掷铁饼单腿支撑旋转阶段下肢关节间运动协调 对运动水平的影响研究

梁海丹，潘慧炬，林辉杰

(1.台州学院 体育学院，浙江 临海 317000；2.浙江师范大学,浙江 金华 321004)

0 前 言

运动技术测量与分析是运动生物力学学科中一个重要的研究方向，优秀运动员专项技术特征则是该方向上的一个核心研究内容[1]。鉴于优秀运动员专项技术特征的研究成果，就能够为优秀运动员专项技术的诊断、训练提供科学的依据，从而促进其专项技术水平提高。对优秀运动员掷铁饼动作特征的研究也是如此。目前，对此的研究较多涉及到铁饼出手参数[2-8]、速度[3,7,9-11]及位移[4,5,7,12,13]、人体重心速度[14-16]与位移[3,13,15,17]、重要动作时刻点人体姿态[4-5,14, 18,19]、人体主要关节点速度[3,5,11,20]等的探讨；少数也涉及到了对优秀运动员掷铁饼动作中肌肉活动[21,22]、关节力矩[23]以及地面反作用力[23,24]的探讨。然而，鲜有对掷铁饼动作中各肢体环节间互动关系的研究。即便存在一些各肢体环节运动或是肌肉活动时序间关系的研究报道，但是，由于研究方法等的局限，此方面研究针对性不强，未能够展现出全面的肢体环节或是肌肉活动间有益的互动信息，并且几乎都是针对最后用力阶段鞭打动作效果。

从表面上看，运动协调是为了实现运动任务运动器官各元素间共同活动关系[25]。人体运动涉及到大量运动器官的活动，越是复杂的动作，参与的运动器官数量就越多。中枢神经系统并非漫无目的地单独控制每个运动器官完成刻画好的运动轨迹，而是充分考量运动任务后同时控制一批运动器官的活动来实现各种子任务[1,26]。可见，肢体环节或其它运动器官间的共同活动关系与运动任务间联系密切，这些关系的优化程度无疑也与运动水平存在密切关联。vector coding方法以其简易、明确、易于解释等特点经常应用至运动协调诊断与评价的研究中，呈现出较好的研究效果[27]。在掷铁饼动作单腿支撑旋转阶段中各肢体环节运动较为复杂，特别体现在下肢各环节运动中。据此，本研究应用vector coding方法对该阶段中各下肢关节间运动协调方式进行量化，从而探讨其对运动水平的影响，旨在为优秀运动员掷铁饼动作中人体运动协调的诊断提供参考。

1 研究方法

1.1 单腿支撑旋转阶段及下肢关节角度界定

单腿支撑旋转阶段，又称为第一单支撑阶段，从右脚离地后开始至左脚离地前结束(以右手持饼)。

踝关节角：小腿与足夹角的补角(θ1)，变大为屈曲，变小为伸展。

膝关节角：大腿与小腿夹角的补角(θ2)，变大为屈曲，变小为伸展。

髋屈伸角：大腿在矢状面上投影与垂直轴的夹角(θ3)，变大为屈曲，变小为伸展。

髋展收角：大腿在额状面上投影与垂直轴的夹角(θ4)，变大为外展，变小为内收。

1.2 样本

本研究在2011年国际田联钻石联赛(上海站)和全国田径锦标赛中共采集了16个国内外优秀女子铁饼运动员掷铁饼动作，以奥运会B标(59.5m)将其平均分成两组，B标以上组称之为精英组(n=8)，B标以下组称之为普通组(n=8)。精英组的成绩平均为62.6(±2.9)m，普通组平均成绩为55.2(±1.2)m。

图1 下肢关节角度界定示意图

1.3 测量

用2台Casio fh25的高速摄像功能，采用三维定点定焦拍摄方法对优秀运动员掷铁饼动作进行拍摄。如图2所示，摄像机分别置于铁饼场地的后方、右侧面(投掷方向为前)，主光轴的夹角约为90°。摄像机的拍摄频率设置为120帧/s，快门设置为1/1 500s，架机高度约为1.2m左右，取景范围约为4×4m，机子置于约15m的距离。在比赛后，采用辐射式三维标定框架对拍摄空间进行标定，框架的型号为F-24。随后，采用Ariel运动解析系统，对所拍摄的视频进行解析，采用数字滤波进行“噪音”处理，截止频率选择为8Hz。

图2 比赛中三维定点定焦拍摄示意图

1.4 vector coding方法

vector coding方法是量化运动协调常用方法之一[1]，该方法以其简易、明确、易于解释等特点经常应用至运动协调诊断与评价的研究中[27]。该方法主要是以二维空间中一个点坐标移动后的向量方向来量化描述两个元素间的相对关系[28]，在本研究中以此来量化表示掷铁饼动作中两侧下肢对应关节间、左下肢各关节两两间、右下肢各关节两两间角度变化的相对关系。vector coding方法的具体计算公式如下[28]：

公式中θvc为向量方向角，θ1与θ2分别表示两个关节角度，i为时刻点(1,2,…,n-1)。

依据Chang等[27](2008)的定义(如表1所示)，本研究中以此方法量化的运动协调方式分为四种，分别为逆相、正相以及两种单关节主导，例如左、右髋运动协调方式包括逆相、正相、左髋主导以及右髋主导。

表1 基于vector coding方法的各种运动协调方式定义

1.5 数理统计

采用独立样本“t”检验对精英组与普通组间的差异进行显著性检验，显著性设置为0.05与0.01水平。

表2 掷铁饼动作中两侧下肢对应关节间各种运动协调方式比重一览表

注：关节1包括右踝、右膝、右髋屈伸、右髋展收，关节2包括左踝、左膝、左髋屈伸、左髋展收；“*”、“**”分别表示精英组与普通组运动员具有显著性与非常显著性差异

2 研究结果

2.1 两侧下肢各对应关节间运动协调

表2所示，在掷铁饼动作中，两组运动员在两侧踝关节、两侧髋关节屈伸肩部分运动协调方式中存在显著性差异，在两侧膝关节以及两侧髋展收各运动协调方式上均无显著性差异。其中，精英组运动员左、右踝间逆相运动协调方式比重高于普通组(0.26∶0.16)，正相运动协调方式比重低于普通组(0.12∶0.25)；左、右髋屈伸间逆相运动协调方式比重高于普通组(0.32∶0.23)。

2.2 左侧下肢各关节间运动协调

表3 掷铁饼动作中左侧下肢各关节间各种运动协调方式的比重一览表

注：关节1包括左膝、左髋屈伸、左髋展收、左髋屈伸、左髋展收，关节2包括左膝、左踝、左踝、左膝、左踝；“*”、“**”分别表示精英组与普通组运动员具有显著性与非常显著性差异

表3显示，在掷铁饼动作中，两组运动员在左踝-左髋展收、左膝-左髋展收部分运动协调方式中存在显著性差异，在左踝-左膝、左踝-左髋屈伸、左膝-左髋屈伸各运动协调方式中均不存在显著性差异。其中，精英组运动员左踝-左髋展收间逆相运动协调方式比重高于普通组(0.39∶0.22)，正相和左踝主导运动协调方式比重低于普通组(0.09∶0.19;0.11∶0.28)；左膝-左髋展收间逆相运动协调方式比重高于普通组(0.28∶0.14)，左膝主导运动协调方式比重低于普通组(0.09∶0.19)。

2.3 右侧下肢各关节间运动协调

表4 掷铁饼动作中右侧下肢各关节间各种运动协调方式的比重一览表

注：关节1包括右膝、右髋屈伸、右髋展收、右髋屈伸、右髋展收，关节2包括右踝、右踝、右踝、右膝、右膝；“*”表示精英组与普通组运动员具有显著性差异

表4显示，除右踝-右髋屈伸、右踝-右髋展收、右膝-右髋展收各运动协调方式外，在掷铁饼动作其它各右侧下肢关节间部分运动协调方式中存在显著性差异。其中，精英组运动员右踝-右膝间逆相运动协调方式比重高于普通组(0.27∶0.17)，正相运动协调方式比重低于普通组(0.16∶0.28)；右膝-右髋屈伸间正相运动协调方式比重均低于普通组(0.18∶0.28)。

3 讨 论

不同运动水平之间在两侧下肢关节间、左侧下肢关节间以及右侧下肢关节间运动协调方式中均有显著性差异存在，这些运动协调方式的差异对运动水平提高的作用途径需要探讨。

3.1 两侧下肢关节间运动协调与运动水平的关系

研究结果显示，精英组运动员在两侧下肢对应关节间运动协调中两侧踝、两侧髋屈伸间逆相运动协调方式比重较高，两侧踝间正相运动协调方式比重较低。通过对比可见(如图3所示)，精英组运动员主要在该阶段的0%～20%以及70%～80%持续时间内采用两侧踝逆相运动协调方式的比重较高，主要在其70%～80%持续时间采用两侧踝正相运动协调方式比重较低；主要在其40%～70%持续时间内采用两侧髋屈伸间逆相运动协调方式比重较高。

图3 李艳凤(左)与布拉斯科(右)

掷铁饼(67.80m∶56.84m)单腿支撑旋转阶段中具有显著性差异的两侧下肢对应关节间角度以及运动协调方式变化比较图。

注：圆形表示左踝、左髋；三角形表示右踝、右髋；灰色方块表示各种运动协调方式，其中，1指逆相运动协调方式，2指正相运动协调方式，3指“三角形”表示的关节主导运动协调方式，4指“圆形”表示关节主导运动协调方式。

在该阶段0%～20%持续时间内，精英组运动员右踝伸展、左踝屈曲同步运动比重较高(见图3)，这体现出在该阶段初始精英运动员同步的右足后摆与左踝被动屈曲。此时，右足积极后摆能够对其前摆相关肌群进行牵拉，增加其前摆幅度，为随后前摆动作提供有利条件；左踝被动的屈曲同样也能通过改善其伸展肌肉发力初始条件，提高左踝伸展幅度，有利于提高随后蹬伸发力的效果。可见，此时右足后摆与左踝屈曲的同步活动能够为随后右小腿、右足摆动和左下肢蹬伸配合提供较好的初始条件。

在该阶段40%～70%持续时间内，精英组运动员左髋伸展与右髋屈曲同步运动比重较高(见图3)。这体现出此时精英组运动员同步的右下肢绕左侧轴摆动以及左髋伸展发力，两腿间摆、蹬动作衔接紧密。此时，左髋伸展发力使人体受到地面反作用力的作用，这时人体重心往往偏离地面反作用力的作用方向，从而导致人体转动[29]；同时，右下肢绕左侧轴摆动能够使其具备较大的角动量，由于解剖位置上相连，使其能够带动躯干与上肢绕人体左侧轴转动[30]。两者同步运动能够使它们所产生的人体绕垂直轴角动量得以叠加。普通组运动员往往倾向于右下肢的摆动，未能较好地同步进行左髋伸展发力，这不利于较高人体绕垂直轴角动量的获得。

在该阶段70%～80%持续时间内，精英组运动员右踝屈曲与左踝伸展同步运动比重较高(见图3)，普通组运动员则两侧踝同步屈曲动作比重较高(见图3)。此时正处于为人体离地做积极准备的时期，这时人体需要形成一个合适的起跳角，在不影响腾空阶段移动距离条件下使人体获得较多的向前线动量[30]。这时，左踝伸展有助于左下肢蹬伸发力，使人体获得较多地面反作用力的作用；同时，右踝屈曲有助于右下肢转动半径下降，使右大腿迅速前摆，促进人体重心快速的处于一个合适位置。因此，同步的左踝伸展与右踝屈曲有助于使人体获得较多向前的线动能。可见，普通组运动员采用较多的两侧踝同步屈曲运动协调方式略显劣势。

3.2 左侧下肢关节间运动协调与运动水平的关系

研究结果显示，精英组运动员左膝与左髋展收间、左踝与左髋展收间逆相运动协调方式比重较高，左踝与左髋展收间正相运动协调方式比重较低。通过对比可见(见图4)，精英组运动员主要在该阶段50%～90%持续时间内左髋内收与左膝伸展同步运动比重较高，主要在该阶段70%～90%持续时间内左髋内收与左踝伸展同步运动比重较高，以及左髋外展与左踝屈曲同步运动比重较低。左膝与左踝积极伸展体现出左下肢积极的蹬伸发力，能够使人体所受到较高地面反作用力的作用，特别是体现在70%～90%持续时间内，此时踝、膝共同伸展。同时，左髋内收使人体重心与地面反作用力作用方向的距离越来越近，这将会在地面反作用力一定的条件下使人体转动效果增幅下降，平动效果增幅提高。两者同步运动能够增加人体的线动量，提高人体平动效果。因此，左膝、左踝与左髋间逆相运动协调方式较高比重能够使精英组运动员获得较好的人体平动效果，这有助于增加在第一单支撑后期与腾空阶段中铁饼的运动轨迹，以及在腾空阶段结束时使右下肢获得较高地面冲击力，这些有助于运动成绩的提高[4,16,23,30]。此时普通组运动员左踝则未体现出积极蹬伸动作，而是被动屈曲，从而在该阶段70%～90%持续时间内出现较高的左踝与左髋运动协调方式比重，这不利于较好人体平动效果的获得。

研究结果显示，精英组运动员左踝、左膝各自与左髋展收运动协调方式中左踝、左膝占主导比重较低，通过对比发现(见图4)，主要体现在30%～50%该阶段持续时间内。此时，普通运动员主要表现为左踝、左膝伸展，而左髋展收运动未产生明显改变。左踝、左膝积极的伸展体现出左下肢蹬伸发力，左髋内收至几乎最大程度体现出偏心力臂较高，此时左下肢积极蹬伸能够使人体产生较高绕垂直轴转动的角动量，然而，人体向前的线动量将会受到影响，从而影响该阶段中人体平动的效果。

图4 李艳凤(左)与布拉斯科(右)

掷铁饼动作(67.80m∶56.84m)单腿支撑旋转阶段中具有显著性差异的左侧下肢关节间角度以及运动协调方式变化比较图。

注：灰色方块表示各种运动协调方式，其中，1指逆相运动协调方式，2指正相运动协调方式，3指“三角形”表示的关节主导运动协调方式，4指“圆形”表示关节主导运动协调方式。

3.3 右侧下肢关节间运动协调与运动水平的关系

研究结果显示，精英组运动员右踝与右膝间逆相运动协调方式比重较高，通过比较发现(见图5)，主要体现在0～40%该阶段时间内，这时先是右踝伸与右膝屈同步运动，随后是右踝屈与右膝伸同步运动。此时，右小腿与右足摆动是人体获得绕垂直轴角动量的主要途径，精英组运动员此右踝与右膝运动协调方式有助于右小腿和右足获得更好摆动效果。在右脚离地时右小腿与右足迅速后摆能够带动使其前摆的相关肌群受到牵拉，随后这些肌肉在向心收缩中产生更大的作用力，使这两个环节快速、大幅度地前摆。由于右小腿与右足紧密相连，它们同步的后摆与前摆有助于避免相互间的约束，使摆动效果得以叠加。普通组运动员往往右足摆动动作的不够积极，这也在一定程度上影响右小腿的前摆速度与幅度，进而影响较高角动量的获得。

研究结果显示，精英组运动员右膝与右髋正相运动协调方式比重较低，主要体现在55%～70%该阶段时间内，此时，右膝与右髋同步屈曲(见图5)。此时左髋屈曲体现出右下肢绕左侧轴积极摆动，使人体获得绕垂直轴转动的角动量。这时，右膝同步屈曲将会使右下肢摆动时转动惯量有所下降，从而影响到较高角动量的获得。此外，精英组运动员右踝与右膝正相运动协调方式比重较低，主要体现在70%～80%该阶段时间内，此时，右踝与右膝同步屈曲(见图5)。此时处于人体准备离地阶段，精英组运动员较少的右踝与右膝同步屈曲比重能够防止右下肢转动惯量下降过多，使其前摆过高，从而有助于压住重心，使其受到较多的地面反作用力向前分量作用，提高其向前的线动能。

图5 (左)李艳凤与布拉斯科(右)掷铁饼动作

(67.80m∶56.84m)单腿支撑旋转阶段中具有显著性差异的右侧下肢关节间角度以及运动协调方式变化比较图。

注：灰色方块表示各种运动协调方式，其中，1指逆相运动协调方式，2指正相运动协调方式，3指“三角形”表示的关节主导运动协调方式，4指“圆形”表示关节主导运动协调方式。

4 结 论

掷铁饼单腿支撑旋转阶段中下肢各环节运动是比较复杂，然而这些环节的运动具有其内在的结构，后者与其所发挥的功能(运动任务)密切关联。本研究则在一定程度上反映了这些肢体环节运动的内在结构适应性改变引起其功能更加优化。本研究认为，随着高阶段中运动水平的提高，在该阶段早期倾向于较多的进行右小腿与右足同步后摆，同步的右踝伸展与左踝屈曲，这些能够为随后人体角动量的获得提供有利初始条件；在该阶段中期更倾向于右小腿与右足同步后摆，同步的左髋伸展与右下肢绕人体左侧轴摆动，左踝、左膝伸展分别与左髋内收同步的运动，较少地进行相对左髋展收的左踝、左膝主导运动，右膝和右髋同步屈曲，这些有助于人体获得较多角动量与线动量；在该阶段的后期较多地进行同步的左踝伸展与右踝屈曲，较少地进行两侧踝同步屈曲，右膝与右踝同步屈曲，这些有助于在人体离地前获得较多的向前线动量以及合适的起跳角度。

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