自由式滑雪空中技巧运动员落地稳定性的生物力学研究进展

娄彦涛 郝卫亚 范祎 李艳辉 吴成亮

1 沈阳体育学院（沈阳110102）

2 国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

3 湖北大学（武汉430062）

自由式滑雪空中技巧（以下简称“空中技巧”）是一项结合体操空翻加转体和滑雪技术的技巧类高危运动项目，要求运动员在极短时间内完成空翻加转体动作后，着陆于38°的滑雪坡上。其动作结构由助滑、出台起跳、空中翻转和落地组成，运动员在完成动作时，要求“稳、难、准、美”，是一项技术性和艺术表现力均很强的运动项目[1]（图1）。根据FIS 自由式滑雪裁判手册评分标准[2]，落地动作成绩占总成绩的30%，因此运动员落地动作的成败对能否取得优秀成绩有决定性影响[3]。落地不稳也是造成损伤的重要因素[4]。研究表明，运动员出台后腾空高度一般在7～18 m，落地速度在9～19 m/s，下肢面临较大的冲击载荷，若超出人体下肢肌肉骨骼系统的承载范围，极易造成损伤[5]。一旦落地不稳，轻者导致动作失败，重者将造成膝关节和腰部损伤，甚至结束运动员的职业生涯。

图1 自由式滑雪空中技巧动作示意图（助滑-起跳-空中翻转-落地）

近些年来，落地动作已成为运动生物力学、运动医学领域研究的热点。据统计，经常参与带有落地动作项目的运动员，下肢均存在较高的损伤率，大多损伤都是由落地动作失败造成的[6]。在落地过程中，由肌肉-肌腱产生的力、力矩以及反作用力作用于下肢肌肉骨骼系统[7]，只有当肌肉骨骼系统能够承受足够的冲击载荷时，才能避免损伤。早期研究[8]表明，落地时膝关节外翻和外展力矩的增加是引发前交叉韧带（anterior cruciate ligaments，ACL）损伤的关键因素，说明正确的落地动作姿势是预防损伤的保障，在落地稳定性训练时要注重相关环节的肌肉力量，更要强调相关肌群的爆发力[6]。落地时，运动员还需较强的平衡能力来进行调整[9]。研究认为[10]，下肢本体反馈是触发和调节人体自动平衡校正的关键反应。影响运动员落地稳定性的因素较多，总体可分为运动员的技术水平、身体素质和外界环境等。对于影响空中技巧项目落地稳定性的因素，目前尚无确切定论，仍处于探索研究阶段。

纵观近四届冬奥会，空中技巧已成为我国雪上优势项目。但与冬季项目开展较好的欧美国家相比，我国并无领先优势，尤其是男子方面，在动作完成质量和落地成功率两方面均无优势。鉴于此，对于空中技巧落地稳定性的研究已成为该项目必须要解决的问题。本文对国内外关于空中技巧落地动作、空中动作及相关滑雪运动的文献进行汇总和提炼，为更深入了解落地动作的生物力学机制提供参考，为备战2022年北京冬奥会提供科技保障。

1 自由式滑雪空中技巧落地动作的力学特征

落地是一项非常关键的技术环节，一个动作成功与否，落地稳定性起到决定性作用。

图2 中，当重力G 的投影线落在支撑面内，人体对平衡的控制较易实现。若空翻速度不足，G 的投影线落在支撑面前方，将产生旋转力矩，导致落地时上体过分前倾，剩余的动量矩导致上体向前的速度过大而破坏人体动态平衡。反之，空翻速度过大，投影线落在支撑面后方，将产生后倾的旋转力矩而导致翻转过度，着陆瞬间产生臀部或背部触雪。上述情况偏离越大，人体的平衡控制越难实现。同理，N 与支撑面的关系也可促使人体产生前倾和后倾的旋转力矩。根据平衡控制原理，只有G、N 和F 的合力矩为零时，人体处于动态平衡状态，可以平稳沿斜坡下滑。因此，要求运动员在落地时控制适宜的姿态角，从而使G、N 和F 的力矩达到相互抵消的效果，实现平稳着陆。

图2 自由式滑雪空中技巧落地动作示意图

2 影响空中技巧运动员落地稳定性的主要因素

稳定的落地技术是运动员成功完成动作的标志，也是运动训练追求的最高目标[11]。我国空中技巧运动员落地成功率较低，据统计，完成次难度动作时，落地成功率为65%～75%；完成高难度动作时，成功率却不足60%。影响运动员落地稳定性的因素主要包括运动员的姿势控制能力、下肢刚度和肌肉特性、下肢载荷的分配、落地前的准备、不同落地方式/落地策略、不同落地高度、个体膝关节结构差异、运动装备的研制及场地因素等方面。目前国内外对于落地动作的生物力学研究主要包括实验室模拟动作研究和室外动作的计算机仿真研究[12]，对空中技巧落地动作研究较少，故本文以空中技巧和其他相似度较高的滑雪项目落地动作研究为参考，对影响该项目落地稳定性及造成损伤的机制进行分析。

2.1 运动员的姿势控制能力

姿势控制是个体、任务和环境间相互作用的表现，在空间位置中身体的控制能力体现了运动系统和神经系统间复杂的相互作用，这被称为“姿势控制系统”。姿势常用来描述身体质心的位置和身体相对环境的方向性。大多体育项目都需保持身体的垂直方向性，在建立方向性的过程中，应用多种感觉参照，包括前庭系统、本体感觉系统以及视觉系统[13]。空中技巧运动员落地瞬间支撑阶段的姿势维持能力、落地后高速滑行阶段的平衡控制能力、视觉对空间环境的判断、前庭对旋转的控制，本体感觉对着陆坡雪质刚度、阻尼和摩擦的适应，空中动作旋转过度或不足时双下肢的姿势控制能力均是影响落地稳定性的关键因素。

Albertsen等[14]研究表明：视觉输入提供了头部相对于周围物体位置和运动的信息。物体排列的方向性为视觉输入提供了参考系。另外，头部移动过程中，周围物体向相反方向移动，故视觉系统也报告了头部运动方向。空中的高速翻转、头部的前后移动都对运动员的视觉提出较高要求，运动中视觉信息传送至中枢神经，进而处理信息并整合发送指令使人体产生相应运动，运动员视觉受到干扰时将影响落地稳定性；对前空翻动作的研究表明，头和眼的解剖结构将影响运动员对环境信息的收集，从而增加落地站稳的难度[15]。Mcnit 等[16]对大学生体操运动员的研究发现，前、后空翻时，足在垂直方向上的速度均比踝关节小，小腿比膝关节小，而大腿在前空翻时比髋关节快，在后空翻时则比髋关节慢，这充分反映了落地前翻转方向对视觉的限制性差异，相比于简单动作，高难度动作对视觉的干扰程度更大。因该项目难度系数不同，快速空翻加转体动作将影响运动员的视觉判断，因此建议增加视觉的抗干扰训练，以提高落地稳定性。

姿势控制由各环节主动肌、拮抗肌、视觉、前庭功能和本体感觉多种系统相互协同作用来表现[17]。体感系统为中枢神经系统提供身体位置和运动信息；前庭系统则是提供头部在重力和惯性下的位置和运动信息，为姿势控制提供参考框架[18]。Cai 等[19]研究了成人双侧周围前庭缺失时矢状面和额状面上多方向旋转时的姿势反应，结果表明前庭对矢状面的影响较早，主要控制下肢肌群；对额状面的影响较晚，以控制躯干肌群为主。Oie 等[20]提出“感觉权重理论”，认为每种感觉条件对姿势控制都起着独特作用，不同感觉条件下姿势反应的变化由感觉权重变化产生，感觉的相关权重依据年龄、动作和环境的功能而发生变化。因此，运动员落地稳定性与姿势控制能力密切相关，需对其进行针对性训练。

2.2 运动员下肢刚度和肌肉特性

下肢刚度也是影响落地稳定性的重要因素。首先，从运动表现角度来说，一定水平的刚度可有效发挥肌肉的伸-缩循环功能，使储存在肌肉骨骼系统中的弹性势能在落地过程中有效释放[21]。其次，下肢刚度过大或过小也可能导致损伤，落地时较小的下肢关节活动度（range of motion，ROM）会导致刚度增加，进而加剧冲击载荷[22]。Lorimer 等[23]认为下肢刚度增加会导致应力性骨折风险增大。研究表明[24]，相对于高足弓者，低足弓运动员落地时因小腿的刚度降低而增大了软组织损伤概率或风险。Greene等[25]发现，人体跳跃落地时通过增大膝关节的屈曲角度，可使下肢刚度减小2 倍，因此，空中技巧运动员需要适度调整下肢刚度来改变关节力矩，从而加强运动表现或预防损伤。

肌肉力量是运动过程中的动力来源，落地稳定性需要下肢肌肉收缩来完成缓冲过程[26]。落地阶段，运动员下肢和躯干肌群的收缩方式为先快速离心收缩后快速向心收缩[27]，膝股四头肌除了承担体重外，还要承担落地瞬间较大的冲击力，此时对其离心收缩能力要求较高。若离心收缩力量不足，轻者造成落地动作失衡，重者将造成膝关节或腰部的损伤[28]。Haslinger 等[29]发现高山滑雪运动员单日训练后，股四头肌和腘绳肌向心和离心峰力矩值均降低，损伤风险增加，表明疲劳是造成肌力下降的因素之一。合理的训练频率和负荷对预防损伤具有重要意义。研究发现，我国空中技巧国家队男女运动员膝关节屈伸肌群比值（H/Q）较低[30]，膝关节的稳定性较差，需重点发展股后肌群力量。因此运动员需重视下肢力量，通过静力性训练与离心训练相结合的方法，增加膝关节稳定性。

落地动作中，股四头肌和腘绳肌的激活对稳定膝关节至关重要，同时还会影响ACL 应力[31]。其中，对股四头肌的研究结果尚存争议：有研究认为[32]，其激活会增加ACL 应力，从而增加损伤风险。然而，Withrow 等[33]发现股四头肌对ACL 应力的影响多取决于膝关节的屈曲角度。Aune 等[34]也得到类似结论，对高山滑雪运动员落地动作的肌电信号研究中发现股四头肌的激活对ACL负荷的影响不显著。出现不同结论的原因可能受落地类型及下肢肌群力量不同的影响。对于腘绳肌，多数研究均表明其激活能降低ACL负荷，并增加膝关节稳定性[35]。因此在落地前最大程度激活腘绳肌对稳定性是有益的。Färber 等[36]提出用口头指令的方式来激活腘绳肌，发现口头提示组的高山滑雪运动员落地时的腘绳肌激活率显著高于未提示组，但这种方法是否真的能降低ACL 损伤率尚不清楚。目前，国内外在空中技巧项目中对膝关节肌群激活情况的研究较少，未来可开展动力学、运动学和表面肌电三者同步的综合研究，探讨影响落地稳定性的内部机制问题。

2.3 双下肢负荷的均衡性

落地动作的动力学研究多采用三维测力台进行测量，因滑雪运动的复杂性，测量较为困难，因此如何获得落地时的地面反作用力（ground reaction force，GRF）是一个技术难题。早期Virmavirta 等[37]将测力板安装在起跳台上，研究起跳动作的动力学特征；还有学者将穿戴式传感器和压力鞋垫安装到雪板或雪靴上测量GRF，其优点是在不影响运动表现的情况下监测运动员从出台到落地全程的受力特征[38]。

落地动作在足触地后50 ms 内GRF 迅速增大，且大多ACL 损伤发生在足触地后17～50 ms 之间[39]。不同项目落地动作中，双侧下肢间的GRF 存在差异。纵跳落地时，双下肢间最大垂直GRF 差值在0.3～0.5 倍体重[40]；体操运动员差异程度更大，前空翻为0.7～0.78倍体重，后空翻为0.95～1.1倍[41]。由此可知，难度较大的落地动作会增加下肢不对称程度，造成重心偏移，导致身体失衡引发下肢不同类型的损伤。Veronica[42]等用足底压力鞋垫采集22 名跳台滑雪运动员在两种不同姿势落地过程中双下肢的GRF 分布，发现平行腿动作落地时81%的运动员双下肢GRFmax 不对称，50%的运动员双下肢冲量不对称；在前后分腿动作落地时，62%的运动员GRFmax 不对称，而68 %的运动员冲量不对称。这表明不同落地方式对双下肢载荷分配也存在一定影响。Zatsiorsky[43]进一步研究指出：落地时能量经多关节肌从远端向近端传递，多关节肌的选择性募集对下肢负荷的分配有益。虽然从产生关节扭矩和应力的角度来看，这种方法可能是矛盾的，但腘绳肌的激活可起到稳固关节、减小骨应力或防止疲劳的作用，为落地动作训练提供理论参考。

综上所述，GRF 值是动力学研究的重要指标之一，但较多研究仅停留在量化阶段，并未结合其结果来探究造成损伤的阈值问题。落地时能量耗散由下肢以及躯干等环节共同控制来完成，多关节神经肌肉控制可影响下肢的力学特性，因此对关节动力学、运动学和下肢主要肌肉募集的综合分析，可更全面评价GRF 峰值对机体外部和内部负荷的影响。

2.4 落地前的准备

在完成空中翻腾和转体动作时，运动员必须对各动作完成时间进行合理分配，为成功落地做准备。落地准备包括触地时将环节置于最佳位置、调节下肢环节速度和激活缓冲GRF 所需的肌肉活动。因此，落地动作需要在确保足触地前有充分准备时间的情况下完成。当准备时间不足时，空翻的余角动量导致人体过分前倾[3]，转体的余角动量导致人体继续向左或右侧旋转。当腾空高度和远度较大时，落地准备时间过长，则导致空翻动作已完成而人体仍未着陆，余角动量使人体过分后仰，旋转过度造成危险落地[44]。该项目运动员需合理控制空翻和转体的完成时间，为落地动作提供充裕的时间。

空中转体技术的完成质量是影响落地稳定性的重要因素之一。国外学者基于计算机仿真技术的准确性和便捷性来探究空中翻腾动作对落地动作的影响。Gheluwe[45]从空中动作姿势控制入手，建立6 环节计算机仿真模型，对运动员3 周台动作进行研究，发现空中转体动作是因不对称的上肢运动造成的。Yeadon 等[46]从空中旋转动作入手，建立11 环节模型对3 周台空翻转体动作进行仿真，表明在空翻时躯干的旋转可以使身体向前倾斜；翻腾过程中，只有双臂的摆动保持一致，才能使身体在出台和落地时不处于旋转过大或过小；腾空阶段采用转体技术，可使运动员在落地阶段身体不产生倾斜，但落地前也必须适当控制转体，使人体在矢状面内垂直落地。空中转体分为绕横轴和纵轴的转动，若绕横轴的转动过度，就会造成人体体位角度增大，躯干后倾，落地瞬间臀部或背部触雪导致落地失败或被扣分；反之则造成人体体位角减小导致躯体前倾，落地瞬间造成运动员前滚翻，该动作也是造成运动员颈部或腰部损伤的重要原因。

2.5 不同的落地策略/落地方式

落地策略的选择决定其稳定性[47]。落地策略一般分为软着陆和硬着陆。硬着陆是指落地时膝关节角度小于63°，而软着陆为大于63°[48]。Dai 等[47]指出软着陆可有效吸收落地时下肢GRF 并降低ACL 负荷，为损伤风险较小的方式。Leppänen 等[49]对硬着陆的研究中发现，这种以膝关节伸展为特征的落地方式会产生更大的GRF 值，与ACL 损伤风险有显著相关性。Markolf 等[50]认为硬着陆增加胫骨前移幅度，使ACL 应力增加而造成损伤。因此，软着陆是一种更安全的落地策略。但Bradshaw 指出软着陆时髋、膝、踝关节的ROM 较大，导致人体重心移动幅度增加，因此落地稳定性降低[51]。Dana 等[52]对硬着陆、软着陆的研究发现，硬着陆可以在不增加膝峰值外翻角度的情况下提高落地稳定性和跳跃性能。综上所述，两种落地策略各有优劣，因此空中技巧运动员应根据不同难度系数的动作来选择策略，进而在预防损伤的同时最大限度地提高动作成绩。

落地方式一般分为前脚掌落地、全脚掌落地和足跟落地。不同落地方式下人体运动学、动力学参数均有差异，且会影响肌肉激活情况和损伤发生部位[53]。因此落地方式会改变冲击载荷的大小和分布。Oggero等[54]指出，随着落地高度增加，速度和动能也增加，着陆者应以更大的关节屈曲角度来进行缓冲；全脚掌落地相比其他方式，垂直GRF 值最大。在空中技巧和体操等追求稳定落地的项目中，运动员多采用全脚掌着地。娄彦涛等[27，55]将男子空中技巧运动员在50 cm 高度下以前脚掌落地和全脚掌落地进行对比，发现全脚掌落地稳定性较好，前脚掌落地缓冲效果好；在损伤预防方面，全脚掌落地的安全性较低。综上所述，建议从落地策略与落地方式相结合的角度开展研究，根据不同动作的难度系数和运动员身体素质特点，找到其最适合的落地动作方式。目前，既稳定又可达到安全效果的落地方式未见报道，此问题仍需进一步研究，在空中技巧项目的落地方式和策略问题上探索全新理论。

2.6 不同落地高度

落地高度决定下肢冲击载荷的大小，且一定程度上影响落地成功率和稳定性[56]。高度越高，人体受到的GRF 值越大，髋、膝、踝关节的能量吸收也会相应增大[57]，极易造成下肢关节损伤。空中技巧落地高度取决于动作难度系数和出发点的选择。一方面，空中技巧的跳台有平台、1 周台、2 周台和3 周台，运动员会根据比赛情况选择动作难度，随着跳台高度的增加，落地高度也随之增加。另一方面，如果从动作结构逆向循序找原因，其顺序是：落地动作—落地前的准备—空中翻转—起跳出台—助滑上台—出发点的选择[58]。运动员通过助滑来获得出台速度，出发点的选择决定助滑速度的大小。Schindelwig 等[59]对高山滑雪运动员145次落地动作的研究发现，不同落地高度主要受起跳角度、起跳速度和着陆面陡度影响。合适的出台速度和体位角度可为运动员提供空中腾空高度、远度和落地时间，当腾空高度和远度较小时，动作完成时间缩短，将造成翻转动作完成较晚，来不及进行落地的准备动作。因此，合适的出发点选择会影响落地成功率，运动员可根据不同策略和难度系数进行选择。

Heinrich 等[60]运用OpenSim 仿真来探讨落地高度对滑雪运动员落地时ACL峰值应力的影响，最终发现，滑雪运动员落地时躯干倾斜度对ACL峰值应力的敏感度是落地高度的8 倍，表明与高度相比，姿势控制对ACL 应力影响更大。娄彦涛等[61]利用线性回归方程对二周台动作落地GRF 进行推算，得出运动员受到的冲击力约是体重的7.06～8.13 倍，并指出此高度下运动员受到的冲击力在下肢可承载范围内，完成稳定落地的关键还需具备较强的身体素质来抵抗人体剩余的动量和角动量。否则，腾空高远度过小，落地时将造成运动员前滚翻或颈部和腰椎损伤；高远度过大，将造成运动员背部触雪或下肢损伤。

2.7 个体膝关节结构的差异

性别因素致使个体膝关节结构存在差异。女性膝关节囊较松驰，关节过伸的角度、髂胫束的弹性均较男性高[62]，同时女性股四头肌的活动性更强，高强度离心收缩会在胫骨近端施加一个较大的前向剪切力，增加ACL 应力[63]。因此，女性运动员非接触性ACL 损伤的风险更高[64]。该风险在不同运动项目、年龄类别和竞技水平中都较为明显[65]。大多数非接触性ACL 损伤均是在瞬间减速、制动或是跳跃后产生较大冲击载荷的落地动作中发生的[66]。Pappas 等[67]发现，女性运动员在跳跃落地过程中双侧下肢膝关节、踝关节外翻角度的不对称程度均显著高于男性，表明性别是导致男女落地损伤率不同的一个重要因素，并提出女性落地稳定性较男性低的结论。然而，Orishimo 等[68]对舞蹈运动员落地动作的研究发现，其运动学方面不存在性别差异，并认为这与早期开展专项训练有关。Tosi 等[69]发现舞者和花样滑冰选手ACL 损伤较少，究其原因为运动员加强了针对性训练所致。空中技巧运动员完成3 周台动作时，腾空高度为16～17 m，落地瞬间膝关节承受较大的冲击载荷。因此，训练中要科学监测和评估不同性别之间膝关节结构差异，增加专项训练，以提高下肢关节的稳定性，达到降低损伤率的目的。

2.8 运动装备的研制及场地因素

空中技巧落地动作主要是运动员的滑雪板和50 cm 厚的雪面之间的接触。滑雪靴是滑雪板固定系统的重要组成部分，通过滑雪靴将运动员和雪板连接起来，其主要目的是将运动员的力和力矩传递到滑雪板上[70]。落地时运动员身体重心后移是一种常见的损伤机制，表现为滑雪板尾部先触雪，致使滑雪靴的后部撞击胫骨的后部迫使其向前移动，导致ACL 撕裂[71]。因此，雪板和雪靴的研制对损伤预防尤为重要。

Webster 等[72]早在1996年就证实滑雪落地损伤与滑雪靴后部的刚度（skiboot rear stiffness，SBRS）有关，但未涉及到对ACL载荷的影响。Eberle等[73]在此基础上采集527 次有受伤风险的高山滑雪运动员落地过程的运动学数据进行蒙特卡罗模拟仿真，对滑雪靴后部赋予4 个不同刚度值（13 Nm/°，16 Nm/°，24 Nm/°，27 Nm/°），分析不同滑雪靴刚度对落地时ACL 最大应力的影响，结果发现，随着SBRS的增加，最大ACL应力的平均值显著增加，从触地到产生最大ACL 应力的时间逐渐减少；股四头肌的平均肌力随着SBRS 的增加而增加，腘绳肌和胫前肌的平均肌力减小。因此，除了日常的肌力训练，对雪靴和雪板的研制和改进也成为研究的重点，旨在为运动员提供最安全且合适的运动装备。

此外，场地因素同样不可忽略，其包括雪质、风速、风向、气温等，不同场地的条件不同，这些因素都会对空中动作完成的质量和着陆的成功率产生影响[74]。如长期在松软的场地上训练的运动员，膝伤的发生率比在硬场低[75]。Charalambous 等[76]研究了冷温（1.8 ℃～2.4 ℃）和暖温（14.5 ℃～15.2 ℃）两种不同落地面温度对落地动作的影响，结果发现受试者落地时下肢的受力大小、能量吸收和关节角速度均存在差异。郑凯等[77]基于不同雪质、风速等环境条件，针对助滑距离起点、终点和助滑速度之间的关系建立了数学模型，有利于运动员最佳技术水平的发挥。因此，运动员和教练员需掌握场地因素的影响，加强运动员在各种场地下的技术训练并预防运动损伤。

3 小结与展望

空中技巧运动员的落地稳定性是受多种因素影响的复杂过程，运动员在完成高质量、高难度动作的同时想要稳定落地，需要完善出台技术、空中姿势控制能力、落地前的准备（时间、环节位置与速度、肌肉活动）、下肢和躯干肌肉力量等关键环节。因此专项身体素质训练和深入探索该项目落地动作特征不可或缺。在专项技术或体能训练中，要依据影响落地稳定性的因素，设计出专门的（如抵抗多种感觉系统干扰的姿势控制能力、下肢和躯干肌群的协同激活训练、落地策略和落地方式等）训练方法和手段，建议增加落地动作的训练计划，结合运动员自身特点进行针对性训练。只有全面发展和提高该方面的素质，才能保证运动员出色完成技术动作。

同时，在科研方法和手段方面，目前落地动作人体内部受力特征（如下肢各关节力矩、关节承受最大冲击载荷的阈值、关节能量耗散、神经肌肉的协同控制特征）仍不明确，需进一步开展计算机仿真，膝关节有限元分析以及表面肌电结合运动学、动力学的深层次综合研究，细化落地动作的研究指标，深入探讨损伤机制，为预防损伤和指导训练提供依据。