單足與雙足跳深時(shí)支撐腿的生物力學(xué)特征分析

劉京李果

(畢節(jié)學(xué)院體育與健康科學(xué)學(xué)院，黔西北民族傳統(tǒng)體育研究所，畢節(jié) 551700)

1 問題的提出

跳深練習(xí)是典型的超等長練習(xí)，是力量練習(xí)的重要手段之一，很多項(xiàng)目都采用跳深作為其專項(xiàng)訓(xùn)練手段。國內(nèi)外學(xué)者對跳深訓(xùn)練也作了很多研究，但多集中于對雙足跳深訓(xùn)練效果、適宜高度和改變動(dòng)作方向以及動(dòng)作姿勢等手段對運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行下肢爆發(fā)力訓(xùn)練等方面的研究，對單足跳深的研究尚不多見，而很多運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目比如跳高、跳遠(yuǎn)、籃球的三步上籃等最后的動(dòng)作與單足跳深的動(dòng)作外形、運(yùn)動(dòng)方向極為相似，因此對單足跳深很有研究的必要，另外對單足跳深進(jìn)行研究，在理論方面可以豐富跳深理論，擴(kuò)大對跳深的再認(rèn)識;在實(shí)踐方面，對于由單足負(fù)重的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，可以為教練員采用單足跳深訓(xùn)練時(shí)提供參考和量化指標(biāo)。

2 研究對象與研究方法

2.1 研究對象

本研究的測試對象是從西安體育學(xué)院體育系、運(yùn)動(dòng)系田徑專修班學(xué)生中選取跳躍項(xiàng)目的10名男性二級運(yùn)動(dòng)員，年齡在22－25歲之間，均有三年以上訓(xùn)練經(jīng)歷，身體健康，下肢無骨折等傷病史。其基本情況如下(表1)。

表1 受試者的基本情況(n=10)

續(xù)表1

2.2 研究方法

2.2.1 文獻(xiàn)資料法

通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搜索《中國期刊全文數(shù)據(jù)庫》、《中國碩博論文數(shù)據(jù)庫》和手工查閱本校圖書館收集的1979—2012年有關(guān)力量素質(zhì)(能力)、快速力量練習(xí)、超等長訓(xùn)練及跳深訓(xùn)練的研究文獻(xiàn)和資料，并對其進(jìn)行分類、整理，從而確定了研究的任務(wù)及完成本論文所需要的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)指標(biāo)。

2.2.2 專家訪談法

就有關(guān)超等長練習(xí)、跳深練習(xí)對運(yùn)動(dòng)員下肢爆發(fā)力訓(xùn)練的效果、形式以及測試設(shè)計(jì)、論文參數(shù)的選取等有關(guān)問題對有關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了訪問，廣泛收集了專家的意見及建議，并進(jìn)行整理和分析，從而確定實(shí)驗(yàn)思路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃并完成實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 測試法

采用瑞士產(chǎn)(Kistler9287B)三維測力臺 (60cm×100cm×10cm)1臺，采樣頻率為500HZ;25幀/秒的普通攝像機(jī)1臺，同步儀1個(gè)以及輔助測試工具:身高計(jì)、體重計(jì)、10cm、20cm、30cm、40cm、60cm、80cm跳箱各1個(gè)。

首先把測力臺鑲嵌在地面中，與地面成一水平面，以消除受試者的恐懼心理，但不影響實(shí)驗(yàn)測試和受試者水平的正常發(fā)揮，測力臺的處理系統(tǒng)是安放在距測力臺3—5m處的桌子上;跳箱放在測力臺側(cè)面與測力臺間隔10cm左右。測試前，先向受試者講清楚動(dòng)作規(guī)格、測試要求、測試注意事項(xiàng)，并示范;受試者做好充分的準(zhǔn)備活動(dòng)，身體至微汗為止。

動(dòng)作規(guī)格是受試者站在跳箱上，雙手叉腰，兩腳并攏，前腳掌略微超出跳箱邊沿從靜止開始下落，下落時(shí)，受試者一腳前邁，然后身體無垂直速度從跳箱下落，足著臺面后，立即單足(有力足)或雙足向上再跳起，然后回落臺面。受試者頭、軀干、上肢均不能擺動(dòng)，即受試者的頭、軀干、上肢始終保持相對靜止，動(dòng)作轉(zhuǎn)換自然、無停頓，起跳過程中身體不前傾或后仰。測試時(shí)，先進(jìn)行雙足跳深的測試，再進(jìn)行單足跳深的測試，無論是雙足或是單足跳深均是從低的下落高度開始測試。同一下落高度，測試3次，每一個(gè)受試者兩次測試的時(shí)間間隔為3—5min，以保證受試者得到充分的休息，單雙足跳深時(shí)均采用輪流測試的方式。測試時(shí)用攝像機(jī)和測力臺的處理系統(tǒng)對受試者測試時(shí)的動(dòng)作、以及下肢支撐腿的所表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集、紀(jì)錄并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，確認(rèn)無誤后轉(zhuǎn)存到移動(dòng)硬盤。

定點(diǎn)使用一臺攝像機(jī)同步拍攝受試者從跳箱上跳落至三維測力臺面至離臺面完整跳深動(dòng)作。主光軸與運(yùn)動(dòng)方向垂直，從測力臺右側(cè)垂直方向8m處以25幀/秒拍攝頻率進(jìn)行定點(diǎn)拍攝，鏡頭高度為1.20m，以獲得平面分析影像。當(dāng)受試者從跳箱上下落，足著地瞬間，將觸發(fā) Kistler三維測力臺輸出端產(chǎn)生的5伏的脈沖電壓，該電壓將使與測力臺輸出端相連的發(fā)光二極管閃亮，攝像機(jī)捕捉該閃亮點(diǎn)，該點(diǎn)即為三維測力臺與攝像機(jī)的同步點(diǎn)。

由Boiware軟件采樣系統(tǒng)獲得受試者F－t曲線后，將其另存為Excel實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。然后，在每個(gè)受試者Excel數(shù)據(jù)中選取Fz的所有數(shù)據(jù)，并用工具欄的圖表功能將其轉(zhuǎn)化為Excel的F－t曲線圖形，并讀取重要參數(shù)，分析所收集的力值曲線。

最后使用Ariel公司的APAS圖像處理系統(tǒng)，依據(jù)人體模型的標(biāo)準(zhǔn)和研究需要選取19個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，對所采集的圖像進(jìn)行選取、剪輯并逐幅打點(diǎn)，對所得的10人的原始數(shù)據(jù)通過低通濾波法平滑處理，截?cái)囝l率為8HZ，最后得出所需要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2.2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

將所測的原始數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2003進(jìn)行平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的處理，并繪制圖表，將所測的數(shù)據(jù)用spss13.0進(jìn)行T檢驗(yàn)處理，以判斷其顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 單、雙足跳深的生物力學(xué)特征分析

3.1.1 Fz—T垂直方向力值曲線特征階段劃分

Fz—T垂直方向的力值曲線包括著地沖擊階段、緩沖階段以及蹬伸階段三部分。在不同的高度其力值曲線的形式也有很大的區(qū)別，一般在低高度上力值曲線呈類似拋物線形狀，隨著跳深下落高度的增加，跳深的Fz—T力值曲線逐漸趨于雙曲線形狀。(如圖1、圖2)

圖1 受試者雙足在20cm下落高度上，F(xiàn)z—T力值曲線的階段劃分

圖2 受試者雙足在80cm下落高度上，F(xiàn)z—T力值曲線的階段劃分

上圖中圖1是受試者在下落高度為20cm高度上的Fz—T力值曲線，其形狀呈類似拋物線的形狀，由于下落高度低，地面對人的沖擊力較小，沒有明顯的波峰和波谷區(qū)分點(diǎn)。圖2是受試者在下落高度為80cm的高度上的Fz—T力值曲線，由于下落高度較高，出現(xiàn)了雙曲線形狀，波峰與波谷較明顯，其中第一波峰代表緩沖過程中受地面沖擊載荷的最大值，第二波峰代表蹬伸過程中地面對人體的沖擊達(dá)到最大值。兩波峰之間的低谷點(diǎn)表示著地緩沖最大瞬間向蹬伸過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3.1.2 單、雙足跳深的速度和Fz—T曲線變化特征跳深落地時(shí)刻緩沖速度和蹬伸時(shí)刻的速度是反映受試者下肢緩沖與蹬伸能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。單足與雙足完成各自下落高度的跳深，其平均緩沖速度隨著高度的增加而增加。其變化情況如下表:

表2 受試者跳深落地時(shí)刻平均緩沖速度和蹬伸結(jié)束時(shí)刻速度(m/s)(n=10)

跳深的Fz—T曲線能夠較直觀的反應(yīng)受試者跳深效果的優(yōu)劣、不同的受試者所表現(xiàn)出的不同特征以及隨下落高度的變化而發(fā)生的變化。

圖3 受試者單足在10cm和雙足20cm下落高度上的Fz—T力值曲線

圖4 受試者單足在20cm和雙足40cm下落高度上的Fz—T力值曲線

圖3、4中，受試者單足在10、20cm和雙足在20、40cm的下落高度上，其Fz—t曲線形狀基本相似，沒有太大的變化，都呈拋物線或近似于拋物線，這說明由于下落高度低，人體落地時(shí)受到地面的沖擊載荷較小，受試者下肢肌肉未能得到充分拉伸，緩沖和蹬伸時(shí)間都較短，因此Fz—t曲線比較平滑，類似于拋物線的形狀。從圖中還可以看出，緩沖結(jié)束向蹬伸過度瞬間的力值也較小，在肌肉拉伸的范圍內(nèi)，作用力與反作用力成正比，也就是在肌肉拉伸的范圍內(nèi)受試者下肢受到的沖擊載荷越大，肌肉拉伸越充分，蹬伸時(shí)的力也越大，跳深的效果也越好。圖3中由于下落高度較低，人體落地時(shí)受到地面的沖擊載荷較小，受試者下肢未能充分拉伸，下肢肌肉儲(chǔ)能較少，進(jìn)而蹬伸時(shí)其力值也較小，蹬伸的速度也就小，受試者下肢的抗沖擊能力和蹬伸能力未能得到充分發(fā)揮。圖4，隨下落高度的增加Fz—t曲線發(fā)生了一些變化，但是變化不明顯。

圖5 受試者單足在30cm和雙足60cm下落高度上的Fz—T力值曲線

圖6 受試者單足在40cm和雙足80cm下落高度上的Fz—T力值曲線

從圖5中可以看出，隨著下落高度的增加，單足和雙足跳深的Fz—t曲線均發(fā)生了變化，緩沖和蹬伸時(shí)間延長，在緩沖結(jié)束向蹬伸階段過渡后，F(xiàn)z—t曲線出現(xiàn)了凹陷，但是力值明顯增加。另外，從表2中也可以看出，單足在10—30cm和雙足在20—60cm的高度上落地時(shí)刻緩沖速度和蹬伸結(jié)束時(shí)刻速度都隨下落高度的增加而增加，蹬伸結(jié)束時(shí)刻速度均達(dá)到了最大值。落地時(shí)刻緩沖速度大，說明受試者落地時(shí)受到地面的沖擊力大，如果抗沖擊能力強(qiáng)，能夠儲(chǔ)存較多的能量以備再起跳利用，而蹬伸結(jié)束時(shí)刻速度是反映受試者下肢能量利用好壞以及下肢肌肉離心向向心收縮能力的重要指標(biāo)。在表2中，隨地面沖擊力的增加，受試者下肢受到的沖擊力也隨之增加，沖擊力增加其蹬伸速度并沒有減小，反而增加并在(單足在30cm和雙足在60cm的高度)達(dá)到最大值，表3中也顯示，在這個(gè)高度上單足重心再騰起高度和力值均達(dá)到最大值，雙足力值接近最大。這說明在這個(gè)下落高度上，落地時(shí)受試者下肢抗沖擊能力強(qiáng)，儲(chǔ)存的能量多并且得到充分利用，雖然出現(xiàn)了一段凹陷，在正常跳深時(shí)間范圍內(nèi)，是受試者下肢儲(chǔ)存了更多的能量以及充分利用能量需要時(shí)間稍長所致。

圖6中，受試者單足在40cm和雙足在80cm下落高度上，其Fz—t曲線發(fā)生了明顯的變化，出現(xiàn)了雙曲線，緩沖向蹬伸過渡出現(xiàn)了很明顯的一段凹陷。從表2中也可以看出，在這兩個(gè)高度上，落地時(shí)刻緩沖速度達(dá)到了最大值，也就是說在這個(gè)高度上，受試者落地時(shí)受到地面的沖擊力最大，但是其蹬伸速度卻下降了，單足下降較明顯(0.13 m/s)。在適宜的跳深高度上，受試者下肢肌肉得到充分拉伸，彈性能儲(chǔ)存較多，蹬伸效果也最佳。跳深高度過高，受試者下肢肌肉被過度拉長，肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白結(jié)合處的橫橋斷點(diǎn)增多，在落地時(shí)儲(chǔ)存的彈性能損失較多，離心向向心轉(zhuǎn)換時(shí)間延長，致使跳深效果也差。說明在這個(gè)下落高度上，受試者在落地時(shí)下肢肌肉受到的載荷已經(jīng)超出了其承受范圍。

彈性能量的產(chǎn)生和儲(chǔ)存主要發(fā)生于肌肉的離心階段，而彈性能量儲(chǔ)存的多少，在很大程度上又取決于肌肉離心收縮的幅度和速度。肌肉在離心階段獲得并儲(chǔ)存的彈性能量，并不能夠被隨后的向心收縮全部利用，除一部分正常的能量消耗之外(如熱量)，其利用的效率主要取決于離心收縮與向心收縮的銜接。從圖3—6和表2中可以看出，隨跳深下落高度的增加，F(xiàn)z—t曲線也發(fā)生了變化，圖形從近似拋物線變成了雙曲線，落地時(shí)刻緩沖速度和蹬伸結(jié)束時(shí)刻速度也隨著高度的增加而增加，但是縱觀各圖可以發(fā)現(xiàn)，單足跳深在30cm的下落高度時(shí)，緩沖向蹬伸轉(zhuǎn)化所需的時(shí)間比較短，蹬伸速度和力值也達(dá)到了最大值，說明在這個(gè)高度上，受試者下肢肌肉得到了充分拉伸，且達(dá)到了最佳拉伸長度，跳深著地時(shí)下肢儲(chǔ)存的彈性能較多并且利用較充分，在這個(gè)高度上下肢肌離心向向心轉(zhuǎn)換較快。

3.1.3 單、雙足跳深時(shí)重心再騰起高度及緩沖結(jié)束時(shí)刻力值的變化特征

重心再騰起高度和緩沖結(jié)束時(shí)刻力值的大小，是反應(yīng)受試者下肢力量以及踝關(guān)節(jié)抗沖擊能力和蹬伸能力的重要指標(biāo)。

表3 受試者跳深時(shí)緩沖結(jié)束時(shí)刻力值(N/kg)和重心再騰起高度(cm)(n=10)

表3中可以看出受試者緩沖結(jié)束時(shí)刻力值和重心再騰起高度受下落高度的影響較明顯，在適宜的下落高度內(nèi)，受試者緩沖結(jié)束時(shí)刻力值和重心再騰起高度隨下落高度的增加而增加。另外還可以看出，在適宜的下落高度內(nèi)，緩沖結(jié)束時(shí)刻力值與重心再騰起高度成正比例關(guān)系，受試者落地緩沖結(jié)束瞬間即為蹬伸階段，因此緩沖結(jié)束時(shí)刻力值越大，緩沖向蹬伸轉(zhuǎn)換時(shí)的力值也就越大，力值越大重心再騰起的高度也就越高，重心再騰起高度越高跳深的效果也就越好。

表3中，受試者單足跳深在30cm下落高度上，緩沖結(jié)束時(shí)刻力值和重心再騰起高度均達(dá)到最大值，在40cm的下落高度上出現(xiàn)了下降。而雙足跳深時(shí)隨跳深高度的增加，緩沖結(jié)束時(shí)刻力值和重心再騰起高度也隨之增加，在80cm的下落高度達(dá)到最大49.33cm。但是從表中還可以看出，雙足跳深時(shí)在80cm的下落高度上，其重心再騰起高度雖然達(dá)到了最大值，但是和在60cm的高度上相差不是很大(僅3.28cm)，而其它幾個(gè)高度的重心再騰起高度相差在5cm左右，另外在測試的時(shí)候，從80cm的跳臺上跳下時(shí)有個(gè)別受試者有不適感，這說明雙足跳深時(shí)80cm已經(jīng)達(dá)到下肢承受能力上限，再綜合以上各圖表分析的結(jié)果認(rèn)為，單足跳深適宜高度為30cm左右，雙足跳深的適宜高度是70cm左右。

3.2 特殊Fz—T力值曲線的特征分析

本研究選取的測試對象盡管都是跳躍類的二級運(yùn)動(dòng)員，但是他們之間也存在著很大的差異。在這些受試者中間，從身體素質(zhì)的測試中可以看出受試者T9是運(yùn)動(dòng)水平較好的一個(gè)，而受試者T3是相對較弱的一個(gè)，在跳深的測試中他們也表現(xiàn)出了明顯的差異性。以下是受試者T3和T9單、雙足跳深的Fz—T曲線。

圖7 受試者T3單足跳深的Fz—T曲線

圖8 受試者T9單足跳深的Fz—T曲線

圖9 受試者T3雙足跳深的Fz—T曲線

圖10 受試者T9雙足跳深的Fz—T曲線

表4 受試者T3和T9的基本情況

從圖7、8中可以看出受試者T9單足在10～40cm共4個(gè)下落高度上的曲線形狀沒太大的變化，類似于拋物線，在4個(gè)高度上均未出現(xiàn)雙曲線形式。而受試者T3在4個(gè)高度上的Fz—T曲線形狀并不那么平滑，除在10cm的高度上，曲線形式呈拋物線形式，而在其他三個(gè)高度上的Fz—T曲線皆近似于梯形。這說明T9的下肢肌肉力量、爆發(fā)力、抗沖擊的能力以及踝關(guān)節(jié)的緩沖、蹬伸能力比較強(qiáng)，從跳箱上下落之后能夠迅速再起跳，在測力臺臺面上停留的時(shí)間短，離心向向心轉(zhuǎn)換流暢，下肢在下落過程中儲(chǔ)存的彈性能得到了充分的利用，而T3相對較弱;另外從表10中可以看出，他們自身的條件沒太大的區(qū)別，但是從他們的運(yùn)動(dòng)年限和運(yùn)動(dòng)水平來說，T9從事訓(xùn)練8年，而T3只有4年，運(yùn)動(dòng)水平方面T9的100m 成績 11.2s而 T3是 11.7s，相差 0.6s之多，跳遠(yuǎn)相差0.75m，存在顯著性差異，從而導(dǎo)致了跳深時(shí)的顯著性差異;再次，他們的Fz—T曲線形狀出現(xiàn)這種差別與他們跳深時(shí)的動(dòng)作也有很大的關(guān)系，跳深落地時(shí)刻都是由前腳掌著地、緩沖、蹬伸再起跳。T9著地后由前腳掌迅速蹬伸再起跳，緩沖與蹬伸銜接流暢;而T3從跳箱上下落著地后，緩沖向蹬伸過度時(shí)有停頓現(xiàn)象，這種現(xiàn)象隨高度增加而愈加明顯，有二次蹬伸的動(dòng)作，因此，T3跳深的Fz—T曲線形狀類似于梯形。出現(xiàn)這種情況的根本原因，還是與他們的運(yùn)動(dòng)水平有關(guān)，這就要求教練員在實(shí)際訓(xùn)練中，要根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的身體情況、訓(xùn)練水平有針對性的安排適宜的訓(xùn)練形式和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷。

4 結(jié)論與建議

1)本研究的跳躍類男性二級運(yùn)動(dòng)員，雙足跳深的適宜高度為70cm左右，單足跳深的適宜高度為30cm左右。

2)在適宜跳深高度范圍內(nèi)，單足跳深與雙足跳深一樣，受試者重心再騰起高度和緩沖結(jié)束時(shí)刻力值均與下落高度成正相關(guān)關(guān)系。另外，跳深結(jié)束時(shí)刻力值的大小將進(jìn)一步?jīng)Q定跳深重心再騰起高度的高低。

3)在適宜的跳深高度范圍內(nèi)，單雙足跳深對增強(qiáng)下肢肌肉的能力都有較好的效果。因此，教練員在訓(xùn)練時(shí)應(yīng)根據(jù)不同訓(xùn)練項(xiàng)目的特點(diǎn)，如運(yùn)動(dòng)形式、發(fā)力機(jī)制、運(yùn)動(dòng)方向等特點(diǎn)，選擇適合其項(xiàng)目特點(diǎn)的跳深形式作為其訓(xùn)練的手段，以更好的發(fā)展運(yùn)動(dòng)員下肢肌肉爆發(fā)力。專項(xiàng)跳躍類項(xiàng)目對運(yùn)動(dòng)員下肢力量要求既要力量大，又要速度快而且離心向向心轉(zhuǎn)換銜接要迅速流暢，如跳高、跳遠(yuǎn)等項(xiàng)目，這就可以采用高強(qiáng)度的單足跳深作為專項(xiàng)練習(xí)手段，發(fā)展下肢的爆發(fā)力。

4)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，研究對象雖然都是跳躍類的二級運(yùn)動(dòng)員，但是不同的運(yùn)動(dòng)員在測試時(shí)還是有很顯著的差異的。因此在運(yùn)用跳深這種訓(xùn)練方法訓(xùn)練時(shí)，教練員應(yīng)根據(jù)不同訓(xùn)練項(xiàng)目的特點(diǎn)，如運(yùn)動(dòng)形式、發(fā)力機(jī)制、運(yùn)動(dòng)方向等特點(diǎn)，選擇適合其項(xiàng)目特點(diǎn)的跳深形式作為其訓(xùn)練的手段，以更好的發(fā)展運(yùn)動(dòng)員下肢肌肉爆發(fā)力。專項(xiàng)跳躍類項(xiàng)目對運(yùn)動(dòng)員下肢力量要求既要力量大又要速度快如跳高、跳遠(yuǎn)等項(xiàng)目，這就要采用高強(qiáng)度(跳深強(qiáng)度其外在表現(xiàn)為跳深高度的高低，高度越高強(qiáng)度越大)單足跳深的專門性練習(xí)，發(fā)展下肢的爆發(fā)力。

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