关于跳绳运动的生物力学研究进展

赵庆蓉，亢建国，范志龙，汪宇峰

跳绳是一项在环摆的绳中做各种跳跃动作的运动[1]。跳绳运动可繁可简，变化多样，对场地、服装、器械等外部要求都比较简单，方便参与，易于普及，是大众健身的首要选择之一。适宜的跳绳方式可以使心率维持在与跑步大致相同的水平上，还能减少因跑步而产生的膝、踝关节疼痛[2]。作为其他运动项目训练踝关节稳定性的专项手段之一，跳绳对提高心肺功能[3]、增强肢体协调[4]、促进健身减肥[5]等也有很显著的作用。近年来，国内外各类跳绳赛事层出不穷，而且许多地区都将1分钟跳绳作为中考体育中的测试项目之一，上海市还于2021年新增了4分钟跳绳项目来测试学生的心肺耐力水平。

跳绳运动过程具有高度连续性，对运动和肌肉的技术要求是非常高的。运用运动生物力学手段使得跳绳技术动作的分析更加客观化、具体化，因此笔者主要通过总结国内外相关研究热点，为今后跳绳运动的进一步研究理清脉络，并为跳绳运动的参与者提供理论参考和实践依据。

1 关于跳绳动作的阶段划分

虽然跳绳的种类多样，但其关键之处在于下肢能不断跳过绳子，进行连续性运动。如图1，以并脚单摇跳绳为例，根据重心高度和地面反作用力的变化，可将一个跳绳周期分为三个阶段:一、起跳蹬地阶段(从身体重心在最低点开始，到脚离地瞬间结束);二、腾空阶段(从离地瞬间开始，到落地瞬间结束);三、落地缓冲阶段(从落地瞬间开始，到身体重心回到最低点结束)[6，7]。也有研究直接将起跳蹬地阶段和落地缓冲阶段合并为支撑阶段，即从落地瞬间开始，到离地瞬间结束[8]。

图1 并脚单摇跳绳重心高度和地面反作用力变化曲线图(据亢建国等[6])

2 关于不同跳绳方式的生物力学研究

国家体育总局社会体育指导中心在2017年10月发布的《2018—2021全国跳绳运动竞赛规则》指出:跳绳运动种类繁多，可按照摇绳方式、摇绳速度、参赛人数、比赛时长以及性别等进行分组比赛。不同的跳绳方式分别对应不同的技术特点。结合目前跳绳在运动生物力学领域的研究现状，列出三种常见的正向跳绳方式:单摇跳、双摇跳和三摇跳。双手摇绳，每跳起一次，绳体向前越过头顶并通过脚下绕身体一周(360°)，称为单摇跳，根据双脚落地方式的不同，还可以进一步分为“并脚跳”(两脚同起同落)和“双脚轮换跳”(左右脚交替着地)。大众健身一般选择并脚单摇跳，而国内和国际跳绳运动员在单摇跳绳比赛时大多采取“双脚轮换跳”的方式。双手摇绳，双脚同时起跳，每跳起一次，绳体跃过头顶通过脚下绕身体两周(720°)，称作双摇跳。双手摇绳，双脚同时起跳，每跳起一次，绳体跃过头顶通过脚下绕身体三周(1080°)，称作三摇跳。

2.1 关于单摇跳的生物力学研究

2.1.1 关于并脚单摇跳绳的生物力学研究目前对并脚单摇跳绳的研究主要体现在不同频率单摇跳的生物力学参数对比以及单摇过程中的动作协调性力学分析。国际跳绳联盟(International Rope Skipping Federation，简称“IRSF”)规定:跳绳运动频率在60±10次/min范围内属于慢速跳绳、在90±10次/min范围内属于中速跳绳、在120±10次/min范围内属于快速跳绳。

(1)关于并脚单摇跳绳的运动学研究。井兰香等通过计算慢、中、快三种不同速度的并脚单摇跳绳运动支撑阶段下肢各环节的运动学指标，发现随着跳绳速度的加快，关节活动范围明显减小，因此想要锻炼下肢肌肉的超等长收缩能力，需要减慢单摇跳的速度。而快速单摇跳主要锻炼的是踝关节的快速超等长收缩能力以及髋、膝关节的稳定性[8]，可作为加强踝部力量的专项训练手段之一。但对于大众健身而言，应主要考虑运动效果最大化和运动风险最小化相结合，建议采用中速单摇跳来加强膝关节和踝关节周围的肌肉力量[9]。

动作协调性是指人体在中枢神经系统和骨骼肌肉系统的共同作用下，对技术动作的时间、空间、节奏等要素做出精准协调的反应。有学者运用实验探索了评价不同年龄段青少年的动作协调能力所需要的指标，其中跳绳成为评价肢体协调能力的有力手段[10]。跳绳属于拉长－缩短周期性运动，对下肢肌肉在短时间内的协调发力具有一定要求[11，12]。李树屏等采用运动生物力学方法，对在给定频率下熟练组和非熟练组的并脚单摇跳绳动作进行了数据分析。熟练组在测试和采集数据之前进行过连续六周的并脚单摇跳绳训练。结果发现:熟练组受试者的握绳轨迹呈现出略微倾斜的椭圆状。其握绳轨迹的面积和周长分别为非熟练组的49%和71%，而且经过一定跳绳练习后，人体质量中心的波动幅度和双脚支撑期的触地范围均显著减小[13]。可见长期跳绳运动会使肢体动作幅度减小，协调性增加，能耗相对减少。此外，有学者建议在进行跳绳运动时，采用限制运动视觉参与的方式，也可以增强人体的感觉统合，进一步促进协调能力的提高[14]。

根据Hudson的环节运动协调性链条模式图[15]，跳绳是复合运动链的周期运动。下肢在支撑阶段属于封闭运动链，各环节运动的协调性趋于同步性;在腾空阶段属于开放运动链，人体各环节运动的协调性趋于顺序性。由于跳绳成功的关键在于绳子能否顺利通过脚下，故跳绳运动的协调顺序性应该主要体现在练习者的上下肢的准确配合。通过掌握跳绳节奏便可预判绳在空间的位置，让下肢在绳到达脚底之前顺利跳过绳，使上下肢的协调程度趋于稳定[16]。在跳绳过程中，绳的速度会出现多次有节奏的波动。当波动幅度最大时，对应的绳的位置均在练习者的前上方。有研究发现，并脚单摇跳绳失误时绳速的最大波动时刻不在其成功区间内，即练习者手摇绳发力时间过早或过晚，而脚蹬地起跳时间未及时调整，出现了上下肢配合不协调的现象[6]。后续也可以通过肌电学手段验证跳绳时上下肢相关肌肉的发力顺序。

(2)关于并脚单摇跳绳的动力学研究。跳绳运动是反复重复的周期性运动。在保证绳子能正常通过脚下的基础上，为减少跳绳过程中的能量消耗，一般尽量采用较低的腾空高度[13]，此时下肢各关节均有一定的做功贡献度。通过对稳定的并脚单摇跳绳过程中某一完整周期进行分析，发现随着摇绳频率的递增，髋关节和膝关节的做功贡献度逐渐减小，而踝关节的做功贡献度显著增加[8]。但在着地缓冲阶段，下肢膝关节的做功贡献度最大[17]。这可能是由于跳绳属于周期性重复运动，踝关节需要通过连续的起跳和落地进行跖屈和背屈，但其在落地缓冲阶段背屈幅度不宜过大，以免影响下一周期的起跳。

根据动量定理，如果垂直动量保持不变，延长力的作用时间将导致垂直地面反作用力(VGRF)减小，那么在跳绳过程中，较低的VGRF可能部分归因于较长的地面接触时间，因此推测随着跳绳频率的增加，支撑期的时间相对减少，VGRF会增加，即跳绳频率与VGRF之间呈正相关关系。但是单信海在分析不同节奏连续20秒纵跳的生物力学特点时发现，在峰值地面反作用力方面，中等节奏＞快节奏＞慢节奏[18]。此时跳绳频率和VGRF之间可能呈现出类似于倒U型曲线的关系。目前已有研究发现，中速单摇跳支撑期VGRF值、爆发力均明显大于慢、快速单摇跳，但其在落地阶段膝关节角度变化较慢速单摇跳和快速单摇跳大，能达到很好的缓冲效果，不会因地面给予的冲击力过大而造成损伤[9，19]。

机体通过神经反射和前馈控制调节身体刚度[20]。研究表明，随着跳跃频率的增加，腿部的刚度也会增大[21]。这一结论在单摇跳绳中也得到了印证。井兰香等发现，快速单摇跳时下肢及下肢各关节刚度在支撑阶段明显大于慢、中速单摇跳[8]，而且主要表现为踝关节刚度的增加[22]。单次跳跃结束后，前脚掌先于脚后跟着地，故下肢膝关节的刚度最大[23]。跳绳虽然也属于上述着地方式，但是每次落地缓冲后立即蹬地起跳对于保持跳跃连续性的跳绳运动是至关重要的，因此膝关节不会完全屈曲而影响下一周期的起跳。踝关节刚度与小腿三头肌的收缩能力、三角韧带的稳定性等都有一定的关系。因此对于篮球、足球、排球等发生踝关节损伤几率较大的运动项目而言，可在训练中加入快速并脚单摇跳绳练习，以加强踝关节周围肌肉和韧带等相关结构的稳定性，降低损伤概率。

2.1.2 关于双脚轮换单摇跳绳的生物力学研究(1)关于双脚轮换单摇跳绳的运动学研究。双脚轮换单摇跳是单摇的一种特殊形式，触地时间较其他摇法短[24]。通过采用知觉用力等级表，对3分钟双脚轮换单摇跳的疲劳程度进行分析，得出与疲劳相关的因素主要为踝关节角度和两脚之间的距离[25]。为避免损伤，相对于双脚同时支撑地面而言，左右脚交替支撑更需要保证练习者在运动过程中的动态稳定性。有研究发现左右脚在双脚轮换单摇跳支撑阶段的距离存在一定的运动学差异，对熟练组和非熟练组练习者双脚轮换单摇跳绳时两脚之间的最佳宽度进行对比研究后，建议双脚之间的最佳宽度为6厘米，有利于保证跳绳过程中的动态稳定性[26]。若继续增大双足间宽度，会使髋关节活动角度变大，造成不必要的能量消耗。

初学者在进行双脚轮换单摇跳绳时，髋关节和膝关节的屈曲幅度更大，腕关节的活动范围更大，身体质量重心的位置变化更大[27]。而尽量减小双脚轮换单摇跳绳时身体质量重心的垂直位移亦是提高跳绳技能水平、加强跳绳连续稳定性的重要指标之一。根据2018—2019赛季30s双脚轮换单摇跳绳对照试验发现，取得优异成绩的运动员脚底离地面仅有8cm～15cm距离[28]。此外，良好的神经肌肉协调能力对保持跳绳节奏、提高跳绳时的动态稳定性也至关重要。

身体姿势是影响跳绳速度的关键元素之一。双脚轮换单摇跳绳中的身体姿势主要表现为身体的弯曲度，包括直体姿势和屈体姿势。在双脚轮换单摇跳绳时直体姿势和过度屈体姿势都会对青少年的身体健康与发育造成潜在的不良影响。建议在进行双脚轮换单摇跳绳时上体与地面夹角在30±15°左右[29]。

(2)关于双脚轮换单摇跳绳的动力学研究。双脚轮换单摇跳的峰值地面反作用力与双摇相似，但膝关节和髋关节动力学特征不同。一般来说，双脚轮换单摇跳的特征是增加对髋关节动力学的依赖，而双摇主要表现在对膝关节动力学的依赖。落地缓冲阶段，肌肉做向心收缩使髋关节和膝关节伸展，然而此时膝关节在矢状面下的峰值力矩最低，可以看出膝关节附近有肌肉进行了离心收缩，减缓膝盖因伸展产生的冲力;在起跳蹬地阶段，双脚轮换单摇跳的髋关节和膝关节做屈曲运动，而双摇时两个关节做伸展运动，表明双脚轮换单摇跳的大部分起跳蹬地力是在脚踝处产生的。与跑步相比，双脚轮换单摇跳在矢状面下的踝关节峰值力矩高出9% ～20%[1]。因此在竞技跳绳中，运动员以最大速度进行比赛，肌腱病变、胫骨内侧应激综合征和应力性骨折等也时有发生。不能用竞技运动员的标准来要求以健身为目的的普通大众和以加强踝关节力量为目标的专项运动员。

2.2 关于双摇跳的生物力学研究

2.2.1 关于双摇跳的运动学研究由于双摇跳技术难度高于单摇跳，绳体需要在单摇跳的基础上多绕身体一周，因此相关研究对上肢的关注度较高。对比不同水平跳绳运动员连续双摇跳绳的上肢活动轨迹，发现手在空间位置的运动范围大小和稳定性对双摇跳技术具有重要意义[30]。还有研究发现双摇运动员疲劳后，上肢动作出现变形，主要表现为肩关节的内旋活动范围增大。其目的可能是维持远端适应，使绳子正常转动，保证双摇跳绳的连续性。但疲劳容易影响运动员的神经传导速度，增加肩关节损伤的风险[31]。对于双摇技术较为熟练的学生，其腾空时间、身体质量重心的垂直位移和踝关节背屈角度均较小，且男性较女性的下肢屈曲角度更大[19]。

2.2.2 关于双摇跳的动力学研究跳绳训练可以增强下肢的拉长缩短周期运动(SSC)能力[32]，但双摇跳较单摇跳的效果更好[33]。双摇跳和双脚轮换单摇跳的峰值地面反作用力相似，但下肢各关节的动力学分布不同，双摇跳时膝关节和踝关节的动力学贡献度明显高于髋关节，从而加强膝、踝关节的稳定性及其周围肌肉的超等长收缩能力[34]很有必要。此外，双摇跳在矢状面下的踝关节峰值力矩比跑步高出39% ～114%[1]，因此建议健身人群尽量避免一次性长时间双摇跳绳运动。

2.3 关于三摇跳的生物力学研究

2.3.1 关于三摇跳的运动学研究训练三摇跳技术要综合考虑人体腾空高度及摇绳速度两个因素[35]。通过对比分析三摇跳和并脚单摇跳的动作特点，发现三摇跳在起跳蹬地阶段的绳速明显大于单摇跳两倍之多，而且下肢关节活动幅度更大;腾空阶段，绳速出现多次波动，上下肢各关节有明显的屈曲，增大了脚与地面的垂直位移，使滞空时间更长，有利于绳子顺利通过脚底;落地缓冲阶段，绳速大幅度降低，直至接近并脚单摇跳时的绳速，因此三摇跳在落地缓冲阶段只需要保证绳体可以靠惯性维持圆周运动即可。此外，为了三摇跳下一个周期的顺利进行，落地缓冲阶段下肢关节角度的变化量较并脚单摇跳时明显减小[36]。

2.3.2 关于三摇跳的动力学研究三摇跳和并脚单摇跳在支撑阶段的地面反作用力变化趋势基本没有实质性差异，但从变化幅度来看，三摇跳在支撑阶段的地面反作用力明显大于单摇，甚至可达2～3倍之多[36]。其原因可能是三摇跳过程中需要较高的腾空高度。在起跳蹬地阶段，下肢各关节变化幅度差异不大，但三摇跳的爆发力却很大。猜测这种力量主要来自于下肢肌肉的强劲收缩。

3 总结与展望

3.1 总结

跳绳运动的种类繁多，动作各异，因此，在利用跳绳设计专项训练方案时，应该考虑不同的跳绳方式对下肢生物力学特征的影响。快速并脚单摇跳绳主要锻炼的是踝关节的快速收缩能力以及髋、膝关节的稳定性，可作为其他项目为加强踝部力量而采取的一种训练手段;中速并脚单摇跳绳可以在加强膝关节和踝关节周围的肌肉力量的同时，达到地面反作用力最小化，降低运动损伤风险，可作为大众健身的首选。双脚轮换单摇跳绳可以在加强对髋关节和踝关节练习的同时，减少对膝关节的负荷。单摇跳、双摇跳和三摇跳的难度系数呈递增态势，地面反作用力也成倍激增，故建议跳绳初学者和健身人群尽量先做单摇练习(以并脚单摇跳为主)，避免长时间连续双摇或三摇练习。在跳绳过程中若出现疲劳，应及时调整，循序渐进，以免造成不必要的损伤。

3.2 展望

(1)体育领域主要运用的生物力学研究手段包括运动学、动力学和肌电学，三者结合以求达到数据分析的全面化。目前对跳绳运动的生物力学研究大致集中在前两个方面，肌电学方面的应用还相对较少。可以通过肌电测试跳绳运动时的肌肉发力顺序，分析用力合理性，提高肌肉的工作效率。

(2)国内对并脚单摇跳绳的生物力学分析较多，而国外更偏向于从竞技跳绳角度出发，对双脚轮换单摇跳绳的生物力学特征进行分析。此外，相对于单摇跳而言，双摇跳和三摇跳的难度较大，生物力学分析相对较少，而对于其他复杂的花样跳绳动作分析更是微乎其微。随着近年来校园花样跳绳的兴起以及国内外跳绳赛事的增多，未来研究应该加大对跳绳中各种高难度技术动作的对比分析。

(3)人体在运动过程中的协调性机制比较复杂，涉及神经、骨骼肌等的参与。目前对跳绳协调性的生物力学研究大多集中在通过对比跳绳训练前后的运动学和动力学数据，提高跳绳运动时肢体的协调能力，而对跳绳技术动作本身的协调性研究较少。可以根据Hudson的环节运动协调性链条模式理论，对跳绳过程中各相关环节和肌肉在支撑阶段的同步性表现以及在腾空阶段的顺序性表现做出进一步的力学分析，也可以考虑从神经生物力学角度寻找大脑控制上下肢协调配合的机制，从而促进跳绳动作技能的学习和提高。