自由式滑雪空中技巧運動員不同姿勢落地緩沖的生物力學機制研究

婁彥濤，閆紅光，馬 毅

(1．沈陽體育學院運動人體科學學院，遼寧沈陽 110102;2．沈陽體育學院院長辦公室，遼寧沈陽 110102)

自由式滑雪空中技巧運動員不同姿勢落地緩沖的生物力學機制研究

婁彥濤1，閆紅光1，馬 毅2

(1．沈陽體育學院運動人體科學學院，遼寧沈陽 110102;2．沈陽體育學院院長辦公室，遼寧沈陽 110102)

自由式滑雪空中技巧項目的落地所受沖擊力較大，危險性較高。為減少運動員落地時造成損傷，提高動作的落地穩定性，采用瑞士KISTLER測力臺和2臺美國TROUBLESHOOTER高速攝像機，同步對6名國家自由式滑雪空中技巧男子運動員在50cm高度下以正常姿勢落地和全腳掌落地緩沖實驗，分析緩沖時間、標準力值、力值變化梯度、壓力中心、人體傾斜角以及下肢關節角度等變化情況。結果表明，50cm高度下最大沖擊力全腳掌為正常落地的1．44倍，極有可能造成人體損傷;壓力中心前后方向上較小;人體傾斜角較大，說明產生的翻轉力矩較小，故穩定性方面較好。

自由式滑雪空中技巧;不同姿勢;落地緩沖

自由式滑雪空中技巧項目的動作結構由助滑、起跳、空中翻轉、落地四部分組成。運動員在助滑道上助滑，當速度達到55～68km/小時進入跳臺過渡區，借助高3.6～4m左右的跳臺、在騰空高度約16m左右的空中完成翻騰和轉體動作，最終在37°的雪坡上平穩著陸并滑出。由于動作的高度達到16m左右，所以運動員在著陸時要承受較大的沖擊力，因此落地穩定性成為決定動作成敗的關鍵因素［1］。目前，在該項目上實力較強的國家如加拿大、白俄羅斯、美國的運動員在動作難度上都有所提高。故中國隊只有在提高動作難度上下功夫，才能在第22屆冬奧會上獲得金牌。但是，隨著動作難度的增加，較大的落地沖擊力造成的膝關節、腰部、踝關節損傷也更難以控制，因為該項目的雪板和雪鞋重量約有9kg，雪鞋與足部約成90°夾角且固定得相對嚴密，其落地方式是以全腳掌著地姿勢落地，在落地過程中踝關節不能做相應的緩沖，導致整個人體的踝關節不能做相應的屈伸運動。人體下肢肌肉、肌腱、韌帶和骨骼形成的復合彈性體承受著非常大的沖擊力載荷，三周臺運動員落地瞬間足底所受地面反作用力為自身體重的5.22～6.02倍［2］，如果落地動作控制不好，其結果將導致運動員在落地過程中造成損傷。據統計，該項目所有三周臺運動員的下肢關節均遭受不同程度的損傷，嚴重影響了中國隊的整體實力。而人體正常姿勢落地為前腳掌先著地，然后迅速過渡到全腳掌，在此過程中具有屈膝、屈髖和伸踝關節的動作［3］，此種落地姿勢很少導致運動員損傷。本文主要研究此種落地姿勢與人體正常落地姿勢的異同點，從生物力學角度研究此種落地姿勢導致運動員受傷的內在原因，探討運動員專項動作與人體正常姿勢落地情況下人體受沖擊力的變化規律，為預防該項目運動員損傷和科學化指導訓練提供依據，也為備戰22屆俄羅斯索契冬奧會提供科技保障。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試者為國家隊自由式滑雪男子運動員6名，運動等級均為國際級運動健將，身體狀況良好。

表1 受試者基本情況(平均數±標準差)

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方法

2010年4月在沈陽體育學院國家體育總局冬季運動項目技術診斷與機能評定重點實驗室，采用瑞士kistler采樣頻率1 000Hz測力臺和2臺美國Trouble shooter250CE采樣頻率為250Hz/S高速攝像機同步測試，同步點以足部接觸測力臺受力時刻開始。應用美國APAS圖像解析系統來獲得運動學數據，對6名國家自由式滑雪空中技巧運動員(男性)在50cm高度，以正常姿勢落地和全腳掌姿勢落地的動力學及運動學特征進行研究和分析。采用SPSS13.0統計學軟件進行配對T檢驗。

1.2.2 實驗設計

1.2.2.1 實驗動作要求 全腳掌姿勢著地:要求運動員以專項動作姿勢落地，上肢擺臂動作與比賽動作落地姿勢相同，即雙臂側平舉，在落地時刻以足部的全腳掌同時接觸測力臺，整個落地過程踝關節盡量控制在90°，下肢不做刻意的緩沖動作。

正常姿勢著地:要求運動員以正常的落地方式落地，即前腳掌先著地，然后迅速過渡到全腳掌，在此過程中伴隨屈髖、屈膝和伸踝的動作，上肢正常擺臂，下肢不做刻意的緩沖動作。

1.2.2.2 實驗過程 實驗前進行熱身活動，把身體各個關節、肌肉盡量活動開，尤其是下肢，防止受試者在實驗過程中受傷。

實驗過程中受試者穿深色緊身衣服，實驗用飛躍牌42碼田徑運動鞋。要求受試者身體正直，目視前方，雙腳站于50cm的木箱上，聽到口令后(操作人員掌握遙控器，目的是使閃光燈、攝像機和測力平臺進行同步)，分別以正常落地姿勢和全腳掌落地姿勢無初始速度雙腳同時垂直落于測力平臺中央，每個姿勢做五次成功動作。

1.3 動作時相劃分

以整個動作鏈的部分區間為研究范圍，即以足著臺為起始時刻，當足與平臺接觸瞬間，人體在垂直方向上受到測力臺反作用力隨時間的變化，力值曲線在特殊時刻有明確的量化對應關系［4］。如圖1所示:在測力臺上，人體所受垂直反作用力F－t曲線都具有兩個波峰和兩個波谷，故把落地緩沖動作劃分為六個時相，O:腳接觸平臺時刻;A:達到第一波峰時刻;B:達到第一波谷時刻;C:達到第二波峰時刻;D:達到第二波谷時刻;E:緩沖結束時刻(人體重心達到最低點)。

2 結果與分析

2.1 兩種落地姿勢時間上的直觀比較

時間值在緩沖動作分析中是一個關鍵的中間變量，它通常用于其他指標(如力值變化率、功率等指標)的間接計算。受關節角度變化、肌肉內力大小等因素影響，僅以動作時間的長短，無法直接用于評價緩沖的效果好壞［5］。

表2可以看出，正常落地姿勢所用各個時段時間均顯著大于全腳掌落地。結合分段時值分配，由動量定理(N－G) ·△t=△MV，用積分方程可知，當人體從50cm高度下落到平臺時，獲得一定的動量，當動量的增量△MV一定時，人體體重是一定的，作用時間△t與人體所受的反作用力N成反比，即作用時間越長，人體所受到的反作用力就越小，緩沖效果就越好。

圖1 正常落地與全腳掌落地人體反作用力示意圖

表2 正常落地與全腳掌落地總時間及分段時間分配參數表(ms)

2.2 正常落地與全腳掌落地力值/體重比較

為使所有受試者的地面反作用力的數據具有可比性，將受試者垂直落地的地面反作用力與受試者體重相除，得到標準化的地面反作用力［6］。

圖1和表3中結果可以看出，全腳掌落地時刻人體在第二波峰所受最大沖擊力為正常落地的1.44倍，正常落地第二峰值下降用時較長，因為落地時全身制動產生第一峰值力，隨后人體放松加速下降，力值迅速下降，然后又全身制動，支持力上升，輕度松髖、軀干，使力值緩降。全腳掌落地緩沖第一峰值遠小于第二峰值，是因為首先參與緩沖的肌肉群制動，形成第一峰值，接著大關節退讓肌肉群放松使人體重心加速下降，支持力下降，這時退讓肌肉群纖維滑動加快，大關節退讓肌肉群再制動，會產生更大的制動，肌力增加人體緩沖的剛度，故第二峰值力變大。故整個緩沖過程中人體所受最大沖擊力小于全腳掌落地。

2.3 正常落地與全腳掌落地沖擊力值變化梯度比較

在人體運動中，人們很重視力的變化速度，把dF/dt定義為力的梯度，是單位時間內力值的平均變化(速度—力指標)速率。人體所受力值的梯度，代表因力的變化所引起的人體重心加速度的變化率，它反映了肌群的力學質量特性，對快速動評定意義極大。力值變化梯度大，表面肌群爆發力好［7］。

表3 正常落地與全腳掌落地標準化力值分配參數表(N/kg)

表4顯示，在第一波峰時，兩種姿勢的變化都不大，且正常落地小于全腳掌落地，這是由于正常落地在緩沖過程中的順序是前腳掌先著地，然后迅速過渡到全腳掌。達到第二波峰時，正常落地力的變化梯度明顯小于全腳掌落地，說明全腳掌落地的變化梯度出現急速上升，下肢肌肉群制動，增加了人體的剛性，增大了沖擊載荷的變化率［8］，導致下肢肌肉群、肌腱和韌帶的牽引張力變化率急劇增大，在此過程中很容易造成下肢肌肉群、肌腱和韌帶的拉傷。第二波谷時，正常落地的力值變化梯度也小于全腳掌落地，也增大了下肢群、肌腱和韌帶的張力。從整體可以看出，正常落地過程中力的變化梯度均較小，說明下肢肌肉群、肌腱和韌帶所受力是上下波動不大的緩和力，是一種較好的落地姿勢。

表4 正常落地與全腳掌落地豎直方向力變化梯度參數表(N/ms)

2.4 正常落地與全腳掌落地壓力中心比較

壓力中心變化對落地穩定性具有重要的意義，穩定性反映了人體維持原有平衡狀態和抵抗傾倒的能力。壓力中心前后的移動范圍反映了人體重心的調整情況，壓力中心的左右變化范圍反映了人體重心的左右調整情況。壓力中心變化又長又寬是落地穩定性控制不好的突出表現，因為重心向前后左右移動同時，要調整勢必造成人體控制的復雜化，從而導致出錯失敗。壓力中心左右變化范圍小是落地技術好的反映，人體落地控制變得簡單，只做前后方向的調節比較容易。

表5 正常落地與全腳掌落地各個方向壓力中心分配參數表(mm)

正常落地壓力中心向左、向前和向后方向大于全腳掌落地，因為人體在接觸平臺后，先由前腳掌著地，與臺面接觸面積比較小，即支撐面小，穩定性就差，導致向左移動增大。全腳掌接觸臺面面積較大，即支撐面大，穩定性就強。兩種姿勢的壓力中心向前移動的范圍均較大，因為人體在下落過程中具有一定的水平速度，由慣性定律可知，在人體接觸平臺后，人體仍具有向前的運動趨勢，使人體重心在慣性作用下繼續向前運動。因左右方向上這種趨勢甚微，故左右方向的壓力中心較小為好。所以，壓力中心以前后長左右短為好。

2.5 正常落地與全腳掌落地人體傾斜角比較

在人體下落緩沖過程中，受到平臺的支撐反作用力Fx、FY和Fz。Fz、Fx是支撐反作用力的主要組成部分。支撐反作用力不通過人體重心，此反作用力是產生翻轉力矩的根源。在暫不考慮FY分力的影響時，通過Fz、Fx兩個分力，可計算出支撐反作用力(Fz、Fx合力)在前后方位上的傾角。即通過求Fz/Fx的正切tg值，可以得出人體的傾斜角。如果人體傾斜角小于45°，這說明支撐反作用力有可能從人體重心附近的下方通過，產生翻轉力矩大［9］。如果人體傾斜角大于45°，說明支撐反作用力有可能從人體重心附近的上方通過，產生翻轉力矩小。動作穩定者，其傾斜角變化范圍小。

表6顯示，正常落地和全腳掌落地在接觸臺時刻、最大反作用力時刻和緩沖結束時刻其人體傾斜角度均大于45°，說明支撐反作用力有可能都從人體重心附近的上方通過，產生的翻轉力矩較小。正常落地接觸平臺時刻和最大反作用力時刻，其人體傾斜角均小于全腳掌落地，說明正常落地產生的翻轉力矩要大于全腳掌落地，正常落地緩沖中使人體容易產生前傾。更進一步說明全腳掌落地姿勢在落地緩沖的過程中，其穩定性要優于正常落地。

表6 正常落地與全腳掌落地各個時刻人體傾斜角參數表(°)

2.6 各個關節角度變化分析

落地緩沖過程中，同時伴隨著下肢三大關節的屈膝、屈髖和伸踝，其目的就是延長與地面的作用時間，減小沖擊力對人體的作用。

表7 正常落地與全腳掌落地各個關節角度變化參數表(°)

在此過程中，正常落地在髖、膝、踝關節處的變化幅度均大于全腳掌落地。正常落地達到第二波峰時間較長，且它的第一波峰峰值大于全腳掌落地的峰值，此時已經緩沖了一部分沖擊力，所以變化幅度較大。在達到最大反作用力時，人體以肌肉、韌帶等產生形變來吸收地面反作用力;尤其是大腿關節，具有發達的肌肉和韌帶;在人體下蹲緩沖時，肌肉和韌帶被動拉長，股直肌等做離心收縮，此收縮吸收一部分地面反作用力，此時的反作用力在髖關節處有較大的損失［10］。

圖2 正常落地軌跡示意圖

圖3 全腳掌落地軌跡示意圖

當地面反作用力出現第二波峰時，人體的神經—肌肉控制系統能夠較好地控制人體的緩沖過程，肌肉、韌帶、骨骼等組織開始起到緩沖作用，使地面反作用力在膝、髖關節處有很大的衰減，地面反作用力在第二波峰到達髖關節時，已經衰減38.69%±13.45%［11］。髖關節的緩沖幅度和角速度均小于膝關節，即髖關節不是緩沖外界負荷的主要關節，也說明了髖關節肌群不是以超等長收縮為主;髖關節緩沖主要由伸肌群的收縮能力決定。人體緩沖主要以膝關節的屈肌快速收縮進行主動緩沖，來減緩沖擊力對人體的作用。

3 結論

1)正常姿勢落地緩沖總時間為全腳掌的1.28倍，最大沖擊力出現時間為全腳掌姿勢的2.15倍;緩沖效果較好。

2)全腳掌姿勢落地時，人體所受最大沖擊力為正常落地的1.44倍，運動員在高速瞬間落地，極有可能造成膝關節、腰部的損傷。

3)全腳掌姿勢落地人體壓力中心在前后及向左方向顯著性小于正常姿勢，說明全腳掌在前后及向左方向的落地穩定性較好。

4)正常姿勢落地接觸平臺時刻和最大反作用力時刻，人體傾斜角均小于全腳掌落地，使人體容易產生前傾;更進一步說明全腳掌落地穩定性要優于正常落地。

5)正常姿勢落地人體髖、膝、踝關節變化幅度顯著性大于全腳掌，緩沖效果較好。

4 建議

自由式滑雪空中技巧運動員落地時，下肢肌群做離心收縮。根據本研究結果提出以下建議;第一，運動員在落地過程采用主動屈髖、屈膝、伸踝的動作，降低垂直方向沖擊力，增加落地的有效性，提高落地質量及落地穩定性的可控制度。第二，運動員在體能訓練中，應加強背部豎脊肌、股四頭肌、小腿三頭肌，以及下肢伸肌群的離心收縮訓練;加強髂腰肌、股四頭肌的快速收縮能力的訓練。如采用雙手掐腰，腳跟著地行走的訓練，提高小腿三頭肌的離心肌肉力量。第三，運用等速肌肉力量設備(如德國產ISOMED2000)，先對運動員的下肢關節肌力進行測試與評價，對肌力配布不合理的肌群進行具體的離心收縮訓練。

［1］馬 毅，鄭 凱，常 波，等．自由式滑雪空中技巧項目備戰2006年冬奧會綜合攻關研究［J］．體育科學，2007，27(2):31－33．

［2］婁彥濤，閆紅光，吳松林．我國女子自由式滑雪空中技巧隊三周臺騰空高度與落地沖擊力的關系［J］．沈陽體育學院學報，2010，29(2):15－17．

［3］劉衛國，劉學貞．對普通人群幾種不同形式縱跳的動力學分析［J］．北京體育大學學報，2003，26(1):45－47．

［4］李世明，郭 榮，劉學貞．對沙灘、室內排球扣球起跳階段時相特征的比較研究［J］．體育科研，2004(1):44－46．

［5］McNitt-Gray J．L．Kinetics of the lower extremities during drop landings from three heights［J］．Journal of Biomechanics，1993，26(3): 1037－1046．

［6］閆紅光，張 檣．體育運動中一定高度自由下落人體受沖擊力的實驗值與理論值比較分析［J］．沈陽體育學院學報，2006，25 (4):52－54．

［7］佟永典，姜 軍，于樹祥，等．自由式滑雪空中技巧運動員跳深落地下肢受沖擊力特點的實驗研究［J］．沈陽體育學院學報，2002，2(6):19－21．

［8］Farley CT，Houdijk HH，Van Strien C，et al．Mechanismof leg stiffness adjustment for hopping on surfaces of different stiffnesses［J］．J Appl Physiol，1998，85(3):1044－55．

［9］Devita P，Skelly WA．Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetic in the lower extremity［J］．Medicine and science in sports and exercise，1992，24(1):108－115．

［10］王薇薇．跳深跳遠與三級跳遠跨步跳起跳的動力學比較研究［J］．北京體育大學學報，2005(7):24－26．

［11］Farley CT and Gonzalez O．Leg stiffness and stride frequency in human running［J］．J Biomech，1996，29(2):181－186．

Biomechanics Mechanism of Landing Buffer for Freestyle Skiing Aerials Athletes

LOU Yantao1，YAN Hongguang1，MA Yi2
(1．School of Human Sports Science，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，Liaoning，China; 2．Dean’s Office，Shenyang Sport Unibersity，Shenyang 110102，Liaoning，China)

The force of Landing for Freestyle Skiing Aerials Athletes is very large，which is dangerous for the athletes．The aim of this paper was to prevent the damage on the athletes and improve their Landing stability．The instruments of this paper were shown below．Switzerland KISTLER force platform and 2 American TROUBLESHOOTER high-speed cameras worked synchronously．6 Freestyle Skiing Aerials fell onto the ground from the height of 50cm with the posture of normal and whole sole．The landing buffer time，standard force values，gradient force value，center of pressure，body slant angle and the changes of lower limb joint angles were analyzed．The maximal impact force of landing under the height of 50cm was 1．44 times larger than normal landing，which was probablt to get the athletes injured．The central pressure of front and back direction was smaller．The body slant angle was larger and the turning torque smaller，and therefore the body stable．

freestyle skiing aerials;different posture;landing buffer

G804.6

A

1004－0560(2012)04－0063－04

2012-03-02;

2012-04-05

國家科技支撐計劃課題《冬奧會自由式滑雪空中技巧項目訓練方法手段的研究與應用》，項目編號為2009BAK57B。

婁彥濤(1979－)，男，講師，碩士，主要研究方向為運動生物力學。

責任編輯:喬艷春

?體育人文社會學