旋子转体720°接马步落地动作的运动生物力学研究

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  通过查阅近 20 年的文献资料,发现目前关于武术的研究大都倾向于武术教学与教法、武术文化以及武术史等方面,多为定性的研究。而运用运动生物力学“多机”测试仪器对武术动作进行定性和定量综合分析的却鲜有见到。近年来研究主要集中在对腾空飞脚、腾空摆莲、旋子转体等动作上,在研究方法方面主要采用运动学方法; 从技术层面上来看,主要从身体重心与重心速度、角度、身体各环节速度方面进行分析,从机械运动的角度入手较多,并且对技术动作阶段的划分尚不确切,未能考虑到影响人体运动的某些内部因素。

  基于以上原因,采用 “三机同步”测试研究方法,对旋子转体 720°接马步落地动作进行较深入的运动生物力学研究,分析出优秀运动员完成该动作的技术要领及生物力学特征,同时找出数据中的不足部分,为运动员科学合理的训练提供理论依据和数据支持。

  1 研究对象与方法
  
  1. 1 研究对象
  
  以陕西省体工队武术专业国家一级运动员 1人、西安体育学院武术专业国家一级运动员 2 人为研究对象( 表 1) .【1】

  
  1. 2 研究方法
  
  1. 2. 1 文献资料法 通过查阅、分析国内外相关文献资料,了解目前关于武术旋子转体动作技术的研究现状及理论基础,并对其进行分类整理,对于与本文的研究目的和任务相关的信息作了较为详细的归纳与总结。

  1. 2. 2 专家访谈法 通过走访运动生物力学有关专家,了解有关竞技武术跳跃类难度动作旋子转体720°接马步动作技术的生物力学知识,确定研究动作的选取、肌电测试的肌肉选择,以及摄像机、遥测肌电测试仪及同步信号发生器的使用方法,并向运动队教练员了解旋子转体动作技术的特点。

  1. 2. 3 测试法 使用芬兰 MEGA Electronic Ltd. 制造的 MEGWIN6000 16 通道遥测肌电测试仪、瑞士KISTLER9287C 测力台、美国 PULNIX 高速摄像机。

  开机后,当高速摄像机、遥测肌电测试仪和三维测力台工作正常时,开启三维测力台中的同步信号发生器,同时触发高速摄像机要捕捉的画面内的同步信号灯及触发遥测肌电测试仪在原始肌电输出曲线上的 MARK 标记,同时打上 MARK 标记。三机同步进行现场定点测试,测试范围从起跳脚着测力台开始至起跳腿离开测力台瞬间结束。

  1. 2. 4 数理统计法 运动学数据处理: 采用日本松井秀治的人体模型,解析时选取人体 19 个关节点和1 个静止参考点( 共计 20 个点) ,通过图像剪辑、图形合成、图像解析等,采用美国 Ariel 公司的 APAS运动录像解析系统对动作进行数字化处理,得到测试动作的速度、角度、重心高度以及角速度等相关运动学数据,再将这些数据 Microsoft Excel 软件进行统计和分析。

  遥测肌电数据处理: 用芬兰 MEGAWIN 公司自带的 MegaWin2. 4 软件对采集到的表面肌电信号进行计算、处理。导出 ASC 文件,再将数据结果转换并存为。“ xls”格式的文件,将数据输入 EXCEL 软件中,得出测量肌肉的积分肌电值、肌肉贡献率、肌肉发力顺序( 本研究以大于肌肉积分肌电最大值的10% 为标准,并且持续 0. 05 s 以上的时间点,为肌肉激活时间) 、肌肉持续用力时间等参数,运用 Mi-crosoft Excel 软件进行统计处理和分析。

  常规统计学处理: 将肌电、摄像系统和测力数据各自计算、处理和分析后的数据用 Microsoft Excel 软件进行统计和分析。本文进行分析计算所采用的坐标轴的方向如图 1.【2】

  
  2 研究结果与分析
  
  2. 1 起跳阶段的运动生物力学特征
  
  2. 1. 1 头部动作环节的运动学和分析 从表 2、表3 中看出,从最大缓冲瞬间到左脚离地瞬间头部向左上方摆动,运动轨迹呈现一个渐升的弧线,而且头部逐渐向左肩倾斜。通过解析,发现 3 名运动员头部合速度逐渐减小,由平均 7. 47 m/s 到平均 5. 15m / s; 头部向运动方向左侧的分速度也明显减小,由平均 6. 21 m/s 减小到 - 0. 17 m/s.而头部向上的分速度增加,平均速度由 - 1. 13 m/s 增加到 4. 02m / s.【3】
  

  2. 1. 2 上肢动作环节的运动学和肌肉力学分析表 4 数据显示,运动员从最大缓冲瞬间到左脚离地瞬间的过程中右手的合速度变化不大,3 次测试中运动员左手的合速度增加了,于* 的左手速度由 6.96 m / s 增大到 8. 23 m / s,于**的速度由 6. 71 m / s增大到9. 97 m/s,杨* 的速度由7. 13 m/s 增大到8.97 m / s.左手速度的增加是由左臂由屈到直的摆动引起的。而在左脚离地瞬间受试者的右手在垂直方向上的速度较最大缓冲瞬间都有明显的增大。这是因为在最大缓冲个瞬间到左脚离地瞬间的过程中,通过不对称的加速摆动,能加强了人体绕纵轴的转动能力,有利于完成空中的转体动作。而两臂在这一过程中的弧线摆动同时又加强了人体绕矢状轴的转动能力,有利于自身完成空中旋子的动作。在此过程中右侧三角肌内侧和右侧肱二头肌等上肢肌群也都表现出了较强的兴奋性。【4】

  
  2. 1. 3 下肢动作环节的动力学和运动学分析 从测力台受力情况折线图中可以看出,起跳阶段地面垂直反作用力随时间变化折线图呈现 1 个典型的特征: 3 个波峰和1 个波谷。从运动员第3 次波峰的数据来看,杨* 所达到的峰值最高,为 238. 3 N,较第 2次峰值增加了 40 N; 于**次之,第 3 次峰值达到194. 1 N,较第 2 次峰值增加了 38 N; 于* 最小。由此说明运动员杨* 下肢肌肉力量最强,并且爆发力较好,于**次之,于* 最差。

  运动员在起跳阶段蹬伸离地时刻髋关节和膝关节的伸展都比较充分,其中髋关节角度在最大缓冲阶段平均为 34. 7°,在蹬伸离地瞬间为 170. 3°,在蹬伸阶段角度增加了 135. 6°。膝关节角度在最大缓冲瞬间为 127. 7°,蹬伸离地时刻为 167. 9°。平均增加了40. 2°。髋、膝关节的变化说明在蹬伸过程中,髋、膝关节一起迅速伸直,起跳腿膝关节角度迅速增大,这种快速的蹬伸有利于增大蹬地力量、提高身体重心腾起的垂直速度。【5】

  
  通过高速摄像观察和数据解析发现,运动员的右脚在离地后快速向右上方摆动,这样右腿的加速上摆所产生的惯性力和体重一起作用于左脚上,使得左腿的负荷加大,增加了左腿肌肉的紧张程度,提高了肌肉的弹性势能,同时配合了两臂向左上方的摆动,为左腿更好地蹬伸和身体完成旋转提供了动力。在左脚离地瞬间,运动员垂直速度迅速增大,其中于* 增大了 5. 66 m/s,于**增大了 1. 5 m/s,但是从表 5 中可以看出于**在左脚触地瞬间垂直速度就比较大,虽然增加幅度不大,但是重心一直保持较高的速度,杨* 的垂直速度增加了3. 03 m/s,垂直速度越大,使得腾起初速度就越大。

  2. 1. 4 起跳阶段所测肌肉的肌肉力学分析 在助跑起跳阶段,运动员的大部分肌肉已经开始活动,不同的是活动强度和激活顺序不一样。助跑起跳阶段的肌肉激活顺序为左侧臀大肌、左侧腓肠肌后侧,左侧股二头肌、左侧股直肌、右侧竖脊肌、左侧三角肌外侧,右侧三角肌内侧,右侧肱二头肌、右侧肱三头肌、左侧腹外斜肌、右侧腹外斜肌、右侧腹直肌。从3 名运动员所测肌肉激活延迟时间( 平均为 0. 07 s)来看,杨* 肌肉激活时间最迅速,也就是说肌纤维募集程度较高,于* 次之,于**最慢。

  从肌肉活动持续时间来看,左侧股二头肌、股直肌、右侧三角肌和肱二头肌持续时间最长,腓肠肌后侧、臀大肌以及左侧三角肌外侧持续时间次之,躯干肌群持续时间最短,原因可能是运动员在助跑阶段速度比较快,下肢集群募集相对较多,在缓冲阶段起跳腿部分肌群做退让性工作( 离心收缩) ,起跳蹬伸阶段髋关节的伸肌群收缩( 臀大肌) ,膝关节肌群做向心收缩,如股二头肌为双关节肌,既能使髋关节伸又是屈膝的主要肌肉,所以作用时间相对较长,加上上肢手臂向左上方的摆动配合,共同完成起跳。

  2. 2 旋子转体 720°腾空阶段动作运动学和肌肉力学分析【6】

  
  从表 6 技术动作分析看,杨* 左脚离地瞬间重心速度最大为5. 89 m/s,达到最高腾空点时,腾空高度相对于其他两人来说要高,腾空高度达到 1. 53m,其动作完成的质量也相对较高。于**次之,左脚离地瞬间的重心速度为 5. 83 m/s,腾空重心高度为 1. 5 m.于* 表现最差,左脚离地瞬间重心速度和最大腾空高度都相对都较低。通过对比运动员 3 次动作的表面肌电曲线图同时结合数据分析,运动员的右臂肌群都表现出了较强的兴奋性,并且振幅较大,尤其是右臂肱三头肌振幅最大,持续时间最长,这说明在左脚离地瞬间右臂继续带动身体上摆,其主要发力肌为肱三头肌,肱三头肌近固定收缩时,长头使上臂在肩关节处伸,三头共同收缩使前臂在肘关节处伸。所以,右臂的上摆肱三头肌为主要发力肌。

  同时还发现此阶段运动员腰腹部肌肉的曲线一直保持持续的波动,尤其是右侧腹直肌兴奋性较强,其他腰腹部肌群,如左、右腹外斜肌,右侧竖脊肌,也保持一定的兴奋性,但振幅较小,在腾空阶段腰腹部肌群的主要作用就是控制身体的稳定,保持挺胸、直腰、梗头的姿态。

  在下肢肌肉肌群中左腿腓肠肌后侧近固定收缩时,使足在踝关节处跖屈,所以腓肠肌在进入腾空阶段后处于收缩状态,左腿股二头肌表现出了较强的兴奋性,振幅最大,并且持续时间贯穿整个阶段。运动员左脚离地之后进入腾空阶段,左腿积极向右腿靠拢,两腿保持并拢伸直姿态,同时要绷脚尖,此时左腿股二头肌近固定收缩,使大腿在髋关节处伸。
  
  2. 3 落地接马步阶段动作的运动学和肌肉力学分析
  
  当运动员完成空中动作落地时两臂在左脚落地后快速向两侧展开,来维持身体的平衡。同时,马步动作对运动员肌肉的弹性和柔韧性提出了很高的要求。从表 7 运动员双脚落地时间差来看,于* 、于**双脚落地时间差相对较小一些,分别为 0. 02 s 和0. 04 s,而杨* 双脚落地时间差较大,达到 0. 08 s.

  在现行的裁判体制中,场上的裁判员是靠耳朵听声音来判断运动员在落地时两脚是否同时着地。如果只听到一个声音,则视为运动员两脚同时落地,符合要求。反之则视为运动员两脚依次落地,相应的连接难度分就会扣掉。在郭明明和黄强等人的研究中同样也发现了相同的问题,通过观察每个运动员的高速摄像,运动员的双脚并没有同时落地,但是在比赛中都得到了连接难度的得分。所以在现行的武术裁判评分方法下,这种失误是可以被忽略的。运动员在落地马步过程中下肢肌群和竖脊肌表现出了较强的兴奋性。在落地缓冲阶段,除右侧腹外斜肌肌电积分值较小以外( 平均肌电积分值为 82uvs) 其他 11 块肌肉都一致表现出较强的兴奋性,尤其是右侧竖脊肌最为突出,平均肌电积分值达到了434 uVs,最大放电值为 1 371 uVs.这可能是由于在落地缓冲阶段运动员为保持身体平衡,身体躯干稍向前倾,脊柱前屈,两侧的竖脊肌在固定的状态下收缩,所以兴奋性较高,放电较强,在落地缓冲阶段控制身体的平衡起重要作用。

  3 结论及建议
  
  3. 1 结论
  
  1) 起跳阶段。在起跳阶段,运动员头部向左上方的加速摆动,两手臂不对称的加速摆动,以及从最大缓冲瞬间到左脚离地瞬间右脚向右上方的摆动,有利于加强运动员绕身体矢状轴和纵轴的旋转能力。通过分析测力台的曲线图可知,杨* 起跳腿的发力情况呈现一个上升的趋势,且第 3 次达到了 3人中最高峰值,238. 5 N.这说明杨* 起跳腿力量较强,从在左脚离地瞬间杨* 的重心速度也达到了最大值( 5. 89 m/s) ,与测力台数据表现一致。于**在整个起跳阶段始终保持着较高的速度,起跳瞬间的重心高度达到 5. 83 m/s,杨* 在身体各部位动作速度不占优势的情况下,左脚离地瞬间的重心速度达到了 5. 89 m/s,充分说明杨* 具有很强的腿部力量和爆发力。

  同时结合运动员动作过程中肌肉激活顺序和持续发力时间进行分析,运动员肌肉激活顺序为左侧臀大肌、左侧腓肠肌后侧,左侧股二头肌、左侧股直肌、右侧竖脊肌、左侧三角肌外侧,右侧三角肌内侧,右侧肱二头肌、右侧肱三头肌、左侧腹外斜肌、右侧腹外斜肌、右侧腹直肌。从肌肉活动持续时间来看左侧股二头肌、股直肌、右侧三角肌和肱二头肌持续时间最长,腓肠肌后侧、臀大肌以及左侧三角肌外侧持续时间次之,躯干肌群持续时间最短,从肌纤维募集程度来看,杨* 肌纤维募集速度最快,从杨* 起跳瞬间的重心速度和测力台 3 组峰值数据也充分说明了这一点。

  2) 腾空阶段。通过对运动员起跳阶段动作技术的分析,发现杨* 起跳腿力量和爆发力较强。从技术动作上看,杨* 在左脚离地瞬间重心速度最大,为5. 89 m / s,达到最高腾空点时,腾空高度相对于其他两人来说要高,腾空高度达到 1. 53 m,其动作完成的质量相对较高; 于**相对于杨* 来说左脚离地瞬间速度要小,为5.83 m/s,但腾空高度仅次于杨* ,达到1. 5 m; 于* 此阶段最差,动作完成质量不高。

  腾空阶段所测肌肉中,下肢肌肉肌群中的左侧股二头肌表现出了较强的兴奋性,振幅最大,持续放电时间也最长,贯穿整个腾空阶段; 左腿腓肠肌后侧近固定收缩时,使足在踝关节处屈,所以腓肠肌在进入腾空阶段后处于收缩状态。

  3) 落地阶段。落地后,从支撑侧下肢肌肉放电情况来看,下肢肌肉肌群和竖脊肌都表现出持续而强烈的兴奋性,尤其是右侧的竖脊肌表现格外突出,平均肌电积分值达到了 434 uvs,最大放电值为 1371uv,其次是股直肌、腓肠肌和股二头肌。在完成动作过程中,3 名运动员还存在着实际转体角度不足和落地接马步时两脚没能同时落地的问题。

  从肌肉做功与负荷情况来看,右侧的竖脊肌做功与负荷最大,也就是说右侧竖脊肌的贡献率最大,其次是股二头肌。

  3. 2 建议
  
  1) 在训练的过程中加强头部和两臂向左上方的弧线摆动速度,以提高运动员空中旋转角速度。

  2) 教练员在对运动员训练时要求运动员落地时尽量双脚同时落地,在落地时刻应采用右脚向右的侧蹬动作,有助于落地的稳定。运动员有意识地加速自身旋转,缩短旋转时间,让运动员尽可能在武术套路规则允许的范围内缩短两脚依次着地的时间。

  3) 加强运动员对武术跳跃类动作运动生物力学知识的学习,使用现场高速摄像回放等,使其更深入地理解该动作的技术特征,有利于运动员更好地完成技术动作。

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