基于跳远运动员起跳动作膝关节损伤风险的生物力学研究

李欣鑫

1 前言

跳远属于快速力量类运动项目。不仅要求运动员具备超强的爆发能力与协调能力，而且还要求运动员具备高效的技术运用能力。因此，跳远运动对运动员的体能和专项技术都有较高的要求。这种高要求也使得跳远运动员起跳腿的膝关节和踝关节发生损伤的风险增高。膝关节是人体关节结构较为复杂的关节之一，在人体运动和承重上具有十分重要的作用。研究表明，膝关节损伤占人体所有损伤的14% ～33%［1］;加大垂直地面的反作用力容易造成膝关节发生损伤，而且膝关节损伤后，垂直地面反作用力最大瞬间的运动学与动力学参数也会发生显著性变化［2］。跳远的起跳技术使运动员身体重心的动量发生急剧变化，以获得必要的腾起速度与腾起角度的同时，也会对运动员的膝关节造成运动损伤的风险。因为膝关节在助跑、起跳运动中都是发力的主要点，而膝关节周围肌腱与韧带组织又相对较少，缺乏保护，容易造成膝关节的损伤。本研究通过实验测试和数理统计等研究方法对跳远运动员起跳技术的转化、应力与角度等方面进行系统研究，以探讨影响跳远起跳技术导致膝关节损伤风险的生物力学因素，以及膝关节产生运动损伤的生物力学机制，为膝关节损伤的预防与康复训练提供理论参考。

2 研究对象与方法

2．1 研究对象

以跳远的起跳动作导致运动员膝关节损伤为研究对象。选取3名国家一级和2名国家二级男子跳远运动员为被试对象，被试对象的基本信息(见表1)。

表1 受试对象的基本信息

2．2 研究方法

2．2．1 文献资料法 通过电子期刊网输入关键词“跳远起跳”“膝关节损伤”等，查阅相关文献资料，明确跳远起跳动作可能会使运动员膝关节产生运动损伤的风险，深刻理解运动损伤产生的机制，为本研究提供理论基础。

2．2．2 实验测试法 2019年4月在中北大学运动生物力学实验室，运用英国Oxford Metrics Cimited(OML)公司生产的Vicon动作捕捉系统和Bertec三维测力台测试系统对5名不同水平的男子跳远运动员在起跳过程中起跳腿的技术环节、肌肉用力形式进行了同步测试。实时获取运动员完成起跳动作时身体重心、膝关节以及下肢肌肉用力、力矩等参数，以这些参数为依据，进一步分析跳远运动员在起跳过程中对起跳腿膝关节损伤的影响因素。

所选的受试对象没有任何疾病与伤病，在实验之前对实验对象说明本实验的意图，并做好充分的准备活动，以保证本次测试任务顺利完成。要求受试对象以良好的助跑节奏和最大速度完成助跑，最后一步起跳脚踏准测力台，并成功完成跳远的后续技术动作。

2．2．3 数理统计法 利用 Excel2010、SPSS25．0等软件对所获得的运动学和动力学参数进行统计学处理以及相关性分析。

3 研究结果与分析

3．1 跳远运动员完成起跳过程各阶段的参数分析

跳远运动员通过一定距离的助跑获得最佳的速度，为上板起跳做好充分的准备。起跳时，充分利用助跑所获得的速度，在极短的时间内，完成速度的转化，以便获得最大的腾起速度与适宜的腾起角度。根据一般研究分析，把起跳过程大致分为四个时相、三个阶段［4］:即着地瞬间、最大缓冲瞬间、身体重心达到垂直面瞬间和起跳离地瞬间［4］。其中，着地瞬间到最大缓冲瞬间为缓冲阶段;最大缓冲瞬间到身体重心达到垂直面瞬间为转化阶段;身体重心达到垂直面到离地瞬间为蹬伸阶段［4］(见图1)。

图1 跳远运动员起跳动作各阶段时相示意图

运动员在起跳过程中，要将水平速度在最短的时间内转化为一定的垂直速度，并获得适宜的腾起角度。这就要求运动员起跳时必须给起跳板施加一定的作用力。因而，跳起时间和作用力的大小将决定着起跳的效果。

起跳时间(T)是指起跳腿着板瞬间至离地瞬间的时间［3］，由缓冲时间(T1)、转化时间(T2)和蹬伸时间(T3)组成。缓冲阶段，起跳腿受到作用于人体重心向后上方的支撑反作用力较大，使人体受到了较大的水平制动冲量，缓冲时间过短或过长，都会影响起跳效果。转化阶段是起跳腿开始从退让性工作向克制性工作转化［3］，起跳腿肌群开始为蹬伸做准备，随着身体重心的前移，支撑反用力的方向逐渐转向垂直方向。此时人体在垂直方向上受到更大的冲击力。由于在缓冲与转化两个阶段，跳远运动员膝关节所受力的方向与身体重心运动方向相反，而且膝关节由伸膝到屈膝进行缓冲。如果缓冲不够合理，起跳腿肌群退让性工作能力较差，容易造成膝关节的半月板、两侧副韧带和十字韧带的损伤。因此，在缓冲和转化阶段容易造成膝关节运动损伤。蹬伸阶段是起跳腿转化做克制性工作，身体重心已经移过垂直面，支撑反作用力的方向改为向前上方，膝关节由屈曲状态转变为蹬伸状态，起跳腿肌群会爆发出更大的力量，为腾空创造有利的条件。如果起跳腿肌肉力量不足、身体重心不够稳定就容易导致膝关节受损。

表2 受试对象在起跳过程中各阶段的运动参数比较

从表2可看出，受试对象在着地瞬间、最大缓冲瞬间和蹬伸离地瞬间身体重心高度平均值分别为 89．3cm、84．2cm 和 96．0cm;缓冲时间、转化时间和蹬伸时间分别为 0．042s、0．044s和 0．046s;起跳总时间的平均值为0．132s，大于世界优秀男子跳远运动员的起跳平均时间 0．10 ～ 0．125s［3］，而且受试对象在起跳过程中各阶段的时间特征不符合“T1较短、T2较长、T3次之”的时间规律。转化时间(T2)短，说明起跳腿所受到的冲量大;同时，蹬伸时间大于转化时间，可能是实验对象的下肢力量不足或没有充分做好起跳动作而造成的。而由于起跳腿力量差，没能完成好起跳腿肌肉的退让性工作，起跳动作不规范就很容易造成膝关节的损伤。

3．2 跳远运动员在起跳过程中身体重心速度与受力情况分析

研究显示:跳远运动员在起跳过程中发生运动损伤大多在起跳的缓冲阶段［4］。由于在着地瞬间运动员向下的速度逐渐增大，当开始进入缓冲时，受到地面的作用力不断加大，向下的加速度就不断增大。最大缓冲瞬间向下的作用力是最大的。起跳腿肌肉作用力的方向瞬间也转为向上方向，垂直速度开始上升;同时，身体重心的运动方向与支撑腿所承受的水平分力方向相反(见表3、表4)。跳远运动员在完成起跳动作瞬间，会产生较大的伸膝力矩。较大的伸膝力矩与其着地瞬间受到的较大的水平向后反作用力有关。而较大的水平向后反作用力则与起跳前身体水平速度较大有关。也就是说跳远运动员在起跳前获得了较大的助跑速度，起跳前突停制动，可能会对地面产生较大的冲击力，从而使起跳腿肌群受到的负荷较大。如果起跳腿肌群力量不足，往往会造成膝关节的损伤。

表3 受试对象在起跳过程中各时相身体重心速度比较(单位:m/s)

表4 受试对象在起跳过程中各时相起跳腿受力比较(单位:N)

从表3和表4可以看出，实验对象在着地瞬间身体重心的速度都比较大，其中水平速度为8．617m/s、垂直速度为 3．384m/s。着地瞬间主要受到地面的垂直反作用力，其均值为53．9N;其次是水平方向的分力，均值为4．8N;另外是左右方向的侧向分力，均值为2．0N。最大缓冲瞬间，实验对象受到的地面垂直反作用力均值为2 804．9N、水平分力均值为794．3N、侧向分力均值为183．7N。根据运动生物力学原理，运动状况效果的大小是由施加的力值(F)与时间(t)乘积(即冲量)决定的［4］。而冲量 F·t=M·V(其中，M 表示运动员的身体质量、V表示运动员跑动的速度)，也就是说施加力值F=MV/t。由于运动员的体重是保持不变的，因此，运动员受到的冲击力与身体重心的速度以及作用时间有着密切的关系。但是，跳远运动员为了获得优异的运动成绩，必须保持最大的起跳速度或减少起跳时间，而这恰巧对膝关节的作用力比较大，起跳腿肌群所受到的负荷就比较大。如果起跳腿的力量不够强，很容易造成膝关节损伤。为了减少跳远运动员在起跳过程中膝关节的损伤，应加强运动员膝关节周围肌群的力量练习以及韧带的柔韧性练习;同时，规范运动员的起跳技术，以合理的技术也能起到保护运动员膝关节的目的。

研究表明，着地时较大的冲击力也可能是膝关节损伤的一个危险因素，特别是膝关节的前交叉韧带损伤的风险［5］。因为在跳远的起跳过程中，起跳腿承受地面垂直反作用力越大，股四头肌收缩的力量就越大，而股四头肌是对抗落地缓冲阶段膝关节所受负荷的主要肌肉。膝关节的前交叉韧带所承受的负荷越大，可能会造成前交叉韧带损伤的风险。从表4可知，受试对象在最大缓冲瞬间所承受的地面垂直支撑反作用力平均值为2 804．9N、水平分力均值为794．3N、侧方向的分力达到了183．7N。如果没有合理的缓冲，就可能会对其膝关节造成损伤的风险。垂直与侧向分力是跳远运动员在起跳时地面反作用力对支撑腿垂直与左右的支撑力。侧向分力值的大小与身体重心的变化以及膝关节、踝关节的力量大小有关。也就是说跳远运动员在起跳过程中由于膝关节、踝关节力量的薄弱，致使身体重心左右摆动。由于身体重心的不稳定，往往会增加膝关节损伤的风险。因此，加强跳远运动员膝关节、踝关节的力量素质练习，提高起跳腿肌肉的退让性工作能力，巩固膝关节和踝关节的稳定性，既可提高运动员的专项成绩，又可减少运动员损伤的风险。

3．3 跳远运动员在起跳过程中起跳腿膝关节角度变化分析

从表5可知，实验对象从着地瞬间到最大缓冲瞬间，起跳腿的膝关节角度随着制动在不断减小，起到缓冲的作用，其目的就是减少膝关节受到地面的冲击力。研究表明，膝关节角度的变化量对支撑腿的缓冲具有一定的作用［6］。膝关节角度变化大，说明缓冲效果好，而膝关节角度变化量大，角位移也就大。根据运动生物力学原理，角速度与缓冲时间成反比，即角速度 W=(a1-a2)/t［7］。由此可见，膝关节角度变化越大，说明角速度就越大。角速度大就会增大转动惯量，使膝关节的稳定性变弱，再加上屈膝导致髌骨与接触面减小，容易造成膝关节损伤风险。根据运动生物力学原理，ft=mv，则v=f/t。如果作用于物体上的力一定时，延长了作用时间，必然会影响物体运动的速度。如果延长了缓冲时间，势必造成水平速度与垂直速度的损失，降低起跳的高度和腾起的速度，影响起跳效果。另外，缓冲时间过长，会导致身体重心不能快速前移，身体重心落于支撑面的后方，会对膝关节造成更大的水平剪切力。而这种剪切力会加大髌腱负荷量，使胫骨向前的剪切力和前交叉韧带负荷增加，容易导致膝关节损伤的风险。因此，既要保持合理的缓冲效果，又要提高起跳效果。在训练过程中要求运动员有意识地预先将下肢的肌肉绑紧，有利于改变骨的受力形式，从而减少膝关节的运动损伤。另外，加强下肢肌肉力量的训练，提高肌肉的弹性，以达到保护膝关节的目的。

表5 实验对象在各时相起跳腿膝关节角度变化比较(单位:°)

4 结论与建议

(1)跳远运动员在完成起跳动作时，膝关节所承受的压力非常之大，且膝关节此时处于屈曲状态，引起关节中心点发生改变，使膝关节内的半月板上产生异常高的扭转与剪切应力，极易造成膝关节的损伤。因此，应该明确膝关节的解剖结构，规范技术动作，合理安排运动负荷，加强对膝关节的预防与保护措施，防止不科学的训练方法及不规范的技术动作造成膝关节的损伤。

(2)跳远运动员在起跳的缓冲和转化阶段，膝关节所受力的方向与身体重心运动的方向相反，且膝关节由伸膝到屈膝不能合理地进行缓冲，容易造成膝关节半月板、两侧副韧带和十字韧带的损伤。因此，加强运动员下肢力量素质的训练，增加肌肉的弹性，提高下肢韧带的柔韧性，以保护膝关节的稳定性和安全性。

(3)跳远运动员受到的冲击力与身体重心的速度以及作用的时间有着密切的关系。为了避免跳远运动员在起跳过程中膝关节的损伤，应该加强运动员膝关节周围肌群的力量练习以及韧带的柔韧性练习;同时，规范运动员的起跳技术，以合理的技术达到保护运动员膝关节的目的。

(4)跳远运动员在起跳过程中，垂直分力和侧向分力是地面反作用力对支撑腿在上方和左右的支撑力。侧向力值的大小与身体重心的变化以及膝关节、踝关节的力量大小有关。因此，加强跳远运动员膝关节、踝关节的力量素质，巩固起跳腿的稳定性，既可以提高运动员的专项成绩，又可以减少运动员受损伤的风险。

(5)跳远运动员在缓冲阶段，膝关节角度的变化量大，角速度就大，就会增大转动惯量，使膝关节的稳定性变弱，同时，屈膝导致髌骨与接触面减小，容易造成膝关节损伤。因此，在训练过程中要求运动员有意识地预先将下肢的肌肉绑紧，有利于改变骨的受力形式，从而减少膝关节的运动损伤。