运动员落地动作的生物力学研究进展

胡 婧，张 杰

(1.上海市虹口区业余大学，上海 200080；2.复旦大学 附属华东医院，上海 200040)

在众多包含跳跃动作的运动中，落地动作对于高水平运动员十分具有挑战性的动作之一[1]，相关的研究表明，体操运动员在完成相应的动作进行落地时，单腿所承受的冲击力约为自身体重的18倍甚至更高。竞技性运动的原则要求跳跃运动员完成落地动作时双腿并拢并且身体尽量没有晃动。尽管严苛的条件限制带来极大的落地冲击和损伤风险，但绝大多数的运动员在落地时并没有发生严重的损伤。其中最主要的原因是：相较于业余运动员，高水平运动员落地时更倾向于将下肢所受到的冲击力更加均衡的分布到下肢的髋关节、膝关节以及踝关节，落地速度增加，下肢受到的冲击力增大的情况下，跳跃运动员下肢三关节伸肌力矩峰值和伸肌做功相对均衡的增大[2]。

由于人体在落地动作中受到的巨大冲击力，在进行相关的生物力学仿真模拟中，落地动作被选作一项常用的评价项目评价落地损伤的相关机制。国外学者关于排球运动的调查显示[3]：落地阶段所发生的损伤占下肢所有损伤的63%，其中膝损伤在所有损伤种类中占了61%。下肢90%的损伤发生率提示我们，落地阶段是非常值得关注研究的。

1. 影响落地动作运动表现的因素

各种跳跃运动中的损伤率报告以及对下肢损伤的关注度表明，在落地动作中有很大的潜在损伤风险。相关学者通过一个极端的例子，如果让一个80kg的人在膝关节固定住的情况下从1m高的位置自由落体，股骨的连接处是非常容易受到损伤的部位，极有可能从髋臼里被剥离开[5]。

相关学者做过关于排球拦网的落地研究，他在12个高度的落地测试中发现，第一个Fmax范围在1KN～2KN，第二个Fmax范围在1KN～6.5kN，表明受试者表现出了多种落地策略。这个结果与前人的相关研究有着相同的结果，他们对十五名女性大学生排球运动员的拦网研究发现，落地期间的平均Fmax是2KN。有学者通过对膝关节落地时的弯曲角度研究，研究表明落地高度也对落地所受冲击力有影响。研究者进一步提出，Knee_Angle可以被用来减轻落地时所受到的冲击力[4]。

国外相关学者利用三种不同高度的水平跳台对体操运动员和健身操运动员做了关节冲击力的测量。健身操运动员的垂直地面反作用力峰值的平均值在三个高度上分别是4.2倍体重,6.4倍体重,9.1倍体重。相比之下，体操运动员垂直地面反作用力峰值平均值在三个高度上分别是4倍体重,6倍体重,11倍体重。因此，体操运动员在高度增长上比健身操运动员表现出更低的敏感性。这个结论提示我们，健身操运动员与专业训练的体操运动员比起来也许更容易受伤，因为体操运动员在面对冲击力表现出更强的缓冲适应能力。

2. 落地动作中的性别差异

国外学者研究发现相比于男性，女性运动员膝关节前交叉韧带的损伤率是男性的2-8倍，相关的研究将这种性别差异带来的损伤归因于女性的关节结构松驰、解剖结构差异、雌激素作用、训练水平低于男性、肌肉力量较弱及屈伸肌肌力不均衡等因素，但目前这些观点之间仍存有分歧。但是这一现象可以说明：男女之间某些解剖学和生理学上的差异导致了损伤出现的最主要的因素。

落地动作中关于额状面运动学方面的研究发现女性在着地过程中更容易表现出比男性更大的膝关节外翻角度峰值和膝关节外翻活动度。由于膝关节解剖构造的特殊性，加上腘绳肌在额状面内对膝关节的稳固作用，决定了膝关节的外翻和内翻活动只能在极小的范围内进行。B学者和O学者的研究指出，非接触性前交叉人道损伤的发生通常伴有外翻动作，因此，女性在落地动作中表现出的较大的外翻角度峰值和外翻活动范围是导致其损伤发生率高于男性的重要原因，当落地动作中膝关节外翻角度达到最大值时，无论是膝关节还是髋关节屈曲角度最大，女性表现出的都比男性小。这也使我们不得不考虑落地动作中，矢状面和额状面的表现是相互影响的，这更加会增加女性在落地动作中受到损伤的风险。

有研究通过核磁共振技术测量了10名男性和7名女性半腱肌，半膜肌，股薄肌和股二头肌在额状面内的力臂长度。结果显示：无论是直接测量到的力臂值还是根据身高做标准化后的相对值，男性的股后肌群的力臂长度均大于女性。女性膝关节伸力矩峰值高于男性，可以推断出女性股四头肌肌力与腘绳肌肌力差要大于男性。未来的研究应该侧重于寻找通过提升腘绳肌肌力来提升膝关节屈曲角度，降低膝关节伸力矩和外翻力矩的方法，尤其是那些附着在胫骨中部的肌肉。许多这方面的研究证实性别因素在ACL损伤风险中的重要影响。

3. 不同的落地策略对落地动作的影响

有研究认为，由于落地策略的不同，表现为硬着陆的时候主要依靠踝关节维持稳定，而软着陆时髋关节和膝关节周围肌群起着主要的缓冲作用。国内学者发现在0.32-1.03m高度的落地动作中，髋关节和膝关节伸肌缓冲了身体受到的绝大部分冲击力。也有人认为膝关节才是在缓冲冲击力中占主要作用的，踝关节跖屈肌肉和髋关节伸肌群只是起着相对次要的作用。

在可预期落地测试任务中观察膝关节外翻力矩峰值，选择反应测试中观察亮灯到做出选择的时间以及此段时间内的肌肉活动情况，对二者做相关分析，发现腓肠肌和腘绳肌的肌肉活动，选择反应时间与膝关节外翻力矩峰值有着高度相关关系。无论是腓肠肌还是腘绳肌，选择反应时间都与落地阶段中蹬伸阶段的膝关节外翻力矩有着显著正相关关系。

为了研究运动策略对落地动作的生物力学影响，国外学者研究了在不可预期刺激落地动作中变更刺激发生时间对落地动作完成的影响。结果显示：与可预期刺激落地模式相比，在落地初期，不可预期刺激模式中受试者均表现出更大的髋关节外展角度和更小的髋关节屈角度，但是三个不可预期刺激模式之间没有表现出显著性差异。结果充分表明不可预期的刺激会影响落地动作的完成，但是刺激发生的时间在本次测试中对落地动作表现没有表现出显著影响。