大于膝關(guān)節(jié)，可能是由于踝關(guān)節(jié)屈曲角度減小所致。踝關(guān)節(jié)在這3個(gè)關(guān)節(jié)中屬于較小的關(guān)節(jié)，在高難度動(dòng)作落地中剛度過大，可能會(huì)增加其撞擊性損傷風(fēng)險(xiǎn)[46]。Brad?shaw 等[5]曾對兩名體操運(yùn)動(dòng)員長期跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，其踝關(guān)節(jié)剛度的增加，引起了單腳或雙腳足跟疾病。

綜上，本研究顯示，著地前體操運(yùn)動(dòng)員伸展下肢關(guān)節(jié)，即將落地和落地沖擊初期快速主動(dòng)屈曲下肢關(guān)節(jié)，而在落地沖擊后期全力伸展下肢關(guān)節(jié)。這種落地策略可以有效減緩落地沖擊，有利于下肢損傷的預(yù)防。本研究也存在局限性：①樣本量較小，BS、S720 和S1080每個(gè)動(dòng)作只取了1 個(gè)樣本，都是基于體操評(píng)分規(guī)則選擇的最好的一個(gè)動(dòng)作。②研究只涉及到男子體操運(yùn)動(dòng)員，而沒有女子體操運(yùn)動(dòng)員，男子和女子運(yùn)動(dòng)員在身體形態(tài)、素質(zhì)和機(jī)能上存在差異。因此，今后的研究仍需增加動(dòng)作的樣本，并包含男子和女子運(yùn)動(dòng)員。

4 結(jié)論

體操后空翻類技巧動(dòng)作的落地，下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷隨著動(dòng)作難度的增加而明顯增加。在即將落地前，更高難度的動(dòng)作需要提前屈曲下肢關(guān)節(jié)為落地做積極準(zhǔn)備；落地沖擊初期，下肢關(guān)節(jié)快速主動(dòng)屈曲，更高難度的動(dòng)作可能還會(huì)采取雙腳不完全同步落地的緩沖策略；落地沖擊后期，下肢關(guān)節(jié)全力伸展，更高難度的動(dòng)作落地還會(huì)繼續(xù)增加下肢關(guān)節(jié)屈曲以抵抗沖擊。