运动项目选择的生物力学研究——从膝关节承重的视角*

唐小英

（成都医学院人文信息管理学院，四川 成都 610500）

运动项目选择的生物力学研究
——从膝关节承重的视角*

唐小英

（成都医学院人文信息管理学院，四川 成都 610500）

从膝关节承重的视角对运动项目选择进行研究，在膝关节受力分析的基础上，建立了膝关节承重的生物力学模型。选取10个运动项目进行考察，通过运动实验获得运动相关参数，计算出各运动项目膝关节承重的峰值大小及平均值。结果显示，太极拳、爬山项目膝关节承重较大，游泳、步行膝关节承重较小，跑步、球类等项目膝关节承重处在中间位置。在此基础上给出各年龄组运动项目选择建议。

运动项目；膝关节；受力分析；刚体力学；模型

运动健身目前已经成为国人日常生活的重要组成部分，适宜的体育运动不仅有益于我们的身体健康,也有益于心理健康。但是对运动项目不加选择，盲目从众，运动时不讲科学，锻炼效果就可能达不到强身健体的目的，甚至对身心产生伤害。

人体膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，是下肢运动的枢纽，因其解剖结构特点决定了在运动中承载着巨大的负荷。研究指出，不当的体育运动会增加关节面之间的摩擦，使关节面损伤，从而发生骨关节炎导致膝关节疼痛，其伤病率位居所有关节之首［1,2]。人类的关节可以在 30岁左右就产生没有症状的退化改变,且女性膝关节病人比例比男性更高。50岁以上人群中,骨性关节病在导致长期残疾的疾病中仅次于心血管疾病排在第二[3]。

分不同性别、不同年龄、不同身体状况选择运动项目，有意识去保护膝关节是一个重要课题,因此研究人体膝关节的生物力学特性对认识关节力学行为、有意识地保护关节、减少关节损伤有积极意义。

对膝关节及膝关节韧带进行生物力学分析是防止膝关节损伤和治疗膝关节疾病的基础[4-7]。膝关节承受压力是膝关节的重要功能和容易造成损伤的原因之一。膝关节所承受的压力与屈膝角度有关，也与身体各部位（躯干、小腿等）的倾斜度有关，其运动是很复杂的。本文使用生物力学的方法对膝关节所承受的压力进行研究，对指导科学体育训练和运动医学治疗，预防膝关节运动损伤、防止膝关节炎症、合理提高运动成绩等方面提供模型和数据基础。

1 膝关节承重的生物力学模型

1.1 膝关节受力分析

人体各部位的受力是相当复杂的，涉及到大量生物力学知识与物理知识，为简化计算、方便建模，我们将复杂的膝关节生理构造合理简化。膝关节由股骨踝、胫骨平台、腓骨、髌骨、韧带、半月板、关节软骨、肌肉等共同组成。围绕膝关节我们将其简化成4部分，上肢、股骨、髌骨、胫骨，在胫股关节处，我们将其复杂构造简化成关节球，四条韧带简化成一条：交叉韧带。人体在曲膝运动时，若以“股骨”为研究对象：以交叉韧带（髌骨位置）为支点，其力学结构如图1所示：

图1 人体下肢受力分析图

2.2 膝关节承重的生物力学模型

假设人体处在曲膝运动状态，以髌韧带（髌骨位置）为支点，由刚体力学理论，可得胫骨合外力矩为0：

于是有膝关节承受压力：膝关节承重量受体重、身高、运动速度、身体姿势等的影响。

3 应用生物力学模型计算各运动项目膝关节承重的大小

竞技体育运动项目分为赛艇类、赛车、球类、速度力量型、耐力型、表现难美型、技能准确型、格斗对抗型、铁人三项等九种类型，目前国际奥运会体育运动项目大致分为奥运项目28大项、非奥运项目12项。民族民间传统体育项目的种类更加繁多，比如滚铁环、跳皮筋、踢键子、拔河、抽陀螺、跳竹竿舞、少年拳等等。

为了便于分析比较，我们选取日常生活中人们普遍采用的体育运动项目。北京市体育局“全民健身科普知识手册[8]”推荐项目：步行、游泳、太极拳、爬楼爬山、跳绳、踢键、广场舞（健身操）等。除此之外根据全民健身项目选择倾向的群体特征[9]，增加羽毛球（球类）、慢跑、骑自行车，共10个项目作为研究项目。

3.1 参数选择

根据国家技术监督局颁布“中国成年人人体尺寸”[10]、“中国成年人环节相对质量和环节质心相对位置国家标准”[11]：参数股骨长度、胫骨长度、上肢重力、大腿重力与身高、体重的关系为

髌韧带到膝盖支点中心距离通过多次测量，结果为：

3.2 数值计算

表1 运动项目与膝关节承重对应表

结果显示：运动项目中膝关节承重峰值较大的是爬山、羽毛球、太极拳、跳绳，膝关节负重状态下平均承重较大的是太极拳、爬山。两项指标均较小的是游泳、步行。

4 从膝关节承重的视角看运动项目选择

运动可以帮助人们锻炼意志、强身健体、寻找快乐和增强自信，随着现代健身娱乐项目的不断开发，可供人们选择的体育活动形式也越来越多。若对运动项目不加选择，盲目从众，则运动可能达不到强身健体的目的，甚至会对身体产生伤害。通过比较典型运动项目膝关节承重的大小关系，可以从膝关节承重的视角对运动项目选择提出建议。

4.1 膝关节承重较大的运动项目

从表2中可以看出，太极拳、爬楼爬山运动膝关节承重是非常大的。

太极拳作为中华武术文化的瑰宝，具有低成本、低技术要求、低冲击的特点，通过太极拳练习可提高习练者全身血氧含量，改善心肺功能，对慢性心血管疾病具有积极的防治作用［12，13］。然而许多调查和研究发现，经过一段时间太极拳练习后，常会出现膝关节疼痛的现象［12，13］，甚至膝关节出现明显病变。这与太极拳的全部动作中膝关节持续弯曲产生较大的膝关节承重具有较大相关性。

登山运动已经成为国人休闲娱乐、放松身心的一项热门运动。根据中国登山协会对登山户外运动人口的调查数据显示，2015 年全国登山户外人口数达1.3亿，然而登山运动对身体的伤害，特别是膝关节的损伤也是不容忽视的。越来越多的报道显示，运动对膝关节有较大影响。2012年45岁有近20年爬山史的西安资深驴友张凡被医生告知膝关节软骨已全部磨光，需要人工关节置换手术才能解决，而导致膝盖损伤的原因就是经常爬山。

太极拳、爬楼爬山运动，不适合作为长期、经常的运动项目，不能作为全民健身的广泛推荐项目。

4.2 运动项目选择

人类在15岁以前膝关节处于发育阶段，在运动项目的选择问题上，应避免过分负重的项目，比如举重、马拉松等。乒乓球、跆拳道、游泳、跳绳、轮滑等应是比较好的选择。

15岁-30岁时，膝关节处于最佳状态，只要不破坏到膝关节组织，运动项目均可以选择。一些集体项目，比如篮球、排球等应是极好的选择，不仅锻炼身体，还能锻炼品格和意志，同时集体项目的趣味性可以提高体育锻炼的忠诚度。

30岁-50岁时，髌骨软骨产生了早期轻度磨损，半月板的退变也开始产生，但由于髌骨软骨没有神经分布，有的人甚至还会察觉不到。在这段时期内要避免剧烈运动。在运动项目的选择问题上，应避免长期高负重的项目，比如长期、频繁进行爬楼爬山运动等。比较好的选择有健身跑、游泳、骑自行车、体育舞蹈、篮球、羽毛球、乒乓球等。

50岁是关节力量衰退的转折点［14］。关节的稳定性和活动性逐渐变差，关节软骨厚度减小及钙化、弹性丧失，滑膜面纤维化、关节面退化等一系列退行性改变［15］。此年龄阶段是加强动作控制能力和实施预防跌倒工作的关键敏感年龄，应避免上下楼梯和爬山，必要时可以使用拐杖来减轻膝关节承受的压力。比较好的选择有步行、健身气功、八段锦、广场舞、门球、钓鱼等。

当然，所有的运动项目选择都不是绝对的，每个人的身体状况、兴趣爱好、经济条件等都不一样，要做到因人而异，因时制宜。切记不是所有运动都对人的健康有益，只有科学有效的进行选择，才能达到增强体质、增进健康的效果。

5 结语

本文基于运动基础上建立了膝关节生物力学模型，在此基础上，对10个运动项目进行模型分析，通过计算，获得了膝关节受力大小的峰值及均值等结果。在此基础上，从膝关节承重的视角对运动项目选择进行了分析。对指导运动项目选择、科学体育训练和体育医学治疗，预防膝关节运动损伤、防止膝关节炎症等方面提供模型和数据基础。

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On the Selection of Sports Items by Biomechanical Method——From the perspective of knee joint bearing

TANG Xiaoying
(Chengdu Medical College, Chengdu 610500 ,Sichuan, China)

2016年度四川省科技厅“软科学计划”项目资助（2016ZR0088）。

唐小英（1967-），山东潍坊人，硕士，副教授，研究方向：运动人体科学、民族传统体育。