击剑弓步动作的生物力学研究进展

管延飞，朱 欢，吴娜娜，郭 黎

1 击剑的弓步动作

击剑运动起源于中世纪的欧洲，由古代剑术决斗发展而来。击剑是奥运会比赛的传统项目之一。击剑比赛节奏极快，对运动员的技术、体能要求极高。一名优秀的击剑运动员在比赛中必须同时具备稳定的身体姿势、灵活准确的步法、快速的移动以及精准的判断等。步法是击剑运动员最基础也是最重要的技术。运动员通过快速、准确的步法可在进攻和防守中为自己争取到有利的距离和时机，从而完成自己的战术目的。击剑比赛项目分为花剑、佩剑、重剑三个剑种。每个剑种对运动员步法的要求各不相同，且各剑种运动员比赛中不同步法的使用频率不同，但比赛中弓步技术的作用对三个剑种都至关重要，也可以说弓步技术是所有剑种运动员进攻和得分的利器[1]。由于不同剑种之间的弓步动作基本不存在差异，故目前绝大多数击剑弓步相关研究都不考虑剑种差别[1]。有研究表明击剑比赛中男子运动员平均每23.9s使用一次弓步；女子运动员平均每20s就会使用一次弓步。弓步技术在比赛中如此频繁的使用决定了它是击剑比赛胜负的关键影响因素之一[2]。

击剑弓步动作可分为五个连续阶段(见图1)[2]：(1)准备姿势：持剑手同侧下肢为前腿，异侧下肢为后腿，运动员身体重心在两腿之间；(2)后腿蹬地，同时前脚离地，小腿向前踢出，身体重心向前移动，开始出剑；(3)后腿持续蹬地，前腿大幅度向前摆动，身体重心大幅度前移；(4)前脚落地，剑尖抵达目标；(5)弓步结束，持剑手与后腿基本伸直，身体完全伸展。整个动作快速、流畅，可使运动员在较远距离达到迅速攻击对手的效果。

图1步动作的五个阶段

弓步质量的高低是决定运动员比赛成绩的重要因素之一，与击剑运动员竞技水平关系密切[3]。弓步速度是评价击剑运动员弓步质量的重要指标[3]。多数研究认为运动员双侧下肢在弓步动作中的生物力学表现是影响弓步速度的主要因素。在击剑弓步动作中，前腿和后腿分别发挥不同的作用：后腿伸肌肌群的快速收缩使后腿快速蹬地，产生地面反作用力。这个力在水平方向的分力是弓步动作的驱动力，直接决定弓步速度水平；前腿的大幅度摆动可配合后腿蹬地维持弓步速度[4—6]。

近年来，随着科学技术的发展，生物力学测试在击剑弓步的相关研究已被广泛应用，其中红外三维运动捕捉系统、三维测力台、高速摄像机等高科技产品的使用在很大程度上促进了击剑弓步动作的研究。高科技生物力学测试仪器的应用使不同关节的运动学和动力学表现、肌肉收缩情况及不同运动员的弓步技术差异分析等成为现实。表1为近年国内外击剑弓步动作生物力学相关研究的常见测试方法及作用汇总。

表1 击剑弓步生物力学研究常见测试方法

2 运动员弓步动作中的生物力学表现

2.1 后腿三关节动力学表现对弓步速度的影响

在击剑弓步速度影响因素的研究中，运动员弓步过程中后腿的动力学表现一直是研究热点。在击剑弓步动作中，运动员后腿蹬地产生的地面反作用力在水平方向的分力是弓步向前的驱动力[16—18]。这个力为运动员身体重心加速的时间超过600ms，其大小直接决定弓步速度水平[5]，而运动员后腿三关节的动力学表现是影响弓步驱动力大小的关键[10]。Guilhem等人[5]结合10名优秀击剑运动员双侧下肢主要肌肉弓步动作中肌电测试与等速肌力测试结果进行分析后发现：弓步后腿膝、髋关节伸肌最大等速向心肌力与运动员弓步最大速度显著相关(r=0.60～0.81)；后腿膝、髋关节伸肌是为弓步加速段提供驱动力的主要肌肉。其活动水平与运动员弓步加速阶段的平均速度显著相关。Cronin等人[16]将31名击剑运动员的弓步速度与其下肢力量、灵活性以及人体测量学等指标进行多元线性回归分析后发现：后腿伸膝峰力矩到达时间、峰功率以及后腿伸肌肌力是影响弓步速度的重要因素。其中后腿伸膝峰力矩到达时间与弓步速度的相关系数为0.62，为预测击剑运动员弓步速度的最佳指标。Turner等人[19]认为在击剑弓步动作中，运动员后腿伸肌向心收缩使后腿蹬地产生驱动弓步向前的力。运动员后腿膝关节伸肌肌力是决定弓步驱动力大小的关键；而后腿踝关节和髋关节由于受弓步准备姿势的限制，伸肌的活动范围有限而不能完全发挥作用。

综合上述研究不难发现，后腿膝、髋关节在弓步过程中的动力学表现是决定击剑运动员弓步速度的关键，其中膝关节动力学表现的作用最为重要；在击剑弓步动作中，运动员后腿膝、髋关节的动力学表现决定了其后腿蹬地获得地面反作用力的大小。这个力在水平方向上的分力是弓步向前的驱动力[16—18]。其大小及作用时间决定了弓步速度。

然而，有研究结果表明运动员后腿踝关节的动力学表现同样是弓步速度的重要影响因素。彭道福[11]等人对12 名击剑运动员的弓步速度与其影响因素进行灰色关联分析后发现后腿踝关节峰值力矩对运动员弓步速度的影响程度高于后腿膝关节峰值力矩；Morris等人[12]通过分析某高水平击剑运动员弓步动作后发现踝关节伸肌的收缩对后腿蹬地作用力贡献高于后腿膝、髋关节伸肌。目前击剑弓步动作中踝关节的动力学表现相关研究较少，踝关节伸肌的收缩对弓步速度的贡献尚不明确，需要进一步研究验证。

2.2 后腿三关节运动学表现对弓步速度的影响

后腿的动力学表现是运动员弓步速度的决定因素这一观点目前已得到广泛认可，而有关后腿三关节运动学表现影响击剑运动员弓步速度的研究较为少见。彭道福等人[11]发现，准备姿势中后腿膝关节角度是影响击剑运动员弓步速度的重要因素，并推测运动员减小准备姿势中的后腿膝关节角度、降低重心有利于提高弓步速度；Zhang[8]等人通过分析优秀击剑运动员弓步动作后，发现弓步落地时运动员后腿接近伸直，后腿膝关节角度平均在170°以上。研究认为，运动员后腿在弓步动作中的大幅度伸膝能够延长后腿蹬地力的作用时间，从而提高弓步速度[9]。在击剑弓步动作中，运动员后腿髋关节伸能够配合后腿蹬地使身体重心向前移动。周继和等人[13]认为，在后腿接近伸直的状态下后侧髋关节的大幅度伸展可以减小后腿与地面的夹角，使后腿蹬地获得的地面反作用力在水平方向上的分力加大，从而增大弓步向前的驱动力，提高弓步速度；Bottoms等人[6]将击剑运动员弓步动作中下肢关节运动学表现与其弓步速度进行相关分析后发现后腿膝关节的关节活动范围、后腿髋关节伸的最大程度均与弓步速度显著相关。通过上述研究结果可以发现，击剑运动员在弓步动作中增大后腿膝、髋关节的运动幅度能够使弓步驱动力更好地发挥作用，从而提高弓步速度。后腿踝关节在弓步动作中的运动学表现对运动员弓步速度的影响目前尚不清楚。

2.3 前腿三关节对弓步速度的影响

近年来击剑运动员前腿膝关节在弓步动作中的运动方式引起了研究者的注意。有研究发现不同水平击剑运动员前腿膝关节在弓步动作中的运动方式存在差异[10]。Gholipour等人[10]通过对比优秀击剑运动员和初学者弓步动作中前腿膝关节的运动方式后发现：所有受试者前腿向前摆动时，在伸膝之前优秀运动员屈膝的程度显著小于初学者，随后的伸膝阶段优秀运动员伸膝程度则显著大于初学者；舒建平等人[9]认为击剑运动员增加弓步动作时前腿伸膝程度有利于前腿的大幅度摆动，避免前脚过早落地，延长后腿蹬地力的作用时间，配合后腿蹬地提高弓步速度。

在击剑弓步动作中，前腿髋关节的作用主要是和前膝关节相互协调，使前腿能够迅速完成大幅度摆动，配合后腿蹬地完成弓步动作。 Bottoms等人[6]使用Visual3D软件对弓步运动学数据进行计算并分析后，认为运动员弓步动作中前侧髋关节活动范围与弓步速度显著相关。前侧髋关节屈的程度越大，说明其前侧下肢的运动越主动，有利于增大前腿向前摆动的幅度。

根据前人研究可知，前腿在弓步中的作用主要是通过快速、大幅度地向前摆动来配合后腿的蹬地，延长弓步驱动力的作用时间，从而提高弓步速度。但目前前腿踝关节的运动学表现对弓步动作的影响尚不明确。另外尚未见到关于前腿的动力学表现影响弓步速度的研究。前腿动力学表现是否对弓步速度有贡献尚需进一步证实。

3 弓步动作质量的生物力学研究进展

3.1 环节运动时序性对击剑弓步质量的影响

在运动技能中，每个动作都由身体各个环节合理配合完成，不同肌肉在时间上的运动顺序不同，从而使身体各个环节通过不同的顺序完成该动作，而这种时序性是影响动作质量的重要因素[20]。在击剑弓步技术中，传统教学认为弓步启动时持剑手先于身体其他环节开始运动，运动员身体由持剑手牵引而向前移动。近年来研究发现很多优秀运动员的弓步动作并不遵循这一传统观点。Suchanowski等人[7]采用肌电测试记录女子花剑世界冠军Mroczkiewicz弓步动作中双侧下肢股直肌和持剑臂挠侧腕伸肌的活动情况。分析后发现弓步启动时受试者后腿股直肌首先收缩，112ms后持剑手挠侧腕伸肌才开始收缩，前腿股直肌最后收缩。Suchanowski等人的研究结果显示，弓步启动时首先开始运动的是后腿股直肌，而非持剑手。另外，Gholipour等人[10]使用高速摄像机采集优秀击剑运动员与击剑初学者的弓步动作，对比分析后发现：弓步动作开始时，初学者持剑手先于下肢0.13±0.15s开始运动；而优秀运动员持剑手与下肢几乎同时开始运动。Hassan等人[14]使用三维运动捕捉系统采集4名击剑运动员的弓步动作，分析后发现其中两名运动员弓步启动时持剑手的运动在下肢之前；另外两名运动员下肢的运动则明显在持剑手之前。以上实验结果都与传统击剑弓步教学观点不同，但是却恰好能够解释经验丰富的运动员在比赛中根据对手后腿的动态预测对手行动的战术[7]。在今后的研究中，如果能增加高水平受试者样本，同时探究运动时序性影响击剑运动员弓步质量的原理，此方面的研究结果将更具说服力。

3.2 准备姿势中后脚位置对击剑弓步质量的影响

在击剑准备动作中，运动员前脚位置指向对手，传统教学观点认为后脚与前脚所成角度为90°时运动员的身体平衡和稳定性最好。但也有人认为根据个人身体结构的不同特点，后脚与前脚的角度小于90°可能更加合理。Gresham等人[18]对美国某高校25名击剑运动员在后脚与前脚角度成45°、90°、135°和自然姿势下的弓步速度分别进行了测试，比较后发现在后脚与前脚角度成90°时，运动员弓步速度最大。该研究结果与传统击剑教学观点一致。Gresham等人[18]认为后脚位置的差异通过影响后腿膝、髋关节的角度影响了蹬地腿肌肉的收缩效率，但具体机制尚不清楚。从运动员足底压力的变化来分析，当后脚与前脚角度为90°时，后脚蹬地获得地面反作用力能够作用在整个脚底；而在后脚与前脚角度为45°时，地面反作用力主要作用在后脚的趾骨球和脚趾；当该角度为135°时，地面反作用力主要作用在后脚脚后跟。相对来说，后脚与前脚角度为90°时地面反作用力作用在足底的面积较大。这可能是该角度下后脚蹬地产生功率较大的重要原因[18]。

综上所述，在击剑弓步动作中，运动员后腿蹬地产生地面反作用力在水平方向上的分力是弓步向前的驱动力，是弓步速度的决定性因素，而后腿三关节的动力学表现是决定弓步驱动力大小的关键；双侧下肢膝、髋关节的运动学表现通过影响弓步驱动力的作用时间对弓步速度产生影响；踝关节在弓步动作中的运动学表现对弓步速度的贡献尚不明确，需要进一步研究验证。其他运动学因素如环节运动时序性、准备姿势中后脚的位置等影响弓步质量的研究目前处于起步阶段，今后可作为弓步质量的重要影响因素进行进一步研究。

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