連續縱跳的生物力學研究進展

張海濤

連續縱跳的生物力學研究進展

張海濤

對于人體連續縱跳的研究近年來持續增加，很多學者重復研究。本文主要從連續縱跳的生物力學研究方法；連續縱跳的運動學研究現狀；連續縱跳的動力學研究現狀等幾個方面對近年來國內外學者對連續縱跳的生物力學研究成果進行綜述。為連續縱跳的后續研究提供參考。

連續縱跳 ; 動力學;運動學;研究現狀

10.16730/j.cnki.61-1019/g8.2016.11.133

縱跳是體育運動的基本動作之一, 可分為原地縱跳和助跑縱跳, 前者是后者的基礎。 縱跳起跳動作是人體在中樞神經系統的控制下, 依靠身體各環節的協調配合, 發揮下肢肌群最大爆發力, 以達到最佳縱向起跳效果的技術動作。

1. 連續縱跳的概念

正確地界定連續縱跳的概念對進行連續縱跳的研究具有非常重要的意義。前期的研究認為，連續縱跳是指運動員在訓練和比賽的條件下利用下肢各相關肌群，結合專項技術動作，以最快的動作速度重復性地完成緩沖和蹬伸動作獲得最大彈跳高度[1]。連續過程中每次起跳可以都是從直立姿勢動作開始，完成一個完整的緩沖和蹬伸過程，然后還原成直立姿勢，再進行下一次縱跳，也可以中間沒有停頓，前一次的著地緩沖階段是后續起跳的準備階段。因此對于連續縱跳概念的解釋要依據不同項目技術特點而定，在實際應用中不應僅僅停留在動作的表面形式上，更重要的是要抓住縱跳的本質及關鍵因素。

何亮[2]在分析連續起跳在籃球比賽中的作用時認為，連續起跳技術是多次起跳與多次緩沖及起跳準備相結合的動作。與單次起跳的不同之處在于連續起跳技術的落地緩沖階段也是下一次起跳的準備階段，即彈性勢能的儲備過程，這一過程的時間長短決定了兩次起跳之間的間隔時間。好的連續起跳技術不僅表現在其后續起跳的高度要接近于第一次起跳，還在于每兩次起跳之間盡量沒有停頓。這一概念主要正對籃球專項技術提出的。也有一些運動項目，譬如排球中的連續起跳扣球、連續起跳攔網等技術動作中的連續起跳，這些連續起跳動作有時是一個完整的緩沖和蹬伸過程，兩次連續起跳之間可能存在短暫的時間間歇，與籃球中的技術有所不同。當然，在進行基礎性研究時，可以采用連續不間斷原地連續縱跳的動作形式在探討動作過程中人體的各種生物力學信息特征。

2. 連續縱跳的生物力學研究方法

國內有關文獻記載，鄭亦華等在1993年最早對連續縱跳動作進行研究[3]當時采用的研究方法是受試者進行原地連續縱跳莫高三次，記錄三次莫高高度，同時運用SSC-C型計時、計頻、計數毫秒計來記錄每次跳躍的時間，并根據相關原理計算出每次起跳的速度和時間等參數，所得數據都是采用計算器進行統計學處理，然后對其結果進行分析比較。可以看出當時采用的研究方法與實驗設備是比較落后的。隨著科學技術的發展，高速攝像機、測力平臺、肌電采集儀等先進的技術手段在體育科研中的廣泛應用，使得對連續縱跳動作的運動學、動力學和肌肉力學等生物力學參數的獲得越來越便捷、快速，并且獲得數據的準確性大大提高，減小了由于研究方法的技術手段引起的系統誤差，研究結果更加真實、可靠。高速攝像技術具有非接觸性的測量優勢，因此在實驗過程中對受試者的技術動作不會產生影響，并且對拍攝的錄像運用軟件分析可以獲得相應的動力學特征；測力平臺和肌電測試技術大多用于實驗室研究，利用這些技術可以直接或間接地獲得連續縱跳過程中人體的動力學特征和肌肉力學特征。目前，隨著人們對運動技術規律認識上的發展、科學技術的日益更新，科學家逐漸選擇多種同步的測量方法。但是，從目前來看，這種多維的研究方法對連續縱跳動作進行研究的還很少。單海信[4]利用錄像攝像和測力平臺同步測試的方法研究了不同節奏對連續性原地縱跳的影響。Alberto等運用紅外攝像機與Kistler測力臺同步測試的方法以不同頻率原地連續縱跳的動作形式比較了幾種計算人體重心位移的運動學和動力學方法[5].張英媛[6]等人運用Vicon高速攝像系統和Kistler測力平臺對13名健康男性優勢側和非優勢側踝關節在連續縱跳下落階段中的表現進行研究。將錄像拍攝、三維測力和肌電采集同步測試的研究方法已經逐漸增多，于此同時，由于各變量之間復雜的數學關系和多變量的存在，多遠統計方法也越來越多地運用于連續縱跳動作的研究中，在數據處理方面，可以利用統計軟件進行操作。

3. 連續縱跳的生物力學研究現狀

3.1 連續縱跳的運動學研究

人體運動學研究的是人體或器械在空間的位置隨時間變化的規律性。在運動學層上，可以確定動作技術的空間特征、時間特征和時空特征。運動軌跡可反映空間特征，運動的開始與結束、運動的持續時間、運動頻率、運動節奏等，(角)速度、(角)加速度等可以反映動作的空間特征。一方面可以揭示動作技術的運動學規律，另一方面能對動作技術進行診斷和評價。

目前對于連續縱跳動作進行專門性的研究并不多見，國內相關資料較少。鄭亦華最早從運動學層面對人體連續縱跳過程進行了專門性研究[3].研究結果表明連續3次摸高高度逐漸減小，起跳速度逐漸降低，并且3次連續縱跳過程中支撐時間(從下蹲開始到足離地的時間)逐漸延長，分析其原因認為原地連續縱跳過程中人體局部出現暫時的疲勞而造成工作時間的延緩，延長了肌肉工作時間，導致肌肉收縮能力的減小。陸阿明[7]等研究發現，,30次連續縱跳的平均摸高高度整體上也出現下降的趨勢，表明人體的運動能力隨著縱跳次數的增加出現明顯的下降；通過對蹬伸時間的分析，略有延長的趨勢。可以看出，目前原地連續縱跳的運動學研究主要集中在對騰空高度和時間參數等幾個比較簡單的動力學指標研究上，其他運動學指標如連續縱跳中人體重心的運動特征，下肢各關節角度、角速度等指標的變化特征研究的較少。另外，對不同運動節奏作用下連續縱跳過程中人體運動生物力學信息變化特征研究較少。單信海[4]對不同快慢節奏連續原地縱跳動作進行了相對較為系統的研究。研究發現隨著運動節奏的加快，縱跳的支撐時間、騰空高度、動作速度、下肢關節屈曲幅度及膝關節運動的角速度都顯著下降。Alberto[5]研究表明，原地連續縱跳過程中隨著縱跳頻率的增加人體重心垂直位移表現出明顯逐漸減小的趨勢.可以看出，不同運動節奏下連續縱跳過程中人體運動學特征存在很大差異。從目前研究來看，相關研究非常少見，研究內容哈不是很系統，研究成果還不夠深入。因此，在今后研究中應該對連續縱跳過程中的運動學特征進行系統、全面、深入的了解。

3.2 連續縱跳的動力學研究

在對運動技術的運動學研究中只討論了人體或器械運動狀態的變化規律，并沒有闡明人體運動狀態改變的原因，而動力學研究則討論人體或器械運動的外部規律所包含的動力學原因。動力學研究主要闡明人體運動狀態變化的原因，在動力學層面上，課確定力(力矩)特征、沖量(動量)特征。動力學研究方法的引入實現了對引起肢體運動學的力學原因進行更加合理、有效的揭示。

圖1 背屈方向關節角度比較圖

圖2 外旋方向角度、角速度比較圖

陸阿明[7]等人研究發現,30次連續縱跳的平均縱向最大力值最高值出現在第2次，前4次不穩定，第5至10次逐漸下降，以后變化相對穩定，整體上仍然表現出逐漸下降的趨勢，沖量值除個別次數外基本上也表現出隨著縱跳次數的增加而下降的趨勢。究其原因認為，縱向最大力值反映了人體完成縱跳蹬伸過程中各環節運動的協調加速和下肢肌肉的活動效率。縱跳開始時，由于人體肌肉力量有一個解除大腦皮層內抑制而逐漸激活的過程，同時中樞神經的協調機制—肌肉內部協調和肌肉之間的協調也有一個過程。因此，肌肉的力量和整體運動協調的不穩定是造成前4次不穩定的原因，當這個過程在數秒鐘內曲玉穩定時，肌肉內高效的供能物質又開始下降，從而導致肌肉活動效率的下降。然而盡力縱跳又要求肌肉爆發用力，即肌肉的快速收縮，其結果必然以肌肉的收縮力量下降為代價，這是造成縱向最大力值下降的原因。沖量的大小是由力與時間兩個變量決定的，不同跳次之間出現差異的原因可能是由于肌肉工作時間延長，活動效率下降，導致地面支撐反作用力下降造成的。張英媛[6]通過對優勢側和非優勢側踝關節在連續縱跳中的表現的研究，發現在連續縱跳的下落階段，優勢側踝關節的背屈方向和外旋方向上的角速度、垂直方向上的地面反作用力均大于非優勢側。

圖3 垂直地面反作用力比較圖

(摘自體育科學，2015 68-73)

縱跳下落階段兩側踝關節的外旋方向的最大角速度和屈曲方向的最大角速度具有顯著性差異。作者認為屈曲方向上角速度產生差異的原因可能是由于人體在下落著地過程中，非優勢側踝關節比目魚肌進行離心收縮，防止踝關節過分屈曲的能力優于優勢側踝關節，減小下落過程中的垂直地面反作用力使人體產生的圍繞冠狀軸旋轉的速度，從而減小踝關節屈曲，更好的預防運動損傷。但外旋方向產生的差異性，目前還沒有很好地做出解釋，對于其確切的產生機理還需做肌肉肌電分析的進一步研究。垂直方向的地面反作用力峰值，優勢側顯著性大于非優勢側，這說明在下落階段優勢側要承擔更大的地面反作用力，者不僅會對運動中肢體的協調性產生一定餓影響，而且長期的運動積累，可能會使優勢側勞損較快，影響運動員的運動成績及健康。

3.3 連續縱跳的肌肉力學特征

肌肉力學方面研究主要是探討產生動力變化的人體內部的肌肉力學特征。在肌肉力學層面上，主要是確定人體骨骼肌的生物力學特征，區分運動過程中原動機與輔助肌、協同肌與對抗肌、穩定肌與中和肌，并探明各自的發力特點以及各肌群的法力時序、大小等。目前，獲得肌肉生物力學特征的主要測量方法是肌電圖(electromyogram，簡稱EMG)測試法。

肌電學測量在體育運動中的應用較為廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態、肌肉間的協調程度、肌肉收縮類型及強度、判斷肌肉疲勞即損傷、評定肌肉素質等具有很好的幫助。但是從目前查閱的資料看，肌電學測量和表面肌電在連續縱跳動作中的研究近乎空白。僅有丁世聰[8]等人運用表面肌電的研究方法對兩個連續彈跳能力不同的排球運動員進行了對比分析。研究發現，連續彈跳能力強的運動員左右兩側伸肌與屈肌的峰值力矩和相對峰值力矩在慢速測試中都不如連續彈跳能力差的運動員，但是在快速測試中卻都優于連續彈跳能力差的運動員，者說明連續彈跳能力強的運動員絕對力量素質較差，而快速力量素質較好。對連續起跳效果起決定作用的伸肌向心的疲勞指標，連續彈跳能力好的運動員小于能力差的運動員，表現出更強的肌肉耐力素質。通過分析膝關節屈肌和伸肌的比值發現，在慢速狀態下連續彈跳能力好的運動員膝關節的絕對力量不如能力差的運動員，但是在快速狀態下所反映的肌肉快速力量和耐受疲勞的能力，能力行的運動員優于能力差的運動員。這可能是導致兩名運動員連續起跳能力差異的重要原因之一。不難看出，目前對連續縱跳過程中下肢主要肌群的研究非常少，研究結論不夠深入，之后的研究應該對人體下肢主要肌群的肌肉力學特征進行更加深入的研究。

4. 小結與建議

從目前有關連續縱跳的生物力學研究進展來看，國內外這方面的研究非常少，僅有的一些相關研究內容也相對單一，不夠系統，表現在對表面的指標研究較多，缺乏對連續縱跳過程中人體下肢主要肌群肌肉力學特征的研究，并且研究方法相對單一，很少運動多種方法同步測試。另外，對不同運動節奏連續縱跳生物力學特征的研究還不夠深入。總之，目前對于連續縱跳生物力學特征的研究還缺乏一定的深度和廣度，至今仍然還沒有形成較為成熟的理論體系。因此，今后對連續縱跳的研究應該朝著研究方法實用化，研究手段多維化、研究內容系統化的研究方向發展，以期待更加系統、全面地揭示連續縱跳動作的外部表現及內在機制，豐富和發展連續縱跳理論。

[1] 李良標等.運動生物力學[M].北京：北京體育學院出版社，1991,6:311，378—380

[2] 何亮.籃球運動中連續起跳對籃板球的作用[J].四川體育科學，2004,4:118—119

[3] 鄭亦華.體育系學生連續跳躍的實驗性研究[J].蘇州大學學報(自然科學版)，1993,4(9)：352—356

[4] 單海信.不同快慢節奏對連續性原地縱跳影響的實驗研究[J].天津體育學院學報，2007,3 (22)：228—230.

[5] Alberto R,et al.Comparison between kinematic and kinetic methods for conputing the vertical displacement of the cenyer of mass during human hopping at different frequencies[J].Jouinal of Applied Biomechanics,2008,24:271—279.

[6] 張英媛，陸阿明.優勢側和非優勢側踝關節在連續縱跳下落階段中的表現[J]體育科學.2013,33(5):68—72.

[7] 陸阿明.連續縱跳及其疲勞的生物力學研究[J].浙江體育科學，1998,3(20)：3—6

[8] 丁世聰.對我國部分優秀男子排球運動員連續起跳能力的分析研究[J].軍事體育進修學院學報，2006,3(25)：75—77.

張海濤(1991-)，女，漢族，江蘇淮安人，碩士在讀，研究方向：運動生物力學，蘇州大學體育學院。