武術騰空動作落地階段致膝關節損傷的運動生物力學分析

李飛鵬

(明知大學 藝術體育學院，韓國 龍仁 17058)

作為傳統體育運動的武術有著數千年的歷史，內涵博大精深。在現代科學技術迅速發展的今天，借助先進的儀器對武術技術動作進行量化分析，特別是難度較大的技術動作，可以加深對武術技術動作的認識及探尋高難度動作的規律，能夠改進這些動作的訓練方法和預防損傷的發生。近年來，一些專家學者在武術動作技術方面進行了量化分析的嘗試，取得了許多有價值的成果[1-5]。但由于量化分析需要涉及影像測量和生物力學等方面的專業知識，因此研究仍有很大的局限性。

隨著競技武術的不斷發展，教練員和運動員常常將武術運動中的高難度動作作為訓練的目標。但訓練方法的不合理，導致武術套路運動員的損傷成為普遍現象，且損傷部位多為膝關節，損傷階段多表現在落地階段。通過選取武術運動中典型高難度動作“騰空擺蓮720°接馬步”作為研究對象，采用3D攝像測量技術，結合運動生物力學原理對各階段特征參數進行分析，總結出了該動作落地階段致使膝關節損傷的主要影響因素，為從事該項目的教練員及運動員進行科學訓練提供可參考依據。

1 研究對象及方法

參與本實驗的被試者為山西省武術隊4名運動員，男女各2名，分別編號為A1，A2，B1，B2；其中武英級運動員1名，其余為國家一級運動員。實驗動作選定為騰空擺蓮720°接馬步，該動作基本能表現武術高難度動作中常見的起跳、騰空、繞身體縱軸璇轉以及落地緩沖等主要典型動作，符合本研究的需要。

采用2臺JVC9800高速攝像機，拍攝頻率為50幀/s，定點拍攝指定難度動作，2臺攝像機主光軸夾角接近90°，每名被試者在相同實驗條件下完成動作3次，取動作技術完整的1次，實驗現場如圖1所示。將采集的數據使用愛捷運動圖像測量分析系統進行處理，將解析獲得數據使用 Excel和 SPSS 25.0統計軟件進行統計處理，繪制圖表進行量化分析。

圖1 被試者完成騰空擺蓮720°接馬步動作的實驗現場Fig.1 Subjects finished vacates swing 720°followed by horse stance

2 結果與分析

2.1 武術運動中導致膝關節損傷主要原因及類型

由于武術動作中，膝關節常處于半屈曲狀態，此時韌帶松弛導致關節的穩定性降低。而關節的穩定性主要是由髕骨、股四頭肌來支撐。髕骨的掌腱膜和髕韌帶所承受的牽拉張力及髕骨相應關節面收到的擠壓力都很大，因此，膝關節屈位支撐比直立受到的負荷要大，易產生疲勞。如果在運動中身體姿勢錯誤，下肢肌力不足，肌肉韌帶放松不夠，亦或是步法互換不得當等，都會引起膝關節的損傷。

武術運動中膝關節的損傷通常為半月板損傷、髕骨勞損、膝關節側副韌帶順上或膝關節交叉韌帶損傷，其中，半月板和側副韌帶損傷居多[6-7]。在完成本文所研究動作騰空擺蓮720°接馬步的過程中，由于蹬伸階段髖關節與股骨扭轉會使相鄰上下骨之間發生擠壓、磨損，當承受力超過其極限時，則會造成半月板的損傷；而離地瞬時的扭轉角度超過關節韌帶的承受范圍時，則會造成側副韌帶和十字韌帶的損傷[8]。有類似研究表明，舞蹈者或運動員從30 cm高臺單腳跳到地面靜止的過程中，在落地階段均會出現膝關節冠狀面相擠壓，并認為肌肉疲勞是增加前交叉韌帶損傷的風險因素[9]。KERNOZEK et al[10]認為前交叉韌帶的損傷是由神經肌肉疲勞的外部因素所導致的，它會因性別的不同而產生差異。也有學者建議，可對膝關節及肌肉韌帶等通過合理的訓練方式使其耐力水平得到提升，以更好地完成相應的難度動作。

2.2 騰空擺蓮720°接馬步動作的3D攝像測量數據結果與分析

2.2.1各階段主要特征數據分析

本研究參考文獻[11]的方法將技術動作騰空擺蓮720°接馬步大致劃分為3個階段：起跳階段、騰空階段和落地階段。其中，起跳階段可細分為起跳緩沖和蹬伸離地，該階段指從著地緩沖到雙腳離地瞬時，且地面沒有對身體其他部位產生任何力的階段[12]；騰空階段是指雙腳離地瞬時到身體的重心速度為0時，即重心最高點；落地緩沖階段包括落地瞬時和落地緩沖兩部分，也就是從身體重心最高點到雙腳觸地瞬時直至重心穩定。該技術動作從離地瞬時到落地階段的時間為騰空時間；重心高度為人體重心最高點到地面的垂直距離，其中在人體騰空上升過程中，當重心加速度為0時的高度為人體最高重心高度；緩沖時間為雙腳著地瞬時到人體重心進入穩態瞬時的時間。通過3D運動圖像法，測量4名被試者完成該技術動作各階段相關特征數據，如表1所示。

表1 被試者完成騰空擺蓮720°接馬步各階段動作的部分特征數據Table 1 Data of each takeoff stage of vacated swing 720° followed by horse stance

以表1中被試者A1為例，他在完成該動作中的騰空時間為0.70 s，重心上升距離為66 cm，身體最高重心高度為179 cm，緩沖時間為0.16 s，顯著高于其他被試者，但4名被試者的各參數均值都與郭佳欣[13]的研究指標一致。由表2分析可知，最高重心高度與騰空高度呈正相關，兩者的高度決定被試者是否有足夠的時間來完成其騰空動作，也為落地緩沖贏得充分的準備時間，故二者是能否順利完成騰空擺蓮720°接馬步動作的重要條件。由于騰空高度是否對動作中的轉體以及落地穩定性產生影響仍存在爭議，但有部分學者認為可以通過加快起跳時的旋轉速度、降低空中轉動慣量來提高空中旋轉速度[11]。根據武術運動中騰空狀態下遵循的動量矩守恒定律[12]公式，即：

a=Iω.
I=mr2.

式中：a為常數，I為轉動慣量，ω為角速度，m為質點的質量，r為質點的轉動半徑。轉動慣量是度量轉動物體慣性大小的物理量，用以描述轉動物體保持原有運動狀態的能力[12]。由于轉動慣量與被試者轉軸的垂直距離有關，因此被試者可以通過調整空中姿態來增加垂直距離從而增加轉動慣量以順利完成相應難度動作的旋轉度數。

如果被試者的旋轉角度和騰空高度不夠，那么在空中的旋轉度數可能達不到相應的難度要求，這樣就會忽略落地前由伸膝到屈膝的合理緩沖，在轉動慣量和重力的作用下，極易導致膝關節的損傷[8]。能否完成騰空擺蓮720°接馬步的動作與運動員起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉和落地緩沖等階段均有關，且各階段相互影響。由表2可以看出，與被試者A1各動作特征參數相比較，被試者B2的最高重心高度(176 cm)相對較低，緩沖時間(0.12 s)較少，為了完成好該難度的動作，被試者B2應該在滯空狀態下對肢體做相應調整，為落地緩沖贏得更多的時間，以此來達到保護膝關節的目的。

2.2.2完成騰空擺蓮720°接馬步的動作落地階段重力速度和受力情況分析

武術套路運動員完成高難度跳躍動作時，落地階段為導致膝關節損傷的主要階段。落地階段包括落地瞬時和緩沖兩部分，其中，落地瞬時是指人體在到達最高點而后下降過程中，下降速度由0逐漸增大，當腳觸地瞬時開始受到地面的反作用力，此時速度開始減小，也就是說，落地瞬時是指當向下的速度達到最大時的瞬間。當速度趨于0時的瞬間為最大落地緩沖瞬時。參考文獻[11]對落地階段受力計算的方法，對該動作在落地階段被試者的重心速度及相關受力進行討論(見表2).計算公式如下：

Fx,y=m(v2-v1)/t;
Fz=m(v2-v1)/t+mg.

式中：Fx,y表示水平方向的力，Fz表示為垂直方向的力。根據落地階段相關數據可知(見表2)，被試者落地瞬時重心加速度較大，垂直、水平方向的速度均值分別為-221.8 cm/s，56.0 cm/s.由于落地瞬時的速度主要受垂直方向沖力的影響，故均值較大，為1 021.3 N；其次是受水平方向分力的影響，均值為338.2 N.由于運動效果的大小是由沖力所決定的，根據沖力計算公式F=mv/t可知，相同體重的被試者受力情況與其速度和耗時有關。為了減少地面反作用力對膝關節造成的損傷，被試者應適當延長落地緩沖時間。

由表2可以看出，被試者A1在落地瞬間的垂直速度為-293.6 cm/s，水平速度為80.2 cm/s，緩沖時間為0.16 s，垂直和水平緩沖速度的改變量分別為214.1，-57.6 cm/s，其落地總沖力為1 496 N，是其體重的2.37倍；而被試者B1的相關指標比被試者A1的略小，但是落地總沖力是其體重的2.3倍，這說明落地時的沖力與被試者的體重有關，體重這一因素也是較難調整的。為了落地緩沖階段提高穩定性從而達到保護膝關節的目的，被試者可以通過在騰空過程中伸開肢體來增加轉動半徑以加大轉動慣量，使得旋轉速度降低[12]。由于被試者在完成騰空擺蓮720°接馬步動作的落地緩沖階段時會受到起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉等動作的影響，因此如果起跳不充分會使得在空中的轉體動作完成不到位，這樣在重力加速度的影響下，膝關節外旋補償完成相應難度的旋轉度數，如超出負荷則會導致半月板、側副韌帶或十字韌帶的損傷[12]。

表2 被試者在落地階段的重心速度與受力情況Table 2 Center of gravity velocity and impulse force during subjects' landing phase

2.3 被試者落地階段膝關節角度的變化

關節角度數據在運動技術分析中主要用于判斷和評價被試者肢體的姿態，對于使用評分方式計量運動成績的武術套路比賽具有重要的指導意義[12]。本實驗中的膝關節角度是指同側髖、膝、踝關節3點的夾角。由表4可以看出，通過配對樣本t檢驗分析可知，在落地瞬間，左膝關節角度顯著小于右膝(P=0.000<0.05)；在最大緩沖瞬間，左膝關節角度較小于右膝，但二者的差異無統計學意義(P=0.298>0.05)；在落地緩沖階段右膝角度的變化量顯著大于左膝變化量(P=0.003<0.05)，由此可知，右膝關節較左膝關節更容易受傷，這與實地走訪調查結果和相關文獻[7]結果相吻合。

角位移是指描述物體轉動時位置變化的物理量，文中指的是膝關節轉動角度變化的幅度，且角位移會隨著膝關節角度變化量的增大而增大。由表3膝關節角度變化參數可以看出，被試者從落地瞬時到最大緩沖瞬時，隨著制動的產生，膝關節角度逐漸減小。在騰空擺蓮720°接馬步動作進入落地緩沖階段后，膝角變化量對緩沖產生一定的影響。在膝角位移和緩沖時間均測得的情況下，通過角速度公式可知，角速度與緩沖時間成反比。為了能夠順利完成該難度動作，根據前文提到的騰空狀態下的動量矩守恒定律公式可知，被試者需要改變空中肢體動作，以此來增加轉動慣量，延長緩沖時間。

表3 落地階段膝關節角度參數Table 3 Knee joint angle at landing stage of vacated swing 720° followed by horse stance

以被試者A1和B1為例，在落地瞬間到最大緩沖瞬間，右膝的關節角度變化量大于左膝關節角度變化量，這與被試者落地瞬時身體還在扭轉有關系[11]。由此可以推斷，右膝關節較左膝關節容易受傷，這與實地走訪、調查結果相一致。由于運動員膝關節存在關節肌力弱，韌帶松弛等問題，因此在完成騰空擺蓮720 °接馬步動作的落地階段，膝關節在由伸到屈的過程中，使得膝關節周圍肌力不均衡，失去其穩定性，并且屈膝下蹲的過程中，髕骨的接觸面逐漸減小，壓力增加，導致膝關節的損傷。

3 結論

1) 騰空擺蓮720 °接馬步動作落地階段致膝關節的損傷多以半月板、側副韌帶或交叉韌帶等的損傷為主，并具有普遍性。

2) 落地瞬時沖力是武術騰空動作中致膝關節損傷的主要影響因素，而沖力大小主要是由被試體重、騰空高度以及落地緩沖方式等的因素決定，由于被試體重為相對不可變量，那么其他兩個因素則起到了決定性作用。

3) 騰空高度與動作完成質量成正相關，兩者完成質量高則會為落地緩沖提供了相對充分的準備時間。若體重與騰空高度相對穩定的情況下，那么被試者則要通過調整空中姿態來加大轉動慣量，同時需要調整落地瞬間膝關節角度，為落地緩沖贏得準備時間，使落地瞬時沖力的值減到最小，以此來保護膝關節。