青年男子下蹲跳动作的运动生物力学分析

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  纵跳在很多运动项目的选材和训练中都有广泛应用[1-6].例如跳高、跳远、举重、武术套路、跆拳道、篮球、排球等。同时,纵跳也是体现普通人群跳跃能力的基本指标之一[7].下蹲跳 (Counter Movement Jump,CMJ)是纵跳的一种特殊形式,是一种垂直起跳前先下蹲的纵跳方式。在CMJ过程中,首先要屈膝下蹲,下肢伸肌群被动拉长;然后要蹬伸起跳,下肢伸肌群主动收缩。肌肉的此种收缩方式称为超等长收缩,有利于增强向心收缩时肌肉的力量。目前,国内外对于CMJ的研究大多集中在训练方法对跳跃能力的影响[8-12]或不同运动项目CMJ力学特征[13-14]等方面,很少有关于一般人群CMJ运动生物力学特征的分析[15].本研究从动力学、运动学两个方面探索一般青年男子CMJ的特征,旨在揭示摆臂在下蹲跳中的作用机理,探索合理的摆臂技术特征,为运动员选材、科学训练以及增强普通人群纵跳能力提供依据。

  1 研究对象与方法
  
  1.1研究对象
  
  本实验选取了64名普通青年男子大学生作为研究对象,要求身体健康,近两个月没有伤病情况,四肢健全没有陈旧性疾病,基本情况见表1.【1】

  
  1.2研究方法
  
  文献资料法。在中国知网上查阅有关 “下蹲跳”的文献资料,了解相关研究方法和成果。

  实验测试法。本研究采用动力学和运动学同步测试。动力学测试采用中国科学院合肥智能研究所研制的KY三维测力平台,采用频率为500 Hz/s,动力学分析中均扣除了受试者体重;运动学测试采用JVC9800摄像机进行二维摄像,拍摄速度50fps,拍摄距离为10m,摄像机主光轴垂直于运动平面,录像解析软件采用的是dartfish5.0.所有测试在一周内完成,每个上午的9∶30开始,11∶30结束。每位受试者摆臂CMJ和不摆臂CMJ均测试三次,分析时取动作最协调的一个。摆臂CMJ测试要求:受试者垂直站立于测力台上,两腿开立与肩同宽,起始动作为双臂竖直举起,自由摆臂下蹲,垂直起跳。不摆臂CMJ测试要求:受试者双手交叉背于身后,两腿开立与肩同宽,直立开始自由下蹲垂直起跳。

  统计分析法。定量数据的描述方法为均数±标准差。摆臂与不摆臂的对比分析采用的是配对样本t检验。显着性水平为0.05,非常显着性水平为0.01.

  2 结果与分析
  
  2.1 CMJ动作阶段及基本特征分析
  
  图1和图2分别是摆臂和不摆臂自由纵跳Fz随时间变化曲线图。结合摄像法的同步分析,可以总结出CMJ的动作阶段和基本特征。

  摆臂CMJ的动作阶段和基本特征:

  ab段为加速下蹲阶段。手臂由垂直状态下摆,髋、膝、踝关节角度均减小,支反力 (地面支撑反作用力)迅速减小,身体重心加速度方向向下。

  b点身体重心向下运动加速度值达到最大,支反力最小。

  bc段为缓冲阶段。手臂由前向后绕肩关节摆动,髋、膝、踝关节角度进一步减小,下肢伸肌群离心收缩,加速度由负值转为正值 (方向向上为正)。

  c点是缓冲最大时刻,也是由缓冲转为蹬伸的临界点,手臂向后上方摆动到最大限度,身体重心达到最低点,支反力最大,加速度值最大,身体重心运动速度为0.仅摆臂CMJ出现了o点平台区,此时手臂几乎处于垂直状态。

  cf段为蹬伸阶段。手臂由后向前摆动,髋、膝、踝关节角度不断增大,下肢伸肌群由离心收缩转为向心收缩。

  cd段为蹬伸阶段初期,手臂由后上方向下摆动,支反力减小,d点时手臂几乎处于垂直状态;de段为蹬伸中期,手臂由垂直向前上方摆动,支反力增大;ef段为蹬伸末期,手臂继续上摆,支反力迅速减小,直到蹬离地面变为0.fg段为腾空阶段。

  f点为离地瞬间,g为着地瞬间。根据腾空阶段时间长度可计算跳跃高度。公式为h=gt2/2,公式中g为重力加速度,t为腾空时间的一半。

  不摆臂CMJ动作阶段划分方法和摆臂时一致。但是,两者最明显的区别是不摆臂CMJ时没有 “o”点,“e”点比摆臂时低。

  2.2跳跃高度分析
  
  根据腾 空 时 间 可 以 计 算 跳 跃 高 度,摆 臂 跳 跃 高 度 为0.459±0.027m,不摆臂跳跃高度为0.420±0.022m.t检验表明,差异非常显着,摆臂比不摆臂提高了约8.5%.通过查阅文献资料,了解到摆臂在缓冲阶段可以减少地面的支反力,在蹬伸阶段可以增大地面的支反力,还可以提高重心,有利于 跳 跃 高 度 的 提 升[16-19].但 是 这 些 不 足 以 揭 示CMJ的生物力学特征。我们需要对CMJ进行更加全面和深入的剖析,找出影响跳跃高度的因素,辅助我们有针对性地制订更加详细的训练或练习方案,提高跳跃高度。

  2.3 CMJ时间、空间参数特征分析【2】

  
  表2表明,CMJ脚触地的整个阶段 (af),摆臂与不摆臂总用时没有显着性差异。下蹲缓冲阶段 (ac),摆臂CMJ与不摆臂总时长没有差异,但是相对于不摆臂CMJ,摆臂CMJ在加速下蹲阶段用时较短,在缓冲阶段用时较长。结合图1和图2的Fz-t曲线可知,加速下蹲阶段,手臂向下摆动,惯性力减小了支反力,加深了人体的失重状态,使人体较快地达到了最大失重状态;缓冲阶段,摆臂CMJ出现了o点平台区。

  o点开始,手臂由垂直状态向后上方摆动,惯性力矩、重力矩、支反力矩与肌肉伸力矩的对抗延长了缓冲时间。

  蹬伸阶段,摆臂CMJ比不摆臂用时较长,主要表现在蹬伸的中期和后期。蹬伸初期,摆动CMJ中,手臂加速下摆,肌肉伸肌群迅速克服阻力矩,有利于身体向上速度的增加;蹬伸中期,手臂开始上摆,惯性力向下,加大了地面的支反力,有利于身体向上的进一步加速;蹬伸后期,手臂上摆速度减小甚至制动,有利于蹬伸动作的完成,同时提高了身体重心,实现了动量矩由手臂向身体的转移。蹬伸中后期,由于支反力的加大,延长了肌肉伸力矩和阻力矩的对抗时间。【3】

  表3中,肩关节角度指手臂与躯干纵轴夹角,手臂在躯干前角度为正,在躯干后为负。无论摆臂与否,所有关节角度均是 “大-小-大”的变化过程。

  CMJ中,至c时刻,所有关节角度达到了最小值,说明在最大缓冲时刻,所有关节被 “压缩”,弹性势能储存到极致,已经做好了下一步蹬伸的准备。髋关节和膝关节是蹬伸用力最主要的两个关节。摆臂CMJ中,髋、膝两关节被 “压缩”程度均低于不摆臂的情况,这可能是由于上臂后摆至极限出现了制动,导致向上的动量矩向全身传递,从而减小了支反力,同时也减轻了对两关节的压缩。

  在b时刻,摆臂CMJ中,髋、膝两关节角度均远远大于不摆臂的情况。这是由于摆臂下蹲阶段,向下加速是通过髋、膝关节的屈曲和向下摆臂的双重作用实现的,而不摆臂仅是通过髋、膝关节的屈曲实现。

  2.4 CMJ动力学参数特征分析【4】

  
  由表4可知,对于整个CMJ过程,摆臂CMJ比不摆臂冲量较大。但是,在下蹲缓冲阶段,摆臂与不摆臂CMJ的冲量没有显着性差异。而且,在蹬伸阶段,除了蹬伸初期外,其他时间段中,摆臂的冲量均比不摆臂大。蹬伸初期,由于加速向下摆臂的作用,摆臂纵跳的冲量小于不摆臂。

  从地面反作用力的角度而言,除了c点,也就是最大缓冲时刻外,摆臂纵跳时支反力均大于不摆臂。结合表3中c点的关节角度可知,这是由于摆臂CMJ时,髋、膝关节被“压缩”的程度弱于不摆臂的情况。

  c点是缓冲动作转换为蹬伸动作的关键时刻,因此,可以认为,髋、膝关节较弱的“压缩”程度促成了较小的关节角度,进而表现的支反力较小,这有利于蹬伸力矩克服阻力矩,进行快速的蹬伸加速。

  3 结论
  
  摆臂CMJ比不摆臂跳跃高度提高约8.5%.
  
  下蹲缓冲阶段,摆臂CMJ与不摆臂总时长没有差异。但是,相对于不摆臂CMJ,摆臂CMJ在加速下蹲阶段用时较短,在缓冲阶段用时较长。

  缓冲阶段,摆臂CMJ出现了o点平台区。o点开始,手臂由垂直状态向后上方摆动,惯性力矩、重力矩、支反力矩与肌肉伸力矩的对抗延长了缓冲时间。

  蹬伸阶段,摆臂CMJ比不摆臂用时较长,主要表现在蹬伸的中期和后期。

  在最大缓冲时刻,所有关节角度达到了最小值,摆臂时髋、膝两关节被 “压缩”程度均低于不摆臂的情况,支反力也小于不摆臂情况,这有利于蹬伸力矩克服阻力矩,进行快速的蹬伸加速。

  蹬伸中期和后期,摆臂CMJ的冲量均比不摆臂大。蹬伸初期,由于加速向下摆臂的作用,使摆臂纵跳的冲量小于不摆臂。

  参考文献:

  [1]陈海春,陈慧娟,邱应龙,等.奥运优秀后备轻量级男子举重运动员选材模型研究[J].北京体育大学学报,2012(4):137-140.
  [2]魏俊民,吴长稳,王力,等.体能主导类速度性项群与国民体质纵跳成绩区域分布关系的研究[J].河北体育学院学报,2010(4):75-77.

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