运动生物力学研究方法在武术套路中的应用现状研究

2018-01-29陈盼盼

体育世界(学术版) 2018年7期

陈盼盼

关键字：运动生物力学；理论原理；测量方法；研究结论导向

武术文化，博大精深，蕴含着中国几千年来的文化精髓，有着悠久的历史和广泛的群众基础。同时，武术作为中华民族的传统文化项目，沉淀了中国几千年来的历史，形成了各具特色的流派,建立了科学的理论和技术体系，为华夏文化的传承和发展起了不可磨灭的作用。运动生物力学作为体育运动训练的重要理论基础，对提高武术技术动作和改善武术传统训练方法起着重要的推动作用。同时运用生物力学基本理论和生物力学研究方法进行定性与定量相结合分析，对于竞技武术的发展具有重要意义。

九运会以后，国家体育总局管理中心为了适应我国竞技武术发展的需要提出了“难度动作”和“连接难度”得新概念，2003年在试行的新的武术竞技规则中，竞技武术套路规定了指定动作内容、扣分标准以及竞技规格要求，我国的竞技武术进入了一个崭新的历史阶段。竞技武术动作中的难度动作以及动作之间的衔接难度直接影响到参赛运动员的比赛成绩，在新的竞技规则导向下，运用新的研究方法和手段对难度动作的研究不断出现，运动生物力学研究就是其中之一。

1.运动生物力学理论原理在武术项目中的应用

1.1 转动惯量原理

物体的转动惯量是描述物体转动时保持原来转动状态不变的物理量，转动惯量越大使物体保持原有运动状态的能力越强，转动惯量越小使物体保持原有运动状态的能力越差[1]。从力学条件出发人体转动的条件是：作用在人体上的外力对某一转轴的力矩的矢量和不为零，即ΣM≠0。动量矩定理就是指动量矩的改变量，等于作用于刚体上的冲量矩。冲量矩是力矩和时间的乘积，它表示外力矩对转动物体的作用在时间上的积累效应。动量矩是转动惯量和角速度的乘积，它反映了刚体的转动状态。两个不同时刻动量矩之差表示的是在这段时间内刚体的转动状态的变化情况，物体转动状态的变化是外力冲量矩作用的结果，外力矩越大，作用时间越长，物体转动状态(动量矩)的变化越大[2]。根据公式I=mr2，对于质量为m的质点，其半径越大，转动惯量越大，半径越小，转动惯量越小。以旋子转体为例，人体在转动过程中要尽量减小人体转动半径，首先头部要保持梗直，如果低头或后仰就会造成半径加大，相应的转动惯量就会增大，旋转角速度相应减小，不利于空中旋转动作的完成。其次人的手臂和左右腿在腾空的过程中要尽量贴近身体或夹住，根据动量矩守恒定理可知，两手臂打开或是腾空过程中两腿夹角过大则会增大身体绕纵轴的转动惯量。另外，人体的肌肉在腾空过程中也要保持紧张状态，腰部和腹部的肌肉起关键作用。

1.2 肌肉激活顺序原理

肌肉的激活顺序是运动员完成动作节奏的重要体现，而动作节奏直接影响运动员的动作是否协调一致，进而决定运动成绩的好坏[3]。

肌肉激活顺序原理指出了人体如何在适当的时机动员身体各环节参与运动。人体在运动时。一般先是由大肌肉群参与活动，由大肌肉群带动小肌肉群参与，也就是由整体逐渐带动局部的过程。这样一来，不仅增大了运动的范围和速度，而且每个运动神经元所支配的肌纤维参与数量也会相应减少，更增加了运动的准确性。近端环节先于远端环节的活动顺序也保证了远端环节肌肉的收缩前的适度拉长。在旋子转体动作的起跳阶段，上肢向顺时针拧转，使躯干向左回旋的肌肉群(包括左侧三角肌外侧、左侧腹外斜肌、右侧腹外斜肌等)预先拉伸，腰部肌肉群首先活动，以依次带动肩关节，肘关节以及腕关节。

2.运动生物力学诊断测量方法在武术项目中的应用

运动技术的诊断可以从3个方面入手，既运动学，动力学和肌肉力学，这三个方面从三种不同层次上反映出人体运动状况，运动技术诊断的发展主要是以测量技术的进步为标志的，目前采用先进的体育科研仪器，同时结合运动训练学、运动解剖学、运动生理学、运动生物力学等学科知识对动作技术进行测试和分析，客观地反映出有利于武术动作技术的运动学指标、动力学指标及肌肉力学指标，从而从中找出技术动作的一般规律，为以后的科学训练提供参考和依据。

2.1 运动学诊断测量

人体运动学是研究人体或是器械在空间的位置随时间变化的规律性。从运动学层面上看，可以确定运动过程中动作技术的空间特征(技术动作的运动轨迹)，时间特征(技术动作的开始、结束，运动持续的时间，运动频率，运动节奏等)以及时空特征(角速度，角加速度)。运动拍摄及其解析技术是进行技术动作诊断的重要手段，运动这一手段可以获取运动员在运动过程中的运动学参数，为运动员的科学的训练提供有效依据和及时反馈。

随着科学技术的发展，电影拍摄，录像拍摄和红外拍摄逐渐运用到运动生物力学的研究中。

黄强等人对我国2000年全国武术锦标赛自选拳比赛前3名运动员完成旋子转体720°接跌叉的动作进行了高速摄影的测试分析，通过生物力学实验,获得了相关运动学指标与数据，制作出了该动作各关键时相的运动学三维立体动感图。

郭明明应用DLT法分别对第十届全国运动会女子长拳冠军梅寒完成的旋子转体720°的起跳技术和旋子转体720°接竖叉的落地技术进行了运动学分析，分别指出了完成两个技术动作的完美身体特征和姿态[4][5]。

樊艺杰对3名全国武英级优秀运动员所做的高难度353C+4(旋子转体720°接跌叉)动作进行了高速摄像的测试分析，同时提出了相应的训练方法[6]。

甘雷[7]和习开磊[8]都运用高速摄像技术对C级跳跃难度旋子转体720°接跌叉动作进行了测量，并将整个技术动作分为助跑踏跳、腾空、落地三个阶段进行运动学分析，通过三名运动员的运动学参数的比对，选出优秀运动员的运动学参数和指标，为以后的运动训练提供理论数据。

2.2 动力学诊断测量

人体运动状态的变化都是因为力的作用而产生的，因此，对于力量的测试有助于客观深入的分析人体的运动规律。在进行运动诊断时，除运动学测量诊断之外，动力学诊断也是必不可少的一部分，运动学测量诊断主要讨论人体运动状态的规律，动力学诊断测量主要讨论人体运动状态变化的内在原因。从动力学层面上看，主要讨论人体运动力矩、冲量以及能量的特征。常用动力学测量仪器为力传感器，三维测力台，足底压力分布测量平台，足底压力分布测量鞋垫，等动肌力测试系统。

2004年，北京体育大学的研究生谷枫运用红外远射测量系统和足底压力测量系统，对两组不同水平的杨氏太极拳练习者搂膝拗步下肢动作进行了测量与比较分析。同时对受试者的动作技术的合理性做出了诊断与评价，为太极拳技术评价与训练以及全民健身指导提供了理论参考依据[9]。

2010年，郭孝君运用三维影像测量和三维测力的方法，以东北师范大学体育学院武术专业一级运动员为研究对象，对太极拳旋风脚360°动作进行了运动学和动力学的研究与分析，指出了完成该动作的的运动生物力学参数，为运动员完成完整动作提供了参考依据[10]。

2.3 肌肉力学诊断测量

断讨论的主要是运动状态的一般规律，动力学诊断讨论的主要是运动状态变化的原因，既力的作用引起的机体的活动变化，而肌肉力学主要讨论的是动力变化作用下人体内部的肌肉力学特征。从肌肉力学的层面上讲，肌肉力学主要是确定人体运动时骨骼肌的运动生物力学特征，区分在运动过程中的原动肌和对抗肌，固定肌和中和肌，并清楚各自的发力特点以及参与肌群的发力时序、大小等。肌肉力学特征主要通过人体活动时肌电信号体现，对于肌电信号的分析方法可分为时域和频域两种，时域的主要指标有积分肌电(IEMS)，均方根振幅(RMS)，时序(参与运动的肌肉激活顺序)等，频域主要是分析肌肉肌电信号的频率特征，主要包括信号的带宽，平均功率频率，中位频率等。在体育科学研究中，通过肌肉肌电图，可以判定肌肉所处的状态，肌肉之间的协同，肌肉的收缩类型及强度，肌肉的运动损伤以及疲劳程度等。

2010年，牛建华运用肌电测试系统对太极推手初学者和优秀武术运动员之间肌电图的变化进行了比较，研究结果显示，在太极推手过程中初学者技术动作不协调，主要表现为上肢肌肉、躯干肌肉和下肢肌肉同时放电，而且发力肌群主要以上肢肌群为主，而优秀的武术运动员为部分下肢肌肉和腰腹肌肉率先放电，技术动作协调、连贯。通过两组的比较分析，得出优秀的武术运动员的太极推手表现为力由下肢来生，传递到腰腹，最后到达上肢。

2011年，晁燕丽运用三维高速摄影和表面肌电两种测量方法对经济太极拳旋风脚360°接提膝独立动作技术进行了运动学和表面肌电力学的分析，找出了影响竞技太极拳旋风脚360°接提膝独立动作技术的主要因素，确立了正确的技术概念。为运动员进行科学合理的训练，减少不必要的运动损伤提供了理论依据和数据支撑，具有很大的进步意义。

3.运动生物力学研究结论导向及意义

3.1 为改进技术动作提供数据参考和理论依据

运用先进的体育科研仪器，同时结合运动生理学，运动解剖学，体育训练学以及生物力学等知识进行综合分析和测量，通过对高难度动作的分析和数据解析，有利于动作之间的衔接和灵活转换运用，找出技术动作的内在的一般规律。为丰富技术理论和人指导体育训练、教学提供有价值的生物力学参数。

3.2 建立武术技术动作训练模式，提高比赛成绩

任何实验的测量以及动作的分析都是为提高比赛成绩服务的，针对比赛的动作细节以及不足之处进行生物力学的分析和实验，通过对大量数据的收集和统计，同时针对运动员自身的运动素质特点，建立个人档案。对运动员比赛动作中出现的不稳定因素进行强化，模拟比赛强度和环境进行训练，建立专属个人训练模式，提高比赛成绩。

3.3 为预防运动损伤和康复提供科学依据

随着武术的不断发展，中国的传统文化逐渐走出国门，走向世界，武术的文化精髓以及武术的博大精深也逐渐被世界所关注，世界级武术比赛也如雨后春笋般涌出，更多高、难、美的武术动作逐步呈现，但是随着技术动作高要求的发展，运动损伤再所难免。运用运动生物力学对运动损伤的部位特点进行研究和原因分析，能够更准确的定位运动损伤的程度以及确定更好的康复措施。