不同材質(zhì)地面跳深運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征對比研究

林奕貫，潘 旭，鄭 哲

跳深（drop jump，DJ）是典型的快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練手段，對提高運(yùn)動(dòng)員的下肢爆發(fā)力具有良好的效果，因此備受推崇，現(xiàn)已廣泛地運(yùn)用在各個(gè)項(xiàng)目的日常訓(xùn)練中，成為不可或缺的訓(xùn)練動(dòng)作之一[1]。然而，由于跳深訓(xùn)練需要在一定的高度落下，在觸地瞬間肢體會(huì)受到極大的沖擊力，易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生，因此越來越多的訓(xùn)練者都在積極地尋找方法以降低跳深訓(xùn)練的損傷風(fēng)險(xiǎn)，如對跳深跳下的高度進(jìn)行限定[2]，對不同跳深方式的強(qiáng)度進(jìn)行量化[3]，對跳深訓(xùn)練安排的次序進(jìn)行優(yōu)化[4]等。

近年來，不同材質(zhì)地面或表面訓(xùn)練逐漸受到訓(xùn)練者們的關(guān)注。已知柔軟地面有良好的緩沖作用，大量的研究證實(shí)了落于柔軟地面能夠有效降低損傷風(fēng)險(xiǎn)[5，6]，然而跳深不但有落地動(dòng)作，還有蹬伸跳躍過程，并非常強(qiáng)調(diào)短促地踏跳時(shí)間，因此對地面材質(zhì)的柔軟度的要求更為特殊。為追求損傷預(yù)防與訓(xùn)練效益的最大化，現(xiàn)階段水中[7]、沙地[8，9]、體操墊[10]、平衡墊[11，12]、蹦床[13]等都被做為跳深運(yùn)動(dòng)落地的接觸表面，一些研究顯示，在這些地面跳深能夠顯著降低訓(xùn)練者的延遲性肌肉酸痛癥狀，減少肢體與地面碰撞產(chǎn)生的沖擊力，有助于運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防[14，15]。然而，也有研究認(rèn)為高柔軟地面會(huì)提高膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)[16，17]?？梢姴煌馁|(zhì)地面對跳深損傷風(fēng)險(xiǎn)影響是不一致的，對比不同材質(zhì)地面跳深的力學(xué)特征對訓(xùn)練時(shí)合理的選擇地面材質(zhì)有重要的作用。

不同材質(zhì)地面具有共性也有其特性，現(xiàn)階段研究更多的是對比硬地與單一材質(zhì)地面的力學(xué)特征，而對不同材質(zhì)地面跳深之間下肢的發(fā)力與受力差異卻很少有研究進(jìn)行比較。為此，本研究通過運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)手段對硬地（測力臺）、沙地、體操墊、平衡墊四種訓(xùn)練中常見的地面跳深進(jìn)行對比，并明確不同材質(zhì)地面的恢復(fù)系數(shù)，深入分析在不同材質(zhì)地面進(jìn)行跳深的力學(xué)差異，為跳深及快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練選擇提供新的思路和理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

本次研究招募的受試者為浙江師范大學(xué)體育學(xué)院學(xué)生（男生），共招募受試者25名，所有受試者近半年內(nèi)無下肢和腰部受傷史，身體狀況以及運(yùn)動(dòng)能力良好，并均已在訓(xùn)練或練習(xí)中熟練掌握跳深動(dòng)作，在實(shí)驗(yàn)前24小時(shí)沒有從事劇烈運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)前清楚地告知受試者本實(shí)驗(yàn)的目的、過程，在受試者能理解實(shí)驗(yàn)意圖的情況下簽署知情同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與器材

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

測力臺：瑞士奇石樂公司生產(chǎn)三維測力臺1塊（長×寬×高：90×60×10cm）以及相配套BioWare軟件，型號為2812A，內(nèi)置信號放大器，最大側(cè)向力和垂直力分別可達(dá)10kN和20kN。本研究的采樣頻率為1000Hz，采樣時(shí)間為4秒。

高速攝像機(jī)：在實(shí)驗(yàn)場地使用2臺SONY DCRHC52E數(shù)碼攝像機(jī)，按照三維攝像測量的要求架設(shè)攝像機(jī)，兩臺攝像機(jī)通過測力臺中心，兩機(jī)主光軸之間的夾角約為90度，攝像機(jī)架設(shè)完畢后，用PEAK三維標(biāo)定框架（框架坐標(biāo)x代表左右方向，y代表前后方向，z代表垂直方向）對受試者運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后維持兩臺攝像機(jī)的位置及各種拍攝條件不變，每次測試都暫停進(jìn)行區(qū)分，拍攝頻率為50幀/秒。

SIMI-Motion三維運(yùn)動(dòng)解析系統(tǒng)：使用德國的SIMI-Motion三維運(yùn)動(dòng)解析系統(tǒng)對受試者動(dòng)作進(jìn)行影像解析分析，解析采樣頻率為50Hz，使用DLT方法計(jì)算解析點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，運(yùn)用截?cái)囝l率為6Hz的低通濾波方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

1.2.2 地面材質(zhì)

平衡墊：TPE材質(zhì)，產(chǎn)地金華，單塊長50cm，寬40cm，高6cm，用兩塊平衡軟墊拼接，中間用強(qiáng)力雙面膠固定。

沙地：采用木頭制成一個(gè)長、寬、高分別為90cm、60cm、6cm上下鏤空的筐，底面以及四個(gè)側(cè)面用布包裹，將沙倒入自制的筐中填滿。

體操墊：內(nèi)置為珍珠棉，外部包裹為PU材質(zhì)的對折型體操墊，長120cm、寬60cm和高3 cm，對折后長60cm、寬60cm和高6 cm，對折后的重疊部分以雙面膠固定，減小空隙。

四種材質(zhì)地面恢復(fù)系數(shù)：根據(jù)Anthony[18]的研究，網(wǎng)球從1.83米處垂直下落，通過高速攝像機(jī)獲得網(wǎng)球的彈起高度，由公式獲得恢復(fù)系數(shù)：

hb為球彈起高度，hd為球下落高度。最終測得測力臺恢復(fù)系數(shù)為e=0.82，平衡墊e=0.75，體操墊e=0.63，沙地e=0.1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)期間受試者共到訪實(shí)驗(yàn)室三次，每次間隔1-2天，前兩次為適應(yīng)性練習(xí)，以熟練測試流程，提前感受不同材質(zhì)地面跳躍的狀態(tài)，并掌握本研究需要的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，最后一次為正式測試。

正式測試時(shí)，首先由2名實(shí)驗(yàn)員對其身高和體重進(jìn)行測量，測量完畢后讓受試者進(jìn)行15分鐘的熱身，包括慢跑、動(dòng)態(tài)拉伸以及準(zhǔn)備活動(dòng)（跑跳性活動(dòng)以及跳深動(dòng)作適應(yīng)性練習(xí)），每個(gè)階段都為5分鐘。熱身結(jié)束后讓運(yùn)動(dòng)員換上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的短褲與膠鞋，以保證緩沖條件一致。換裝后根據(jù)三維運(yùn)動(dòng)解析模型建立的需要，在人體建立15個(gè)身體關(guān)節(jié)點(diǎn)貼上標(biāo)記點(diǎn)，建立三維運(yùn)動(dòng)解析模型。

采用50cm高度跳深，受試者兩手叉腰，雙腳開立與肩同寬，聽到指令后向前邁步，然后后腳前腳并攏向下落地，要求受試者雙腳同時(shí)落地，并且在落地后快速向上垂直跳起。每種地面都重復(fù)3次，每次間歇時(shí)間30秒，每種地面間隔3分鐘，四種地面測試在同一天內(nèi)完成，最終受試者將在20分鐘內(nèi)完成12次跳深動(dòng)作。在受試者跳深的過程中如果中間出現(xiàn)失誤則重新測試，每個(gè)受試者最多可進(jìn)行5次跳躍。四種地面的先后順序?yàn)闇y力臺→平衡墊→體操墊→沙地，平衡墊與體操墊底面用雙面膠與測力臺固定，減少跳躍過程中產(chǎn)生的滑動(dòng)。

1.4 主要觀察指標(biāo)

地面反作用力峰值：垂直力（Fz）取垂直向上地面反作用力最大值，水平力（Fy）取水平向后地面反作用力最大值，橫向力（Fx）取左或右地面反作用力最大值的絕對值。

力-時(shí)間曲線變化：四種表面跳深觸地階段Fz、Fy力值與時(shí)間變化的曲線。

著地時(shí)間：包括了觸地時(shí)間、緩沖時(shí)間以及蹬伸時(shí)間。觸地時(shí)間為在跳深過程中，足間觸地至離地時(shí)刻所經(jīng)過的時(shí)間；緩沖時(shí)間為足尖觸地至膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時(shí)刻經(jīng)過的時(shí)間；蹬伸時(shí)間為膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時(shí)刻至離地時(shí)刻經(jīng)過的時(shí)間。

緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量：選取髖、膝、踝關(guān)節(jié)落地與起跳階段矢狀面的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍（°），即通過計(jì)算跳深過程中落地和起跳階段下肢3關(guān)節(jié)最大角度與最小角度之差而得。

緩沖階段關(guān)節(jié)角速度峰值：在跳深過程中緩沖階段髖、膝、踝關(guān)節(jié)屈曲角速度的最大值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將解析后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel電子表格，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對所獲的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，文表中數(shù)值無特殊說明均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。將整理后多組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，再對其方差齊性進(jìn)行檢驗(yàn)，若Levene檢驗(yàn)方差齊，采用單因素方差分析進(jìn)行總均值比較，然后采用LSD法進(jìn)行兩兩比較；若Levene檢驗(yàn)方差不齊，則采用Dunnett T3檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較，當(dāng)p＜0.05為具有顯著差異，p＜0.01為非常顯著差異。最后將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果用Excel繪制成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和圖片。

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)對比

2.1.1 緩沖階段地面反作用力峰值對比

表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段Fz、Fx以及Fy都有顯著差異（p＜0.05），其中Fy表現(xiàn)出非常顯著差異（p＜0.01）。通過多重對比顯示（圖一），F(xiàn)x上，測力臺跳深與體操墊對比有顯著差異（p＜0.05），與平衡墊跳深對比有非常顯著差異（p＜0.05），平衡墊跳深與沙地跳深具有非常顯著差異（p＜0.01）；Fy上，測力臺跳深與體操墊、平衡墊、沙地跳深對比都有非常顯著差異（p＜0.01），沙地與體操墊、平衡墊跳深對比具有非常顯著差異（p＜0.01）；Fz上，體操墊跳深顯著高于測力臺跳深（p＜0.05）。

表1 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段地面反作用力峰值對比（M±SD）

圖一 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段地面反作用力多重對比結(jié)果

圖注：“*”表示兩組之間對比具有顯著差異（p＜0.05），“**”表示兩組之間對比具有非常顯著差異（p＜0.01），下同。

2.1.2 力-時(shí)間曲線變化對

從圖二中可以看到，測力臺跳深有兩個(gè)波峰，并且第一個(gè)波峰斜率較大；平衡墊與體操墊跳深僅有一個(gè)波峰，地面反作用力上升的也較為平緩；沙地跳深有三個(gè)波峰，第一個(gè)波峰較低，第二個(gè)波峰垂直力值最高并且上升斜率較大，第三個(gè)波峰較為平緩?？傮w上看，在體操墊與平衡墊上跳深踏跳較為流暢。

圖二 四種材質(zhì)地面跳深垂直地面反作用力-時(shí)間曲線

圖三的四種地面跳深前后向地面反作用力變化顯示，僅有測力臺第一波谷低于第二波谷，其主要發(fā)生在著地瞬間；相對于測力臺，其他三種材質(zhì)地面跳深第二個(gè)波谷力值較高，可見在蹬伸階段，沙地、平衡墊以及體操墊需要更多的使用前后向力維持跳躍的穩(wěn)定性。

圖三 四種材質(zhì)地面跳深前后向地面反作用力-時(shí)間曲線

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對比

2.2.1 著地時(shí)間對比

表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，四種材質(zhì)地面跳觸地時(shí)間與蹬伸時(shí)間都具有非常顯著差異（p＜0.01）。通過多重對比顯示（圖四），沙地跳深觸地時(shí)間顯著長于測力臺（p＜0.01）、體操墊跳深（p＜0.01）；沙地跳深蹬伸時(shí)間長于測力臺、體操墊、平衡墊，都具有非常顯著差異（P＜0.01）。

表2 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量對比（M±SD）

圖四 四種材質(zhì)地面跳深著地時(shí)間多重對比結(jié)果

2.2.2 關(guān)節(jié)角度變化量對比

表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段髖、膝關(guān)節(jié)角度變化量具有顯著差異（p＜0.05）；踝關(guān)節(jié)角度變化量沒有顯著差異（p＞0.05）。通過多重對比顯示（圖五），髖關(guān)節(jié)角度變化量上，平衡墊跳深與測力臺跳深相比具有顯著差異（p＜0.05），與體操墊跳深相比有非常顯著差異（p＜0.01），沙地跳深髖關(guān)節(jié)角度變化量顯著高于體操墊跳深（p＜0.05）；膝關(guān)節(jié)角度變化量上，體操墊跳深低于測力臺與沙地跳深，并具有非常顯著的差異（p＜0.01）。

表3 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量對比（M±SD）

圖五 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量多重對比結(jié)果

2.2.3 關(guān)節(jié)角速度峰值對比

表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段膝關(guān)節(jié)角速度具有顯著差異（p＜0.05），髖、踝關(guān)節(jié)無顯著差異（p＞0.05）。通過多重對比顯示（圖六），體操墊跳深膝關(guān)節(jié)角速度低于測力臺與平衡墊跳深，且具有非常顯著差異（p＜0.01），沙地跳深膝關(guān)節(jié)角速度顯著低于測力臺跳深（p＜0.05）。

表4 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角速度峰值對比（M±SD）

圖六 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量多重對比結(jié)果

3 討論

在跳深訓(xùn)練中，損傷往往出現(xiàn)在落地緩沖階段，其主要是由于在跳深訓(xùn)練中人體與地面具有一定高度，在重力作用下，落地瞬間會(huì)產(chǎn)生高沖擊力，導(dǎo)致肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)的損傷，尤其是膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligaments，ACL）的損傷[19，20]。緩沖階段地面反作用力越大，則越容易造成下肢的損傷發(fā)生。一些進(jìn)行長期干預(yù)的實(shí)驗(yàn)顯示，在草地、平衡軟墊、沙地等較為柔軟的地面上進(jìn)行快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練能夠有效降低損傷風(fēng)險(xiǎn)[14，21]，他們認(rèn)為這得益于地面反作用力的降低[15]。

本研究結(jié)果顯示，在四種材質(zhì)的地面跳深時(shí)測力臺Fz最低，其次是平衡墊，而地面的恢復(fù)系數(shù)較低的體操墊和沙地Fz較高，此結(jié)果與Miyama等[22]和Prieske等[16]的研究一致。Prieske等[16]推測，柔軟地面跳深Fz的增加可能與膝關(guān)節(jié)在緩沖階段的屈曲角度較小有關(guān)，在本研究中也觀察到，體操墊與沙地跳深在緩沖階段膝關(guān)節(jié)屈曲角度變化量較小、角速度較低，這可能與本研究的跳深動(dòng)作要求受試者快速跳起有關(guān)。人體作為活性機(jī)體，在地面硬度改變的情況下，會(huì)通過改變運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)來調(diào)整與適應(yīng)地面的硬度，在體操墊和沙地上跳深時(shí)關(guān)節(jié)屈曲角度減小能夠顯著減少關(guān)節(jié)活動(dòng)的距離和時(shí)間，從而最大程度縮短觸地時(shí)間。

緩沖階段Fz的大小主要依賴有效質(zhì)量（Effective Mass），所謂有效質(zhì)量就是完成動(dòng)作時(shí)能夠產(chǎn)生碰撞力量效果的身體質(zhì)量[23]。在肢體與地面的碰撞中，假如關(guān)節(jié)不產(chǎn)生任何彎曲，那么碰撞的有效質(zhì)量將等于體重；若關(guān)節(jié)在碰撞中產(chǎn)生了彎曲，那么人體將不是一個(gè)單一的剛體，會(huì)因各個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲而導(dǎo)致力的分散，降低產(chǎn)生碰撞力量效果的身體質(zhì)量。有研究發(fā)現(xiàn)體重為65公斤的受試者，膝關(guān)節(jié)屈曲從5°增加到20°后，身體的有效質(zhì)量從11公斤減少到5公斤，并且在這個(gè)范圍內(nèi)，膝關(guān)節(jié)屈曲和有效質(zhì)量之間幾乎呈線性關(guān)系[24]。Fz增加、膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小被認(rèn)為是跳躍動(dòng)作中增加損傷風(fēng)險(xiǎn)的重要因素[25，26]，依此指標(biāo)從本研究測得的結(jié)果上看恢復(fù)系數(shù)較低的地面對下肢損傷似乎具有不利的影響，與長期訓(xùn)練的相關(guān)研究結(jié)果不一致。

為此本研究進(jìn)一步對比了四種地面跳深的水平向后的地面反作用力（Fy），結(jié)果顯示緩沖階段測力臺Fy峰值顯著高于其他三種地面，其中沙地的Fy峰值最低。通過四種材質(zhì)地面反作用力變化曲線的對比發(fā)現(xiàn)，測力臺在觸地瞬間水平向后地面反作用力急劇上升，地面反作用力的急劇變化預(yù)示著測力臺跳深在觸地瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力，可能會(huì)增加膝關(guān)節(jié)周圍組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)[27]。劉宇等[23]的研究中提到，著地瞬間水平向后的地面反作用力是引發(fā)非接觸式損傷的主要危險(xiǎn)因素。在跳深練習(xí)中，膝關(guān)節(jié)作為主要的受力關(guān)節(jié)，水平向后地面反作用力作用與人體足部會(huì)產(chǎn)生較大的外部膝屈力矩促使膝關(guān)節(jié)屈曲，此時(shí)人體需要通過神經(jīng)肌肉控制增大內(nèi)部的膝伸力矩來對抗外部力矩，在兩個(gè)力相互對抗中增加了膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，提高損傷風(fēng)險(xiǎn)[28]。另一方面，在對Fz的曲線變化對比中也發(fā)現(xiàn)，測力臺跳深在觸地瞬間垂直力也有一個(gè)快速上升的階段，那么在觸地瞬間垂直力、水平向后力的共同作用下，膝關(guān)節(jié)受到的剪切力增加，也會(huì)進(jìn)一步提高損傷風(fēng)險(xiǎn)。

在橫向力（Fx）上，本研究結(jié)果顯示測力臺跳深緩沖階段Fx的峰值最大，沙地次之，再是體操墊，平衡墊的橫向力最小，這一定程度上說明測力臺跳深緩沖階段膝關(guān)節(jié)受到了更大的內(nèi)收外展或內(nèi)旋外旋的力，提高損傷風(fēng)險(xiǎn)[29，30]，而體操墊、平衡墊則具有良好的保護(hù)作用。

4 結(jié)論與建議

相對于測力臺跳深，平衡墊、體操墊以及沙地雖增加了緩沖階段的垂直地面反作用力、減小了膝關(guān)節(jié)屈曲角度，但同時(shí)也大幅度降低了著地瞬間Fy與Fx，體操墊與沙地在膝關(guān)節(jié)角速度峰值上也有顯著下降。總體而言，平衡墊、體操墊與沙地都有助于降低跳深運(yùn)動(dòng)潛在的非接觸性損傷風(fēng)險(xiǎn)，其中沙地的效果最佳，而平衡墊與體操墊跳深的踏跳流暢性較高。建議在訓(xùn)練過程中僅需落地以及不強(qiáng)調(diào)觸地時(shí)間的動(dòng)作，如立定跳遠(yuǎn)、弓箭步跳等在沙地中進(jìn)行，而跳深、快速跳等強(qiáng)調(diào)肌肉離心-向心快速轉(zhuǎn)換的動(dòng)作則采用體操墊或平衡墊訓(xùn)練較為合適。