蹦床选手触网起跳技术的生物力学研究

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论文摘要

  蹦床是运动员在网上借助弹力床的弹力将人体弹向空中,在空中做各种体操动作和翻筋斗的竞技运动。蹦床运动在我国取得了飞速的发展,特别是在北京奥运会上,中国健儿勇夺男女单项金牌。其中踩网技术是网上蹦床的重要技术之一。踩网俗称压网,运动员落网后依靠腿部和脚踝向下压网的力量,最大限度的让网产生向下的作用力,从而造成向上的反弹作用。由于蹦床起跳技术(包括着网与起网两个阶段)的优劣直接影响整套动作的质量及完成情况,所以,对蹦床运动员着网起跳动作进行生物力学研究具有重要的现实意义。

  1、研究方法

  1.1研究对象

  1)遴选江苏省蹦床队网上男子一线优秀运动员7名,平均年龄(21±1.8)岁;平均身高(170±1.8)cm;平均体重(62.3±1.5)kg,参加本实验前熟悉实验步骤和实验要求。2)国际体操运动标准比赛蹦床弹性网一张,5.2m×3.1m×1m。

  1.2测试仪器与设备

  1)Sony摄像机1台,采集频率为50Hz,300万像素;2)采用德国Novel足底压力分布测试系统,数据采集频率为100Hz;3)flexcomb表面肌电分析系统。

  1.3实验方法

  1.3.1网的弹性系数测量实验步骤

  1)将蹦床网分成3个区,为运动员常落入的3个区域(图1)。2)分别测量3个区域初始状态时,最低点的离地距离。3)进行加载,对3个区域分别进行加载,加载负荷由0~100kg,每次增加负荷为10kg。

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  1.3.2足底力学与表面肌电的同步测试

  采用Emed-pedar足底压力测量采集系统,对左右鞋垫进行调零,受试者开始运动时,开始采集数据并将摄像机开启。表面肌电仪的表面电极顺着肌纤维的走向依次贴在七块肌肉(股直肌,胫骨前肌,腓肠肌,腘绳肌,臀大肌,竖脊肌(腰骶部),腹肌)的肌腹上。把压力传感器放入受试者足底部,把角度传感器放入受试者足背部与皮肤紧贴(足背屈传感器角度变小,跖屈变大),最后,将信号处理器机盒固定在运动员腰部。结合同步的足底压力和摄影机拍摄的画面,进行后期剪切,找出不同区域不同踩网阶段的肌电图以获得原始分析资料(在选取时应注意采集肌电变化较为稳定的几个周期中的一个作为分析标的)。具体为找出着网踩网最低、离网、空中最高这些时间点,然后划分不同阶段。

  1.4实验控制与数据处理

  我们对运动员的实验数据采集均在运动员在网上预备起跳后的最后立臂跳,也就是做第一个有效动作之前完成,数据分析采用SPSS13.0统计软件包完成,结果均以X±S表示。

  2、结果与分析

  2.1网的弹性系数

  经过测量可知网的弹性系数不是一个恒定指标,随着负荷的变化而发生变化。一区域的弹性系数为(40.556±7.321)N/cm,趋势线为:Y=-0.0252X2+2.3357X+28.468进行描述,R2=0.8323。二区域的弹性系数为(41.441±6.803)N/cm,趋势线为Y=0.0989X2+0.9919X+32.179进行描述,R2=0.8688。三区域的弹性系数为(44.469±8.406)N/cm,趋势线为Y=0.2511X2-0.1008X+35.357进行描述,R2=0.9711。由计算结果可看出,总体上三个区域的弹性系数随着负荷的增加而增加,对比三个趋势线,弹性系数一区域﹤二区域﹤三区域。

  2.2足底压力

  2.2.1足底压力分区将足底分为图2所示的7个区域,即5个趾骨(Toe1~5)为1区域,第4和第5跖骨(Meta4~5)为2区域,第3和第2跖骨(Meta2~3)为3区域,第1跖骨(Meta1)为4区域,足弓外侧(MidFootLateral)为5区域,足弓内侧(MidFootMedial)为6区域,足跟(Medial)为7区域。测得每个区域的平均力值(MeanForce)、峰值压强(Peakpressure)以及接触面积(ContactArea)。

  2.2.2足底压力。从着网起跳的压力分布曲线来看,蹦床运动员每次跳跃过程形成一个总压力波峰,而且足底各区域的压力峰值几乎发生在同一时刻,而非步行或跑步表现出的各区域压力峰值有双波峰的特征(图3、图4)。

  2.2.3足底压力中心轨迹。由图5,我们可以看出,压力中心主要在足中部,足弓部分过渡到足前掌。曲线较短,说明承受的冲量较大。3个区域压力中心轨迹速度没有明显差异,着网后单脚的足底压力中心,由前脚掌向下移动,在全掌着网时刻以6.68m/s速度瞬间到达足中区。随后以0.14m/s缓慢向下移动,至网最低点时,稳定在足弓中部。在起网的过程中,单脚的足底压力中心以0.49m/s的速度,由足中区向前脚掌中前部区域移动,最后在离网的瞬间足底压力中心轨迹消失(表1)。

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  2.2.4足底的力学分析。在整个压网过程中,触网时刻最先受力的是Mo2、3、4区域即跖骨部分,足底Mo3区域即2、3跖骨受力值均大于Mo2、Mo4区域,Mo5、6、7区域受力趋近于0;全掌着网时刻,足底7个区域力值均迅速增大,Mo7区域即足跟部分均大于其他各个区域,Mo5区域即足弓外侧大于Mo6区域即足弓内侧;网最低点时刻,足底各个区域受力均达到峰值,Mo7区域即足跟部分均大于其他各个部分,同时Mo5区域即足弓外侧大于Mo6区域即足弓内侧;离网时刻,Mo5、6、7区域受力几乎消失,足底受力向前脚掌移动,主要集中在Mo1、2、3、4区域,Mo1区域即足趾部分以及Mo3区域即2、3跖骨部分受力比Mo24区域大,在离网瞬时足底压力消失(表2)。
 

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  对比网的3个区域,在触网时刻,足底Mo1区域即足趾部分,在一区域的受力明显大于其他两个区域;在全掌着网和网最低点时刻,足底受力在网三个区域无明显差别;离网时刻,足底Mo1区域受力出现与触网时刻相反的趋势,网三区域﹥网二区域﹥网一区域。

  2.2.4.1足底的压强分析。受试者在整个网过程中,峰值压强在三个区域的波峰都出先在同一时刻,即着网最低点时刻。触网时刻,Mo4区域即第一跖骨峰值压强均高于其他足底区域,Mo5、6、7区域峰值压强几乎为0;全掌着网时刻,Mo7区域即足跟部分迅速出现峰值压强,大于其他足底区域(表3)。

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  2.2.5足底的接触面积分析。触网时刻,Mo3即第2、3跖骨触网面积大于其他区域,足弓及足跟几乎未触及网面;全掌着网时刻,足跟与网接触,接触面积远大于其他足底区域;网最低点时刻,Mo7区域即足跟部分与网接触面积无太大差别,Mo5区域即足弓外侧与网接触面积大于其他区域;离网时刻,足弓及足跟部分与网接触消失,Mo1区域即足趾部分接触面积大于其他各区。4个时刻中,Mo3和Mo4区域与网接触面积变化不大,网最低点时刻各个足底区域与网接触面积达到峰值(表4)。

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  对比网的3个区域,在触网时刻,足底Mo1区域即足趾部分在与网一区域的接触面积大于其他两个区域。离网时刻,接触面积表现出相反的趋势,网三区域﹥网二区域﹥网一区域。

  2.2.6表面肌电分析。

  2.2.6.1着网起跳过程不同区域各肌肉的RMS比较由图6可知区域1肌肉RMS普遍高于其他区域,区域2高于区域3,但两者相似度较高,曲线走向趋势相同。

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  2.2.6.2着网起跳过程不同区域各肌肉的IEMG比较从图7可以看出在2区域各肌肉的IEMG值普遍较高,高于其他区域,其次为3区域,而1区域的IEMG较小。

  2.2.6.3着网阶段和离网阶段的IEMG以1区域为例可以看出着网阶段各肌肉的IEMG均明显大于离网阶段,其中腹肌、股直肌、臀大肌的变化尤其明显(表5)。

  3、讨论

  3.1足底压力中心轨迹由压力中心轨迹并通过摄像机影片解析可得出,运动员从空中至触网时刻,首先有屈髋屈膝动作,肌肉收缩,踝关节角度逐渐变小,准备与网接触面;在触网时刻前脚掌先接触网面,然后瞬间过渡到全掌触网时刻,之后踝关节角度缓慢变大,伸髋伸膝,压力中心稳定在足弓后部,直至网最低点时刻,此时踝关节角度达到峰值;起网阶段初期,踝关节角度开始变小,轻微屈髋屈膝,而后踝关节角度由低点一直增大同时伴随着伸髋伸膝,受试者蹬伸起网直至离网。受试者在网的三个区域,足底压力中心轨迹没有明显差异,轨迹速度基本相同。

  3.2足底压力由实验结果分析可得,网一区域弹性系数小于二区域小于三区域。由于网一区域最为软,所以在触网时刻,足趾部分能够与网更好的接触,接触面积4.13cm2,受试者在此区域能够更加充分的发力,此区域受力达到6.195N。如表6所示,在网最低点时刻,足弓部分受力与网上正常站立状态相比,增加幅度大于其它足底各个区域,足弓外侧增加幅度大于内侧,并且受力也大于足弓内侧。足弓外侧与网接触面积大于足弓内侧。对比网的三个区域,在越软的区域,足弓部分受力越大。在离网时刻,弹性系数大的区域足趾部分受力大,达到69.85N。由于网的弹性大,在肌肉收缩蹬伸还不充分时,受试者已经先于其他区域弹起,滞留在足底的压力多,足底压力大。弹性系数小的区域,受试者肌肉收缩充分,足底压力小。

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  3.3不同肌肉在不同区域的RMS肌肉的RMS大小主要反映了肌纤维募集的有效性和相关肌肉收缩的协调性,而RMS的变化又取决于肌肉所承载的负荷性大小。因此,不同区域的RMS的差异主要是由网的软硬度程度造成的。另外,RMS的差异恰恰反映肌肉是否能协调顺畅活动和运动单位是否能高效募集,一区域的RMS明显高于其他区域,运动员在该区域肌肉运转更协调顺畅募集效率更高,这就是为何要尽量进入一区域踩网蹬伸的原因。

  3.4不同肌肉在不同区域的IEMG二区域各肌肉的IEMG值普遍较高,原因可能是由于在二区域运动员肌肉的放电量高但募集效率低于一区域,肌肉协调性发力差,形成了RMS与IEMG在不同区域的变化不一致。在着网阶段各肌肉的股直肌IEMG的数值普遍高于蹬伸离网阶段。有研究表明:随着肌肉做功下降,IEMG的值也随之下降。在着网过程中肌肉主要进行缓冲和蓄势工作,肌肉做功较大;在蹬伸离网阶段,是弹性势能释放的过程,肌肉自身做功相对较小,因此形成了IEMG的差异现象。

  4、结论与建议

  1)网的弹性系数对足底压力有一定的影响,在触网和离网时刻,不同区域的足趾受力和接触面积有所不同,但是并不影响足底压力中心轨迹和速度。在较软的区域,足底与网的贴合度更高,接触面积大,受力更大,所以在最柔软区域更加稳定,受力最大。

  2)着网阶段,足跟部分对足底力值的贡献最大,但是足弓部分以及足趾部分力的增加幅度更大,足底所受的合力增加幅度基本是一致的,所以最佳发力应该是力更加合理的分配到足底的各个区域,这样才能使起跳更加稳定,足底合力更高。

  3)着网最低点足弓部分与网的接触面积大,并且力的增加幅度最高,因此运动员应该在训练比赛时更加注意足弓部分的保护。

  4)运动员在踩网过程中的下肢肌群电活动均较为活跃,其中腓肠肌,胫前肌,电活动明显高于其他肌肉,是保证起跳动作成功完成的关键肌群,在训练中应注重对这两块肌肉的专项训练。而股直肌,腘绳肌对于动作完成的稳定性有重要帮助,应对其加强静力性训练。

  5)对于活动时程较长的肌群,特别是像竖脊肌(腰骶部)活动时程长的肌肉要提高重视加强保护和疲劳恢复,训练后要及时放松来有效避免或延缓劳损的出现。对胫前肌,腓肠肌应在进入训练、比赛前进行充分的热身活动,以免肌肉在着网后蹬伸时拉伤。

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