（运动人体科学专业论文）摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究.pdf

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0 收集，m v c 采用瑞士c o n t r e x 等速 肌力测试分析仪。实验结果以a s c i i 的格式以数字矩阵的形式输出，实验指标的 计算及其画图应用m a t l a b 数学编程软件，采用重复测量方差分析对不同摆臂条件 和不同形式的纵跳的数据进行比较。 研究结果：研究结果表明：( 1 ) 摆臂会增加纵跳高度，提高重，t l , 起跳峰值速 度，增加纵跳蹬伸时间，延长纵跳蹬伸距离。( 2 ) 摆臂n ；o i l 地面峰值反作用力， 增加蹬伸冲量，增加下肢关节的做功。( 3 ) 摆臂使小腿在纵跳过程中积分肌电减 少，手臂在纵跳过程中带动身体向上运动，减少纵跳过程中的有效质量。( 4 ) 在 不同形式的摆臂纵跳中，摆臂对纵跳高度的贡献率在9 一1 2 之间。 结论：( 1 ) 摆臂增加纵跳高度是因为摆臂纵跳减少身体起跳时的有效质量， 增加人体离地前的重心高度，增加地面蹬伸冲量三种因素作用的结果。( 2 ) 摆臂 中文摘要 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 纵跳的下肢蹬伸力矩增加，是地面反作用力峰值增加的原因。摆臂纵跳的蹬伸冲 量增加，是人体在纵跳过程中的重心峰值速度增加的原因。因此重心峰值速度和 地面反作用力峰值的增加不能作为摆臂增加纵跳高度的机制。 关键词：摆臂纵跳运动生物力学, f j l $ 0 作者：于渤洋 指导老师：陆阿明 t h e b i o m e c h a n i c a l m e c h a n i s m o n t h e e f f e c t o f a r m s w i n g t o v e r t i c a l j u m p a b s t r a c t t h eb i o m e c h a n i c a lm e c h a n i s mo nt h ee f f e c to f a r m s w i n g t ov e r t i ca lj u m p a b s t r a c t p u r p o s e s ：t h ev e r t i c a lj u m pi saf u n d a m e n t a lm o v e m e n to fh u m a n i nm o d e m c o m p e t i t i v es p o r t se v e n t s ，t h ej u m p i n gc a t e g o r yo c c u p i e sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l e s p o r t se v e n t s w i t ht h eh e l po ft h em o t i o na n a l y s i ss y s t e m ，t h ee x p e r t sw h oc a m ef r o m t h eo v e r s e a sa n di n l a n dd i s c o v e r e dt h a ta r m ss w i n gi m p r o v e st h ev e r t i c a lj u m ph e i g h t s i g n i f i c a n t l y h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo ft h ev e r t i c a lj u m ph e i g h te n h a n c e db ya r m s w i n ga n dh o wm u c ht h ea r ms w i n gm o m e n t u mo c c u p i e st h ew h o l ev e r t i c a lj u m ph a s y e tt ob ef u l l yu n d e r s t o o d a d d i t i o n a l l y , w ea r es t i l lc o n f u s e da b o u tt h ec h a n g eo ft h e s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h yd u et ot h ea r ms w i n g t h e r ea r em a i n l yf o u rt h e o r i e sa b o u ta r ms w i n g i n c r e a s i n gt h ev e r t i c a lj u m ph e i g h t ( 1 ) a r ms w i n gi n c r e a s e st h ep e a kg r o u n dr e a c t i o nf o r c e ( 2 ) d u r i n gt h et a k e o f fp h a s e ， a r ms w i n gi n c r e a s e st h ep e a km o m e n to fl o w e re x t r e m i t i e s ( 3 ) p u l l e db ya r ms w i n g ， t h ew h o l eb o d yl o s e se f f e c t i v em a s si nt h ep r o c e s so fl a u n c hs e c t i o n ( 4 ) a st h er e a s o no f a f o r e n a m e da r m s ，t h ec e n t e ro ft h eb o d ym a s sr a i s e db e f o r et h ew h o l eb o d yt a k e so f ft h e f l o o nc o m b i n e dw i t hk i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sa sw e l la si e m g , t h i se x p e r i m e n t t r i e st oe x p l o r et h ei n f l u e n c eo fa l lk i n d so fv e r t i c a lj u m p s ( c m j ，s j ，d j ) c a u s e d b ya r m s w i n g t h es t u d yc a l c u l a t e dt h ec o n t r i b u t i o nr a t e so fa r ms w i n gb yh u m a nm o d e la n d a t t e m p t e dt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo fh o wa r ms w i n ga u g m e n t i n gt h ev e r t i c a lj u m p h e i g h t t h er e s u l t sc o u l di m p r o v et h ev e r t i c a lj u m pt h e o r ya n dp r o v i d er e f e r e n c et o e x e r c i s et r a i n i n g m e t h o d s ：r a n d o m l ys e l e c tf o r t yh e a l t h ym a l ev o l u n t e e r sw i t h o u ta n yi n j u r e d h i s t o r yf o r ms p o r td e p a r t m e n to fs o o c h o wu n i v e r s i t yt od ot h r e ek i n d so fv e r t i c a l j u m p s ，c o u n t e rm o v e m e n tj u m p ( c m j ) ，s q u a tj u m p ( s j ) a n dd r o pj u m p ( d j ) t h e v e r t i c a lj u m p si n c l u d et h r e ed i f f e r e n ta r mm o v e m e n t s n oa r ms w i n g ，a r ms w i n g ， a r m l o a d e d ( 5 0 0 9e a c ha r m ) s w i n g t h eh e i g h tf o rd r o pj u m pi s3 0c e n t i m e t e r s e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s ：t h ek i n e m a t i cd a t ew e r ec a p t u r e db yv i c o nn e x s u s a n dt h ed y n a m i cd a t ew e r er e c o r d e db yk i s t l e rf o r c ep l a t e t h ee l e c t r o m y o g r a p h y i i i a b s t r a c tt h eb i o m e c h a n i c a lm e c h a n i s mo nt h ee f f e c to fa r ms w i n gt ov e r t i c a lj u m p s i g n a l sw e r er e c o r d e db yd a y s i l a b 8 0o fb i o v i s i o ni n s w i s s t h em v cm o t i o nw a s t e s t e db yc o n t r e xm a d ei ns w i s s t h er e s u l t se x p o r t e di nt h ef o r mo fn u m b e rm a t r i x o fa s c i i t h ee x p e r i m e n t a lc a l c u l a t i o n sa n dp i c t u r e sw e r eo p e r a t e db ym a t l a b 7 0 a n ds p s s17 0 ar e p e a t e dm e a s u r e sa n o v aw a su s e dt oa s s e s st h es i g n i f i c a n c eo f d i f f e r e n ta r ms w i n gs t y l e sa n dv a r i a b l ev e r t i c a lj u m p s r e s u l t s ： ( 1 ) t h ea r ms w i n gc o u l di n c r e a s et h ev e r t i c a lj u m ph e i g h ta n dr a i s et h ep e a ks p e e d o ft h ec e n t e ro fm a s s b e s i d e s ，t h em a g n i t u d eo fj u m pw a sa l s oe x t e n d e d ，s od o e st h e j u m p i n gm a g n i t u d e ( 2 ) t h ep e a kg r o u n dr e a c t i o nf o r c e ，t h ei m p u l s eo ft h el a u n c h s e c t i o na n dt h ew o r ko ft h el o w e rl i m b sw e r ea l s oi n c r e a s e da sar e s u l to ft h ea r ms w i n g ( 3 ) t h ee l e c t r o m y o g r a p h yo fs h a n kw a sr e d u c e db yt h ea r ms w i n g t h e r e f o r e ，t h e f u n c t i o no fa r ms w i n gi nt h ev e r t i c a lj u m pi sp u l l i n gt h eb o d ya n dd e c r e a s i n ge f f e c t i v e m a s sd u r i n gt h ev e r t i c a lj u m p ( 4 ) i nd i f f e r e n tk i n d so fa r ms w i n g i n gv e r t i c a lj u m p s ，t h e p e r c e n to fa r ms w i n gm o m e n t u m i sb e t w e e n9 一12 c o n c l u s i o n s ：t h em e c h a n i s mo fa i ms w i n gi n c r e a s i n gt h ej u m ph e i g h ta r em a i n l y d i v i d e di n t op o i n t sa sf o l l o w i n g ：( 1 ) d u et oa r ms w i n g ，t h ev e r t i c a lj u m ph e i g h ti s i n c r e a s e db yr e d u c i n gt h ee f f e c t i v em a s sa n de l e v a t e st h ec e n t e ro fm a s sh e i g h to f t a k i n g o f fa n da u g m e n t st h ej u m p i n gi m p u l s e ( 2 ) t h ei n c r e a s e dl o w e rl i m b sm o m e n t l e a d st ot h eg r o w t ho fp e a kg r o u n dr e a c t i o nf o r c ea n di n c r e a s e di m p u l s er a i s e st h ep e a k s p e e do ft h ec e n t e ro fb o d ym a s s t h e r e f o r e ，t h eg r o w t hp e a kg r o u n df o r c ea n dt h e i n c r e a s e ds p e e do ft h ec e n t e ro fb o d ym a s sc a n n o tb et r e a t e da st h em e c h a n i s mt h a ta r m s w i n ga u g m e n t st h ev e r t i c a lj u m ph e i g h t k e yw o r d s ：a r ms w i n g v e r t i c a lj u m p s p o r t sb i o m e c h a n i c s m e c h a n i s m i v w r i t t e n b y ：b o y a n gy u s u p e r v i s e db y ：a m i n gl u 目录 1 序言1 1 1 选题依据1 1 2 文献综述1 1 2 1 跳跃的一般生物力学原理一2 1 2 2 纵跳的生物力学研究5 1 2 3 表面肌电在纵跳中的应用研究一8 1 2 4 摆臂对纵跳影响的生物力学研究一1 1 1 2 5 纵跳过程中的摆臂生物力学计算一1 3 1 2 6 手臂和摆动腿摆动对跳远和跳高增加的理论机制一1 5 2 研究对象与方法1 7 2 1 研究对象17 2 2 研究方法1 7 2 2 1 文献资料法一17 2 2 2 实验法17 2 2 3 摆臂贡献率的计算方法一2 0 2 2 4 力矩的计算一2 1 2 2 5 末端肢体摆动功率和做功的计算一2 2 2 2 6 纵跳蹬伸冲量的计算2 2 2 3 数据统计与处理方法2 3 3 研究结果2 5 3 1 不同条件纵跳的整体运动学参数2 5 3 1 1 摆臂对纵跳高度的影响一2 5 3 1 2 纵跳的整体运动学特征差异一2 6 3 2 不同形式纵跳的动力学特征差异3 1 3 2 1 摆臂对纵跳的地面峰值反作用力的影响一3 1 3 2 2 不同形式纵跳整体动力学特征一31 3 3 不同形式纵跳下肢肌电的差异3 4 3 3 1 下蹲与蹬伸过程中下肢肌肉积分肌电变化一3 4 3 3 2 半蹲跳的下肢肌肉标准积分肌电变化情况一3 6 3 3 3 跳深过程中下肢肌肉标准积分肌电变化一3 6 4 讨论与分析- 3 8 4 1 摆臂对下蹲跳，半蹲跳，跳深的运动学影响3 8 4 1 1 摆臂对纵跳高度的影响一3 8 4 1 2 摆臂对纵跳蹬伸和缓冲时间的影响一3 8 4 1 3 摆臂对离地瞬间重心高度和下肢弯曲角度的影响一3 9 4 1 4 摆臂对离地瞬间重心高度和重心最大垂直速度的影响一4 0 4 1 5 摆臂对下肢关节峰值角速度和平均角速度的影响一4 0 4 2 摆臂对下蹲跳，半蹲跳，跳深动力学的影响4 1 4 2 1 摆臂对地面蹬伸反作 i j 力峰值、蹬伸冲量影响一一4 1 4 2 2 摆臂对下肢关节垂直方向作用力、蹬伸力矩和做功变化的影响一4 2 4 2 3 摆臂在纵跳中的贡献率一4 4 4 3 摆臂对下肢积分肌电的影响4 4 5 结论4 5 6 参考文献4 6 7 攻读硕士学位期间公开发表的论文5 2 8 致谢5 3 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究1 序言 l 序言 1 1 选题依据 跳跃性项目是古老的运动项目，跳跃动作是体育动作的基础环节，跳跃动作 的质量会直接影响技术动作的完成质量。奥运会的格言是“更快，更高，更强”。 随着竞技体育的发展，许多运动项目( 如篮球、排球、蹦床、竞技健美操、艺术 体操等) 对运动员的弹跳素质的要求越来越高，因此需要运动员具备良好的弹跳 能力。在追求更高的道路上，运动科学的学者进行了无数次艰苦的努力，发现跳 跃高度的影响因素主要是肌肉力量和动作技术。先前的研究重点主要放在下肢肌 肉力量的训练，动作技术的最优化等方面。 在现代竞技体育水平逐渐接近人类极限的时候，摆臂产生的动量成为扩大人 类跳跃能力的又一突破口。在跳高和跳远等项目中，摆臂对于跳跃效果的价值已 被证实和接受。因此上肢肌肉训练成为跳跃性项目的重要环节，通过对上肢肌肉 力量的训练，运动员会提高自己的运动成绩。随着力学，运动生物力学的不断发 展，近年来对于摆臂的研究已经进入数字化处理的水平，经过电脑计算，人体的 各个部位的运动学和动力学情况都能完整的记录出来。大量实验证明，摆臂确实 能增加人体的跳跃高度 2 1 。但是摆臂如何增加跳跃高度的机制尚还无明确定论，有 观点认为摆臂是增加手臂向下的力量传递，增加人体跳跃时候的地面反作用力峰 值，从而增加跳跃高度 3 】；有的学者认为手臂在上摆过程中减少了身体的有效质量， 手臂上摆可以看做手臂脱离身体摆动，拉动身体向上运动，既减少了起跳时自身 的有效质量( e f f e c t i v em a s s ) ，同时增加了地面反作用力，所以导致身体纵跳高度 增加【4 1 。有的学者认为摆臂提高了在起跳前的人体重心高度，增加了肌肉做功的距 离，地面反作用力对人体做的总功增大【5 】，等等。本文利用运动学，动力学和表面 肌肉肌电测量工具对摆臂，负重摆臂与无摆臂的不同形式纵跳进行研究分析，试 图探究摆臂提高纵跳高度的机制，计算摆臂贡献率。为完善纵跳生物力学理论和 指导运动训练提供理论依据。 1 2 文献综述 跳跃是人类重要的运动形式，跳跃动作是人体在中枢神经系统的控制下，依 1 序言摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 靠身体各环节的协调配合，发挥下肢肌群的最大爆发力，通过地面反作用力使人 体获得向上的冲量，以达到人体腾窄的技术动作【6 】。对所有的跳跃，包括跨步跳， 和单足跳，一些力学的基本原理是通用的。体育运动项目的目标是达到最大高度 或者最大远度。比如：跳高的目的是使人体越过横杆，属于高优项目；跳远的目 的将人体水平的跳越距离加长，使人体的重心在水平方向跨越的更远；同时还有 对高度和远度都有要求的复合型项目，比如花样体操，鞍马等。这些动作的要求 是人体获得足够的能量腾空，尽量增大人体在空中的时问和距离。 1 2 1 跳跃的一般生物力学原理 跳跃是人体的基本运动技能之一，目的是使人体克服重力在空间产生位移， 属于周期性和非周期性相结合的运动项目，体育运动项目要求达到最大高度或者 最大远度，或者同时要求高度及远度。此外还要使获得的位移得到最有利的承认。 i ：i - , 女n 在跳高中如何使身体越过身体重心接近的横杆，跳远中如何保持身体不后倒 收腿跳进沙坑，体操中在重心腾起的距离内做出更多的技术动作。 1 2 1 1 影i l l 诣j i r ：跃成绩的因素 1 2 1 1 1 技术动作的影响因素 以跳高，跳远为例，影响跳跃成绩的因素如图1 所示： 图1 决定跳跃成绩的基本因素 这些因素是由于技术动作完成的好坏决定的，除此之外自身的条件也是跳跃 2 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 l 序言 的重要影响因素。 1 2 1 1 2 自身条件影响因素 7 1 2 1 1 2 1 主动肌功率 最大跳跃距离常被用来进行功率测试，功率是力与速度的结合，是决定跳跃 项目的成绩的主要因素，尤其是下肢蹬伸的功率，主动肌收缩的力与速度对跳跃 的腾空影响最大。 1 2 1 1 2 2 身体的重心高度 跳跃以超越垂直障碍为目的时( 跳高或跨栏) ，或者当到达高度为目的时，拥 有较高重一i 5 的个体优势是显而易见的。重一i i , 较高个体的有力因素是因为骨杠杆较 长，骨杠杆长在其末端能产生较大的线速度( 假设角速度不变) 。一般来说，骨杠 杆长的个体若肌肉有足够的功率获得相同的角速度，这种优势较为明显。 1 2 1 1 2 3 体重 超重，特别是因肥胖的超重对跳跃的成绩不利。强壮的肌肉也增加体重，使 阻力增加，但对运动的有利面可能超过其不利面。手拿小哑铃的跳远的研究显示， 增加上肢环节的质量对增d h # i i 远成绩有显著的意义。 1 2 1 1 2 4 关节的运动幅度 关节的运动幅度是指关节的运动范围，关节的运动幅度会影响跳跃中助跑的 速度，也会影响特定跳跃动作幅度，从而影响跳跃的成绩。 1 2 1 2 助跑的生物力学分析 助跑的目的是获得水平速度，为快速有力的起跳做准备，是跳跃性项目的重 要组成部分。助跑的作用在于起跳前赋予人体适宜的运动速度，使人体获得动能。 这样在起跳过程中可以缩短时问，提高肌肉的势能以及为增加起跳创造有利条件。 1 2 1 2 1 助跑速度对人体起跳腾起速度的影响 各种起跳项目的起跳过程均存在制动，起跳结束时，人体运动的水平速度均 减少，但是增加了垂直速度。可见人体腾起水平速度对跳远距离具有十分重要的 意义。跳高高度主要依赖踏跳时将水平速度转化为垂直速度的能力，因此助跑速 度对人体腾起速度有十分重要的影响。 1 2 1 2 2 为缩短起跳时问及增大起跳力创造条件 起跳时间与助跑速度和跳远成绩呈负相关，助跑速度快，起跳时间短，这是 因为起跳是在身体具有一定运动速度的情况下进行的。因此，助跑速度会对起跳 1 序言摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 时问的长短有一定影响。在其他条件不变的情况下，缩短起跳时间能提高跳跃的 高度或远度。起跳过程中身体运动速度的损失，是由于起跳力的制动分力冲量作 用的结果。随着助跑速度的增大，制动冲量相应增加，因此助跑速度的增加，增 大了起跳腿的肌肉载荷，引起肌肉收缩力的相应增肌，从而增加了起跳力。 1 2 1 2 3 提高肌肉的弹性势能 助跑使人体获得了动能，通过起跳的缓冲动作，下肢肌肉做退让式收缩，把 动能转化为肌肉弹性势能存储起来。而助跑速度越大，地面的制动及起跳腿的载 荷也越大，因此，助跑提高了肌肉的弹力和弹性势能。 1 2 1 3 起跳的生物力学分析 起跳时依靠起跳腿的缓冲、蹬伸动作、以及摆动腿、上肢的积极摆动，配合 躯干的充分伸展完成的。起跳的日的是使人体保持一定水平速度的情况下，获得 尽可能大的垂直速度。为了取得良好的比赛效果，还必须使人体获得适宜的角动 量。不论是跳高还是跳远的起跳动作，其结果是使人体通过助跑获得的水平速度 下降，垂直速度增加。因此，在起跳的作用下身体运动状态的变化，主要体现于 身体在垂直方向上速度的增加，使身体运动方向发生变化。起跳动作的实质是使 运动员获得尽可能大的垂直速度，同时应使其水平速度的损失保持在合理的范围 内。 在起跳过程中，设人体质心在垂直方向上做匀加速度运动，并且在蹬伸开始 瞬间人体垂直速度为零。因此有： v y = 2 h th = l 2 a y t z = l 2 v y t 这里h 为起跳过程中身体质心升起的高度，t 为质心做竖直加速运动的时间， v 、，为起跳结束时人体的质心竖直方向运动的速度。有以上分析可知，在起跳时加 大质心上升的高度，或获取了最大质心上升高度后缩短起跳时间，均可增加质心 向上腾起速度。 1 2 1 4 人体环节摆动对于跳跃运动的影响 跳跃运动过程依靠手臂，摆动腿和支撑腿等各个环节的协同作用来完成一系 列的腾空动作。人体环节摆动对于跳跃运动的影响因素主要有以下几个方面：( 1 ) 人体环节的摆动速度；( 2 ) 人体环节的质量；( 3 ) 人体环节的摆动幅度。人体环 节摆动速度相等的条件下，环节质量大的运动获得的动量大，起跳过程中全身获 得的总动量增加，跳跃效果增强。在跳远运动中，摆动腿摆动速度越大，起跳脚 4 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究1 序言 上板速度越大，髋关节送髋充分，增大着板角度，减少水平速度的损失。同时加 大起跳垂直速度，增加腾空高度。鲍威尔和刘易斯的跳远摆动腿速度明显大于中 国优秀运动员 8 j 。三级跳远起跳的研究结果表明：环节摆动速度快，减短了起跳的缓 冲过程，提早了蹬伸时机并加快了蹬伸速度，从而提高了水平速度向垂直速度的 转化，有利于获得较大的腾起垂直速度和腾起角，加快起跳速度 9 】。 跳远的动作效果不仅和摆动腿的质量有关，与摆动腿的末端姿势和体位也有 很强的相关性【l0 1 。波波夫认为：起跳蹬伸的好坏，可根据运动员起跳角和离地时大 腿劈丌的幅度来判断，大腿问的夹角大，说明运动员的摆动动作积极且持续时间 长。摆动腿肌肉的紧张程度与摆动效果的关系是摆动腿脚尖的勾起使位于小腿前 j l - f 贝0 的胫骨前肌及趾长伸肌、拇长伸肌、第三腓骨肌及摆动腿前侧的一部分肌群 处于收缩状态，肌肉的收缩会产生内力，同时肌肉的收缩还能提拉其附着的骨骼的 高度。因此，在起跳的过程中摆动腿脚尖勾起不仅能够增大摆动腿的摆动速度，还能 够增加环节质心的高度，使身体重心的垂直做功距离加大，延长起跳后的腾空时间， 增加跳远长度。而且，在摆动腿摆动的过程中脚尖勾起动作更有利于摆动腿的快速 制动及防止人体的前旋】。 1 2 2 纵跳的生物力学研究 1 2 2 1 纵跳的概述 纵跳的身体腾起，是起跳动作所发挥的力量超过自身人体重力而形成的，根 据垂直跳的起跳动作形式可以分为：半蹲跳( s j ) ，下蹲跳( c m j ) ，连续纵跳( c j b ) 、 跳深( d j ) 等。下蹲跳是身体直立，然后身体下蹲迅速向上跳跃的动作。半蹲跳 是身体预先半蹲，膝关节约为9 0 度，静止几秒后身体直接向上尽力跳跃的过程。 跳深是身体处在一定高度直立，然后身体从高处无初速度下落至地面后迅速尽力 蹬伸起跳的过程。这些基础动作要求规格容易控制，个体差异的影响较小，因而 常被作为跳跃基础研究动作 12 1 。其中值得一提的是跳深运动在体育运动的应用， 跳深运动是由前苏联生物力学家v o r k h o s h a n s k i 根据肌肉、韧带的这种力学特征于 1 9 6 9 年提出的 1 引。因其在肌肉力量训练法中的应用价值，在运动科学领域中获得 广泛应用。跳深从一定高度垂直下落然后尽力起跳的动作形式，由于人体在着地 时身体惯性增加了小腿的负荷，促使下肢肌肉激活程度增大，下肢肌肉收缩做功 能力增加。有研究指出这种肌肉做功与跳深下落的高度有关。超过一定高度跳深 下肢肌肉做功下降，人体纵跳高度降低，这个临界高度约在4 0 c m 1 4 1 。 1 序言摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 1 2 2 2 纵跳的一般生物力学研究 1 2 2 2 1 纵跳的时相和动力学模型分析 根据纵跳起跳动作的下肢肌肉工作形式分类，下蹲跳和跳深的纵跳时相可分 为两个阶段：( 1 ) 缓冲阶段人体熏力及惯性力矩等载荷力矩大于下肢肌群的拉力 矩，肌肉离心收缩完成退让性工作；( 2 ) 蹬伸阶段，下肢伸肌群向心收缩完成克制 性工作。该时相特征为髋关节在原先屈曲角度的基础上作4 。7 。的伸展，膝关节 和踝关节则在下蹲结束前屈曲的基础上再次分别作2 。5 。和3 。5 。的屈曲【l5 | 。 人体是一个复杂的关节动力整体，纵跳是依靠下肢肌肉拉动关节收缩的复合 作用而完成的动作。针对纵跳过程中大腿与小腿肌肉的工作情况，李光巨和李莉 把人体简化为动力学模型，下肢的收缩主要依靠四大肌群的收缩，即脚底肌群、 小腿后肌群、大腿肌前肌群和臀大肌群 16 | 。在起跳之前，下肢肌肉群均被拉长， 肌肉收缩在纵跳过程中均做功，另外肌肉类型对纵跳的高度有着直接的影响。 1 2 2 2 2 影响纵跳的因素研究 1 2 2 2 2 1 人体重心高度的计算 根据人体解剖结构确认重心，主要是根据人体的主要解剖结构来确定人体重 心。关于成年人的静态步态研究中，估计重心在人体的骨盆中心处，大约在人体 身高偏上6 0 处。将三个标志点分别贴于人体的左右髂前上棘和骶骨处，最后利用 三点的位置轨迹计算出重心在整个纵跳过程中的运动轨迹 1 7 】。 利用地面反作用力和纵跳腾空时间计算重心，人体在腾空过程中只受到重力 的作用，因此利用加速度公式得出人体的腾空时间，即可计算人体的纵跳高度。 运用地面反作用力和时间的关系来计算重心位置的方法如下： a c m ：= 峰咄 jt0 m 其中f i 是x 轴y 轴z 轴方向上的合力，m 是身体总质量，t 是时剐1 8 1 。 全身环节重心均值计算法，利用全身运动学计算，整个身体的重心是由每个 环节的质量和重心的相对位置决定的。在坐标系中，利用环节重心的坐标可以计 算人体总质心的位置。 ；= 攀， 乙im 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究1 序言 m i 是环节质量，m 是环节质量中心的相对位置，把每个环节的总量相加就得出 整个身体的质量中心。本文利用m a r k e r 点确定每个环节的位置，通过查表计算不同 模型的质量中心位置，最后确定质量中心。 1 2 2 2 2 2 纵跳的影响因素分析 对于影响纵跳效果的各种生物力学因素，主要研究是a r a g o n v a r g a s 理论模型 1 9 1 。其中第一层包括起跳离地瞬问人体重心位最和速度。第二层指标包括人体的 峰值功率、平均功率。p e r r i n e 、h a r m a n 、g r a y 等的研究均证实了这一点【2 。第三 个层次包括环节的运动学、动力学指标，第四个层次体测量学和骨骼肌肉特性的 指标 2 1 。后两个层次的最佳预测模型包含三个因素：髋关节峰值功率、膝关节伸展 肌力、髋关节力矩。此外足弓的高度也是影响纵跳能力的因素，足弓是足跗骨和 跖骨借韧带牢固相联构成的一个具有少许活动的凸向上的弓形。 1 2 2 3 纵跳起跳的生物力学研究 纵跳的起跳是人体的下肢蹬伸，释放能量使人体获得垂直方向加速度的过程。 在纵跳开始时刻，人体的躯干前倾，下肢关节收缩，拉长下肢肌肉组织获得弹性 势能。此过程下肢肌肉群做退让性收缩，人体重心下降。当人体重心缓冲至最低 点时，肌肉开始做向心收缩，下肢关节迅速伸展，下肢肌群释放储存的弹性势能， 推动人体向上运动。在离地前夕，人体下肢基本蹬直，蹬伸过程结束。上肢的摆 动和下肢各环节的制动动作积聚了起跳动力肌群的内势能，并进一步激励动力肌 群使更多的肌纤维尽快地进入高强度的节律性收缩状态，可以达到缩短肌肉收缩 反应时和提高肌肉收缩兴奋性的目的。 纵跳开始时刻人体保持正直静止站立，地面反作用力与体重相等。( 1 ) 人体 缓冲阶段：人体重心向下运动，此时地面反作用力减小，呈失重时相。随即地面 反作用增大，超过自身体重。当人体重心下降到最低点时，地面反作用力已经大 于人体的自身体重。在蹬伸末期，人体地面反作用达到峰值，由于人体的纵跳特 征，蹬伸峰值会出现单峰或者双峰的特征，这可能是由于髋关节和膝关节的先后 发力顺序导致的。 1 2 2 4 纵跳落地的生物力学研究 落地缓冲是人体的末端环节与外界发生力的相互作用，肢体由伸展到屈曲以 延长力的作用时间减小冲力作用或控制外接物体的动作。以双脚纵跳的特征为例， 落地阶段分为两个阶段：( 1 ) 缓冲阶段( 2 ) 直立阶段。在缓冲阶段人体由高处下 1 序言摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究 落，双腿伸直。在接触地面后，下肢关节依次以踝关节，膝关节，髋关节的顺序 收缩，关节变化幅度因人而异。人体重心降低，直至人体重心降至最低点。直立 阶段，人体直立恢复静止站立状态。人体下落缓冲主要作用是减缓人体由高处下 落至地面的冲击力，缓冲阶段由于下落姿势不规范容易造成损伤，在缓冲类型上 属于结束性缓冲。 缓冲过程中，地面反作用力会经过超重，失重，等于体重三个过程。人体在 缓冲阶段初接触地面时地面反作用力会瞬问出现峰值，人体惯性下落的冲击力减 少。地面反作用力峰值持续时间很短，随即下落。人体下肢关节收缩缓冲时，地 面反作用力持续下降至体重以下，造成失重。最后随着人体的直立，地面反作用 力恢复至体重水平。 1 2 3 表面肌电在纵跳中的应用研究 1 2 3 1 表面肌电采集及其信号处理 表面肌电信号( s u r f a c ee l e c t r o my o g r a p h i cs i g n a l ，s e m g 信号) 是从皮肤表面通过 电极引导、放大、显示和记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。人体肌 肉收缩会产生生物电，通过电极和放大器可以将这些肌肉肌电信号收集整理进行 分析。研究表明，s e m g 信号来自大脑皮层运动区，形成于外周肌肉众多运动单位 的生物电活动在时问和空间上的总合。电极分为针电极和表面肌电电极，由于针 电极对受试者的创伤性影响，现在体育采集肌电信号主要应用表面肌电电极对肌 电信号进行采集。 无创性肌电信号的分析主要包括时域和频域分析，时域分析包括振幅( a m p ) 、 积分肌电值( i e m g ) 、均值方根( d u r ) 上升时间等参数的分析；频域分析包括 平均功率频率( m p f ) 、中位频率( m f ) 、中心频率( c f ) 等参数的分析。r m s 是 放电有效值，其大小决定于肌电幅值变化，r s m 与晕单位募集和兴奋节律的同步 化有关。分析频域和时域参数只能反映多个运动单位电变化，近年对肌电信号的 非线性分析取得了很大进展。f i e t e 等应用表面肌电的l p l 分析方法分析了15 名健 康男性肱二头肌收缩时的肌电信号，发现这种方法能够准确计算肌纤维收缩速度， 在高力量水平是尤为明显【2 2 。 肌电信号的处理主要采用以下l 种方法： 平均值叠加法：在体育科学研究中，如果测试的动作能够重复完成时，经常 采用多次重复测试来获取某一变量的平均变化，也即平均模式。 摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究1 序言 时域分析方法：时域分析是将肌电信号看作时间的函数，通过分析得到肌电 信号的某些统计特征，如对肌电信号进行整形、滤波，计算信号的整形平均值、 方差、幅值的直方图、过零次数、均方值、三阶原点矩或四阶原点矩 23 1 。 频谱分析方法：传统的谱分析方法是通过傅立叶变换将时域信号转换为频域 信号，对信号进行频谱或功率谱分析，常用快速傅立叶变换。 小波分析法：小波分析是一种把时域和频域结合起来的分析方法，它是傅立 叶变换的新发展，具有可变的时域和频域分析窗口。 混沌和分形分析：近年来，在文献中出现有人采用一些非常规的肌电分析方 法，利用近年来数学、物理界的分形理论和混沌理论，对肌电信号进行定量分析 研究。利用分形理论对肌电信号进行分析的主要指标为分形维数，利用混沌理论 对肌电信号进行定量分析的主要指标为内嵌维数 2 4 1 。 1 2 3 2 表面肌电在体育科研中的应用 1 2 3 2 1 表面肌电与肌肉用力的关系 肌肉收缩强度加大，肌电图的幅值增加，许多学者的研究认为：积分肌电与 肌力之间存在高度相关关系。有学者发现肌肉以不同张力进行等长收缩时，肌力 与e m g 之间为线性关系，即使肌肉疲劳后这种关系依然存在。王凌云等对北京市 优秀乒乓球运动员进行替拉弧圈球训练时握