殘奧單板滑雪出發階段的運動生物力學分析

摘 要：出發技術在殘奧單板滑雪項目中具有重要地位，研究影響運動員出發的運動學及動力學因素，可以為指導訓練提供科學依據。運用三維高速攝像設備、Simi Motion 錄像解析法及表面肌電測試法，對國家冬殘奧單板滑雪運動員武中偉的出發技術進行運動生物力學分析。結果顯示：拉門階段肩關節、肘關節角度變化與速度呈顯著負相關，角速度變化與速度呈正相關；助滑緩沖階段的運動表現顯著受拉門階段重心的影響；騰空階段核心肌群貢獻率最大；落地階段騰空高度及落地路線的選擇對后續滑行速度影響顯著。建議拉門階段雙臂充分牽引，要注重對手臂推壓與重心下壓時機的把握；助滑緩沖階段前期壓低重心優勢明顯，騰空階段要充分發揮核心肌群及上肢提拉的作用；要提高出發臺騰空位置至雪壩斜坡的高度差，以增加動能；落地階段要充分發揮雙臂及核心肌群的制動作用，實現平穩著陸。

關鍵詞：冬殘奧會；殘奧單板滑雪；武中偉；出發技術；生物力學；肌電測試

中圖分類號：G811.228/G863.16" " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " "文章編號：1002-3488（2023）03-0032-09

Sports Biomechanical Analysis of Snowboarding in the Starting Phase of the Paralympic Games

——Based on the Test Results of Beijing Winter Paralympic Games Athlete WU Zhongwei

LI Jian HOU Yali MENG Chunlei WANG Xiangdong QIANG Liying JIAO Mingyue

（1. School of Physical Education， Shanxi Normal University， Taiyuan 030031， China; 2. School of Physical Education， Jimei University， Xiamen 361021， China）

Abstract： Starting technique has an important position in Paralympic snowboarding event. Studying the kinematics and kinematics factors that affect athletes' starting can provide scientific basis for guiding training. Using 3D high-speed camera equipment， Simi Motion video analysis method and surface electromyography test method， this paper has a sports biomechanical analysis of the starting technique of National Winter Paralympic snowboarder WU Zhongwei. The results show that the changes in shoulder and elbow joint angles during the pulling door phase were significantly negatively correlated with velocity， and the changes in angular velocity were positively correlated with velocity; The sports performance in the sliding aid and buffering phase is significantly influenced by the center of gravity in the pulling door phase; the core muscles contributed the most in the vacating phase; the height of vacating and the choice of landing route in the landing phase had a significant effect on the subsequent skating speed. It is recommended to provide sufficient traction with both arms during the pulling door phase and to pay attention to the timing of arm pushing pressure and center of gravity pressing; The advantage of lowering the center of gravity is obvious in the early phase of the sliding aid and buffering phase， and the role of core muscles stability and upper limb lifting should be fully played in the vacating phase. To increase the height difference from the vacated position of the departure platform to the slope of snow dam to increase kinetic energy; In the landing phase， the braking effect of both arms and core muscles stability should be fully exerted to achieve a smooth landing.

Key words： Winter Paralympic Games; Paralympic snowboarding; WU Zhongwei; starting technique; biomechanics; electromyography test

1 研究背景

在2014年索契冬殘奧會上，殘奧單板滑雪作為殘奧高山滑雪的一個分項，首次成為冬殘奧會的正式比賽項目[1]。殘奧單板滑雪分為坡面回轉和障礙追逐兩個項目，均以速度來決定成敗，強大的體能儲備和核心力量是殘奧單板滑雪運動員能夠在這種速度主導類比賽中發揮出色的重要前提[2]。出發階段的技術在殘奧單板滑雪坡面回轉和障礙追逐比賽中具有舉足輕重的地位，選手在出發階段需要進行“拉門”動作，以獲得更快的初始速度。已有相關研究[3-4]表明，快速起步是獲得滑雪運動比賽成功的必要條件。同時，由于單板滑雪運動員的出發動作需要上肢與核心部位協同發力，這對殘疾人單板滑雪運動員無疑提出了更高的要求，因此，該項目運動員需要具備較強的核心及上肢力量[5-6]。國外學者對于健全人滑雪項目出發階段的研究[7-9]已經形成較為完整的體系，研究內容主要集中在運動學和動力學方面，涉及運動員機體的穩定性以及運動模式，項目重點為越野滑雪及雪橇；國內關于生物力學的研究[10-12]則在速度滑冰項目上較為深入。本研究通過對優秀殘奧單板滑雪運動員武中偉出發階段的動作進行生物力學分析，深入剖析武中偉在出發階段的運動學及肌電學特征，以期揭示其制勝規律，為其他殘奧單板滑雪運動員的訓練提供參考依據。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

以國家殘奧單板滑雪運動員武中偉作為研究對象。武中偉1995年出生，殘奧單板滑雪項目訓練年限4年，級別為SB-LL1（LL1代表運動員膝關節以上截肢），在2022年北京冬殘奧會中獲得殘奧單板滑雪男子坡面回轉LL1級金牌和殘奧單板滑雪男子障礙追逐LL1級銅牌。

2.2 研究方法

2.2.1 三維高速攝像法

測試地點位于內蒙古赤峰市美林谷滑雪場，采用兩臺日本JVC/GC-P100AC高速高清攝像機對現場進行三維同步拍攝（圖1）。攝像機分別固定在場地側面和后面并使主光軸相交呈90°，拍攝幀率為50幀/s，每次拍攝之前，選用三維標定框架進行立體空間標定。

2.2.2 Simi Motion錄像解析法

運用Simi Motion錄像解析系統對武中偉的出發動作進行數據采集與處理，因運動員在測試過程中佩戴假肢，同時Simi Motion目前還未帶有與殘疾人相關的人體模型，故采用系統內自帶的16個人體標志點的漢納范（Hanavan）人體力學模型進行應用。

2.2.3 表面肌電測試法

實驗采用16通道美國Noraxon表面肌電測試儀，設備型號為ULTIUM RECEIVER，采集頻率為1 000 Hz。運動員在滑雪場正常訓練，測試前進行2～3次預熱活動，不進行信號采集，待運動員戴上肌電設備逐漸適應壞境，動作穩定后再進行肌電信號采集（圖2）。

收集若干部位肌肉的原始肌電（表1），取3次有效測試數據，實驗原始數據均通過平滑、整流及濾波處理。測試指標：1. 各階段動作準確起止時間；2. 各階段各部位肌肉的貢獻率。

2.3 動作階段的劃分

國外學者在對越野滑雪及雪橇運動的出發動作進行階段分類時，大致將其分為“預—拉—推”3個階段。參照于此，結合殘奧單板滑雪出發場地的特點以及出發門技術動作的結構，本文將殘奧單板滑雪出發動作劃分為4個階段（圖3），即“拉門—助滑緩沖—騰空—落地”。拉門階段M1（3-1～3-2）：從預備時刻至拉門結束，滑雪板前板著地至出發坡臺（第一落點）；助滑緩沖階段M2（3-2～3-3）：從前板觸及出發門前黑色膠質坡臺至前板起板；騰空階段M3（3-3～3-4）：從前板起板至滑雪板滑到與出發臺地面平行的最高點；落地階段M4（3-4～3-5）：從滑雪板與地面平行的最高點至前板著地（第二落點）后滑到雪壩坡面。下文為了在全過程分析圖中更直觀地劃分各個階段，特將M1與M2階段的分界時點設為T1，M2與M3階段的分界時點設為T2，M3與M4階段的分界時點設為T3。

3 研究結果與分析

為了更好地揭示動作特征與運動效果的關系，研究對武中偉出發過程中身體多個主要關節的運動情況進行了3輪測試，并分析其對出發動作各階段的影響。其中，上半身關節包括左肩（LS）、右肩（RS）、左肘（LE）、右肘（RE）的角度和角速度，見圖4；下半身關節包括左髖（LH）、右髖（RH）、左膝（LK）、右膝（RK）的角度，見圖5。

3.1 拉門階段生物力學分析

3.1.1 M1階段運動學參數

通常來說，殘奧單板滑雪的拉門動作又由3個小階段構成（3個小階段的時間分布較為一致，因此本文未明顯區分標記）。一是拉門前的預備階段，這個階段的任務主要是保持準備姿勢和降低重心，運動員在聽到出發的口令后隨時準備啟程。二是牽引階段，這個階段需要發揮軀干以及上肢伸肌組織的爆發力，主要任務是在拉門階段獲得最大的出發速度，它是整個出發階段初始動力的來源。三是推壓階段，當拉門階段結束后，由于前方接有一小坡臺，因而此時需要積極下壓重心，通過上臂屈肘來推動身體繼續向前，以此來保持最大速度或防止出現顯著的降速，這也是M1階段最后環節主要的力量來源。

M1階段的運動學參數，見表2。由圖4-1～4-4可知，雙側肩關節、肘關節角度與角速度的數值相對較大，變化幅度也更為顯著，因此在M1階段，肩關節、肘關節的積極屈伸對于出發速度有著至關重要的影響。

在M1牽引階段，3次測試肩關節及肘關節的角度變化差異較為細微，在經過顯著的牽引后，需要上肢進行積極的推壓，以此來維持最大速度或防止降速。由圖4-5、4-7發現，武中偉第1次測試的肘關節角度變化率先抵達第一最低峰值，這表示武中偉在第1次M1階段牽引結束后進行了及時的推壓，這樣的動作模式在M1階段的最后可以獲得充足的動力來源。根據推壓階段肘關節的時間及動作特征可知，LS關節及LE關節角度第一最低峰值即為推壓階段的結束時刻。與越野滑雪及雪橇運動出發上肢特征明顯不同的是[8-10]，單板滑雪M1牽引階段后的推壓階段是需要肘關節積極屈曲來達到助力的效果，肘關節的屈曲更加顯著。同時，重心下壓的時機與肘關節屈曲的時機是緊密相連的，一般來說，如重心下壓的時機過晚，肘關節的屈曲發力反而會帶來不利的影響。

根據圖5可知，武中偉雙側髖關節、膝關節角度都先經歷了顯著的增加，進而發生明顯的減少。武中偉第一次M1階段髖關節及膝關節第一峰值出現較其他兩次相比要早，這也直接反映了武中偉第一次M1牽引階段髖關節及膝關節較早地完成伸展，為后續推壓階段提供了有利的條件。

分析武中偉M1階段數據的皮爾遜（Pearson）相關性（表3）發現：LS關節和RS關節角度變化與速度變化的相關性分別為-0.786和-0.735，顯示出較強的相關性；LS關節和RS關節角速度變化與速度變化的相關性分別為0.637和0.621，顯示出中等強度的相關性。LE關節和RE關節角度變化與速度變化的相關性分別為-0.695和-0.602，顯示出中等強度的相關性；LE關節和RE關節角速度變化與速度變化的相關性分別為0.579和0.547，顯示出中等強度的相關性。結合武中偉左側大腿截肢的殘疾程度，可知武中偉左側上肢在M1階段發揮出較強的代償作用，左側上肢的相關性強于右側上肢。

進一步對武中偉3次M1階段身體重心變化（圖6）與動作特征進行比較，發現武中偉在第1次M1階段，身體重心降低的時機較早，身體重心位置也較第2、3次更低，這與上述髖關節與膝關節角度變化的測試結果較為一致。從M1階段身體重心最高時刻至前板著地時刻，地面會給予運動員向上的反作用力，而地面反作用力的大小是由前板著地時給予地面的壓力所決定的。運動員的身體重心越高，地面所給予的反作用力也越大，這勢必會對身體重心的穩定性造成一定的干擾，從而影響下一階段的技術發揮。

3.1.2 M1階段肌電學指標

通過分析武中偉M1階段上肢各測試部位的肌肉貢獻率（圖7），可以發現武中偉在M1階段上肢左右兩側的各肌肉貢獻率差異較為顯著。在M1牽引階段需要上臂積極進行牽引，并需要上肢伸肌組織以及軀干組織的爆發運動來提供能量。一些與M1階段上肢動作特征相關的文獻表明[13]，上肢肌肉最大力量的重要性至關重要，而最大速度與絕對上肢力量變量有關。根據M1階段的動作特征并結合武中偉的殘疾程度可知，核心肌群以及左側上肢肌肉在運動過程中發揮了較大的代償作用。

殘疾人單板滑雪運動員專項運動能力不僅包括以力量為基礎的全面身體素質能力，還包括滑降過程中對身體姿勢的控制能力和假肢與身體的配合能力[14-15]。對于武中偉個人而言，手臂力量的作用在拉門過程中是不可替代的[16]，同時，核心肌群在此過程中對上下肢體的協同用力起到承上啟下的樞紐作用。

3.2 助滑緩沖階段生物力學分析

3.2.1 M2階段運動學參數

M2階段的運動學參數，見表4。從整體來看，M2階段各關節角度的變化較為細微，這也直接說明在M2階段最重要的任務就是要穩定身體姿態，為之后的M3階段作充足的準備。

3.2.2 M2階段肌電學指標

通過分析武中偉M2階段上肢各測試部位的肌肉貢獻率（圖8），可以發現在M2階段腹外斜肌貢獻率最高，其次是背闊肌、豎脊肌、斜方肌中束以及三角肌前束。

綜上分析可知，M1階段的動作特征以及著地時機對M2階段動作的順利完成有著至關重要的影響，正確的著地時機以及動作技術能夠為M2階段贏得調整身體姿勢以及重心的時間優勢。在此過程中，平衡能力有助于優化動作技術并降低受傷風險，而核心肌肉（腹部和脊柱肌肉）則負責保持身體的平衡[17-18]，同時，上臂以及背闊肌在帶動身體向上提拉的過程中也發揮著必要的作用。

3.3 騰空階段生物力學分析

3.3.1 M3階段運動學參數

M3階段的運動學參數，見表5。可以發現武中偉第1次測試的速度較其他兩次快，用時也最少，這表明武中偉第1次測試M1、M2階段的銜接較為順利，為M3階段提供了有利條件。

結合圖4-1～4-4可知，在M3階段武中偉第1次測試的肩關節角度及角速度變化幅度較其他兩次要顯著。由于左腿的缺失，其在騰空過程中更需要以核心力量的爆發以及上肢充分地“提拉”來提供充足的動能，這一“提拉”的動作特征與雙杠項目中的臂屈伸極為相似，主要使運動員在垂直起跳速度相對不足的情況下，獲得額外的垂直速度[19]，因此在騰空時需要借助雙臂以及腰腹力量來及時引導運動。

3.3.2 M3階段肌電學指標

武中偉M3階段上肢各測試部位的肌肉貢獻率，見圖9。其中，腰腹核心肌群發揮主要作用，其次為背闊肌、斜方肌中束以及三角肌前束。根據LL1級別的殘疾程度，運動員只有單條腿具備完整的功能系統，因此在運動過程中需要更多地借助健側腿來進行發力和維持重心平衡，武中偉在起跳過程中即更多地動員左側豎脊肌來實現騰空的目的。

3.4 落地階段生物力學分析

3.4.1 M4階段運動學參數

由圖4、5可知，M4階段各關節角度變化趨于穩定，這主要是由此階段必須保持重心穩定的目標所決定的。M4階段的運動學參數，見表6。通過比較M3階段的軌跡距離可知，騰空高度在一定程度上決定了落地階段的速度。因此，在強調騰空前獲得較大加速度的同時，要盡可能提高出發臺騰空位置至雪壩斜坡的高度差，以減少滑行時的阻力。同時，落地時雪板與地面的角度對下一階段的動作質量也起到至關重要的作用，這主要涉及到騰空過程中的路線軌跡。

理想狀態下，跳躍軌跡會根據跳躍的特征而相應產生變化，然而通常情況下，高的軌跡會導致速度上的損失，但低的軌跡又無法充分發揮騰空帶來的動能優勢。圖10顯示了不同騰空軌跡的效果，其中軌跡2是騰空飛行的最理想路線，軌跡3會由于不完全的跳躍導致提前減速，而軌跡1過高的騰空會由于嚴重失速而導致動作變形，不利于動作的穩定性，影響后續的滑行。

3.4.2 M4階段肌電學指標

在M4階段，不僅需要核心肌群發力來維持身體平衡，更需要動作上的積極屈伸來實現平穩著陸。M4階段最主要的動作特征表現為上體積極下壓，兩臂向身體兩側適當屈伸，在此過程中，核心肌群尤其是腹外斜肌的發力較為顯著，武中偉的左側腹外斜肌與右側腹外斜肌相比發力要更多（圖11）。

3.5 動作結構優化分析

出發技術各個階段是緊密相連的組成部分，任何一個階段出現失誤，都會影響下一階段的正常發揮。M1階段作為整個出發過程的起點，對整套出發動作的成功與否起到關鍵作用。正確的起動必須保證在肌肉力量最小化損失的情況下進行，而實現正確快速起動的先決條件是爆發力、速度、機動性以及協調性。

對于武中偉個人而言，手臂的肌肉力量在M1階段的作用是不可替代的[12-13]。同時，核心力量訓練能夠使單板滑雪運動員在滑行和做關鍵技術動作時穩定脊柱與骨盆，保持正確的運動姿勢[20]。已有相關研究[21]表明，在單板滑雪運動中，腹外斜肌在主要工作肌群中不僅貢獻率較高，同時振幅峰值也較大，這也與本次測試結果相對一致。值得關注的是，因武中偉個人殘疾程度的特殊性，左側肢體的代償機制表現得較為顯著，因此，在強調增強肌肉力量的同時，也要提高身體肌肉發力的有效性、機動性和協調性[15]，加強出發階段的整體技術能力。

M2階段的主要任務是保持或延續M1階段產生的動能，在此過程中需要穩定身體姿態，盡量避免用刃，為M3階段作好充足的初始準備。而較好地完成M1階段的技術動作能夠為運動員贏得調整M2階段重心以及姿態的時間，取得心理上的優勢。

M1階段產生一定的初始動能，M3階段進而又產生一定的動能，兩次動能的疊加可以促使運動員快速滑動。當然，沒有較好的滑行能力就不會有較快的起跳速度，沒有足夠快的起跳速度就不會達到足夠的飛行高度[22]。雖然我們強調在M3階段要最大限度地縮短騰空時間，力求以最短的時間差進行下一階段的滑行，但鑒于武中偉個人殘疾程度的特殊性，在滑行期還要充分發揮上肢及核心肌群的代償作用，這在一定程度上與無騰空的動作特征相比有著更多優勢，這也屬于武中偉個人的獨特滑行風格。

M4階段的主要任務是在保證動作穩定性以及流暢性的基礎上，為銜接后續的動作奠定基礎。根據最佳落地軌跡可知，落地時雪板應與斜坡角度相近或一致，落地瞬間雪板應避免用刃。這也表明，如果在M4階段重心過于前傾，勢必會對后續動作的穩定性及速度造成不利的影響。因此，運動員今后不僅要加強對肌肉力量的訓練，還應提高肢體的協同性以及做好各階段之間的銜接。

4 結論與建議

4.1 結論

1. 武中偉M1階段肩關節、肘關節角度變化與速度呈顯著負相關，角速度變化與速度呈正相關，左側上肢角度與角速度相關性較右側更為顯著。

2. 武中偉M2階段三次滑行加速度有顯著差異，且M2階段的運動表現顯著受M1階段重心的影響。

3. 武中偉M3階段核心肌群貢獻率最大，其中左側豎脊肌占28.83%。

4. 武中偉M4階段重心前移較為明顯，騰空高度以及不同落地路線的選擇對后續滑行速度能產生顯著影響。

4.2 建議

1. M1階段要求雙臂充分牽引，同時要注重對手臂推壓與重心下壓時機的把握，武中偉左側肢體的代償機制較為明顯，今后應加強對左側肢體的力量訓練。

2. 在M2階段的初始時刻壓低重心具有明顯的優勢，M3階段要充分發揮核心肌群以及上肢提拉的作用，武中偉在起跳騰空過程中，要更多地動員左側豎脊肌來提高動作效率。

3. 對于武中偉個人而言，要盡可能提高出發臺騰空位置至雪壩斜坡的高度差，以增加M4階段的動能，減少滑行阻力。

4. 在M4階段，武中偉要充分發揮雙臂的制動作用，同時加強核心肌群的制動能力，以實現平穩著陸。

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