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“旋風腳720°接馬步”落地膝關節損傷的運動生物力學研究

隨著競技武術的不斷發展,高難度動作成為教練員和運動員訓練追求的目標,與此同時,不合理的運動訓練引起的損傷成為運動員難以逾越的鴻溝,這就需要通過科學實驗,加強對運動技術以及其可能引起的傷病規律進行認識,進而尋找合理的教學、訓練方法,達到有效預防傷病的
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  隨著競技武術的不斷發展,高難度動作成為教練員和運動員訓練追求的目標,與此同時,不合理的運動訓練引起的損傷成為運動員難以逾越的鴻溝,這就需要通過科學實驗,加強對運動技術以及其可能引起的傷病規律進行認識,進而尋找合理的教學、訓練方法,達到有效預防傷病的目的。本研究通過文獻資料、專家訪談和問卷調查等研究方法,了解到我國競技武術套路運動員運動損傷情況較為普遍,且運動損傷部位以膝關節為主[2,3],主要表現在難度動作落地階段; 因此,本研究以典型難度技術動作 “旋風腳720°接馬步”動作落地階段[4]

  為研究重點; 選取四川省 5 名優秀武術套路運動員針對“旋風腳 720°接馬步”動作進行三維攝像測量,獲得相關運動特征參數并進行運動生物力學分析,探討該動作落地時致膝關節損傷的影響因素,為廣大教練員和運動員進行科學訓練提供參考。

  1 研究對象與方法
  
  1. 1 研究對象
  
  旋風腳 720°接馬步動作落地時致膝關節損傷。

  1. 2 研究方法
  
  1. 2. 1 文獻資料法 通過對中英文全文期刊數據庫、中國優秀博士、碩士論文數據庫,超星數字圖書等資料庫,運用武術套路運動損傷、武術動作與膝關節損傷、旋風腳及運動生物力學,physical exercise,knee-joint injury,sports biomechanics 等關鍵詞,查閱中文文獻 40 余篇,英文文獻 20 余篇,了解并掌握了研究思路和武術套路難度動作損傷的研究現狀,為本研究提供理論依據。

  1. 2. 2 專家訪談法 在進行本研究期間,電話和走訪四川省武術隊任剛教練、成都體育學院武術隊劉金麗教練及國際級裁判溫佐惠教授,了解旋風腳 720°接馬步動作落地時致膝關節損傷情況,以及該動作扣分點和完成該動作的技術關鍵。

  1. 2. 3 問卷調查法
  
  1) 為確保研究的嚴謹及準確,問卷的信度采用克龍巴赫分半信度檢驗,教練員問卷的信度為0. 85,運動員問卷的信度為 0. 86; 效度檢驗請成都體育學院武術及運動生物力學專項的專家和教授采用打分方式,內容效度為0. 92,結構效度為0. 91.

  2) 選取四川省武術隊 4 名教練和 13 名一線優秀套路運動員、成都體育學院競技體校 8 名一線優秀套路運動員、成都體育學院 4 名武術老師和 43 名學生,共計 72 名武術習練者進行問卷調查,主要內容包括:

  武術難度動作中易致膝關節損傷的動作、旋風腳 720°接馬步動作致膝關節損傷的機率、損傷階段、損傷類型及損傷因素等。發放問卷 72 份,回收問卷 72 份,有效回收率為 100%,并對其進行整理分析。

  1. 2. 4 三維攝像測量法 攝像測量對象: 四川省武術代表隊 5 名優秀運動員( 2 名男隊員,3 名女隊員) .運動員基本信息如下( 表 1) .【1】

  
  對四川省武術代表隊 5 名優秀運動員進行旋風腳 720°接馬步動作的技術數據采集,采用 2 臺高速攝像機 JVC9800,2 臺攝像機主光軸夾角接近 90°,拍攝頻率 50 幀/s,用美國 APAS - 2000 系統做數據處理。

  每名運動員完成動作 2 次( 2 輪: 1 輪 1 次) ,取動作技術完整的 1 次,其技術動作質量由聘請的省隊 2 名武術教練和 2 名國家級武術裁判進行確認。實驗現場如圖 1 所示。1. 2. 5 數理統計法 對所獲問卷數據和實驗解析數據,使 用 EXCEL 軟 件 和 國 際 通 用 統 計 軟 件 包SPSS17. 0 進行數據統計處理,繪制圖表進行分析,并根據不同的研究問題,進行統計學量化分析,P < 0. 05表示有統計學意義。

  2 結果與分析
  
  2. 1 旋風腳 720°接馬步動作致膝關節損傷的調查
  
  對 72 名( 見 1. 2. 3) 武術習練者進行問卷調查發現,旋風腳 540°接馬步動作和旋風腳 720°接馬步動作致膝關節損傷較為突出( 表 2) ,前者損傷率為 44. 5%,后者損傷率為 83. 3%,2 者總損傷率為 73. 6%,損傷階段以落地階段為主,占 84. 9%.類似的,張冰報道,16人中僅旋子轉體 720°動作致膝關節損傷有 5 人,損傷比例 34%[5].林小美等對優秀武術套路運動員因練習 C 級難度造成膝關節損傷的調查研究顯示: 17 名旋子轉體和旋風腳 720 °接馬步或接叉等動作致傷的有 9 人,損傷率為 53%[6].魏巍在分析易導致武術套路運動員膝關節損傷的技術動作時發現,84 名中有 75人有過膝關節損傷,損傷率高達89. 3%[7].問卷調查結果及相關文獻提示,在武術套路中選用旋風腳720°接馬步動作的較為普遍,但成功率并不高[8],膝關節損傷具有普遍性,究其原因,這可能與膝關節的解剖、生理特點及技術動作結構對人體的特殊要求有密切聯系[7]【2】

  
  2. 2 旋風腳 720°接馬步動作致膝關節損傷的主要類
  
  型 問卷調查結果顯示( 表 3) : 旋風腳 720°接馬步動作致膝關節損傷中,易損傷的膝: 右膝 92. 5% > 左膝7. 5% ; 損 傷 病 程: 慢 性 損 傷 73. 5% > 急 性 損 傷26. 5% ; 損傷易發部位: 半月板損傷 > 膝關節側副韌帶損傷 > 髕骨勞損 > 膝關節交叉韌帶損傷,其中,半月板損傷和膝關節側副韌帶損傷居多。這與張忠新[9]和李兆偉[10]等對武術套路運動中常見損傷部位調查結果類似。究其原因,在武術套路運動中“屈膝支撐”是各項目中的共同特征[7],完成旋風腳 720°接馬步動作過程中,在膝關節蹬升時,髖關節及股骨扭轉會使受到相鄰上下骨的擠壓、研磨等,超過其承受負荷時,則易導致半月板損傷; 當離地前這種扭轉超過關節韌帶所承受的范圍時易導致側副韌帶和十字韌帶 損 傷[7].類 似 的,Liederbach M[11]和 OrishimoKF[12]等從生物力學角度對80 名從高處跳到地面靜止過程( 30cm 高平臺單腳著地) 的舞蹈員和運動隊運動員的研究結果提示,女性運動隊運動員表現出較好的膝外翻能力,舞蹈員有更好的軀體穩定性,而兩者落地時有類似的膝關節冠狀面對齊相,并認為疲勞可增加前交叉韌帶受傷風險,KernozekTW[13]等認為神經肌肉疲勞是前交叉韌帶的損傷外部影響因素且有性別差異; Liederbach M 等建議通過合理訓練,在著陸技術和日常實踐中可獲得更高耐力水平以完成相應的難度動作[11].【3】

  2. 3 旋風腳 720°接馬步動作的三維攝像測量結果及分析
  
  2. 3. 1 運動員完成旋風腳 720°接馬步動作各階段特征數據
  
  參考劉北湘[14]對旋風腳 720°接馬步動作劃分武術技術動作階段的方法,結合研究需要,本研究中完成旋風腳 720°接馬步動作主要包括起跳緩沖、離地、騰空、落地等階段。其中,起跳緩沖與離地合為起跳階段,該階段是指助跑最后一步到雙腳離開地面之前且人體對地面沒任何作用力之間的階段[15]; 騰空階段是指人體蹬離地瞬時至重心最高點( 重心速度為零) ,落地階段是指從運動員重心最高點到馬步重心穩定時刻; 落地階段分為從運動員重心最高點到腳觸地瞬間和腳觸底瞬間到馬步重心穩定( 落地緩沖階段) .騰空時間為起跳到落地階段的時間,最高重心高度是指人體在騰空上升過程中,當速度降為零時重心的高度[14]; 重心上升高度是指最高重心高度與靜止直立時重心高度差,緩沖時間是指運動員雙腳著地到馬步動作進入穩態瞬間的時間。5 位運動員完成旋風腳 720°接馬步動作各階段的三維攝像測量的特征數據( 表 4) .【4】

  
  以李付魁為例( 圖 2) ,該運動員在完成該動作中騰空時間為 0. 72s,最高重心高度為 106. 2cm,重心上升高度為 49. 6cm,緩沖時間為 0. 24s,顯著高于其他運動員及文獻報道[16]的相關參數,但這 5 位運動員各參數的均值與古福明報道相關指標的均值[16]相似。運動員最高重心高度越高相應地騰空高度越高,越有利于延長身體的滯空時間和完成空中動作,同時有利于落地時的緩沖做準備,這是順利完成旋風腳 720°接馬步動作的重要條件; 但有學者認為騰空高度對旋風腳720°空中轉體與落地穩定性的影響有爭議,可通過加大起跳時的旋轉速度和減小空中的轉動慣量來實現加快空中旋轉速度的效果[4].根據人體在騰空狀態遵循動量矩守恒定律,即轉動慣量 I 和角速度 ω 的乘積等于常數,轉動慣量它是描述物體轉動時保持原來轉動狀態能力的物理量,轉動慣量( I = mr2) 對同一運動員來講與其離轉軸的垂直距離 r 有關,則運動員可以通過在空中調整肢體動作來改變 r,以改變轉動慣量的大小[18],從而完成相應的旋轉度數。如果運動員起跳高度和旋轉速度不充分,為完成符合難度等級要求的旋轉角度,易忽略落地前的旋轉緩沖,在旋轉慣量和下落重力的作用下,如沒能及時捻地旋轉并由伸膝到屈膝進行合理的緩沖,極易導致半月板、側副韌帶和十字韌帶損傷[7].完成旋風腳 720°接馬步動作與運動員起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉和落地緩沖等各個階段密切相關,而且動作間相互影響; 由表 4 可知,與李付魁各動作階段特征參數相比,戴熙莉( 圖 3)的最高重心高度為 85. 9 cm,緩沖時間為 0. 16 s,為更好的完成難度動作,該運動員可在騰空狀態做肢體動作調整,改變其轉動慣量,有利于獲得足夠的緩沖[16],以達到保護膝關節的目的。
  
  2. 3. 2 運動員完成旋風腳 720°接馬步動作落地階段重心速度與受力情況
  
  調研結果顯示,武術套路運動員完成旋風腳 720°接馬步動作過程中致損傷主要發生在落地階段。其中落地瞬間是指人體在騰空下降過程中,向下速度逐漸增大,當腳觸地瞬間開始受到地面的作用力,向下速度開始減小,由此當人體向下速度最大時的瞬間[14]; 延續這個過程,當速度趨向于零時表示落地最大緩沖瞬間[14].現探討該動作在落地階段運動員的重心速度及相關受力情況,其中落地階段受力計算參考劉北湘[14]的方法。由表 5 可知,運動員落地瞬間重心速度較大,其中垂直速度均值為 -287. 88 cm / s,水平速度均值為 66. 52 cm / s; 落地瞬間主要受到垂直方向的沖力,其均值為 132. 84 kg,其次是水平方向的分力( 即運動員完成旋風腳 720°動作時向前的水平運動方向[14]) ,均值為 43. 36 kg.根據運動狀況效果的大小是由施力大小 F 與時間 t 的乘積( 即沖量) 決定[18],而沖量 F. △t = m. △v,即 F = m.△v/△t,這提示對同一質量的運動員而言,受力大小與速度及作用的時間有關; 為避免落地沖擊力造成人體損傷,應延長落地緩沖時間,減少地面對人體的沖擊力[16].

  以李付魁為例( 圖 4) ,在落地瞬間的垂直速度達- 316. 7 cm / s,水平速度為 59. 1 cm / s,緩沖時間為0. 24 s( 表 4) ,垂直和水平緩沖速度的改變量分別達307. 4 cm / s 和 - 66. 29 cm / s,其落地總沖力達 163. 9kg 是其體重的 2. 4 倍; 而戴熙莉 ( 圖 5 ) 與李付魁相比,各相關指標略小,但落地總沖力 123. 4 kg 是其體重的 2. 2 倍,這說明落地時沖擊力與運動員的體重有關,運動員自身體重是較難調整的因素; 但這 2 名運動員可利用騰空階段使四肢伸開遠離旋轉軸來增加轉動半徑 r,以增大轉動慣量 I,減小旋轉速度,有利于落地緩沖,增加穩定性[4],達到保護膝關節的目的。運動員完成旋風腳 720°接馬步動作,在落地緩沖階段時會受到起跳、騰空、繞身體縱軸旋轉等前面動作影響,如果起跳不充分,空中轉體動作完成不到位,在重心速度的影響下,以膝關節內旋補償完成相應難度的旋轉度數,如超出其負荷范圍,則容易導致半月板、側副韌帶和十字韌帶損傷[7].【5】

  
  2. 3. 3 運動員落地階段膝關節角度變化
  
  本 研究中,膝關節角度是指同側髖、膝、踝 3 點構成的夾角。

  由表 6 可知,經兩組配對 t 檢驗分析,在落地瞬間,左膝關節角度( 均值 110. 66°) 顯著小于右膝關節角度( 均值 169. 84°) ( P = 0. 000) ; 在最大緩沖瞬間,左膝關節膝角較右膝關節膝角略小,但 2 者差異無統計學意義( P =0. 254) ; 而在緩沖階段右膝膝角變化量( 均值 95. 56°) 顯著大于左膝膝角變化量( 均值 46. 43°)( P =0. 001) ,提示右膝較左膝易受傷,這與調查結果一致( 結果 2. 2) .膝關節角度變化的幅度為角位移,膝關節角度變化量越大,相對角位移也越大; 由表 6可知,從落地瞬間到最大緩沖瞬間,左右膝關節角度隨著制動,膝關節角度逐漸減小。在完成旋風腳 720°動作接馬步動作緩沖階段,膝關節角度變化量對緩沖作用有一定影響,在角位移和緩沖時間已知時,則根據角速度 W = ( a2- a1) /t,角速度與緩沖時間成反比,而延長緩沖時間可通過肢體動作變化增大轉動慣量來實現,以順利完成難度動作。【6】

  
  以李付魁和厲娜為例( 圖 6,圖 7) ,在落地瞬間到最大緩沖瞬間,右膝關節角度變化量分別為 86. 0°和107°顯著大于左膝關節角度變化量 29. 4°和 55. 8°,這與運動員著地瞬間身體還在扭轉關系較大[19]; 提示右膝關節較左膝關節易受傷,原因在于完成旋風腳 720°動作接馬步動作落地階段,膝關節由伸到屈,存在關節肌力弱、保護少、韌帶松弛等弱點,導致膝關節周邊肌力不均,使關節失去穩定性、不合槽,加上屈膝下蹲姿勢導致髕骨與接觸面較小、從而壓力增大則易出現關節骨損傷。就旋風腳 720°動作接馬步動作在落地緩沖階段,強調運動員有意識的預先將肌肉繃緊,形為“剛體”,這有助于改變骨骼的受力形式,從而可以預防和減少運動損傷的發生; 從運動訓練的角度,在對肌力的訓練中,注意肌肉收縮部分的同時,增強對肌肉彈性成分的刺激,以達到保護膝關節的目的。
  
  3 結論與建議
  
  3. 1 結論
  
  1) 旋風腳 720°接馬步動作落地階段致膝關節損傷具有普遍性,該動作導致膝關節損傷的主要形式有半月板、側副韌帶、交叉韌帶損傷等。

  2) 落地瞬間產生的沖撞力是旋風腳 720° 接馬步動作落地時致膝關節損傷的主要因素,決定落地瞬間沖撞力的影響因素主要是運動員的體重、騰空高度及落地方式。

  3) 體重是相對不變的量,而騰空高度決定該動作質量完成高低,騰空越高,動作質量越高,同時為落地階段贏得相應緩沖時間。

  4) 在體重和騰空高度一定時,人體可以在落地階段通過調整肢體動作來改變轉動慣量和左右膝角的大小,延緩落地過程的時間,達到減少沖撞力峰值目的,以獲得合理的緩沖保護膝關節。

  3. 2 建議
  
  1) 從動作完成方式上,強調落地瞬間有意識的預先“繃緊”下肢肌肉,加大下肢的彈性和韌性,提高預傷能力。

  2) 從身體素質上加強下肢肌肉力量、彈性及柔韌性練習,針對運動員的薄弱環節進行專項訓練,提高下肢抗沖撞的能力。

  3) 從技術上提高技術動作的熟練程度及穩定性,同時加強保護意識,減少不必要的晃動而引發的外加力。

  參考文獻

  [1]陳建民 . 對武術南拳中不同難度的旋風腳動作與其鏈接的難度動作的運動學分析[J]. 北京體育大學學報,2009,32( 11) : 124 - 126.

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