不同水平击剑运动员弓步动作中膝关节的生物力学分析

管延飞，郭 黎，吴娜娜，郑加财，刘海瑞



不同水平击剑运动员弓步动作中膝关节的生物力学分析

管延飞，郭 黎，吴娜娜，郑加财，刘海瑞

目的：分析不同水平击剑运动员在弓步动作过程中双侧膝关节生物力学表现的差异，探讨影响弓步速度的生物力学因素。方法：7名优秀击剑运动员和9名一般水平击剑运动员以最快速度完成原地向前的大幅度弓步动作，同步采集、分析运动员弓步速度、后腿蹬地地面反作用力及弓步过程中双侧膝关节的生物力学表现。结果：优秀运动员弓步动作中水平方向重心速度峰值、后腿蹬地地面水平方向反作用力峰值以及后腿伸膝力矩峰值均显著高于一般运动员(P<0.05)，后腿伸膝功率峰值到达时间显著小于一般运动员(P<0.05)；弓步启动后所有运动员前腿膝关节先屈后伸，优秀运动员前腿屈膝程度、伸膝角速度峰值均显著低于一般运动员(P<0.05)，前腿伸膝时间显著大于一般运动员(P<0.05)。结论：后腿膝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主要因素；不同水平击剑运动员弓步动作中后腿蹬地能力的差异导致了前腿膝关节运动学表现的差异；弓步启动时，前腿伸膝之前屈膝程度过大可能会限制弓步距离，同时对弓步落地和出剑选择产生不利影响。

击剑；弓步；膝关节；爆发力；重心速度

1 前言

弓步技术是击剑比赛中运动员得分的主要技术[5]。研究表明，在击剑比赛中，男子运动员平均每23.9 s使用一次弓步，女子运动员平均每20 s就会使用一次弓步[2]。弓步的质量直接关系比赛胜负，弓步速度是评价弓步质量的重要指标，也是评价击剑运动员竞技水平的重要依据[5]。有研究发现，击剑运动员弓步速度与弓步动作中后腿伸膝最大角速度显著相关，后腿的蹬伸速度是弓步速度的主要决定因素之一[1]。舒建平[4]采用APAS系统对击剑弓步动作进行分析后认为，运动员弓步动作中双侧膝关节角度变化大小是决定击剑弓步速度的主要因素。在击剑弓步动作中，运动员前腿和后腿执行不同的运动模式，后腿伸肌群快速收缩使后腿蹬地为弓步动作提供驱动力，而前腿快速伸膝带动小腿向前踢出[14,15]。在弓步动作开始后，前腿的快速摆动能获得较大的冲力，延长后腿蹬地的时间，配合后腿蹬地带动人体总重心前移，且前腿向前摆动时膝关节的伸展程度能够对弓步深度产生影响[13]。另外，有研究报道， 弓步速度和前腿膝关节最大功率到达时间及平均功率存在关联[6]。

综合已有研究可以发现，下肢双侧膝关节在击剑弓步动作中的运动表现是影响弓步速度的重要因素。然而，已有研究大多集中在运动员双侧膝关节在弓步动作中的生物力学表现与弓步速度的关系方面，而不同水平运动员双侧膝关节在弓步过程中的生物力学表现差异对弓步质量的影响鲜见报道。本研究通过比较一般运动员与优秀运动员双侧膝关节在弓步过程中生物力学表现的差异，探究影响击剑弓步速度的生物力学因素，为提高击剑运动员弓步质量提供参考。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

上海市男子重剑队运动员7人，其中，运动健将4人，一级运动员3人，为优秀运动员；某体育学院运动训练专业及附属竞技学校男子击剑二级运动员9人，为一般运动员(表1)。

n年龄(岁)身高(m)体重(kg)训练年限(年)优秀运动员722．6±2．161．93±0．3387．00±7．267．29±1．25一般运动员923．2±2．101．85±0．5373．44±7．465．89±2．21

2.2 研究方法

2.2.1 实验方案

测试之前受试者进行5 min慢跑，跑步机速度设置为6.5 km/h。慢跑完毕后再进行5 min拉伸活动。测试时受试者面向剑靶，前后脚分别位于两块测力台上，剑靶与受试者的距离根据受试者身高进行调节，使靶面距运动员后脚脚尖水平距离为1.5倍身高[17]。要求受试者持剑以最快速度弓步刺靶(图1)，每名受试者试刺5次。每名受试者正式测试成功采集至少6次，选取其中峰值速度最大的3次弓步动作进行分析。

图 1 本研究受试者弓步动作示意图Figure 1. Fencing Lunge of the Subject

2.2.2 所用仪器和评价参数

测试设备采用瑞士生产的KISTLER三维测力台(型号9287B，长×宽：90×60 cm，内置信号放大器，采样频率1 000 Hz)和英国生产的16台VICON T40镜头红外高速运动捕捉系统(Vicon Motion Analysis Inc.,Oxford,UK，采样频率100 Hz)，对运动员弓步动作地面反作用力(GRF)和运动学数据进行同步采集。

2.2.3 数据处理

将VICON系统中预处理过的数据(C3D文件)导入Visual 3D(C-Motion,Inc.,Germantown,MD,U.S.A.) 软件。运动学数据和GRF滤波采用4th-order Butterworth 低通滤波，截止频率分别为12 Hz和100 Hz[18]。在Visual 3D中构建14环节人体模型[11]，根据人体惯性参数[20]确定人体重心位置，以人体重心在水平方向上的速度代表弓步速度。在Visual 3D软件中计算下肢3维运动学和动力学数据(采用右手法则)并导出。力矩、角速度、功率指标，膝关节屈为负值(-)，伸为正值(+)。弓步动作起点定义为前脚离开地面瞬间(前脚GRF=0)，动作终点定义为前腿膝关节伸膝达最大角度。

2.2.4 选取指标

1)弓步过程中受试者水平方向重心速度峰值(Horizontal Peak Velocity of Center of Gravity,HVmax)，单位为m/s;2) 经体重标准化后的受试者弓步过程中后腿蹬地产生地面反作用力的水平方向分力峰值(GRFmax)，单位为体重(BW);3) 膝关节角度(Knee Joint Angle)为小腿向量与大腿向量的夹角(°)，大腿向量由膝关节指向髋关节，小腿向量由膝关节指向踝关节，下肢直立位膝关节角度为180°；4) 膝关节角速度峰值(Peak Angular Velocity of Knee Joint)为伸膝阶段膝关节角速度最大值，单位为°/s；5) 前腿伸膝时间(Time of Extension in Leading Knee)为自前腿膝关节最小角度至最大角度所用时间，单位为s；6) 通过逆向动力学计算关节力矩峰值(Peak Joint Moment)，关节功率峰值(Peak Joint Power)为关节力矩与关节角速度乘积的最大值(均在Visual 3D软件中直接计算)。力矩和功率峰值均为根据体重进行标准化后的结果，单位分别为Nm/kg和W/kg；7) 前膝关节功率峰值到达时间(Time to Peak Power of Leading Knee Joint)为自动作起点至前腿伸膝功率达峰值所用时间，单位为s。

2.2.5 统计学处理

选取每名受试者峰值速度最快的3次弓步动作，计算相关指标的平均值和标准差。采用独立样本t检验(Independent t tests)比较两组受试者弓步动作过程中膝关节动力学、运动学相关指标及HVmax、GRFmax之间的差异，显著性标准设定为α=0.05。统计软件为SPSS 20.0。

3 研究结果

3.1 不同水平运动员弓步表现

优秀运动员弓步过程中HVmax(P=0.001)和GRFmax(P=0.016)均显著高于一般运动员(表2)。

优秀运动员(n=7)一般运动员(n=9)PHVmax(m/s)2．64±0．162．32±0．130．001GRFmax(BW)0．91±0．100．78±0．080．016

3.2 不同水平运动员弓步动作前腿膝关节生物力学指标

两组运动员弓步动作中前腿膝关节运动学和动力学指标如表3所示。两组运动员屈膝程度均为正值，可见运动员前腿膝关节屈膝末膝角小于初始膝角，说明在弓步开始时运动员前腿伸膝前首先屈膝。不同水平运动员前腿屈膝程度不同，优秀运动员屈膝程度显著低于一般运动员(P=0.037)。在随后的伸膝阶段，两组运动员伸膝程度无显著性差异(P=0.293)，但优秀运动员伸膝末膝角显著大于一般运动员(P=0.018)，伸膝角速度峰值显著低于一般运动员(P=0.029)。在弓步过程中，两组运动员前腿膝关节伸膝力矩峰值(P=0.056)和功率峰值(P=0.074)均无显著性差异。

3.3 不同水平运动员弓步动作后腿膝关节生物力学指标

优秀运动员弓步动作后腿伸膝末膝角与一般运动员无显著性差异(P=0.079)，但优秀运动员后腿膝关节伸膝力矩峰值(P=0.030)显著高于一般运动员，后腿伸膝功率峰值到达的时间显著小于一般运动员(P=0.021)；运动员弓步动作中后腿伸膝角速度峰值组间无显著差异(P=0.416；表4)。

注：初始膝角为准备姿势中的前腿膝关节角度；屈膝末膝角为弓步开始后前腿膝关节屈膝末的角度；屈膝程度=初始膝角-屈膝末膝角；伸膝末角度为前腿伸膝阶段最大膝角；伸膝程度=伸膝末角度-屈膝末角度。

优秀运动员(n=7)一般运动员(n=9)P初始角度(°)127．99±12．80125．52±7．590．638伸膝末膝角(°)175．75±5．57168．47±8．850．079角速度峰值(°/s)470．23±82．19434．12±88．040．416力矩峰值(Nm/kg)2．78±0．272．37±0．380．030功率峰值(W/kg)12．21±2．0210．16±2．280．082功率峰值到达时间(s)0．45±0．060．59±0．130．021

注：初始角度为弓步动作起点受试者后腿膝关节角度；伸膝末膝角为后腿伸膝阶段最大膝角。

4 讨论与分析

国内、外对击剑弓步动作的研究多以运动员弓步重心平均速度、最大速度以及弓步距离作为评判弓步质量的主要指标[12]。在多数研究中，只要求受试者以最快速度做弓步动作，并未设置弓步目标和距离，且受试者未持剑，这可能会使不同受试者在测试时选择不同标准的弓步距离，而运动员在做长距离大幅度弓步和短距离快节奏弓步时速度可能并不相同。在征求运动员和教练员建议的基础上，结合击剑运动员比赛状态下发动弓步的距离，本研究将剑靶设置在距运动员准备姿势后脚脚尖1.5倍身高处[17]。这一距离下的弓步为长弓步[17]，要求运动员持剑尽力做快速弓步刺靶，将弓步动作中身体重心最大水平速度定义为弓步速度[9,10,16]。结果显示，优秀运动员弓步水平方向重心速度峰值(2.64±0.16 m/s)显著高于一般运动员(2.32±0.13 m/s,P=0.001)。可见，以弓步速度作为评价运动员弓步质量的指标，本研究优秀运动员弓步质量高于一般运动员。

在击剑弓步动作中，后腿蹬地获得的水平方向地面反作用力是弓步向前的驱动力，其大小是弓步速度的决定性因素[1,8,12]。本研究优秀运动员弓步动作后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值(0.91±0.10 BW)显著高于一般运动员(0.78±0.08 BW,P=0.016)，说明优秀运动员弓步向前的驱动力高于一般运动员。

目前有研究认为，运动员后腿膝关节伸肌力量是影响弓步驱动力大小的重要因素[6,9]。Guilhem等人[9]对优秀击剑运动员双侧下肢主要肌肉进行等速肌力测试，另外对其在弓步过程中的活动进行肌电测试，结合运动员弓步表现进行分析后发现，弓步后腿膝关节伸肌最大等速肌力与弓步速度峰值显著相关(r=0.60～0.81)；在弓步加速阶段，运动员后腿伸肌的活动水平与此阶段运动员的重心平均速度相关，运动员弓步后腿臀大肌、股直肌、股外侧肌、比目鱼肌、腓肠肌外侧的收缩对弓步速度贡献明显。另外，Cronin等人[6]对击剑运动员膝关节伸肌进行等速肌力测试后发现，弓步速度与弓步后腿膝关节伸肌最大等速肌力的相关系数为0.62。通过已有研究可以发现，运动员弓步后腿膝关节伸肌是贡献弓步向前驱动力的主要肌群之一，其爆发力及在击剑弓步动作中的运动表现能够对弓步速度产生重要影响。

本研究结果显示，优秀运动员弓步过程中后腿膝关节所能达到的力矩峰值(2.87±0.27 Nm/kg)显著高于一般运动员(2.37±0.38 Nm/kg,P=0.030)，后腿伸膝功率峰值到达时间(0.45±0.06 s)显著小于一般运动员(0.59±0.13 s,P=0.021)，且优秀运动员后腿伸膝功率峰值(12.21±0.27 W/kg)在统计学上有高于一般运动员(10.16±2.28 W/kg,P=0.082)的趋势。可见，优秀运动员弓步后腿膝关节在短时间内能产生更强的关节功率，反映出优秀运动员具有更强的膝关节伸肌爆发力。本研究认为，优秀运动员弓步速度大于一般水平运动员的重要原因是优秀运动员弓步后腿膝关节伸肌具有更强的爆发力，在蹬地时能产生更大的水平方向地面反作用力，而这个力是弓步向前的驱动力[1,8,12]，弓步驱动力的增大必然有利于弓步速度的提高。

在对弓步后腿膝关节运动方式的研究中，彭道福等人[3]对影响12名击剑运动员弓步速度的生物力学因素进行灰色关联分析后认为，后腿膝关节角度变化越大，对运动员弓步速度的影响也越大，降低重心减小弓步动作膝关节初始角度有利于弓步速度的提高。另外有研究表明，在击剑运动员弓步动作中后腿膝关节最大角度平均在170°以上，后腿基本接近伸直[19]。然而，不同水平击剑运动员在弓步准备姿势中的后腿膝关节角度以及弓步动作中后腿膝关节最大角度是否存在差异尚不清楚。本研究结果显示，优秀运动员和一般运动员弓步动作中后腿膝关节初始角度、伸膝末角度均无显著性差异(P>0.05)。可见，优秀击剑运动员与一般水平击剑运动员在弓步动作中后腿膝关节运动方式基本相似，弓步后腿膝关节的运动方式可能并非导致不同水平击剑运动员弓步速度差异的原因。

近年来，前腿膝关节在击剑弓步中的运动方式引起了研究者的注意，有研究发现，不同水平运动员弓步动作中前腿膝关节运动方式存在差异[7]。Gholipour等人[7]使用高速摄像机分别采集优秀击剑运动员和击剑初学者的弓步动作，对比分析后发现，弓步开始后受试者前腿膝关节并非直接开始做伸膝动作，而是先屈膝后伸膝，优秀运动员屈膝程度(20°±12°)显著低于初学者(38°±15°,P<0.05)。研究结果显示，两组受试者在弓步准备姿势时前腿膝角无显著性差异(P>0.05)，在弓步启动后所有受试者前腿膝关节先做屈，优秀运动员屈膝程度(13.86°±6.52°)显著低于一般运动员(25.35°±11.84°,P=0.037)，优秀运动员屈膝末膝角(113.64°±12.57°)显著大于一般运动员(100.26°±10.66°,P=0.037)，与Gholipour等人[7]的研究结果相似。本研究认为，一般运动员在弓步动作中增大前腿伸膝之前的屈膝程度，使前腿股四头肌初长度被拉长，为之后的加速伸膝积蓄了能量，有利于小腿向前加速摆动。结果显示，一般运动员前腿伸膝角速度峰值(428.50±135.13°/s)显著高于优秀运动员(287.08±82.31°/s，P=0.029)，说明一般运动员前腿伸膝过程中小腿向前摆动的速度更快。从本研究的结果看，一般运动员后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值显著小于优秀运动员(P<0.05)，推测一般运动员因后腿蹬地为弓步提供驱动力不足，故通过增大前腿伸膝前的屈膝程度来提高伸膝角速度，使前侧小腿向前快速摆动带动身体总重心前移，以代偿后腿蹬地力量的不足，试图将弓步速度维持在较高水平。

另外，一般运动员前腿伸膝之前较大的屈膝程度可能会对弓步效果产生不利影响。运动员弓步启动时前腿离地，后腿迅速蹬地产生向前的地面反作用力。本研究认为，优秀运动员前腿由于屈膝程度较小，能更早地配合后腿蹬地进行伸膝，并迅速向前踢出小腿完成弓步；而一般运动员前腿屈膝程度较大，可能会延长屈膝时间，导致前腿伸膝与后腿蹬地衔接较慢，表现为前腿伸膝动作更加仓促。本研究结果显示，在前腿伸膝阶段，优秀运动员前腿伸膝时间(0.39±0.09 s)显著长于一般运动员(0.27±0.05 s，P=0.005)，与上述推测一致。提示，相比于优秀运动员，一般运动员因为前腿膝关节伸膝动作开始较晚，故需要更大的关节角速度在更短的时间内完成伸膝动作。这可能会造成一般运动员弓步动作不如优秀运动员更加舒展、有效，表现在前腿的过分使用，并可能对弓步末期前腿的落地造成不利影响。从战术角度考虑，优秀运动员前腿更加宽松的伸膝时间可为最终的出剑和下剑选择创造条件，而一般运动员前腿较快速的伸膝和落地反而会造成出剑和下剑选择较少，难以做到根据对手反应适时改变剑的落点。此外，优秀运动员前腿伸膝末膝角(169.35°±4.51°)显著大于一般运动员(160.61°±7.66°,P=0.018)，说明优秀运动员前腿在相对宽松的伸膝时间内得到了较充分的伸展，前腿摆动幅度更大，有利于增加弓步距离[4]。

综上，优秀击剑运动员弓步速度高于一般水平运动员，主要原因与弓步动作中后腿膝关节动力学表现的差异有关。优秀运动员弓步后腿膝关节动力学表现优于一般运动员可能是由于优秀运动员后腿膝关节伸肌爆发力强于一般运动员。运动员弓步启动后前腿首先屈膝后伸膝。在后腿提供驱动力相对较小的情况下，一般运动员弓步启动时通过增大前腿伸膝前的屈膝程度来增大小腿摆动速度，带动身体重心前移，以代偿后腿蹬地力量的不足，试图将弓步速度维持在较高水平。但是，一般运动员弓步动作中前腿伸膝前相对较大的屈膝程度可能会限制弓步距离，同时，对出剑选择及弓步落地后续连接动作产生不利影响。

5 结论与建议

后腿膝关节在弓步动作中的动力学表现是决定击剑运动员弓步速度的主要原因。不同水平击剑运动员弓步动作中后腿蹬地能力的差异导致了前腿膝关节运动学表现的差异，一般运动员通过增加前腿伸膝前的屈膝程度，增大伸膝阶段的小腿摆动速度，带动重心前移来代偿后腿蹬地为弓步提供驱动力的不足。在击剑运动员力量训练中，加强后腿膝关节伸肌爆发力训练，有利于提高运动员弓步动作中后腿蹬地提供的驱动力。减小弓步启动时前腿伸膝前的屈膝程度，提前伸膝动作，可减少前腿在弓步动作中的负担，有利于提高弓步动作的有效性。

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Biomechanical Analysis on Knee Joints during Fencing Lunge in Athletes of Different Levels

GUAN Yan-fei,GUO Li,WU Na-na,ZHENG Jia-cai,LIU Hai-rui

Objective:To investigate the kinetic and kinematic difference of knees and their contribution to the speed in fencing lunges in athletes of different levels.Methods:7 elite fencers (EF) and 9 medium-level fencers (MF) were asked to perform long-distance lunges at their fastest possible speed.Three-dimensional kinematics and kinetics of knees,horizontal velocity of center of gravity (HV),ground reaction force (GRF) of the lunges were recorded and then analyzed using Visual3D.Result:EF group showed significantly higher peak HV,horizontal peak GRF of rear leg and peak joint moment of rear knee joint than MF group (P<0.05) during lunge;Both EF and MF group flexed their leading knee prior to extension in the initiation phase of a lunge.However,EF group showed significantly smaller initial flexion angle with higher peak extension angular velocity in leading knee compared to MF group (P<0.05).Conclusions:EF group can reach higher lunge speed which is closely related to the kinetic variables of rear knee during lunge.The different kinematic performance of leading knees is determined by GRF produced by rear leg.A large flexion of the leading knee prior to extension in initiation phase of a lunge might restrict lunge distance,influence decision-making of fencers and have adverse effect in landing and brake phase.

fencing;lunge;kneejoint;explosivepower;velocityofcenterofgravity

2014-06-04；

2015-05-28

上海市地方高校大文科研究生学术新人培育计划项目(xsxr2013043)；上海市科委项目(13490503800)。

管延飞(1988-)，男，山东青岛人，在读硕士研究生，主要研究方向为优秀运动员训练监控，E-mail:413230648@163.com；郭黎(1976-)，男，陕西西安人，副教授，博士，硕士研究生导师，主要研究方向为高水平运动队训练监控，Tel:(021)51253246，E-mail:guoli@sus.edu.cn；吴娜娜(1988-)，女，山东聊城人，在读硕士研究生，主要研究方向为运动健康促进，E-mail:xiaoqi158158@163.com；郑加财(1986-)，男，山东淄博人，硕士，主要研究方向为优秀运动员训练监控，E-mail:317468783@qq.com；刘海瑞(1988-)，男，河南安阳人，博士，主要研究方向为运动训练学、运动生物力学，E-mail:lhr_mm@163.com。

上海体育学院，上海 200438 Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.

1002-9826(2015)04-0058-05

10.16470/j.csst.201504008

G885.016

A