自由式滑雪空中技巧运动员不同姿势落地缓冲的生物力学机制研究

娄彦涛，闫红光，马 毅

(1．沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁沈阳 110102;2．沈阳体育学院院长办公室，辽宁沈阳 110102)

自由式滑雪空中技巧运动员不同姿势落地缓冲的生物力学机制研究

娄彦涛1，闫红光1，马 毅2

(1．沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁沈阳 110102;2．沈阳体育学院院长办公室，辽宁沈阳 110102)

自由式滑雪空中技巧项目的落地所受冲击力较大，危险性较高。为减少运动员落地时造成损伤，提高动作的落地稳定性，采用瑞士KISTLER测力台和2台美国TROUBLESHOOTER高速摄像机，同步对6名国家自由式滑雪空中技巧男子运动员在50cm高度下以正常姿势落地和全脚掌落地缓冲实验，分析缓冲时间、标准力值、力值变化梯度、压力中心、人体倾斜角以及下肢关节角度等变化情况。结果表明，50cm高度下最大冲击力全脚掌为正常落地的1．44倍，极有可能造成人体损伤;压力中心前后方向上较小;人体倾斜角较大，说明产生的翻转力矩较小，故稳定性方面较好。

自由式滑雪空中技巧;不同姿势;落地缓冲

自由式滑雪空中技巧项目的动作结构由助滑、起跳、空中翻转、落地四部分组成。运动员在助滑道上助滑，当速度达到55～68km/小时进入跳台过渡区，借助高3.6～4m左右的跳台、在腾空高度约16m左右的空中完成翻腾和转体动作，最终在37°的雪坡上平稳着陆并滑出。由于动作的高度达到16m左右，所以运动员在着陆时要承受较大的冲击力，因此落地稳定性成为决定动作成败的关键因素［1］。目前，在该项目上实力较强的国家如加拿大、白俄罗斯、美国的运动员在动作难度上都有所提高。故中国队只有在提高动作难度上下功夫，才能在第22届冬奥会上获得金牌。但是，随着动作难度的增加，较大的落地冲击力造成的膝关节、腰部、踝关节损伤也更难以控制，因为该项目的雪板和雪鞋重量约有9kg，雪鞋与足部约成90°夹角且固定得相对严密，其落地方式是以全脚掌着地姿势落地，在落地过程中踝关节不能做相应的缓冲，导致整个人体的踝关节不能做相应的屈伸运动。人体下肢肌肉、肌腱、韧带和骨骼形成的复合弹性体承受着非常大的冲击力载荷，三周台运动员落地瞬间足底所受地面反作用力为自身体重的5.22～6.02倍［2］，如果落地动作控制不好，其结果将导致运动员在落地过程中造成损伤。据统计，该项目所有三周台运动员的下肢关节均遭受不同程度的损伤，严重影响了中国队的整体实力。而人体正常姿势落地为前脚掌先着地，然后迅速过渡到全脚掌，在此过程中具有屈膝、屈髋和伸踝关节的动作［3］，此种落地姿势很少导致运动员损伤。本文主要研究此种落地姿势与人体正常落地姿势的异同点，从生物力学角度研究此种落地姿势导致运动员受伤的内在原因，探讨运动员专项动作与人体正常姿势落地情况下人体受冲击力的变化规律，为预防该项目运动员损伤和科学化指导训练提供依据，也为备战22届俄罗斯索契冬奥会提供科技保障。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

受试者为国家队自由式滑雪男子运动员6名，运动等级均为国际级运动健将，身体状况良好。

表1 受试者基本情况(平均数±标准差)

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

2010年4月在沈阳体育学院国家体育总局冬季运动项目技术诊断与机能评定重点实验室，采用瑞士kistler采样频率1 000Hz测力台和2台美国Trouble shooter250CE采样频率为250Hz/S高速摄像机同步测试，同步点以足部接触测力台受力时刻开始。应用美国APAS图像解析系统来获得运动学数据，对6名国家自由式滑雪空中技巧运动员(男性)在50cm高度，以正常姿势落地和全脚掌姿势落地的动力学及运动学特征进行研究和分析。采用SPSS13.0统计学软件进行配对T检验。

1.2.2 实验设计

1.2.2.1 实验动作要求 全脚掌姿势着地:要求运动员以专项动作姿势落地，上肢摆臂动作与比赛动作落地姿势相同，即双臂侧平举，在落地时刻以足部的全脚掌同时接触测力台，整个落地过程踝关节尽量控制在90°，下肢不做刻意的缓冲动作。

正常姿势着地:要求运动员以正常的落地方式落地，即前脚掌先着地，然后迅速过渡到全脚掌，在此过程中伴随屈髋、屈膝和伸踝的动作，上肢正常摆臂，下肢不做刻意的缓冲动作。

1.2.2.2 实验过程 实验前进行热身活动，把身体各个关节、肌肉尽量活动开，尤其是下肢，防止受试者在实验过程中受伤。

实验过程中受试者穿深色紧身衣服，实验用飞跃牌42码田径运动鞋。要求受试者身体正直，目视前方，双脚站于50cm的木箱上，听到口令后(操作人员掌握遥控器，目的是使闪光灯、摄像机和测力平台进行同步)，分别以正常落地姿势和全脚掌落地姿势无初始速度双脚同时垂直落于测力平台中央，每个姿势做五次成功动作。

1.3 动作时相划分

以整个动作链的部分区间为研究范围，即以足着台为起始时刻，当足与平台接触瞬间，人体在垂直方向上受到测力台反作用力随时间的变化，力值曲线在特殊时刻有明确的量化对应关系［4］。如图1所示:在测力台上，人体所受垂直反作用力F－t曲线都具有两个波峰和两个波谷，故把落地缓冲动作划分为六个时相，O:脚接触平台时刻;A:达到第一波峰时刻;B:达到第一波谷时刻;C:达到第二波峰时刻;D:达到第二波谷时刻;E:缓冲结束时刻(人体重心达到最低点)。

2 结果与分析

2.1 两种落地姿势时间上的直观比较

时间值在缓冲动作分析中是一个关键的中间变量，它通常用于其他指标(如力值变化率、功率等指标)的间接计算。受关节角度变化、肌肉内力大小等因素影响，仅以动作时间的长短，无法直接用于评价缓冲的效果好坏［5］。

表2可以看出，正常落地姿势所用各个时段时间均显著大于全脚掌落地。结合分段时值分配，由动量定理(N－G) ·△t=△MV，用积分方程可知，当人体从50cm高度下落到平台时，获得一定的动量，当动量的增量△MV一定时，人体体重是一定的，作用时间△t与人体所受的反作用力N成反比，即作用时间越长，人体所受到的反作用力就越小，缓冲效果就越好。

图1 正常落地与全脚掌落地人体反作用力示意图

表2 正常落地与全脚掌落地总时间及分段时间分配参数表(ms)

2.2 正常落地与全脚掌落地力值/体重比较

为使所有受试者的地面反作用力的数据具有可比性，将受试者垂直落地的地面反作用力与受试者体重相除，得到标准化的地面反作用力［6］。

图1和表3中结果可以看出，全脚掌落地时刻人体在第二波峰所受最大冲击力为正常落地的1.44倍，正常落地第二峰值下降用时较长，因为落地时全身制动产生第一峰值力，随后人体放松加速下降，力值迅速下降，然后又全身制动，支持力上升，轻度松髋、躯干，使力值缓降。全脚掌落地缓冲第一峰值远小于第二峰值，是因为首先参与缓冲的肌肉群制动，形成第一峰值，接着大关节退让肌肉群放松使人体重心加速下降，支持力下降，这时退让肌肉群纤维滑动加快，大关节退让肌肉群再制动，会产生更大的制动，肌力增加人体缓冲的刚度，故第二峰值力变大。故整个缓冲过程中人体所受最大冲击力小于全脚掌落地。

2.3 正常落地与全脚掌落地冲击力值变化梯度比较

在人体运动中，人们很重视力的变化速度，把dF/dt定义为力的梯度，是单位时间内力值的平均变化(速度—力指标)速率。人体所受力值的梯度，代表因力的变化所引起的人体重心加速度的变化率，它反映了肌群的力学质量特性，对快速动评定意义极大。力值变化梯度大，表面肌群爆发力好［7］。

表3 正常落地与全脚掌落地标准化力值分配参数表(N/kg)

表4显示，在第一波峰时，两种姿势的变化都不大，且正常落地小于全脚掌落地，这是由于正常落地在缓冲过程中的顺序是前脚掌先着地，然后迅速过渡到全脚掌。达到第二波峰时，正常落地力的变化梯度明显小于全脚掌落地，说明全脚掌落地的变化梯度出现急速上升，下肢肌肉群制动，增加了人体的刚性，增大了冲击载荷的变化率［8］，导致下肢肌肉群、肌腱和韧带的牵引张力变化率急剧增大，在此过程中很容易造成下肢肌肉群、肌腱和韧带的拉伤。第二波谷时，正常落地的力值变化梯度也小于全脚掌落地，也增大了下肢群、肌腱和韧带的张力。从整体可以看出，正常落地过程中力的变化梯度均较小，说明下肢肌肉群、肌腱和韧带所受力是上下波动不大的缓和力，是一种较好的落地姿势。

表4 正常落地与全脚掌落地竖直方向力变化梯度参数表(N/ms)

2.4 正常落地与全脚掌落地压力中心比较

压力中心变化对落地稳定性具有重要的意义，稳定性反映了人体维持原有平衡状态和抵抗倾倒的能力。压力中心前后的移动范围反映了人体重心的调整情况，压力中心的左右变化范围反映了人体重心的左右调整情况。压力中心变化又长又宽是落地稳定性控制不好的突出表现，因为重心向前后左右移动同时，要调整势必造成人体控制的复杂化，从而导致出错失败。压力中心左右变化范围小是落地技术好的反映，人体落地控制变得简单，只做前后方向的调节比较容易。

表5 正常落地与全脚掌落地各个方向压力中心分配参数表(mm)

正常落地压力中心向左、向前和向后方向大于全脚掌落地，因为人体在接触平台后，先由前脚掌着地，与台面接触面积比较小，即支撑面小，稳定性就差，导致向左移动增大。全脚掌接触台面面积较大，即支撑面大，稳定性就强。两种姿势的压力中心向前移动的范围均较大，因为人体在下落过程中具有一定的水平速度，由惯性定律可知，在人体接触平台后，人体仍具有向前的运动趋势，使人体重心在惯性作用下继续向前运动。因左右方向上这种趋势甚微，故左右方向的压力中心较小为好。所以，压力中心以前后长左右短为好。

2.5 正常落地与全脚掌落地人体倾斜角比较

在人体下落缓冲过程中，受到平台的支撑反作用力Fx、FY和Fz。Fz、Fx是支撑反作用力的主要组成部分。支撑反作用力不通过人体重心，此反作用力是产生翻转力矩的根源。在暂不考虑FY分力的影响时，通过Fz、Fx两个分力，可计算出支撑反作用力(Fz、Fx合力)在前后方位上的倾角。即通过求Fz/Fx的正切tg值，可以得出人体的倾斜角。如果人体倾斜角小于45°，这说明支撑反作用力有可能从人体重心附近的下方通过，产生翻转力矩大［9］。如果人体倾斜角大于45°，说明支撑反作用力有可能从人体重心附近的上方通过，产生翻转力矩小。动作稳定者，其倾斜角变化范围小。

表6显示，正常落地和全脚掌落地在接触台时刻、最大反作用力时刻和缓冲结束时刻其人体倾斜角度均大于45°，说明支撑反作用力有可能都从人体重心附近的上方通过，产生的翻转力矩较小。正常落地接触平台时刻和最大反作用力时刻，其人体倾斜角均小于全脚掌落地，说明正常落地产生的翻转力矩要大于全脚掌落地，正常落地缓冲中使人体容易产生前倾。更进一步说明全脚掌落地姿势在落地缓冲的过程中，其稳定性要优于正常落地。

表6 正常落地与全脚掌落地各个时刻人体倾斜角参数表(°)

2.6 各个关节角度变化分析

落地缓冲过程中，同时伴随着下肢三大关节的屈膝、屈髋和伸踝，其目的就是延长与地面的作用时间，减小冲击力对人体的作用。

表7 正常落地与全脚掌落地各个关节角度变化参数表(°)

在此过程中，正常落地在髋、膝、踝关节处的变化幅度均大于全脚掌落地。正常落地达到第二波峰时间较长，且它的第一波峰峰值大于全脚掌落地的峰值，此时已经缓冲了一部分冲击力，所以变化幅度较大。在达到最大反作用力时，人体以肌肉、韧带等产生形变来吸收地面反作用力;尤其是大腿关节，具有发达的肌肉和韧带;在人体下蹲缓冲时，肌肉和韧带被动拉长，股直肌等做离心收缩，此收缩吸收一部分地面反作用力，此时的反作用力在髋关节处有较大的损失［10］。

图2 正常落地轨迹示意图

图3 全脚掌落地轨迹示意图

当地面反作用力出现第二波峰时，人体的神经—肌肉控制系统能够较好地控制人体的缓冲过程，肌肉、韧带、骨骼等组织开始起到缓冲作用，使地面反作用力在膝、髋关节处有很大的衰减，地面反作用力在第二波峰到达髋关节时，已经衰减38.69%±13.45%［11］。髋关节的缓冲幅度和角速度均小于膝关节，即髋关节不是缓冲外界负荷的主要关节，也说明了髋关节肌群不是以超等长收缩为主;髋关节缓冲主要由伸肌群的收缩能力决定。人体缓冲主要以膝关节的屈肌快速收缩进行主动缓冲，来减缓冲击力对人体的作用。

3 结论

1)正常姿势落地缓冲总时间为全脚掌的1.28倍，最大冲击力出现时间为全脚掌姿势的2.15倍;缓冲效果较好。

2)全脚掌姿势落地时，人体所受最大冲击力为正常落地的1.44倍，运动员在高速瞬间落地，极有可能造成膝关节、腰部的损伤。

3)全脚掌姿势落地人体压力中心在前后及向左方向显著性小于正常姿势，说明全脚掌在前后及向左方向的落地稳定性较好。

4)正常姿势落地接触平台时刻和最大反作用力时刻，人体倾斜角均小于全脚掌落地，使人体容易产生前倾;更进一步说明全脚掌落地稳定性要优于正常落地。

5)正常姿势落地人体髋、膝、踝关节变化幅度显著性大于全脚掌，缓冲效果较好。

4 建议

自由式滑雪空中技巧运动员落地时，下肢肌群做离心收缩。根据本研究结果提出以下建议;第一，运动员在落地过程采用主动屈髋、屈膝、伸踝的动作，降低垂直方向冲击力，增加落地的有效性，提高落地质量及落地稳定性的可控制度。第二，运动员在体能训练中，应加强背部竖脊肌、股四头肌、小腿三头肌，以及下肢伸肌群的离心收缩训练;加强髂腰肌、股四头肌的快速收缩能力的训练。如采用双手掐腰，脚跟着地行走的训练，提高小腿三头肌的离心肌肉力量。第三，运用等速肌肉力量设备(如德国产ISOMED2000)，先对运动员的下肢关节肌力进行测试与评价，对肌力配布不合理的肌群进行具体的离心收缩训练。

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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

国家科技支撑计划课题《冬奥会自由式滑雪空中技巧项目训练方法手段的研究与应用》，项目编号为2009BAK57B。

娄彦涛(1979－)，男，讲师，硕士，主要研究方向为运动生物力学。

责任编辑:乔艳春

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