自由式滑雪空中技巧运动员模拟落地动作的下肢生物力学特征

娄彦涛王振郝卫亚

1上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海 200438）2沈阳体育学院运动人体科学学院（辽宁 沈阳 110102）3哈尔滨体育学院（黑龙江 哈尔滨 150008）4国家体育总局体育科学研究所（北京 100061）

自由式滑雪空中技巧运动员模拟落地动作的下肢生物力学特征

娄彦涛1，2王振3郝卫亚4

1上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海 200438）2沈阳体育学院运动人体科学学院（辽宁 沈阳 110102）3哈尔滨体育学院（黑龙江 哈尔滨 150008）4国家体育总局体育科学研究所（北京 100061）

目的：通过查找不同姿势自由式滑雪空中技巧运动员落地的生物力学特征，为减少损伤以及提高落地稳定性提供依据。方法：运用生物力学研究方法，对8名国家队男子运动员的正常姿势和全脚掌姿势落地动作进行对比分析。结果：正常姿势落地人体重心向前后、左右方向移动的幅度和移动速度均较大；在峰值力出现时，矢状面内在髋、膝、踝关节处的变化幅度均大于全脚掌落地；正常落地足部最大冲击载荷在足前区内侧，全脚掌落地足底最大载荷在足后区。结论：正常姿势落地缓冲效果较好，全脚掌姿势落地稳定性较好。自由式滑雪空中技巧运动员在落地时，可采用主动屈髋、屈膝、伸踝的动作来达到降低损伤的效果。运动员可采用身体前移的技术，达到压力中心前移的效果，最终达到提高落地稳定性的目的。应加强下肢髋、膝、踝关节的快速伸肌群离心训练，提高专项肌肉控制能力。

自由式滑雪空中技巧；不同姿势落地；下肢；足底压力

自由式滑雪空中技巧项目的动作结构由助滑、起跳、空中翻转、落地四个技术环节所组成。3周台运动员下滑速度为55～68 km/小时左右，之后通过高度约4 m出台角度为71°的跳台进行起跳动作，起跳后要求运动员在空中进行空翻和转体动作，空中动作的最大腾空高度约在16 m，最后要求运动员在高速的空翻和转体动作完成后站立于38°的着陆坡上并平稳地滑出，落地技术决定整个技术动作成败的最终结果[1]。如此高难度的动作和巨大的地面反作用力对运动员落地技术提出更高的要求，落地技术和落地姿势不合理是造成该项目运动员损伤的主要原因。在近几年的国际比赛中，世界优秀运动员之间的差距越来越接近，决赛的激烈程度有时达到难分胜负的地步，国际雪联就竞赛规则和裁判员评分手册进行了几次修改，对运动员每个技术环节的完成质量也提出了更高的要求。我国运动员曾多次因落地不稳最终与奥运会金牌失之交臂。该项目运动员在落地过程中踝关节不能做应有的缓冲，因滑雪鞋在踝关节处是呈85°左右的固定长筒鞋，运动员的落地方式是以全脚掌着地姿势落地，导致踝关节不能做相应的屈伸运动，如果落地动作控制不好，将导致运动员落地动作失败甚至造成损伤[2]。而正常的人体落地姿势与该项目运动员不同，人体正常姿势落地方式是通过缓冲动作而减小人体所承受的地面反作用力，从而达到降低人体损伤的目的。

全脚掌和正常姿势落地动作究竟哪种可以降低运动员的损伤？哪种可以提高运动员的落地稳定性？该项目运动员能否借鉴正常姿势落地方式的技术特征？这些问题目前尚不完全清楚，故很有必要从生物力学的角度探讨两种落地姿势的人体受冲击力变化规律的异同点。鉴于此，本研究采用实验室模拟落地的方法探讨两种落地姿势力学特征的差异，为改进空中技巧项目的全脚掌姿势落地技术提供依据，为提高运动员的落地技术水平和预防损伤提供理论支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

8名男子国家自由式滑雪空中技巧运动员，其中6名国际级健将、2名健将。研究对象身高为173.12±3. 14 cm，体重66.25±6.34 kg，年龄26.42±2.13岁，训练年限13±2.67年。本文研究对象均在个人同意的情况下进行测试。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

本研究实验采用仪器设备均来自于沈阳体育学院的国家体育总局冬季运动项目技术评定与机能诊断重点实验室。运动学采集采用2台美国生产的高速摄像机（Troubleshooter250CE，250 Hz）。视频图像解析采用美国产APAS解析系统，模型采用该系统自带的人体模型。足底压力分布采用足底压力鞋垫测试系统（Footscan，比利时，500 Hz）测试。

1.2.2 实验动作设计

在实验室模拟真实落地动作设计中，运动员的落地技术动作（下肢三关节、手臂的摆动、躯干的屈曲以及人体重心在水平向前和垂直向下的运动方向上）与真实落地相同。与真实动作的不同点有如下几个方面：首先，腾空高度相对较低，导致地面反作用力相对较小，但是落地姿势的运动学和动力学规律相同；另一方面也防止运动员因落地技术出现错误动作而造成的损伤。其次，落地地面材料的刚度和阻尼不同，真实动作为50 cm厚的雪面，模拟动作为20 cm厚的体操垫；在模拟实验前进行了50 cm着陆坡的刚度实验，该试验利用5.26 kg重量的玻璃棒，其中玻璃棒的高度为1 m、直径为6 cm，直径与运动员的滑雪板宽度一致；玻璃棒在1.5 m的高度进行自由下落，所得刚度结果与20 cm体操垫刚度（2.7273×104N/M）接近。最后，模拟动作落地技术完成后运动员是静止的，而真实动作完成后是在着陆坡上滑行。在该项目的落地评分中，整个动作为10分，落地技术环节占3分，其中落地站稳为2分，落地站稳后的滑行为1分，在落地技术中运动员容易出现问题的为落地站稳环节，所以本研究主要侧重点为模拟真实落地站稳技术环节。

全脚掌姿势落地：通过模拟雪上直体落地姿势进行落地。落地过程中双臂同样模拟实际雪上落地姿势，即双臂侧平举，在落地过程中可使双臂下压，目的是减小地面反作用力和提高落地稳定性。足底以全脚掌同时接触地面，整个落地过程中踝关节保持与训练或比赛的姿势相同，即踝关节不做刻意的缓冲。

正常姿势落地：采用正常的人体跳深动作落地。即从一定高度下着地，在着地过程中同时伴随下肢屈髋、屈膝和踝关节趾屈动作。

1.2.3 实验步骤

正式实验前要求每名运动员穿上飞跃牌运动鞋，并把足底压力鞋垫放置于运动鞋中，然后进行正常姿势和全脚掌姿势的落地动作和热身练习。运动员站在50 cm高度的木箱上，双脚同时起跳进行自由落体动作下落到体操垫上。起跳时要求运动员不要向上和向前蹬伸，出现以上情况视为不成功动作。采集每名运动员两种落地姿势的各3跳成功动作。按顺序对8名运动员进行运动学和动力学数据采集。运动学和动力学采用机外同步的方法进行采集，动力学仪器由遥控器操纵来启动，遥控器同时还控制一个闪光灯，即点击遥控器可同时开启压力鞋垫和闪光灯，闪光灯放置在两台

定点摄像机都能拍摄的范围内，在运动学视频中闪光灯开启的时刻也是压力鞋垫开始时刻。

1.2.4 统计学处理

采用SPSS13.0统计学软件，对正常姿势落地和全脚掌姿势落地运动学和动力学指标进行配对样本t检验，显著水平为P＜0.05，非常显著水平为P＜0.01。文中各指标数据采用OriginPro8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 运动学

2.1.1 正常落地与全脚掌落地人体重心位移和速度对比

由表1可以看出，两种落地姿势在整个动作中人体重心在垂直和水平方向的位移，正常姿势落地均显著性大于全脚掌姿势落地。垂直方向重心位移较大，表明重心移动幅度较大，缓冲效果较好。在人体重心触地时刻，全脚掌落地在垂直方向的速度较大（无显著性差异），提示在落地时正常姿势要比全脚掌较早触地，落地顺序为前脚掌先触地，然后过渡到全脚掌。正常姿势落地在触地时，人体重心在水平方向的速度均值小于全脚掌落地，与触地时间较早有关。

在水平方向正常落地绝对重心位移显著大于全脚掌姿势落地，表明正常落地时人体重心前后方向移动幅度较大。而此时又较早落地，说明人体在触地前的空中动作中，正常姿势落地有促使人体重心刻意向前移动的趋势[3]，导致缓冲后期人体重心在前后方向上移动幅度大、落地稳定性相对于全脚掌落地姿势较差。由图1还可以看出，正常落地姿势的垂直速度曲线变化斜率要小于全脚掌落地，即曲线平缓一些，说明正常落地下肢肌群收缩力度比较均衡[4]。

在最大力时垂直方向位移上，正常姿势落地显著大于全脚掌落地，表明在达到最大反作用力时，正常姿势落地人体重心下降的幅度较大，在缓冲时下肢肌群参与离心收缩时间较长[5]，导致人体下肢的刚性相对于全脚掌落地较小。在速度上，正常姿势落地方式显著小于全脚掌，由垂直速度可说明在足部接触地面时扒地速度较快，这样可使人体重心接近于支撑点，以便为降低水平方向制动的负荷以及速度的损失提供条件。由此可知，正常姿势落地相对于全脚掌落地，因在垂直方向的位移较大、速度较小，故可达到减小反作用力、降低人体损伤的效果。

表1 正常姿势落地与全脚掌落地人体重心位移和速度对比（n=24）

图1 正常姿势落地和全脚掌落地时重心的水平和垂直速度

2.1.2 正常姿势落地与全脚掌落地各个关节角度变化分析

下肢三关节在本研究中，触地时刻正常姿势落地在矢状面内的角度都大于全脚掌落地，特别是踝关节全脚掌落地显著小于正常姿势落地，表明在接触地面时，正常姿势落地有意识地会使前脚掌先着地，使下肢关节处于伸长状态，落地缓冲过程中，随着下肢三关节的屈膝、屈髋和伸踝的缓冲动作的出现，可以达到延长地面反作用力的作用时间，由动量定理可知，在动量的变化量一定的情况下，延长力的作用时间，也就减小了力的大小。在全脚掌姿势落地动作中，先使全身进行制

动[6]，然后被动的去接触地面。

在最大力出现时刻，正常姿势落地动作在矢状面内，下肢三大关节的关节活动幅度相对于全脚掌姿势落地均显著性较大，特别是膝关节和踝关节，膝关节活动幅度为全脚掌姿势的2.45倍，踝关节则高达4.06倍，不仅验证了前面讨论的人体重心位移较大的结果，进一步证实了正常姿势落地人体膝关节和踝关节起到主要的能量耗散作用，其目的是通过增加肌肉、骨骼系统髋、膝、踝关节的屈曲和降低关节刚度[7]，来增加吸收冲击力的效果，达到降低下肢受伤的风险。全脚掌姿势落地时，特别是在膝关节处关节活动幅度较小。人体在达到GRF峰值时，膝关节需吸收更大的能量，该项目运动员在高达约16m的高空落地，落地时将产生很高的GRF峰值，此时如果运动员在落地前准备不足、落地姿势错误或疲劳等，可能导致膝关节（前交叉韧带）损伤[8，9]。结束时刻正常姿势落地关节变化幅度在膝关节和踝关节处均大于全脚掌落地，踝关节变化幅度显著性增大，表明此阶段是以膝关节和踝关节的积极主动缓冲为主。

2.2 动力学

2.2.1 前足、中足、后足的标准峰值压力分析

根据需要本研究把足底分成三个部分：足部的前区、中区和后区[10]。由表3可以看出，正常姿势落地足底最大压力分布情况为足前区最大，足中区最小。全脚掌姿势落地是足后区最大，足中区最小。两种落地姿势比较，在足前区正常落地的压力峰值和平均压力均显著性大于全脚掌落地，其中最大压力是全脚掌姿势落地的1.22倍，平均压力为1.13倍。在足后区则是全脚掌姿势落地的最大压力和平均压力非常显著性大于正常姿势落地，其中最大压力是正常落地的1.43倍，平均压力达到2.65倍。

由图2可知，正常姿势落地足底呈现出两个波峰，其中第一波峰较小，由前脚掌先触地所致；第二波峰也是整个落地过程的GRF峰值，由前脚掌过渡到全脚掌后整个足底受力所致，其中足前区的峰值大于足后区，峰值出现的时间也早于足后区；由于第一波峰的出现，衰减了第二波峰的GRF峰值；第二波峰出现后，随着人体重心的前移，整个足底压力几乎由前脚掌来承担。图3的结果表明：全脚掌姿势落地足底为一个波峰，GRF峰值是正常落地第二波峰的1.29倍，该峰值是由足底三个区共同受力所致，其中足后区峰值最大，峰值出现时间也最早。两种落地姿势在GRF峰值出现时间上全脚掌姿势早于正常落地。由此可知，两种落地方式足底受力情况完全不同，正常姿势的峰值力出现在足前区，而全脚掌姿势出现在足后区。

正常姿势落地时足前区和整个足底几乎是同时达到压力峰值，表明人体足部受到最大冲击载荷的区域在足前区，此时下肢肌肉由小腿前部肌群和后部肌群同时收缩，由于受到较大的冲击力，前部肌群做向心收缩，股四头肌和小腿后部肌群做离心收缩[11]，然后过渡到全脚掌，此时足前区仍处于受力阶段，故正常落地的平均值大于全脚掌姿势。全脚掌落地人体受到的最大

冲击载荷在足后区，整个足底接触体操垫，足前区在全足达到峰值压力时仍处于上升阶段，其峰值出现在落地后期的人体下蹲时，由重心前移的缓冲过程达到。全脚掌落地足后区峰值和平均值都大于正常落地，此时小腿前部肌群做功小于正常落地，冲击载荷几乎是由小腿后部肌肉群、肌腱、韧带来承担[12，13]，因此，如果冲击载荷较大，此时的小腿后部肌群、肌腱、韧带很容易出现损伤。足中区由于在全脚掌落地中受冲击力时间长，故平均受力大于正常落地。

表2 正常姿势落地与全脚掌落地不同时刻关节角度对比表（n=24）

表3 正常姿势落地与全脚掌落地足底压力（n=24）

足底冲量（N·s）是落地动作过程中足底的压力与作用时间的积分，I=∫F×△t。两种落地姿势在足底冲量上，足底三个区均有显著性差异。在足底冲量上，可进一步反映出正常姿势在落地缓冲过程中受到的地面冲击力主要作用于足前区，因足前区在缓冲中先接触地面，过渡到全脚掌时仍受到冲击力的作用，在下肢屈髋、屈膝、伸踝的过程中，人体重心前移，足前区仍受力，作用时间较长，冲量较大。全脚掌落地的冲量，在足前区小于正常姿势落地，在足中区和足后区大于正常姿势落地，且足前区大于足后区，说明在缓冲过程中，足后区先受到较大的冲击力，然后人体重心前移，足前区受到的冲击力增大，导致该区冲量较大。由此可知，在全脚掌姿势落地动作中，GRF峰值出现时刻主要由足后区承担，但在整个落地过程的后期，足前区仍是主要的受力区域。

图2 正常姿势落地足底不同区域压力

图3 全脚掌落地足底不同区域压力

2.2.2 正常姿势落地与全脚掌落地足底压缩分析

足底压强峰值是指在整个动作中压力鞋垫的每个传感器测得的最大压强值，它反映的是足底各区在动作过程中压强所达到的最大值。通过分析足底各部位的压强峰值可得到受试者在动作过程中足底的主要受力部位。整个足底压强分成8个测试点，H1为足跟内侧、H2为足跟外侧、M5为第5跖骨、M4为第4跖骨、M3为第3跖骨、M2为第2跖骨、M1为第1跖骨和T1为大拇指。

根据表4结果，正常姿势落地时足底各区压强大小依次为足跟内侧＞足跟外侧＞第3跖骨＞第4跖骨＞大拇指＞第5跖骨＞第1跖骨＞第2跖骨，全脚掌落地时足底各区压强依次为足跟内侧＞足跟外侧＞第3跖骨＞第5跖骨＞第4跖骨＞第2跖骨＞大拇指。正常落地压强峰

值在足跟内外侧、第4跖骨、第2跖骨、第1跖骨和大拇指处与全脚掌落地有显著性差异。有学者研究发现人类静止站立时，足底压强峰值主要位于足跟部，即后足[14]，而本研究结果显示，正常姿势落地足底压强为217.88 N/cm2，足跟部压强占全足的44.4%，足前部占全足的55.6%；全脚掌姿势落地压强为248.61 N/cm2，是正常落地的1.14倍，足跟部压强占全足的62.7%，足前部占全足的37.3%。全脚掌姿势落地时足底压强峰值出现在足跟部，正常姿势落地足底压强峰值主要位于足前部，表明正常姿势落地缓冲的特征与静止站立不同。

正常姿势落地压强峰值在足跟内外侧显著小于全脚掌落地，从损伤的角度来看，全脚掌落地时此区域容易受伤。正常姿势落地在第1跖骨、第2跖骨和大拇指处压强峰值大于全脚掌落地，表明在缓冲过程中足前区内侧承载冲击力载荷较大，而全脚掌落地则是足前区外侧承载载荷较大。正常落地在8个测试点之间的差值要小于全脚掌落地，表明正常姿势落地在承受冲击力载荷时是足底整体吸收；正常姿势落地足部最大冲击载荷在足前区内侧，由小腿前部的拮抗肌群缩短和股四头肌、小腿后部主动肌群离心拉长共同收缩来吸收载荷，承受载荷是整体吸收的。

全脚掌落地因测试点间差值较大，主要集中在足后区及足前区外侧，落地时GRF峰值是在落地后期人体下蹲重心前移的过程中达到的，此时小腿前部肌群做功较小，冲击载荷由小腿后部肌群、肌腱、韧带来承担，承受载荷是局部吸收，且GRF峰值大于正常姿势落地，此时后部肌群、肌腱、韧带承受较大载荷进行能量耗散[15]，如果腾空高度较高且落地不稳，则容易造成运动员损伤。

表4 正常姿势落地与全脚掌落地足底压强（n=24）

3 总结

两种落地姿势缓冲均有各自的特点，全脚掌落地的反作用力峰值显著大于正常姿势落地，为正常姿势落地的1.29倍。正常姿势落地缓冲是脉动式的缓冲过程，故缓冲效果好于全脚掌姿势落地；在足前区内侧承受的冲击力载荷较大，而全脚掌落地在足后区承受冲击载荷较大。

在防止损伤方面，正常姿势落地是通过增大下肢关节屈曲幅度和降低关节刚度来增加吸收冲击力的效果，达到降低下肢受伤的目的，缓冲效果较好。在稳定性方面，全脚掌姿势因在垂直和水平方向移动幅度较小、下肢关节刚度较高、GRF峰值出现时刻由足底三个区域共同受力等特征，故落地稳定性方面优于正常落地。自由式滑雪空中技巧运动员在落地技术方面，可借鉴正常姿势落地的缓冲效果较好的特征，在落地过程中可采用下肢三大关节（特别是膝关节和髋关节）主动缓冲，来达到减小地面反作用力的作用，这样在降低损伤方面可起到较好的效果。

在提高落地稳定性方面，全脚掌姿势落地在GRF峰值出现时刻，足后区承受压力载荷是足前区的1.28倍，足后区压强峰值是足前区的1.68倍，表明此刻人体压力中心（重心垂直投影）在足底后区。运动员在完成真实动作时，落地之前是由高速后空翻加转体动作组成，如果在GRF峰值时人体压力中心在足后区，落地动作很容易出现身体后仰的背部触雪情况，导致落地动作失败。为了提高稳定性，应使压力中心向足前区前移，在落地时运动员可采用身体适当前移的技术，达到压力中心前移的效果，最终达到提高落地稳定性目的。

建议在高速瞬间着地过程中应加强下肢髋、膝、踝关节的快速伸肌群离心训练，提高专项肌肉控制能力。

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Biomechanical Characteristics of Lower Limbs in Freestyle Skiing Aerial Skill Athletes during Different Landing Postures

Lou Yantao1，2，Wang Zhen3，Hao Weiya4
1 Key Laboratory of Exercise and Health Sciences(Shanghai University of Sport), Ministry of Education，Shanghai，China 200438 2 School of Human Sports Science，Shenyang University of Sport，Liaoning，China 110102 3 Harbin University of Sport，Heilongjiang，China 150008 4 China Institute of Sport Science，Beijing，China 100061 Corresponding Author：Lou Yantao，Email：louyantao2008@163.com

Objective To study the biomechanical characteristics of different landing posture of freestyle skiing aerial athletes in order to improve landing stability and reduce the risk of injury.Methods The biomechanical differences of normal landing posture and full foot landing posture of 8 national level male athletes were compared.Results Comparing with full foot landing posture，there were greater forward and backward movement of body gravity centre，greater laterally moving amplitude and speed，and greater changes in ROM of hip，knee and ankle in sagittal plane during normal landing posture.The peak impact load appeared on the inside of front foot area during normal posture landing，while on back foot area during full foot posture landing.Conclusion Better buffer effect and better landing stability can be achieved respectively through full foot landing posture and normal landing posture.Aggressive hip，knee and ankle flexions during freestyle skiing aerial landing help to reduce the risk of injury.

freestyle skiing skills，landing，lower limbs，plantar pressure

2015.05.18

上海体育学院研究生创新项目（YJSCX2014009）；辽宁省教育厅一般研究项目（L2013442）；辽宁省社科联与高校社科联合作课题（lslgslhl-158）

娄彦涛，Email：louyantao2008@163.com