影响击剑运动员向前弓步速度生物力学因素的灰色关联分析

彭道福，伍 勰，郭 黎

Shanghai Sports University，Shanghai 200438，China.

弓步技术是击剑运动员的重要专项技术，也是击剑项目所特有的技术，比赛中出弓步的时机、移动距离、速度、路线是决定进攻效果的重要因素［3］。弓步速度与运动员专项素质能力有着直接的关系。目前，有关优秀击剑运动员弓步速度生物力学影响因素的研究较多。有研究者认为，前腿对于弓步速度的提高具有重要的意义，研究表明，剔除体重影响的弓步速度和前腿的最大力量到达时间、平均功率、相对力量存在关联（r＝0.76）［14］，也有研究者认为，后腿对于弓步速度的提高意义重大［18，26］。Stewart SL认为，弓步刺速度和后腿关节最大角速度的到达时间关系密切［22］。Morris N对一名高水平击剑运动员在弓步刺过程中前后腿各关节角速度、力矩、功率指标进行测试并分析发现，后腿膝、踝关节功率、力矩、角速度均显著大于前腿膝、踝关节［20］。纵观前人研究发现，主要集中在前、后腿在弓步速度的相关性研究以及在实战过程中的前、后腿生物力学指标的比较研究，但是并未研究“前、后腿在提高弓步速度究竟谁起的作用大”，国内、外对此问题并未解决。在击剑运动中，前腿和后腿执行不同的运动模式，击剑运动员后腿蹬地的地面反作用力是弓步的主要动力，而前腿更多的是承受弓步落地后巨大的惯性冲击［23，24］。两侧下肢不同功能性分工使击剑运动员在长期训练后形成独特的专项性体型特征，即前腿的大腿围度明显大于后腿的大腿围度［13，19，25］。研究者认为，仅考察前腿的肌肉力量和弓步刺速度之间的关系存在一定的理论局限，因此，本研究尝试以后腿各关节的生物力学指标表现为切入点来探讨影响弓步速度的主要因素符合击剑运动员下肢运动专项特征。在击剑训练中教练员经常强调运动员需用力并且快速蹬后腿以获得更大的往前弓步刺速度［3］。从中可知，运动员强大的后腿肌肉力量和快速的关节摆动对于运动员弓步刺速度的提高至关重要。然而目前为止，后腿肌肉力量、关节摆动速度对于运动员弓步速度是否存在影响及各关节之间的影响程度如何，国内、外研究较为鲜见。也有研究者证实，后腿以不同踝关节角度进行弓步刺时下肢关节功率之间具有显著性差异，后腿踝关节角度的变化会引起下肢关节功率的变化［16］。关节力矩可以反映肌肉力量的大小［15］，关节角速度可以反映关节的摆动快慢。为探讨后腿膝、各关节肌肉力量、摆动速度及关节角度对于弓步速度的影响程度，本研究选择膝、踝关节力矩、角速度及关节角度指标并运用灰色关联分析方法分析这些指标对弓步速度影响的关联程度，找出主要影响因素，为击剑运动员专项力量训练提供生物力学依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

某体育学院运动训练专业男子击剑运动员12名（表1），其中，重剑3名、花剑4名、佩剑5名。1人为国家健将，2人为一级运动员，其余9人为二级运动员，训练年限4～12年，无下肢关节受伤史，自愿参加本次实验。由于剑种之间的差异主要体现在出手的方式，不同剑种躯干及下肢的工作模式极为类似［3，8］。本实验弓步速度是测试弓步刺动作过程中运动员重心最大水平速度，因此，本实验选择不同剑种运动员作为研究对象具有可行性。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

测试前向运动员说明测试要求及注意事项，运动员准备活动热身5～10min，测试前运动员穿专用实验短裤至少体验3次，直到完全符合实验要求后对运动员全身进行标记球贴放（直径14mm，贴放位置根据NEXUS的full body model要求，共49个标记球）。贴放完毕后，首先，要求运动员站在测力台上做解剖零位的静态拍摄（图1）。弓步测试时，运动员后腿踏在测力台上并且手持剑以原地向前弓步尽最大能力往前刺剑，每个运动员要求至少测试3次。测试方法严格按照操作说明执行，测试人员为专业操作人员，实验示意图见图2。运动学数据使用VICON系统（英国，采样频率为100Hz，版本为NEXUS 1.6采集，动力学数据由KISTLER三维测力台（瑞士，9287B）与运动学数据同步采集，采样频率为1 000Hz。

表1 本研究运动员基本情况一览表Table 1 General Descriptive Statistics of Fencers

图1 本研究标记球贴放位置示意图Figure 1. Placement of the Reflective Markers on the Body

1.2.2 数据处理

运动学与动力学数据处理使用Visual3D分析软件。Marker球原始坐标数据采用Butterworth 4阶低通滤波处理，截止频率为17Hz。关节角度定义为远侧环节相对于近侧环节的夹角，采用解剖学规范，并按右手法则确定正负：踝关节角跖屈为负，背屈为正，直立位为零；膝关节屈为负，直立位为零。踝、膝关节峰值力矩按运动员身体质量进行标准化处理。

1.2.3 分析方法

灰色系统理论中的灰色关联分析方法主要是对灰色系统随时间变化而变化的若干有关数列及其曲线进行对比分析，把系统内有关因素之间的各种关联展现出来，揭示其内在联系和科学规律，研究对象可以是“小样本”，“贫信息”的系统，这样恰恰弥补了回归分析需要采集大量样本，具有典型的概率分布的不足［6，12］。本研究运用该方法对运动员的弓步动作启动时的踝、膝关节屈伸方向的关节角度以及动作过程中关节峰值力矩、角速度指标和动作过程中重心最大水平速度（沿动作方向）的灰色关联度进行计算。对影响弓步刺重心最大水平速度的程度进行关联排序，找出影响男子击剑运动员弓步刺速度的主要生物力学因素。本研究中将弓步动作启动定义为：后腿蹬地时，前腿刚离地时刻。

2 关联度计算

对运动员后腿进行运动学和动力学测试，经分析处理取得第一手资料（表2），各数据为运动员3次成功测试的平均值。

表2 本研究运动员后腿生物力学测试数据一览表Table 2 Kinematics of Rear Leg during Forward Lunge

2.1 确定参考序列和比较序列

设Y0（K）为参考序列，代表重心速度。X1（k）、X2（k）、X3（k）、X4（k）、X5（k）、X6（k）为6个比较序列，分别代表踝角、膝角、踝角速度、膝角速度、踝关节峰值力矩、膝关节峰值力矩。序列k＝1，2，…，12分别代表12名运动员。为使各项指标的原始数据具有可比性，用均值化方法对原始数据进行无量纲化处理，即用各组数据的平均值去除各个原始数据等到均值化数列［1，7］（表3）。

2.2 计算参考序列和比较序列的绝对差

计算参考序列和比较序列的绝对差（表4），并且找出两级最小绝对差值 min min｜Y0（K）－Xi（k）｜＝0.4987和两级最大绝对差值 max max｜Y0（K）－Xi（k）｜＝0.0010［1，4］。

表3 本研究原始数据均值化处理一览表Table 3 Equalization Processing of Raw Data

2.3 计算关联系数

依据公式［1，4，7］：ξ0i（k）＝（△min＋ρ·△max）／（△0i＋ρ·△max）分辨系数取ρ＝0.5。

2.4 计算关联度和权重

3 研究结果

表5、表6为关联系数比较及影响因素关联度、权重比较。可见，各个因素对运动员向前弓步刺重心最大水平速度的影响程度大小依次是：踝峰值力矩＞膝角＞膝峰值力矩＞踝角＞踝角速度＞膝角速度。除膝角外，关节峰值力矩、角度、角速度对弓步刺重心最大水平速度影响程度依次是关节峰值力矩＞关节角度＞关节角速度。膝角对于弓步刺重心最大水平速度的影响程度大于膝峰值力矩，但是从关联度和权重数值上看膝角（ri＝0.7192）和膝峰值力（ri＝0.7173）的影响程度相差不大。膝、踝关节峰值力矩、角度、角速度对于弓步刺重心最大水平速度影响程度大小具体为：踝峰值力矩＞膝峰值力矩，膝角＞踝角，踝角速度＞膝角速度。

表5 本研究运动员关联系数比较一览表Table 5 Comparison of Correlation Coefficient

表6 本研究影响因素关联度、权重比较一览表Table 6 Comparison of Correlation Degree and Weight Coefficient in All Influence Factors

4 讨论与分析

4.1 关联排序对比分析

Tsolakis对33名优秀击剑运动员的身体形态、柔韧性、肌肉力量相关数据和其弓步刺速度进行相关分析表明，当剔除体重对于弓步刺速度影响时，摆臂蹲跳能力是影响弓步刺速度的主要因素［28］，从他的研究可知，发展下肢力量可以提高弓步速度。击剑项目是典型的非对称性项目，其研究并不能解释后腿在弓步刺速度中的作用。本研究显示，除膝角外，关节峰值力矩、角度、角速度对弓步刺速度影响程度依次是关节峰值力矩＞关节角度＞关节角速度。这些因素中的关节力矩值可反映肌肉力量大小［15］。除体重标准化的关节峰值力矩可以间接评判运动员的肌肉力量能力。从关节峰值力矩、角度、角速度对弓步刺速度影响程度可以看出，在后腿的训练中应优先发展肌肉力量对于提高击剑运动员弓步刺速度具有重大的意义。本研究中在所有的关联度排序中膝关节角度的排序甚至超过膝峰值力矩。以往有关击剑运动员形态学的研究表明，击剑运动员之间前腿的大腿围度明显大于后腿的大腿围度［13，19，24］。在小腿的围度方面，后腿围度大出前 腿的2%［27］。这种形态上的差异为击剑运动员前腿大腿肌群和后腿的小腿肌群具备强劲爆发力提供了基础。这种传统的形态学的差异非常容易造成教练员在训练中重视前腿大腿关节肌群和后腿小腿的肌肉力量训练，而忽视后腿大腿肌群的力量训练。后腿作为击剑运动员的动力腿，膝关节股四头肌的向心收缩非常重要，在排序中膝角的排序还高于膝峰值力矩意味着击剑运动员膝关节角度变化越大，对弓步刺速度的影响也越大，一个关节要通过关节角度的大幅度运动来获得更大的力量说明其关节的肌肉力量存在不足，因此，平时训练时要加强后腿股四头肌群的力量训练。虽然膝角关联度排序超过膝峰值力矩，但是从关联度和权重数值上看膝角（ri＝0.7192）和膝峰值力矩（ri＝0.7173）的影响程度相差不大，因此，不能忽视后腿关节的肌肉力量在提高弓步刺速度中的作用。

4.2 膝踝关节最大力矩对弓步刺速度影响的关联度分析

有研究表明，优秀击剑运动后腿小腿围度明显大于前腿，分析指出在击剑运动过程中由于小腿的反复蹬伸，要求小腿具备强劲的动力，然而对于后腿的这种形态特征是否会影响运动员弓步速度鲜有研究报道［27］。有国内研究者建议击剑运动员要加强踝关节胫骨前肌肌肉力量训练可以提高弓步的深度和速度，但是并没有实验依据［2］。

Cronin等［14］发现，剔除体重因素后，下肢伸膝最大力量的到达时间、平均功率和相对力量为影响弓步速度的最重要因素（r＝0.76）。和Cronin等人的研究相比，本研究细化到后腿各关节肌肉力量能力对弓步速度影响程度的具体大小。对击剑运动员向前弓步刺时进行人体运动的解剖学分析可知，在蹬地过程中后腿小腿趾屈肌和股四头肌不断进行向心收缩。本研究在影响击剑运动员弓步速度的关节峰值力矩排序中，踝关节峰值力矩要高于膝关节峰值力矩，并且在所有影响因素中影响程度最大。这表明，小腿趾屈肌向心产生的力量对于弓步刺速度的提高贡献度要比股四头肌大。因此，击剑运动员应该通过提高小腿趾屈肌的向心收缩力量能力来提高弓步速度。本研究和Morris N的报道是一致的［20］。当然本研究也不能否定国内研究者的建议，因为在击剑比赛中，击剑运动员不仅仅只有向前移动进攻，还需要快速的向后移动防守，向后移动时后腿则提供支撑并且起着缓冲作用，良好的支撑和缓冲为进行向前弓步刺提供良好的基础，而踝关节胫骨前肌在支撑和缓冲时起到非常大的作用，故本研究结合国内研究者的建议将为击剑运动员的科学训练提供更全面的参考。Poulis等研究表明，优秀击剑运动员踝关节屈、伸肌峰力矩显著大于普通人群［21］。也有研究者研究表明，击剑运动员踝关节屈、伸肌峰力矩显著低于常人，与篮球运动员和赛艇运动员接近［2，9，10］。这显示，踝关节屈肌群容易出现训练不足，应该加强训练。

4.3 膝踝关节角度对弓步刺速度影响的关联度分析

有研究表明，后腿在不同踝关节角度进行弓步刺时后腿关节的最大功率及平均功率之间存在显著性差异［16］。但不同的膝关节角度是不是后腿影响关节功率并无研究。本研究显示，膝关节角度对于弓步刺速度的影响程度要大于踝关节角度，而且在整体排序中甚至还大于膝峰值力矩，对于此现象前文已经分析可能由于击剑运动员容易出现后腿股四头肌群训练不足造成，然而单纯从膝踝关节角度对于弓步刺速度的影响来看，膝关节角度对于弓步刺速度的影响要大于踝关节角度的影响，这要求在击剑训练中要加强击剑运动员的基本姿势训练，即在准备往前弓步刺时尽可能的压低重心，增加膝关节初始角度，这有利于击剑运动员弓步刺速度的提高。Gholipour M等［17］对不同水平花剑运动弓步进行了视频分析，认为在击剑基本姿势下，高水平组膝关节初始膝关节角度显著小于低水平组，但在随后伸膝过程中高水平组膝关节角度显著高于低水平运动员。高水平运动员在蹬地的过程中膝关节角度的活动范围要高于低水平运动员，从Gholipour M等的研究中可知相对于低水平击剑运动员，高水平击剑运动员膝关节角度具备初始角度小，活动幅度大的特点。高水平运动员膝关节初始角度小，一方面，可以使身体时刻处于紧进逼攻的状态，另一方面，膝关节活动幅度大可以为击剑运动员在进攻中产生更大的力量。对于优秀击剑运动员专业的力量训练是非常频繁的，它可以提高腿部肌肉的神经调节能力，在短时间内动员更多的肌纤维，提高膝关节的爆发力，因此，击剑运动员实战中表现出的初始关节角度小是膝关节肌群具有良好肌肉力量的表现，而运动员在训练和比赛中进行弓步刺的下肢关节角度很难通过肉眼观测出来，本研究建议击剑运动员在准备往前弓步刺应尽可能的压低重心增加膝关节初始角度，为这种由于主观和技术上缺陷引起的训练误区提供理论依据和参考，因此，在击剑运动员训练中应该通过高科技手段指导运动员在实战中尽量增大膝关节角度，则更能有效的提高弓步刺速度。

4.4 膝踝关节角速度对弓步刺速度影响的关联度分析

根据运动生物力学理论，其实击剑运动员弓步刺动作的实质是：运动员的肌肉不断的产生力量，力量作用于髋关节的骨骼使关节的角度发生变化即关节产生角速度，并且角动量由大关节向小关节传递，最后将动量传递至人体末端效应器（持剑手），使剑获得较大的出手速度，因此，研究产生动力的后腿各关节的角速度，对于分析各关节周围的肌肉力量，动作的准确性等都有比较重要的意义。Morris N研究表明，在弓步攻击过程中后腿三关节产生的最大角速度均大于前腿，但是后腿三关节之间的角速度是否会影响弓步刺速度并没有研究［20］。本研究显示，踝关节角速度对于击剑运动员弓步刺速度的影响程度要大于膝关节角速度。在击剑比赛中，步伐节奏和方向的变化频繁，下肢关节角度变化迅速，而从影响程度上可以看出在击剑比赛或者训练中加强踝关节的快速肌肉力量训练对于提高弓步速度意义重大。本研究和Stewart的研究不同，他研究表明决定弓步刺速度的主要因素不是后腿关节的最大角速度而且最大角速度的到达时间［22］。国内有研究表明，优秀击剑运动员实战过程中后腿受到的地面反作用力比原地弓步刺时大，但是实战中后腿后蹬产生的冲量和原地弓步刺相差不大［11］。从他的研究中可见，实战中后腿和地面的接触是非常短促，实战中击剑运动员后腿踝关节蹬伸速度远大于原地弓步刺时的蹬伸速度。而本研究运动员进行弓步刺测试时是采用原地弓步向前刺，因此，本研究要指导运动员的科学训练还需结合实际情况，击剑比赛要求击剑运动员既要具备强劲的最大力量，亦要具备良好的快速力量能力，踝关节快速肌肉力量的训练尤为重要。击剑运动员踝关节肌肉力量的训练不仅仅要强调其最大力量的训练，更需要兼顾踝关节的快速力量能力训练。

5 结论与建议

在后腿的训练中应优先发展肌肉力量对于提高击剑运动员弓步速度具有重大的意义，训练时要加强后腿股四头肌群、小腿趾屈肌向心收缩力量能力和踝关节的快速肌肉力量训练来提高弓步速度。平时训练时要加强击剑运动员的基本姿势训练，既在准备往前弓步刺时应尽可能地压低重心，增加膝关节初始角度，这有利于击剑运动员弓步速度的提高。

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