“腾空外摆莲360°接提膝独立”起跳阶段的生物力学分析

魏永敬，王广亮

（石家庄理工职业学院 公共教学部，河北 石家庄 050000）

0 引言

竞技太极拳是中华民族的文化瑰宝，目前，竞技太极拳运动正向着难度高、动作新、动作美的方向发展，为了提高我国竞技太极拳的水平，相关学者多采用先进的实验仪器和设备对竞技太极拳典型动作进行研究.

“腾空外摆莲360°接提膝独立（编码324B+3）”是竞技太极拳比赛中重要的难度动作，动作完成的质量关系到运动员的最终成绩.324B+3动作可分为起跳、腾空转体、落地3个阶段，其中，起跳是324B+3动作的关键环节，好的起跳技术是高质量完成动作的保障[1].对此，本研究采用Ariel影像解析系统和三维测力台测试系统对起跳动作进行分析和研究，旨在揭示324B+3起跳动作的规律，为教练员科学指导训练提供理论依据，进而提高运动员的成绩.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以河北师范大学12名国家一级竞技太极拳运动员为研究对象，其健康状况良好，基本情况见表1.

1.2 仪器设备

录像拍摄与解析采用两台JVC9800高速摄像机，拍摄频率为50格/s.三维测力台采用两块中科院合肥智能所研制的SAFMS-T三维测力台，大小为600 mm×600 mm，采集频率为1 600 Hz，采集时间为10 s.

1.3 实验方法

将测力台固定在一块长2 m、宽1.2 m的平台凹槽中，两块测力台之间无间距，平台面与测力台面在同一水平面上，将一块长2 m、宽1.2 m的比赛专用地毯平放在平台上.两台摄像机夹角接近90°，镜头中心距离地面约1.25 m，拍摄过程中，运动员轮流做动作5次，现场邀请了3名国家一级裁判员对动作进行确认.

表1 受试者基本情况

1.3.1 运动学数据处理

采用美国艾里尔（Ariel Dynamics）公司生产的The APAS System录像解析系统对运动图像进行解析，所得数据采用数字化滤波进行平滑处理，截断频率为10 Hz.使用SPSS 11.0软件对所获得的各项测量数据进行统计处理.

1.3.2 动力学数据处理

采用三维测力平台软件获取蹬伸阶段的力、蹬伸冲量等动力学参数.使用SPSS 11.0软件对所获得的各项测量数据进行统计处理.

2 结果与分析

2.1 缓冲阶段重心高度与缓冲时间

324B+3起跳动作分为缓冲和蹬伸阶段，通过测试发现（表2），12名运动员在缓冲阶段身体重心均下降，最大缓冲阶段左右腿屈膝幅度均大于90°，其中，左腿屈膝幅度为131.87°±12.88°，右腿屈膝幅度为121.81°±15.27°，左腿屈膝幅度大于右腿，右膝角小于左膝角.显然，运动员双腿屈膝幅度越大，身体重心下降幅度越大，进而延长了髋、膝、踝关节蹬伸的距离和时间，在实测中发现，完成324B+3动作的缓冲时间为0.42 s±0.08 s，人体重心下降的幅度为0.41 m±0.49 m，且12名运动员都能成功完成动作，说明缓冲时间和重心高度较为合理，符合动作要求.

值得注意的是，缓冲阶段身体重心下降幅度越大，缓冲时间越长，在力一定的情况下，增大了发作用力冲量，根据动量定理可知，合外力冲量增加，能够提高起跳初速度，进而提高动作完成的质量.但人是生物体，肌肉只有在高速冲击下才能产生较大的张力[2]，缓冲时间过长易造成肌肉弹性势能的利用率降低，所以缓冲的时间不易太长，应适当缩短缓冲时间.相关研究[3]表明：缓冲在起跳动作中处于非常重要的地位，迅速完成缓冲并较早开始蹬伸是提高起跳速度的关键.缩短缓冲时间可以更快地改变运动方向，获得更大的垂直速度，然而，缓冲时间过短又可能使缓冲动作不充分.因此，正确的缓冲技术应该是在缓冲动作充分的前提下缩短缓冲时间.每个运动员在缓冲阶段都有一个重心高度和缓冲时间的最佳结合点.

2.2 缓冲阶段膝关节角度

在竞技太极拳中，324B+3动作的起跳技术是全蹲式双脚原地起跳，这种起跳方式具有腾起初速度大、髋膝踝关节蹬伸时间长、滞空时间短的特点.

在缓冲阶段，随着运动员身体重心的下降，膝关节的角度在减小，到最大缓冲时刻，左右膝角平均值分别达到 48.13°±5.59°和 58.19°±4.61°（表 2），符合双脚起跳动作特点.有研究显示[4]，起跳蹬伸阶段的最大力值随膝角的减小而增大，膝角在30°～45°之间蹬伸力达到最大值，膝角小于30°后，随膝角的减小，蹬伸最大力值开始减小.本研究中，在最大缓冲时刻左右膝角在30°～45°之间，蹬伸瞬间蹬伸力未能达到最大值，而且，运动员起跳时两脚基本在一条水平线上，并且是原地起跳，大大增加了运动员摆腿初速度的加速难度，下肢的爆发力显得尤为重要，尤其是小腿三头肌、股四头肌的肌肉力量对完成最终动作至关重要.所以，在日常训练中可以采用负重提踵的方式发展小腿三头肌，通过改变负荷及外部环境来增加难度，如在不稳定支撑环境下完成负重提踵动作.此外，发展股四头肌肌肉力量的方式有很多，如负重蹲举，并且注意动作的规范性，否则易带来腰部损伤.除了发展下肢的肌肉力量外，还要侧重发展运动员的核心力量，因为核心部位是力量传导的中枢环节，核心力量不强，易导致运动员的空中姿态控制不稳定.上下肢的协调配合能力也需要在训练中加强.

表2 缓冲阶段运动员运动学参数

2.3 蹬伸阶段髋、膝、踝三关节角度

运动员起跳离地后，垂直速度的获取主要取决于蹬伸阶段，蹬伸技术决定了运动员离地后所能达到的高度，进而影响着后继高难动作的完成.所以，蹬伸技术影响着动作完成的质量.

324B+3动作采用原地双脚起跳技术，为了保证空中转体动作的完成，运动员需要在腾空阶段身体重心达到一定的理想高度，否则影响动作的完成及质量.为了达到理想的腾空高度，要求运动员在蹬伸阶段，髋、膝、踝关节积极、快速、充分蹬伸，进而增加腾起初速度及腾起高度.科斯塔迪诺娃是世界优秀跳高运动员，她在跳高起跳离地瞬间，起跳腿膝角为180°，显然，科斯塔迪诺娃做到了充分蹬伸，提高了腾起初速度，为取得好成绩奠定了基础.本研究中，运动员离地瞬间三关节伸展都比较充分，如表3所示.理论上讲，在蹬伸阶段踝、膝、髋三关节离地瞬间角度达到180°是最有利于起跳的，所以，在平时训练中，发展下肢肌肉力量显得尤为重要，同时，还要侧重核心力量训练及上、下肢协调能力训练，进而提高髋、膝、踝三关节协调用力的能力.

髋、膝、踝三关节的协调用力完成了蹬伸动作，为了获得最佳的腾空高度，运动员需要提高离地瞬间的垂直速度，蹬伸动作完成的效果决定了离地瞬间的垂直速度.从表4可以看出，在蹬伸过程中运动员右踝、右膝的变化量分别为56.15°和110.35°，左踝、左膝的变化量分别为66.83°和121.04°，显然，右踝、右膝的变化量小，说明在蹬伸阶段运动员身体的重心偏重右腿，而离地瞬间髋关节的变化量右髋明显大于左髋，说明在起跳离地瞬间右腿的蹬伸摆动速度加快，主要来源于髋、膝、踝三关节的依次伸展.本研究表明，324B+3动作虽然是原地双脚起跳，但在蹬伸过程中动力主要来源于右腿的蹬摆动作，左腿次之.

2.4 起跳阶段髋关节转动角度及肩髋夹角

武术竞赛规则中明确规定：运动员转体度数不够将扣分.324B+3腾空阶段是身体绕垂直轴旋转360°，旋转度数越高，难度越大，对运动员的要求越高，尤其是运动员的核心力量.事实上，324B+3动作的技术要求为：在身体缓冲到离地瞬间，身体转过的角度和腾空阶段转过的角度相加达到360°即可，规则中没有明确规定腾空前身体可旋转的度数，所以，为了减少腾空阶段身体旋转的角度，腾空前身体要尽可能多地旋转.为了快速准确地完成空中转体动作，运动员必须有足够的转体动力，其来源由离地瞬间身体绕垂直轴转动的角动量和蹬伸时支撑反作用所提供的的偏心力矩组成[5].因此人体在支撑状态下，身体绕垂直轴转过的角度和速度，在一定程度上影响着腾空阶段人体绕垂直轴旋转的动量矩的大小.根据研究内容的需要，本研究选取髋关节转动角度来分析和讨论.

如表5所示，离地时，运动员髋关节已转过的角度平均值为62.87°±10.22°，同时，起跳阶段总平均时间为0.711 s，研究认为：运动员在0.711 s平均时间内髋关节旋转了62.87°±10.22°，积累了一定的身体绕纵轴旋转的动量矩，保证了后继高难动作的完成.同时还发现，在起跳阶段，运动员肩髋夹角发生了一定的变化（表5），开始缓冲时肩髋夹角平均值为13.49°±2.87°，离地瞬间肩髋夹角为35.02°±5.02°，说明运动员在起跳阶段均不同程度地加大了躯干向右扭转.肩髋夹角的增大一方面便于右腿向右后上方的加速摆动，提高右脚离地瞬间摆腿的初速度；另一方面这种向右的回旋，加大了腹内外斜肌、髋部肌群等肌肉群的肌肉初长度，进而增大了这些肌肉力值，为腾空转体动作的完成奠定了基础.

表3 离地瞬间下肢各关节角度值 （°）

表4 蹬伸阶段踝、膝、髋三关节角度相对变化量 （°）

表5 起跳阶段髋关节转动角度及肩髋夹角 （°）

2.5 起跳阶段人体受到的支撑反作用力

起跳是324B+3动作的关键技术，为了使身体获得较大的动量，顺利完成空中转体动作，运动员快速有力蹬地是关键.在起跳阶段，身体重心的轨迹由起跳腿蹬地力量的大小和方向决定，为了揭示人体运动状态变化的根本原因，本研究采用三维测力台对起跳阶段进行动力学分析，测试起跳过程中地面支撑反作用力的变化.Fx，Fy，Fz分别表示支撑面对起跳脚前后、左右、垂直方向上的支撑反作用力.图1所示动态曲线Fz反映人体在垂直方向上起跳脚受到的地面支撑反作用力的大小，其值决定了人体腾空的高度.图1中横轴时间指的是起跳总时间的百分比.

图1显示人体在起跳阶段垂直方向的受力情况，可以看到曲线比较规则，从曲线上看，运动员动作平稳利落，尤其是在蹬伸阶段，曲线呈双峰一谷，且第二波峰明显小于第一波峰，与原地纵跳的理想曲线明显不同.原地纵跳曲线也是双峰一谷，但第一波峰明显大于第二波峰，第一波峰是髋、膝两关节伸展产生的蹬伸力值，第二波峰是髋、膝、踝关节共同参与做大幅度的伸展运动产生的蹬伸力值[6].324B+3动作在蹬伸过程中髋、膝、踝关节依次蹬伸，协调用力，理想的曲线应与原地纵跳曲线一致，但在蹬伸后期双脚先后离地，且右脚先于左脚，这是第二个波峰小于第一个波峰的主要原因.

由动量定理可知，冲量的大小等于动量的变化量.腾空转体阶段的动力来源于离地前身体在蹬伸阶段获得的动量，通过冲量来研究运动员动作的变化.运动员完成324B+3动作，在起跳阶段垂直方向的冲量为6 037.84 N·s，前后方向的冲量为237.98 N·s，左右方向的冲量为-180.92 N·s，垂直方向上的冲量最大，证明离地瞬间人体重心获得了较大的垂直速度.左右方向的冲量较大，证明起跳阶段身体有左右倾斜，这种倾斜在手臂动作的配合下使身体绕垂直轴转体.

3 结论

图1 起跳阶段人体z轴受力曲线

在324B+3起跳蹬伸阶段，运动员的下肢肌肉爆发力和核心力量对完成动作至关重要，训练过程中，应侧重发展核心肌群、小腿三头肌、股四头肌等的肌肉力量，上下肢的协调配合能力也需要在训练中加强；运动员在起跳阶段均不同程度地加大了躯干向右扭转，提高了右脚离地瞬间摆腿的初速度，加大了腹内外斜肌、髋部肌群等肌肉群的肌肉初长度，为腾空转体动作的完成奠定了基础；起跳蹬伸阶段运动员身体所受的垂直方向的冲量很大，是腾空转体阶段的动力来源.