连续纵跳的生物力学研究进展

张海涛

连续纵跳的生物力学研究进展

张海涛

对于人体连续纵跳的研究近年来持续增加，很多学者重复研究。本文主要从连续纵跳的生物力学研究方法；连续纵跳的运动学研究现状；连续纵跳的动力学研究现状等几个方面对近年来国内外学者对连续纵跳的生物力学研究成果进行综述。为连续纵跳的后续研究提供参考。

连续纵跳 ; 动力学;运动学;研究现状

10.16730/j.cnki.61-1019/g8.2016.11.133

纵跳是体育运动的基本动作之一, 可分为原地纵跳和助跑纵跳, 前者是后者的基础。 纵跳起跳动作是人体在中枢神经系统的控制下, 依靠身体各环节的协调配合, 发挥下肢肌群最大爆发力, 以达到最佳纵向起跳效果的技术动作。

1. 连续纵跳的概念

正确地界定连续纵跳的概念对进行连续纵跳的研究具有非常重要的意义。前期的研究认为，连续纵跳是指运动员在训练和比赛的条件下利用下肢各相关肌群，结合专项技术动作，以最快的动作速度重复性地完成缓冲和蹬伸动作获得最大弹跳高度[1]。连续过程中每次起跳可以都是从直立姿势动作开始，完成一个完整的缓冲和蹬伸过程，然后还原成直立姿势，再进行下一次纵跳，也可以中间没有停顿，前一次的着地缓冲阶段是后续起跳的准备阶段。因此对于连续纵跳概念的解释要依据不同项目技术特点而定，在实际应用中不应仅仅停留在动作的表面形式上，更重要的是要抓住纵跳的本质及关键因素。

何亮[2]在分析连续起跳在篮球比赛中的作用时认为，连续起跳技术是多次起跳与多次缓冲及起跳准备相结合的动作。与单次起跳的不同之处在于连续起跳技术的落地缓冲阶段也是下一次起跳的准备阶段，即弹性势能的储备过程，这一过程的时间长短决定了两次起跳之间的间隔时间。好的连续起跳技术不仅表现在其后续起跳的高度要接近于第一次起跳，还在于每两次起跳之间尽量没有停顿。这一概念主要正对篮球专项技术提出的。也有一些运动项目，譬如排球中的连续起跳扣球、连续起跳拦网等技术动作中的连续起跳，这些连续起跳动作有时是一个完整的缓冲和蹬伸过程，两次连续起跳之间可能存在短暂的时间间歇，与篮球中的技术有所不同。当然，在进行基础性研究时，可以采用连续不间断原地连续纵跳的动作形式在探讨动作过程中人体的各种生物力学信息特征。

2. 连续纵跳的生物力学研究方法

国内有关文献记载，郑亦华等在1993年最早对连续纵跳动作进行研究[3]当时采用的研究方法是受试者进行原地连续纵跳莫高三次，记录三次莫高高度，同时运用SSC-C型计时、计频、计数毫秒计来记录每次跳跃的时间，并根据相关原理计算出每次起跳的速度和时间等参数，所得数据都是采用计算器进行统计学处理，然后对其结果进行分析比较。可以看出当时采用的研究方法与实验设备是比较落后的。随着科学技术的发展，高速摄像机、测力平台、肌电采集仪等先进的技术手段在体育科研中的广泛应用，使得对连续纵跳动作的运动学、动力学和肌肉力学等生物力学参数的获得越来越便捷、快速，并且获得数据的准确性大大提高，减小了由于研究方法的技术手段引起的系统误差，研究结果更加真实、可靠。高速摄像技术具有非接触性的测量优势，因此在实验过程中对受试者的技术动作不会产生影响，并且对拍摄的录像运用软件分析可以获得相应的动力学特征；测力平台和肌电测试技术大多用于实验室研究，利用这些技术可以直接或间接地获得连续纵跳过程中人体的动力学特征和肌肉力学特征。目前，随着人们对运动技术规律认识上的发展、科学技术的日益更新，科学家逐渐选择多种同步的测量方法。但是，从目前来看，这种多维的研究方法对连续纵跳动作进行研究的还很少。单海信[4]利用录像摄像和测力平台同步测试的方法研究了不同节奏对连续性原地纵跳的影响。Alberto等运用红外摄像机与Kistler测力台同步测试的方法以不同频率原地连续纵跳的动作形式比较了几种计算人体重心位移的运动学和动力学方法[5].张英媛[6]等人运用Vicon高速摄像系统和Kistler测力平台对13名健康男性优势侧和非优势侧踝关节在连续纵跳下落阶段中的表现进行研究。将录像拍摄、三维测力和肌电采集同步测试的研究方法已经逐渐增多，于此同时，由于各变量之间复杂的数学关系和多变量的存在，多远统计方法也越来越多地运用于连续纵跳动作的研究中，在数据处理方面，可以利用统计软件进行操作。

3. 连续纵跳的生物力学研究现状

3.1 连续纵跳的运动学研究

人体运动学研究的是人体或器械在空间的位置随时间变化的规律性。在运动学层上，可以确定动作技术的空间特征、时间特征和时空特征。运动轨迹可反映空间特征，运动的开始与结束、运动的持续时间、运动频率、运动节奏等，(角)速度、(角)加速度等可以反映动作的空间特征。一方面可以揭示动作技术的运动学规律，另一方面能对动作技术进行诊断和评价。

目前对于连续纵跳动作进行专门性的研究并不多见，国内相关资料较少。郑亦华最早从运动学层面对人体连续纵跳过程进行了专门性研究[3].研究结果表明连续3次摸高高度逐渐减小，起跳速度逐渐降低，并且3次连续纵跳过程中支撑时间(从下蹲开始到足离地的时间)逐渐延长，分析其原因认为原地连续纵跳过程中人体局部出现暂时的疲劳而造成工作时间的延缓，延长了肌肉工作时间，导致肌肉收缩能力的减小。陆阿明[7]等研究发现，,30次连续纵跳的平均摸高高度整体上也出现下降的趋势，表明人体的运动能力随着纵跳次数的增加出现明显的下降；通过对蹬伸时间的分析，略有延长的趋势。可以看出，目前原地连续纵跳的运动学研究主要集中在对腾空高度和时间参数等几个比较简单的动力学指标研究上，其他运动学指标如连续纵跳中人体重心的运动特征，下肢各关节角度、角速度等指标的变化特征研究的较少。另外，对不同运动节奏作用下连续纵跳过程中人体运动生物力学信息变化特征研究较少。单信海[4]对不同快慢节奏连续原地纵跳动作进行了相对较为系统的研究。研究发现随着运动节奏的加快，纵跳的支撑时间、腾空高度、动作速度、下肢关节屈曲幅度及膝关节运动的角速度都显著下降。Alberto[5]研究表明，原地连续纵跳过程中随着纵跳频率的增加人体重心垂直位移表现出明显逐渐减小的趋势.可以看出，不同运动节奏下连续纵跳过程中人体运动学特征存在很大差异。从目前研究来看，相关研究非常少见，研究内容哈不是很系统，研究成果还不够深入。因此，在今后研究中应该对连续纵跳过程中的运动学特征进行系统、全面、深入的了解。

3.2 连续纵跳的动力学研究

在对运动技术的运动学研究中只讨论了人体或器械运动状态的变化规律，并没有阐明人体运动状态改变的原因，而动力学研究则讨论人体或器械运动的外部规律所包含的动力学原因。动力学研究主要阐明人体运动状态变化的原因，在动力学层面上，课确定力(力矩)特征、冲量(动量)特征。动力学研究方法的引入实现了对引起肢体运动学的力学原因进行更加合理、有效的揭示。

图1 背屈方向关节角度比较图

图2 外旋方向角度、角速度比较图

陆阿明[7]等人研究发现,30次连续纵跳的平均纵向最大力值最高值出现在第2次，前4次不稳定，第5至10次逐渐下降，以后变化相对稳定，整体上仍然表现出逐渐下降的趋势，冲量值除个别次数外基本上也表现出随着纵跳次数的增加而下降的趋势。究其原因认为，纵向最大力值反映了人体完成纵跳蹬伸过程中各环节运动的协调加速和下肢肌肉的活动效率。纵跳开始时，由于人体肌肉力量有一个解除大脑皮层内抑制而逐渐激活的过程，同时中枢神经的协调机制—肌肉内部协调和肌肉之间的协调也有一个过程。因此，肌肉的力量和整体运动协调的不稳定是造成前4次不稳定的原因，当这个过程在数秒钟内曲玉稳定时，肌肉内高效的供能物质又开始下降，从而导致肌肉活动效率的下降。然而尽力纵跳又要求肌肉爆发用力，即肌肉的快速收缩，其结果必然以肌肉的收缩力量下降为代价，这是造成纵向最大力值下降的原因。冲量的大小是由力与时间两个变量决定的，不同跳次之间出现差异的原因可能是由于肌肉工作时间延长，活动效率下降，导致地面支撑反作用力下降造成的。张英媛[6]通过对优势侧和非优势侧踝关节在连续纵跳中的表现的研究，发现在连续纵跳的下落阶段，优势侧踝关节的背屈方向和外旋方向上的角速度、垂直方向上的地面反作用力均大于非优势侧。

图3 垂直地面反作用力比较图

(摘自体育科学，2015 68-73)

纵跳下落阶段两侧踝关节的外旋方向的最大角速度和屈曲方向的最大角速度具有显著性差异。作者认为屈曲方向上角速度产生差异的原因可能是由于人体在下落着地过程中，非优势侧踝关节比目鱼肌进行离心收缩，防止踝关节过分屈曲的能力优于优势侧踝关节，减小下落过程中的垂直地面反作用力使人体产生的围绕冠状轴旋转的速度，从而减小踝关节屈曲，更好的预防运动损伤。但外旋方向产生的差异性，目前还没有很好地做出解释，对于其确切的产生机理还需做肌肉肌电分析的进一步研究。垂直方向的地面反作用力峰值，优势侧显著性大于非优势侧，这说明在下落阶段优势侧要承担更大的地面反作用力，者不仅会对运动中肢体的协调性产生一定饿影响，而且长期的运动积累，可能会使优势侧劳损较快，影响运动员的运动成绩及健康。

3.3 连续纵跳的肌肉力学特征

肌肉力学方面研究主要是探讨产生动力变化的人体内部的肌肉力学特征。在肌肉力学层面上，主要是确定人体骨骼肌的生物力学特征，区分运动过程中原动机与辅助肌、协同肌与对抗肌、稳定肌与中和肌，并探明各自的发力特点以及各肌群的法力时序、大小等。目前，获得肌肉生物力学特征的主要测量方法是肌电图(electromyogram，简称EMG)测试法。

肌电学测量在体育运动中的应用较为广泛，用肌电图研究肌肉的不同状态、肌肉间的协调程度、肌肉收缩类型及强度、判断肌肉疲劳即损伤、评定肌肉素质等具有很好的帮助。但是从目前查阅的资料看，肌电学测量和表面肌电在连续纵跳动作中的研究近乎空白。仅有丁世聪[8]等人运用表面肌电的研究方法对两个连续弹跳能力不同的排球运动员进行了对比分析。研究发现，连续弹跳能力强的运动员左右两侧伸肌与屈肌的峰值力矩和相对峰值力矩在慢速测试中都不如连续弹跳能力差的运动员，但是在快速测试中却都优于连续弹跳能力差的运动员，者说明连续弹跳能力强的运动员绝对力量素质较差，而快速力量素质较好。对连续起跳效果起决定作用的伸肌向心的疲劳指标，连续弹跳能力好的运动员小于能力差的运动员，表现出更强的肌肉耐力素质。通过分析膝关节屈肌和伸肌的比值发现，在慢速状态下连续弹跳能力好的运动员膝关节的绝对力量不如能力差的运动员，但是在快速状态下所反映的肌肉快速力量和耐受疲劳的能力，能力行的运动员优于能力差的运动员。这可能是导致两名运动员连续起跳能力差异的重要原因之一。不难看出，目前对连续纵跳过程中下肢主要肌群的研究非常少，研究结论不够深入，之后的研究应该对人体下肢主要肌群的肌肉力学特征进行更加深入的研究。

4. 小结与建议

从目前有关连续纵跳的生物力学研究进展来看，国内外这方面的研究非常少，仅有的一些相关研究内容也相对单一，不够系统，表现在对表面的指标研究较多，缺乏对连续纵跳过程中人体下肢主要肌群肌肉力学特征的研究，并且研究方法相对单一，很少运动多种方法同步测试。另外，对不同运动节奏连续纵跳生物力学特征的研究还不够深入。总之，目前对于连续纵跳生物力学特征的研究还缺乏一定的深度和广度，至今仍然还没有形成较为成熟的理论体系。因此，今后对连续纵跳的研究应该朝着研究方法实用化，研究手段多维化、研究内容系统化的研究方向发展，以期待更加系统、全面地揭示连续纵跳动作的外部表现及内在机制，丰富和发展连续纵跳理论。

[1] 李良标等.运动生物力学[M].北京：北京体育学院出版社，1991,6:311，378—380

[2] 何亮.篮球运动中连续起跳对篮板球的作用[J].四川体育科学，2004,4:118—119

[3] 郑亦华.体育系学生连续跳跃的实验性研究[J].苏州大学学报(自然科学版)，1993,4(9)：352—356

[4] 单海信.不同快慢节奏对连续性原地纵跳影响的实验研究[J].天津体育学院学报，2007,3 (22)：228—230.

[5] Alberto R,et al.Comparison between kinematic and kinetic methods for conputing the vertical displacement of the cenyer of mass during human hopping at different frequencies[J].Jouinal of Applied Biomechanics,2008,24:271—279.

[6] 张英媛，陆阿明.优势侧和非优势侧踝关节在连续纵跳下落阶段中的表现[J]体育科学.2013,33(5):68—72.

[7] 陆阿明.连续纵跳及其疲劳的生物力学研究[J].浙江体育科学，1998,3(20)：3—6

[8] 丁世聪.对我国部分优秀男子排球运动员连续起跳能力的分析研究[J].军事体育进修学院学报，2006,3(25)：75—77.

张海涛(1991-)，女，汉族，江苏淮安人，硕士在读，研究方向：运动生物力学，苏州大学体育学院。