成萬祥,魏書濤,張勝年

(上海體育學院體育教育訓練學院,上海 200438)

人體不同高度下落地面沖擊力及下肢關(guān)節(jié)肌力矩變化特征研究

成萬祥,魏書濤,張勝年

(上海體育學院體育教育訓練學院,上海 200438)

研究不同高度落地時地面沖擊力及關(guān)節(jié)肌力矩的變化。結(jié)果表明:踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值隨落地高度的增加而增大,踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰出現(xiàn)時間隨落地高度升高而減小,第二波峰隨落地高度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在 50cm時出現(xiàn)的時間最長;踝、膝、關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值與垂直落地高度呈顯著相關(guān)。根據(jù)地面反作用力峰值可以較為準確的推斷出關(guān)節(jié)肌力矩的峰值變化。

垂直落地,緩沖,GRF,關(guān)節(jié)肌力矩

1 前言

緩沖是人體下肢的基本運動形式,也是人體的最基本的運動技能之一;在競技運動中,緩沖機能更是影響運動員的成績、運動傷害發(fā)生的重要因素[1-5]。當今醫(yī)學工程中,人工假肢制造,病傷后康復,人體運動計算機仿真等都涉及到了對人體下肢緩沖動作的研究。目前國內(nèi)、外對緩沖動作的研究大多集中在某個專項動作技術(shù)的運動學特征與規(guī)律的探討[6-10],而從人體機能學角度研究人體落地緩沖地面的沖擊性及其對關(guān)節(jié)肌力矩的影響等方面尚待深入。本文以人體在不同高度垂直落地時的緩沖過程為研究內(nèi)容,探討人體下肢在落地過程中的地面沖擊力及關(guān)節(jié)肌力矩變化特征,為認識人體緩沖過程中下肢運動的動力學特征提供實驗依據(jù);同時為人體運動的計算機仿真、構(gòu)建人體下肢的緩沖模型提供參考。

2 研究方法

2.1 實驗對象

選取上海體育學院運動訓練專業(yè)無運動損傷史的本科生 23名,運動員級別為二級或二級以上,受試者基本情況如下(表 1)。

表1 受試者基本情況

2.2 實驗方法

運用英國生產(chǎn)V ICON紅外線自動示蹤影像采集系統(tǒng)捕捉運動學數(shù)據(jù),采樣頻率為 300Hz。依據(jù)人體解剖標志及系統(tǒng)三維重構(gòu)的基本要求分別將 20個直徑為14mm Marker球準確置放于人體各環(huán)節(jié)的標志點上。地面沖擊力使用 KISTLER三維測力臺采集,測力臺面積900×600mm2,采樣頻率為900HZ,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與Vicon紅外自動示蹤影像采集系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)。自主設(shè)計、制作的翻板架。翻板架的翻板最低高度為 30cm,最大高度為 65cm,共有 8檔不同高度,最小檔間距為5cm。

2.3 實驗步驟

測量受試者身高、體重,并記錄有關(guān)訓練的基本情況。受試者充分熱身活動后,實驗人員講解測試動作的基本要求,并做示范動作。受試者立于翻板架的翻板平臺上,翻板人工控制突然翻轉(zhuǎn),使受試者垂直落于測力平臺上,Vicon紅外采集系統(tǒng)捕捉人體下落與地面沖擊的動作過程,測力平臺測量沖擊力變化及壓心變化。受試者依次從不同高度上落地,分別為 30、35、40、45、50、55、60、65cm,共進行 8個高度的測試;每一高度重復測量三次,取最優(yōu)一次動作用于數(shù)據(jù)處理。

2.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)運用 V ISUAL3D軟件 (版本為 Visual3D Version 3.34.0),SBCAS2軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理,依據(jù)逆向動力學原理與基本算法計算關(guān)節(jié)肌力矩,運用 SPSS13.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 人體落地時地面沖擊反力的基本特征

測試結(jié)果表明,人體非自主性落地地面沖擊力波形主要有四種:一是形似“山”字狀的 3峰波 (圖 1-A);二是雙峰波 (圖 1-B)。第三種只有第二波峰的地面反作用力圖(如圖1-C),第四種是只有第二波峰和第三波峰(如圖 1-D)。據(jù)實驗測試結(jié)果,“山”字狀的 3峰波出現(xiàn)頻度最高,在共計 552次測試中約占63.6%,雙峰波形出現(xiàn)的幾率占總實驗動作次數(shù)的20.1%。3-1A型多出現(xiàn)在 40cm-65cm下落高度,表明隨下落高度增加,人體會調(diào)整緩沖過程,巨大的沖擊能量在緩沖過程被多結(jié)構(gòu)所吸收。

圖1 人體垂直下落地面沖擊力特征

3.2 不同下落高度的地面沖擊反力特征

沖擊地面反作用力的波形主要表現(xiàn)為“三峰波”和“雙峰波”特征(見圖 1A、B,幾率是 83.7%)。因此本文主要對下落的高度因素對地面沖擊反力第一波峰和第二波峰的影響進行分析。

3.2.1 人體不同高度下落地面沖擊反力波峰的時序特性

以開始觸地瞬間為時間原點,分別求出 8個高度下地面沖擊的第一波峰、第二波峰出現(xiàn)的時間和總的緩沖時間(從觸地瞬間至重心位置最低時刻)的平均時間。如圖 2可得,第一波峰和第二波峰出現(xiàn)時間的整體趨勢先略微增加,然后再減小?？偟木彌_時間整體的變化趨勢為增大,與垂直落地的高度的變化趨勢一致。所有高度第一波峰第二波峰出現(xiàn)平均時間與總緩沖時間見表2。

表2 地面反力一、二波峰與總緩沖時間

本研究中將地面反作用力第一波峰、第二波峰以及總緩沖時間與垂直落地高度的變化進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明:地面沖擊力出現(xiàn)第一、二波峰的平均時間與垂直落地的高度變化之間不存在相關(guān)性 (P>0.05),沖擊時間較穩(wěn)定,這主要是因為第一、二沖擊波時序性取決于足的幾何結(jié)構(gòu)與力學性能 (足底剛度)。落地緩沖總時間與落地高度的變化呈現(xiàn)高度的正線性相關(guān)性(P<0.05),這是由于總緩沖時間主要受關(guān)節(jié)運動與肌肉控制有關(guān)。

3.2.2 標準化地面反作用力峰值變化趨勢

標準化地面沖擊力第一波峰和第二波峰峰值隨落地高度的增高而逐漸增大,如表 3、圖 3。

表 3 標準化地面反力第一、二波峰峰值表(力/體重)

對標準化的第一、二波峰力值與下落高度進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,地面沖擊力的第一波峰與垂直落地的高度呈現(xiàn)高度的正線性相關(guān) (P<0.01);而第二波峰力值與落地高度的關(guān)聯(lián)度低于第一波峰的關(guān)聯(lián)度(P<0.05)。

3.3 踝、膝、髖關(guān)節(jié)處肌力矩

3.3.1 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)時間

以觸地瞬間為時間的原點,在不同高度垂直落地時,下肢三關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)的平均時間見表 4。

表4 下肢關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)時間

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第一波峰的時間與垂直落地高度之間的關(guān)系如圖 4所示。隨著垂直落地高度的升高,三關(guān)節(jié)的肌力矩第一波峰出現(xiàn)的時間呈遞減趨勢,并且踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)的時間依次延長。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第二波峰的時間與垂直落地高度之間的關(guān)系如圖 5所示。隨著垂直落地高度的升高,三個關(guān)節(jié)的肌力矩第二波峰出現(xiàn)的時間呈先遞增后減小的趨勢,并且踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)的時間依次延長。其中膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)時間十分接近。下肢關(guān)節(jié)肌力矩的第二波峰出現(xiàn)的時間在 55cm處出現(xiàn)的時間最晚,出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是因為在小于 55cm的高度時,地面反作用力的沖擊能被人體較好的緩沖,而在超過 55cm時,人體的對地面的沖擊力的吸收需要人體加快肌肉的收縮,防止人體的過度緩沖,而導致關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰出現(xiàn)的時間提前。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值與垂直落地的高度進行相關(guān)性分析,結(jié)果踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰出現(xiàn)時間與垂直落地高度存在高度的負線性相關(guān)(P<0.01)。地面沖擊力的第一波峰峰值與落地高度存在高度的正線性相關(guān),表明隨著地面反作用力的第一波峰峰值的增加,下肢關(guān)節(jié)的肌力矩第一波峰出現(xiàn)的時間提前。對踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰值出現(xiàn)的時間與垂直落地的高度進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明二者關(guān)聯(lián)度較低(P>0.05)。

3.3.2 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩峰值變化

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一、二波峰峰值在不同垂直高落地變化情況如圖 6、圖 7。踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第一波峰力值隨垂直落地高度的變化呈遞增趨勢。以髖關(guān)節(jié)肌力矩曲線的斜率為最大,表明隨著垂直落地高度的增加,大腿部肌群與腰部肌群對控制人體姿勢,提高人體緩沖能力的作用也越來越大。由圖 7可得踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第二波峰峰值隨垂直落地高度的變化呈遞增趨勢。踝關(guān)節(jié)肌力矩的變化趨勢不明顯,而且數(shù)值變化不大。其值見表 5、6。其原因可能是因為在第二波峰出現(xiàn)時,地面反作用力的作用點已經(jīng)由腳前掌過渡到腳后部,因此地面反作用力在踝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的外力矩減小,踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩減小。而膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩呈現(xiàn)明顯的增大趨勢 (負值為伸膝、髖肌力矩),這是由于在膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第二波峰時,膝、髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)位置前移,角度減小,力臂增大所致。此時,為了抵抗人體的下降趨勢與保持人體的姿勢,膝、髖關(guān)節(jié)的伸肌做離心收縮,產(chǎn)生較大的膝、髖關(guān)節(jié)伸肌力矩。

表 5 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰力值

表 6 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰力值

對踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩在不同垂直落地高度落地緩沖產(chǎn)生的第一、二峰值進行獨立樣本 T檢驗,結(jié)果表明不同高度垂直落地時踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩的第一波峰峰值兩兩間存在顯著差異 (T<0.05),踝與髖關(guān)節(jié)處存在極顯著差異 (T<0.001)。不同高度垂直落地時踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰峰值兩兩間均存在極顯著差異(T<0.001)

對踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一峰的峰值與不同垂直落地高度進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明踝、膝、髖關(guān)節(jié)處肌力矩的第一波峰峰值與垂直落地高度均存在顯著相關(guān)(P<0.001)。但是踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的肌力矩的第二峰峰值與落地高度不存在相關(guān)性。

綜上所述,由地面反作用力第一、二波峰峰值與落地高度存在顯著相關(guān)性,而踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的肌力矩第一峰峰值與出現(xiàn)的時間與落地高度存在顯著相關(guān),但是關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值與出現(xiàn)的時間卻與落地高度不存在相關(guān)性。因此我們可以推斷,人體對地面反作用力第一波峰的沖擊反應(yīng)是被動的,人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)未能對地面沖擊力做出響應(yīng),此時人體的被動緩沖功能發(fā)揮主要作用。由地面反作用力的第二峰峰值與落地高度存在顯著相關(guān),而下肢關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值及出現(xiàn)的時間卻與落地高度不存在相關(guān)性,這表明此時人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)已經(jīng)被激活,產(chǎn)生肌肉活動,通過關(guān)節(jié)肌力矩來調(diào)整下肢三環(huán)節(jié)的運動模式,緩沖地面反作用力沖擊,此時人體的主動緩沖功能在起作用,因此關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值及出現(xiàn)時間均與落地高度無相關(guān)性。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩第一、二波峰峰值的T檢驗結(jié)果說明,踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩第一峰值不存在顯著差異,說明在被動緩沖過程中,踝、膝關(guān)節(jié)對人體被動緩沖能力的貢獻是近似的。而踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰值均存在顯著差異,說明在不同高度垂直落地時,人體主動緩沖過程中,踝、膝、髖關(guān)節(jié)對人體緩沖能力的貢獻不一樣,髖關(guān)節(jié)貢獻度最大,踝關(guān)節(jié)貢獻度最小。伴隨垂直落地高度的增加,髖關(guān)節(jié)在緩沖中的作用越來越大。

4 總結(jié)

垂直落地過程中,地面反作用力的形態(tài)主要為“山”形。第一、二波峰峰值與落地高度呈現(xiàn)顯著相關(guān)。踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值及出現(xiàn)時間與落地高度呈現(xiàn)顯著相關(guān),但第二波峰峰值及出現(xiàn)時間與落地高度均無相關(guān)性。垂直落地緩沖過程中,首先為被動緩沖,其后為主動緩沖。

[1]單信海等.不同彈跳能力的 3名運動員其原地縱跳的運動生物力學指標的比較[J].體育與科學,1997(7):22-26.

[2]韓秋.籃球運動員彈跳訓練的研究[J].北京體育大學學報,2005(8):1140-1143.

[3]黃建軍.背越式跳高技術(shù)類型新劃分及運動學比較研究[J].北京體育大學學報,2004(3):408-410.

[4]王薇薇.跳深跳遠與三級跳遠跨步跳起跳的動力學比較研究[J].北京體育大學學報,2005(7):1002-1006.

[5]劉衛(wèi)國等.對普通人群幾種不同形式縱跳的動力學分析[J].北京體育大學學報,2003(1):45-47.

[6]Nigg,B.M.,Biomechanics,load analysis and sports injuries in the lower extremities[J].Sportsmedicine,1985,2(5):367-379.

[7]Nigg,B.M.,The validity and relevance of tests used for the assess ment of sports surfaces[J].Medicine and science in sports and exercise,1990,22(1):131-139.

[8]McNitt-Gray,J.L.,Kinematics and impulse characteristics of drop landings from three heights[J].International journal of sport biomechanics,1991,5(2):201-224.

[9]McNitt-Gray,J.L.,Kinetics of the lower extremities during drop landings from three heights.Journalof biomechanics,1993,3 (26):1037-1046.

[10]Hurrion,P.D.,Dyson,R.,Hale,T.S imultaneous measurement of back and front foot ground reaction forces during the same delivery stride of the fast-medium bowler.Journal of Sports Sciences,2000,18:993-997.

Changing Character of the Ground Reaction Force and Joint Torque of Lower L imbsDuring Landing from D ifferent Height

Cheng W an-xiang et al
(Physical Education Department,Shanghai SportUniversity,Shanghai 200438)

This paper researches the change of the ground reaction forces and joint torque of lower l imbs during landing from different height.Research findings are as follows:The peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs increaseswith the increase in the landing height,while the emergence time of the peak value of the first peak decreaseswith the increase in the landing height;the second peak displays the trend of first increase followed by decrease with the increase in the landing height,with the max imal emergence time at 50cm;the peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs is obviously correlated to the landing height,which means the peak value change of the joint torque can be deduced from the peak value of the ground reaction force.

landing,cushion,GRF,joint torque

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

book=64,ebook=28

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

上海市教委第五期重點學科建設(shè)項目資助,編號 J51001。

成萬祥 (1952-),男,上海市人,教授,博士。

2009—12—05