擲鐵餅單腿支撐旋轉階段下肢關節間運動協調 對運動水平的影響研究

梁海丹，潘慧炬，林輝杰

(1.臺州學院 體育學院，浙江 臨海 317000；2.浙江師范大學,浙江 金華 321004)

0 前 言

運動技術測量與分析是運動生物力學學科中一個重要的研究方向，優秀運動員專項技術特征則是該方向上的一個核心研究內容[1]。鑒于優秀運動員專項技術特征的研究成果，就能夠為優秀運動員專項技術的診斷、訓練提供科學的依據，從而促進其專項技術水平提高。對優秀運動員擲鐵餅動作特征的研究也是如此。目前，對此的研究較多涉及到鐵餅出手參數[2-8]、速度[3,7,9-11]及位移[4,5,7,12,13]、人體重心速度[14-16]與位移[3,13,15,17]、重要動作時刻點人體姿態[4-5,14, 18,19]、人體主要關節點速度[3,5,11,20]等的探討；少數也涉及到了對優秀運動員擲鐵餅動作中肌肉活動[21,22]、關節力矩[23]以及地面反作用力[23,24]的探討。然而，鮮有對擲鐵餅動作中各肢體環節間互動關系的研究。即便存在一些各肢體環節運動或是肌肉活動時序間關系的研究報道，但是，由于研究方法等的局限，此方面研究針對性不強，未能夠展現出全面的肢體環節或是肌肉活動間有益的互動信息，并且幾乎都是針對最后用力階段鞭打動作效果。

從表面上看，運動協調是為了實現運動任務運動器官各元素間共同活動關系[25]。人體運動涉及到大量運動器官的活動，越是復雜的動作，參與的運動器官數量就越多。中樞神經系統并非漫無目的地單獨控制每個運動器官完成刻畫好的運動軌跡，而是充分考量運動任務后同時控制一批運動器官的活動來實現各種子任務[1,26]。可見，肢體環節或其它運動器官間的共同活動關系與運動任務間聯系密切，這些關系的優化程度無疑也與運動水平存在密切關聯。vector coding方法以其簡易、明確、易于解釋等特點經常應用至運動協調診斷與評價的研究中，呈現出較好的研究效果[27]。在擲鐵餅動作單腿支撐旋轉階段中各肢體環節運動較為復雜，特別體現在下肢各環節運動中。據此，本研究應用vector coding方法對該階段中各下肢關節間運動協調方式進行量化，從而探討其對運動水平的影響，旨在為優秀運動員擲鐵餅動作中人體運動協調的診斷提供參考。

1 研究方法

1.1 單腿支撐旋轉階段及下肢關節角度界定

單腿支撐旋轉階段，又稱為第一單支撐階段，從右腳離地后開始至左腳離地前結束(以右手持餅)。

踝關節角：小腿與足夾角的補角(θ1)，變大為屈曲，變小為伸展。

膝關節角：大腿與小腿夾角的補角(θ2)，變大為屈曲，變小為伸展。

髖屈伸角：大腿在矢狀面上投影與垂直軸的夾角(θ3)，變大為屈曲，變小為伸展。

髖展收角：大腿在額狀面上投影與垂直軸的夾角(θ4)，變大為外展，變小為內收。

1.2 樣本

本研究在2011年國際田聯鉆石聯賽(上海站)和全國田徑錦標賽中共采集了16個國內外優秀女子鐵餅運動員擲鐵餅動作，以奧運會B標(59.5m)將其平均分成兩組，B標以上組稱之為精英組(n=8)，B標以下組稱之為普通組(n=8)。精英組的成績平均為62.6(±2.9)m，普通組平均成績為55.2(±1.2)m。

圖1 下肢關節角度界定示意圖

1.3 測量

用2臺Casio fh25的高速攝像功能，采用三維定點定焦拍攝方法對優秀運動員擲鐵餅動作進行拍攝。如圖2所示，攝像機分別置于鐵餅場地的后方、右側面(投擲方向為前)，主光軸的夾角約為90°。攝像機的拍攝頻率設置為120幀/s，快門設置為1/1 500s，架機高度約為1.2m左右，取景范圍約為4×4m，機子置于約15m的距離。在比賽后，采用輻射式三維標定框架對拍攝空間進行標定，框架的型號為F-24。隨后，采用Ariel運動解析系統，對所拍攝的視頻進行解析，采用數字濾波進行“噪音”處理，截止頻率選擇為8Hz。

圖2 比賽中三維定點定焦拍攝示意圖

1.4 vector coding方法

vector coding方法是量化運動協調常用方法之一[1]，該方法以其簡易、明確、易于解釋等特點經常應用至運動協調診斷與評價的研究中[27]。該方法主要是以二維空間中一個點坐標移動后的向量方向來量化描述兩個元素間的相對關系[28]，在本研究中以此來量化表示擲鐵餅動作中兩側下肢對應關節間、左下肢各關節兩兩間、右下肢各關節兩兩間角度變化的相對關系。vector coding方法的具體計算公式如下[28]：

公式中θvc為向量方向角，θ1與θ2分別表示兩個關節角度，i為時刻點(1,2,…,n-1)。

依據Chang等[27](2008)的定義(如表1所示)，本研究中以此方法量化的運動協調方式分為四種，分別為逆相、正相以及兩種單關節主導，例如左、右髖運動協調方式包括逆相、正相、左髖主導以及右髖主導。

表1 基于vector coding方法的各種運動協調方式定義

1.5 數理統計

采用獨立樣本“t”檢驗對精英組與普通組間的差異進行顯著性檢驗，顯著性設置為0.05與0.01水平。

表2 擲鐵餅動作中兩側下肢對應關節間各種運動協調方式比重一覽表

注：關節1包括右踝、右膝、右髖屈伸、右髖展收，關節2包括左踝、左膝、左髖屈伸、左髖展收；“*”、“**”分別表示精英組與普通組運動員具有顯著性與非常顯著性差異

2 研究結果

2.1 兩側下肢各對應關節間運動協調

表2所示，在擲鐵餅動作中，兩組運動員在兩側踝關節、兩側髖關節屈伸肩部分運動協調方式中存在顯著性差異，在兩側膝關節以及兩側髖展收各運動協調方式上均無顯著性差異。其中，精英組運動員左、右踝間逆相運動協調方式比重高于普通組(0.26∶0.16)，正相運動協調方式比重低于普通組(0.12∶0.25)；左、右髖屈伸間逆相運動協調方式比重高于普通組(0.32∶0.23)。

2.2 左側下肢各關節間運動協調

表3 擲鐵餅動作中左側下肢各關節間各種運動協調方式的比重一覽表

注：關節1包括左膝、左髖屈伸、左髖展收、左髖屈伸、左髖展收，關節2包括左膝、左踝、左踝、左膝、左踝；“*”、“**”分別表示精英組與普通組運動員具有顯著性與非常顯著性差異

表3顯示，在擲鐵餅動作中，兩組運動員在左踝-左髖展收、左膝-左髖展收部分運動協調方式中存在顯著性差異，在左踝-左膝、左踝-左髖屈伸、左膝-左髖屈伸各運動協調方式中均不存在顯著性差異。其中，精英組運動員左踝-左髖展收間逆相運動協調方式比重高于普通組(0.39∶0.22)，正相和左踝主導運動協調方式比重低于普通組(0.09∶0.19;0.11∶0.28)；左膝-左髖展收間逆相運動協調方式比重高于普通組(0.28∶0.14)，左膝主導運動協調方式比重低于普通組(0.09∶0.19)。

2.3 右側下肢各關節間運動協調

表4 擲鐵餅動作中右側下肢各關節間各種運動協調方式的比重一覽表

注：關節1包括右膝、右髖屈伸、右髖展收、右髖屈伸、右髖展收，關節2包括右踝、右踝、右踝、右膝、右膝；“*”表示精英組與普通組運動員具有顯著性差異

表4顯示，除右踝-右髖屈伸、右踝-右髖展收、右膝-右髖展收各運動協調方式外，在擲鐵餅動作其它各右側下肢關節間部分運動協調方式中存在顯著性差異。其中，精英組運動員右踝-右膝間逆相運動協調方式比重高于普通組(0.27∶0.17)，正相運動協調方式比重低于普通組(0.16∶0.28)；右膝-右髖屈伸間正相運動協調方式比重均低于普通組(0.18∶0.28)。

3 討 論

不同運動水平之間在兩側下肢關節間、左側下肢關節間以及右側下肢關節間運動協調方式中均有顯著性差異存在，這些運動協調方式的差異對運動水平提高的作用途徑需要探討。

3.1 兩側下肢關節間運動協調與運動水平的關系

研究結果顯示，精英組運動員在兩側下肢對應關節間運動協調中兩側踝、兩側髖屈伸間逆相運動協調方式比重較高，兩側踝間正相運動協調方式比重較低。通過對比可見(如圖3所示)，精英組運動員主要在該階段的0%～20%以及70%～80%持續時間內采用兩側踝逆相運動協調方式的比重較高，主要在其70%～80%持續時間采用兩側踝正相運動協調方式比重較低；主要在其40%～70%持續時間內采用兩側髖屈伸間逆相運動協調方式比重較高。

圖3 李艷鳳(左)與布拉斯科(右)

擲鐵餅(67.80m∶56.84m)單腿支撐旋轉階段中具有顯著性差異的兩側下肢對應關節間角度以及運動協調方式變化比較圖。

注：圓形表示左踝、左髖；三角形表示右踝、右髖；灰色方塊表示各種運動協調方式，其中，1指逆相運動協調方式，2指正相運動協調方式，3指“三角形”表示的關節主導運動協調方式，4指“圓形”表示關節主導運動協調方式。

在該階段0%～20%持續時間內，精英組運動員右踝伸展、左踝屈曲同步運動比重較高(見圖3)，這體現出在該階段初始精英運動員同步的右足后擺與左踝被動屈曲。此時，右足積極后擺能夠對其前擺相關肌群進行牽拉，增加其前擺幅度，為隨后前擺動作提供有利條件；左踝被動的屈曲同樣也能通過改善其伸展肌肉發力初始條件，提高左踝伸展幅度，有利于提高隨后蹬伸發力的效果。可見，此時右足后擺與左踝屈曲的同步活動能夠為隨后右小腿、右足擺動和左下肢蹬伸配合提供較好的初始條件。

在該階段40%～70%持續時間內，精英組運動員左髖伸展與右髖屈曲同步運動比重較高(見圖3)。這體現出此時精英組運動員同步的右下肢繞左側軸擺動以及左髖伸展發力，兩腿間擺、蹬動作銜接緊密。此時，左髖伸展發力使人體受到地面反作用力的作用，這時人體重心往往偏離地面反作用力的作用方向，從而導致人體轉動[29]；同時，右下肢繞左側軸擺動能夠使其具備較大的角動量，由于解剖位置上相連，使其能夠帶動軀干與上肢繞人體左側軸轉動[30]。兩者同步運動能夠使它們所產生的人體繞垂直軸角動量得以疊加。普通組運動員往往傾向于右下肢的擺動，未能較好地同步進行左髖伸展發力，這不利于較高人體繞垂直軸角動量的獲得。

在該階段70%～80%持續時間內，精英組運動員右踝屈曲與左踝伸展同步運動比重較高(見圖3)，普通組運動員則兩側踝同步屈曲動作比重較高(見圖3)。此時正處于為人體離地做積極準備的時期，這時人體需要形成一個合適的起跳角，在不影響騰空階段移動距離條件下使人體獲得較多的向前線動量[30]。這時，左踝伸展有助于左下肢蹬伸發力，使人體獲得較多地面反作用力的作用；同時，右踝屈曲有助于右下肢轉動半徑下降，使右大腿迅速前擺，促進人體重心快速的處于一個合適位置。因此，同步的左踝伸展與右踝屈曲有助于使人體獲得較多向前的線動能。可見，普通組運動員采用較多的兩側踝同步屈曲運動協調方式略顯劣勢。

3.2 左側下肢關節間運動協調與運動水平的關系

研究結果顯示，精英組運動員左膝與左髖展收間、左踝與左髖展收間逆相運動協調方式比重較高，左踝與左髖展收間正相運動協調方式比重較低。通過對比可見(見圖4)，精英組運動員主要在該階段50%～90%持續時間內左髖內收與左膝伸展同步運動比重較高，主要在該階段70%～90%持續時間內左髖內收與左踝伸展同步運動比重較高，以及左髖外展與左踝屈曲同步運動比重較低。左膝與左踝積極伸展體現出左下肢積極的蹬伸發力，能夠使人體所受到較高地面反作用力的作用，特別是體現在70%～90%持續時間內，此時踝、膝共同伸展。同時，左髖內收使人體重心與地面反作用力作用方向的距離越來越近，這將會在地面反作用力一定的條件下使人體轉動效果增幅下降，平動效果增幅提高。兩者同步運動能夠增加人體的線動量，提高人體平動效果。因此，左膝、左踝與左髖間逆相運動協調方式較高比重能夠使精英組運動員獲得較好的人體平動效果，這有助于增加在第一單支撐后期與騰空階段中鐵餅的運動軌跡，以及在騰空階段結束時使右下肢獲得較高地面沖擊力，這些有助于運動成績的提高[4,16,23,30]。此時普通組運動員左踝則未體現出積極蹬伸動作，而是被動屈曲，從而在該階段70%～90%持續時間內出現較高的左踝與左髖運動協調方式比重，這不利于較好人體平動效果的獲得。

研究結果顯示，精英組運動員左踝、左膝各自與左髖展收運動協調方式中左踝、左膝占主導比重較低，通過對比發現(見圖4)，主要體現在30%～50%該階段持續時間內。此時，普通運動員主要表現為左踝、左膝伸展，而左髖展收運動未產生明顯改變。左踝、左膝積極的伸展體現出左下肢蹬伸發力，左髖內收至幾乎最大程度體現出偏心力臂較高，此時左下肢積極蹬伸能夠使人體產生較高繞垂直軸轉動的角動量，然而，人體向前的線動量將會受到影響，從而影響該階段中人體平動的效果。

圖4 李艷鳳(左)與布拉斯科(右)

擲鐵餅動作(67.80m∶56.84m)單腿支撐旋轉階段中具有顯著性差異的左側下肢關節間角度以及運動協調方式變化比較圖。

注：灰色方塊表示各種運動協調方式，其中，1指逆相運動協調方式，2指正相運動協調方式，3指“三角形”表示的關節主導運動協調方式，4指“圓形”表示關節主導運動協調方式。

3.3 右側下肢關節間運動協調與運動水平的關系

研究結果顯示，精英組運動員右踝與右膝間逆相運動協調方式比重較高，通過比較發現(見圖5)，主要體現在0～40%該階段時間內，這時先是右踝伸與右膝屈同步運動，隨后是右踝屈與右膝伸同步運動。此時，右小腿與右足擺動是人體獲得繞垂直軸角動量的主要途徑，精英組運動員此右踝與右膝運動協調方式有助于右小腿和右足獲得更好擺動效果。在右腳離地時右小腿與右足迅速后擺能夠帶動使其前擺的相關肌群受到牽拉，隨后這些肌肉在向心收縮中產生更大的作用力，使這兩個環節快速、大幅度地前擺。由于右小腿與右足緊密相連，它們同步的后擺與前擺有助于避免相互間的約束，使擺動效果得以疊加。普通組運動員往往右足擺動動作的不夠積極，這也在一定程度上影響右小腿的前擺速度與幅度，進而影響較高角動量的獲得。

研究結果顯示，精英組運動員右膝與右髖正相運動協調方式比重較低，主要體現在55%～70%該階段時間內，此時，右膝與右髖同步屈曲(見圖5)。此時左髖屈曲體現出右下肢繞左側軸積極擺動，使人體獲得繞垂直軸轉動的角動量。這時，右膝同步屈曲將會使右下肢擺動時轉動慣量有所下降，從而影響到較高角動量的獲得。此外，精英組運動員右踝與右膝正相運動協調方式比重較低，主要體現在70%～80%該階段時間內，此時，右踝與右膝同步屈曲(見圖5)。此時處于人體準備離地階段，精英組運動員較少的右踝與右膝同步屈曲比重能夠防止右下肢轉動慣量下降過多，使其前擺過高，從而有助于壓住重心，使其受到較多的地面反作用力向前分量作用，提高其向前的線動能。

圖5 (左)李艷鳳與布拉斯科(右)擲鐵餅動作

(67.80m∶56.84m)單腿支撐旋轉階段中具有顯著性差異的右側下肢關節間角度以及運動協調方式變化比較圖。

注：灰色方塊表示各種運動協調方式，其中，1指逆相運動協調方式，2指正相運動協調方式，3指“三角形”表示的關節主導運動協調方式，4指“圓形”表示關節主導運動協調方式。

4 結 論

擲鐵餅單腿支撐旋轉階段中下肢各環節運動是比較復雜，然而這些環節的運動具有其內在的結構，后者與其所發揮的功能(運動任務)密切關聯。本研究則在一定程度上反映了這些肢體環節運動的內在結構適應性改變引起其功能更加優化。本研究認為，隨著高階段中運動水平的提高，在該階段早期傾向于較多的進行右小腿與右足同步后擺，同步的右踝伸展與左踝屈曲，這些能夠為隨后人體角動量的獲得提供有利初始條件；在該階段中期更傾向于右小腿與右足同步后擺，同步的左髖伸展與右下肢繞人體左側軸擺動，左踝、左膝伸展分別與左髖內收同步的運動，較少地進行相對左髖展收的左踝、左膝主導運動，右膝和右髖同步屈曲，這些有助于人體獲得較多角動量與線動量；在該階段的后期較多地進行同步的左踝伸展與右踝屈曲，較少地進行兩側踝同步屈曲，右膝與右踝同步屈曲，這些有助于在人體離地前獲得較多的向前線動量以及合適的起跳角度。

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