浅析运动生物力学在舞蹈中的应用

　　摘要：从运动学、动力学、生物学三方面总结归纳了现有运动生物力学在舞蹈中的应用研究, 揭示了将运动生物力学应用于舞蹈研究的重要意义, 为下一步深入研究的开展提供参考, 并对该领域研究的发展作出展望。

　　关键词：运动生物力学; 舞蹈; 运动学; 动力学;

　　前言

　　舞蹈作为一种非常古老的艺术形式, 无论是在西方还是中国都在几千年的历史中伴随着社会的发展而不断被注入新的动力, 二十世纪以来受西方文化思潮的影响, 西方舞蹈逐渐走进我们的视野, 直到现在已然成为我们文化生活重要的组成部分。许多研究都证实了舞蹈训练对目标人群特别是青少年和大学生群体的身体素质和心理健康有着十分积极的促进作用[1-5], 因此也越来越受到普通大众的喜爱。而随着运动生物力学这一新兴学科的迅猛发展, 运用运动生物力学的原理和方法测试分析舞蹈技术动作的研究也呈现逐步上涨的态势, Guo Xiao Xi[6]等曾采用多种运动生物力学实验设备和方法对6名芭蕾舞专业学生的基本舞蹈动作进行了测试分析, 得到了重心变化和跳跃速度在舞蹈训练中有很重要的意义这一结论。DA Ranney[7]也指出了通过摄影、肌电、测力板等生物力学技术手段有助于实现舞蹈运动的物理研究分析。将运动生物力学应用于舞蹈研究中的意义可以总结为: (1) 系统地研究舞蹈技术动作对舞蹈演员各身体部位的影响, 以用于指导训练的科学进行; (2) 可以从预防舞蹈损伤的角度出发, 找出导致受伤的原因, 制定相应的预防和治疗措施; (3) 及时反馈信息, 从而高效开展舞蹈教学和训练任务; (4) 通过专用的测试仪器测试分析, 建立各种损伤所能承受的载荷极限指标体系; (5) 根据个体的解剖与生理特点确定运动负荷的量以使运动损伤的风险降到最低。

　　因此, 本文将分别从运动学、动力学和生物学三种研究方法对运动生物力学在舞蹈中的研究现状进行归纳总结, 旨在为预防和治疗舞蹈损伤提供参考, 为舞蹈训练的科学开展做出指导。

　　1 舞蹈的起源和分类

　　人类舞蹈的形成源自于类人猿时代的环舞, 而后随着自然地理条件和文化差异, 不同地域的舞蹈衍变自成特色。欧洲中世纪早期舞蹈文化的支撑根基是基督教, 这一时期也发展起来了以法国布朗里舞蹈为代表的民间舞蹈。文艺复兴之后, 宫廷礼仪舞蹈和芭蕾舞破土而出, 芭蕾舞则经历了早期芭蕾、浪漫芭蕾、古典芭蕾、现代芭蕾、当代芭蕾几个不同的历史阶段。而十二世纪的社交舞则是今天我们所见到的现代体育舞蹈的雏形。中国舞蹈也有着相当悠久的历史, 作为一种文化艺术的表现形式, 其历史发展与社会的发展有着密不可分的关系[8]。从近代开始, 以裕容龄将西方舞蹈引入中国社会为开端, 中国传统舞蹈一步一步吸收交融才有了我们现在所看到的庞大而精彩纷呈的中国舞蹈体系。

　　中国现有的舞蹈种类, 根据舞蹈的不同的风格特点来划分, 大致可分为芭蕾舞、古典舞、民间舞、现代舞和当代舞五大类[9]。从通俗的角度来说, 我们可以把舞蹈按照特征划分为专业舞蹈、国际标准交谊舞 (也称体育舞蹈) 和时尚舞蹈, 专业舞蹈可进一步划分为古典舞、芭蕾舞、民族舞、民间舞、现代舞、踢踏舞、爵士舞, 国际标准交谊舞可进一步划分为拉丁舞 (伦巴、桑巴、恰恰、斗牛、牛仔) 和摩登舞 (华尔兹、维也纳华而兹、探戈、快步、狐步舞) , 时尚舞蹈则涵盖了迪斯科、锐舞、街舞、芭啦芭啦、啦啦队舞、热舞劲舞等新兴舞蹈。

　　2 舞蹈运动生物力学

　　舞蹈运动生物力学以专门研究人体在舞蹈表演过程中, 所具有的软度、开度、柔韧性、灵敏度、协调性、自性能力、弹跳力、爆发力、延续性、衬力、呼吸、重心变化、血流循环和人体各关节、肌肉的生理运动变化极限为主要内容[10]。舞蹈运动生物力学的具体研究内容包括:一是舞蹈运动器系的骨、关节和肌肉和舞蹈运动器系的载荷、应变和应力;二是舞蹈动作的力学原理[10]。舞蹈动作的生物力学分析从自然科学的角度, 应用生物力学的理论和方法对舞蹈动作进行科学分析, 探究动作的力学特征、规律与机制, 目的在于为舞蹈教学训练提供科学依据[11]。如何发展舞蹈生物力学以及如何发挥运动生物力学在舞蹈训练科学化进程中的重要作用, 是今后舞蹈界应予重视的重要课题[12]。特别是国内在该领域的研究起步较晚, 尚未形成一个系统全面的理论体系, 所以亟需更进一步的深入研究。

　　3 研究对象

　　在运用运动生物力学方法研究舞蹈运动的已有研究中, 研究对象主要以专业青少年和成年舞蹈演员为主, 而且对女性的研究多于男性, 针对老年人和儿童的研究相对较少。Alycia Fong Yan等人[13]研究了不同爵士舞鞋对跖屈的影响, 测试人员是16名练习舞蹈的女童。A Guzmán-García等人[14]通过运动捕捉等测量手段研究发现, 老年人在初学舞蹈阶段身体平衡能力也得到了明显的改善。近年来国内有关广场舞生物力学参数出现了较多的研究[15-17], 主要研究对象均为老年群体。孟昭莉等人[18]通过与普通儿童进行对比发现, 业余练习舞蹈儿童赤足正常行走状态下全足支撑时第一第二跖骨受力时间较长, 表明舞蹈练习使得儿童足内侧纵弓较好的分载体重。同时足弓状态的分析测试图表明练习舞蹈儿童的足底和足跖侧韧带及软组织得到了显着增强, 促进了足部骨骼的发育。

　　4 研究舞蹈运动的重要手段———运动生物力学分析方法

　　运动生物力学研究方法可以划分为两类, 一是力学理论研究方法, 二是实验研究方法, 实验研究方法可进一步细分为运动学、动力学和生物学研究方法[19], 其中力学理论研究方法是采用模拟手段对人体运动进行仿真, 主要包括五个步骤: (1) 确定运动特征, 建立目标函数; (2) 选择模型确定刚体的自由度; (3) 建立动力学模型; (4) 实测已知数据并求解; (5) 根据求解结果解释运动规律, 这一步骤是将求得的数学规律化, 为体育运动语言对运动技术进行合理的指导[20]。由于模拟舞蹈演员舞蹈动作并对其进行数学化描述比较困难, 所以国内在将该方法应用于舞蹈领域的研究还非常少, 有非常大的发展空间。国外则有人提出了建立一个多层次模型的舞蹈数字图书馆, 这必将有十分重大的意义[21]。因此, 本文将重点总结分析运动生物力学的三种实验研究方法 (运动学研究方法、动力学研究方法、生物学研究方法) 在舞蹈领域的研究现状。

　　4.1 运动学研究方法

　　运用运动学的方法对舞蹈进行研究就是从时间和空间的特征来描述体育舞蹈运动中身体或身体各环节的运动状态、轨迹及其变化, 常用的测量方法有平面定机摄影测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法[22]。

　　MARKETA PROCHAZKOVA等人[23]使用两米长的压力测试板对选定受试者进行测试后发现, 与非跳舞人员相比, 专业芭蕾舞演员在正常行走过程中双足着地时间更长, 特别是后跟部位。同时C.-W.Lung等人[24]通过RSscan和AMTI两台足底压力分布测量设备对舞蹈系女大学生和普通年轻女性正常行走状态下的GRF和Co P进行测试发现, 舞者在摆动前期有较大的GRF内侧剪切力, 前脚掌外翻也更为明显, 这就解释了在摆动前期前脚掌区域Co P的轨迹更直这一现象。此外, 在即将到达支撑相中期时峰值Co P速度出现推迟表明这可能是由于每天训练过程中习惯性脚跟走路而导致的重心上移。同样在脚趾即将离地时也发现了推迟, 推测这可能是由于第一跖骨的支撑减少。因此也就证实了长期的舞蹈训练的确会对舞蹈演员的下肢造成潜移默化的影响并进一步影响其日常行走过程。

　　随着科技的发展, 运动捕捉技术已经被广泛应用于电影工业制作动画、追踪和记录人体动作数据、智能人机交互等领域[25]。运动捕捉设备可以根据有无节点分成基于节点的运动捕捉系统和无节点的运动捕捉系统。基于节点的运动捕捉系统又可根据节点的不同如光学节点、机械节点和磁节点进一步分类[26]。现在领先的美国Motion Analysis系统可以实时采集分析运动学参数并以三维动画的形式进行展示, 还可以与测力台、表面肌电等输出模拟信号的设备进行同步, 结合Ortho Trak、SIMM等软件, 对受试者的步态、肌肉长度、表面肌电、受力等数据进行分析。H Leung等人[27]提出了一种基于运动捕捉和虚拟现实技术的舞蹈训练系统来替代传统的教授方式, 激发了学生的兴趣, 使得舞蹈训练得以高效的进行。国内的许多学者通过运动捕捉技术对少数民族舞蹈进行数据记录并争取进一步建立起完备的数据库, 这对我国少数民族舞蹈文化的传承和发扬有非常重要的意义[28-30]。

　　影像解析法作为运动生物力学研究中常用的方法之一, 是通过摄像机来记录人体运动的数据, 并对画面数值化, 从而获得运动过程的各种运动学参数, 进一步进行定量分析研究[31]。在分析舞蹈动作技术时由于其复杂性一般采用多台摄像机进行三维立体摄像分析。现如今, 运动影像解析系统的测量已经发展到以三维高速影像、三维动态测力、多道肌电测量同步的新进程[32]。Noriko Nagata等人[33]运用三维影像和运动捕捉技术手段相结合发现了肩部和臀部运动是彼此孤立的这一拉丁舞运动的重要特征。国内等人[11]采用了三维录像对芭蕾基本动作“一位跳”进行测试, 得到了相应的力学参数, 为跳跃动作的科学训练提供了理论依据。李博等人[34]采用美国ARIEL三维图像解析系统对古典芭蕾舞挥鞭腿转难度动作中摆动腿的基本特点进行研究找到了其中的规律。

　　4.2 动力学研究方法

　　动力学方法主要包含两种方法:三维测力台测试方法和等速测力仪测试方法。其中足底压力的测量方法较为常见[22]。主要参数有力、力矩、冲量、动量、转动惯量等[35]。

　　由于实验仪器相对容易采购以及实验测试方法较为简单等原因, 国内在关于舞蹈演员足底压力参数方面的研究还相对较多。根据荣明和李建设等人的研究[36], 女性拉丁舞运动员在visk舞步中身体重心会向前倾使得足底压力集中至前掌, 同时特征性旋转动作导致外侧跖骨压力显着增大, 跖趾关节处肌腱也承受较大拉力。此外, 他们的研究[37]还表明随着鞋跟高度的增加, 女性在进行拉丁舞典型基本动作时前足各区域最大压力、峰值压强和冲量均随跟高的增加而增大, 外侧跖骨区的峰值压强和最大压力增速都非常快, 冲量也为裸足正常步态下的14倍左右, 以及双足峰值压强和最大冲量均出现在穿10 cm拉丁舞鞋跳舞时的右脚内侧跖骨区。彭晓倩等[38]从足底压力中心轨迹、足底压强曲线、脚底各个分区的压强峰值和压强峰值时相五个方面研究了拉丁舞不同舞种足底压力动态分布特征并总结出它们的异同点, 姜丽言[39]、程吟[40]、姜兰琼[41]、王天祥[42]等的实验也得到了与之相似的结论。吴礼剑[43]在对初学体育舞蹈和有经验的专业体育舞蹈女运动员常速行走时的足底动力学参数进行对比后发现专业舞蹈运动员足底压力线短于初学者的足底压力线, 两组受试者的足底压强平均值在左足大拇指区、中间跖骨区和足跟区存在显着性差异, 峰值压强也在左足跖骨区、足跟区以及右足足跟区存在显着性差异。

　　而国外的研究人员则更侧重于研究鞋的结构造成的影响以及运动损伤和治疗等方面, 这可能给我们国内学者带来新的思路。例如Stephen J.Pearson等[44]对青少年女性古典芭蕾舞演员穿着四种类型鞋进行足底压力测试后, 指出尖头芭蕾舞鞋对青少年芭蕾舞演员足部发育存在很大的弊端, 同时也提出了相应的建议。M.Procházková等人[45]在对芭蕾舞者进行针对性康复干预后发现芭蕾舞者第二、第三跖骨峰值压力显着增大, 这表明针对性干预导致体重分布更接近脚轴的位移, 使得脚更好地发挥作用。可见, 制定合适的康复训练计划有利于舞者矫正由于长期舞蹈训练造成的足部不健康使用习惯, 同时也建议设计人员在设计拉丁舞鞋时要考虑在趾骨区域尤其是内外侧和大拇指区选择高回弹性材料, 且具备轻质、柔软等特性, 考虑使用局部起点来减小压强, 并且鞋跟设计的不宜过高, 鞋跟底部的接触面积也应该尽量增加等[46]。

　　结论

　　综上可以看出, 将运动生物力学研究方法应用于舞蹈领域已经得到了国内外的热切关注, 总的来说, 关于芭蕾舞和拉丁舞的研究数量最多, 也有少部分研究针对牛仔舞等在世界范围内群体相对较少的舞种, 关于拉丁舞和芭蕾舞的某一特定技术动作的足底压力分布, 正常行走状态下的步态特征等的结论大体一致, 存在的问题就是研究的舞种、测试的动作参数还十分不全面, 没有形成一个完整的体系。此外国内在研发并运用一些先进的生物力学测试仪器进行研究还有很大的不足, 急需迎头赶上。而在运用生物学研究方法这个方面, 整体来看都需要很大的提高, 现有的肌电测试在运用上也只是测定了个别部位点, 没能全面反映舞者在跳舞过程中的生物力学参数水平。

　　运动生物力学研究方法运用于舞蹈领域的展望: (1) 研发在竞技舞蹈比赛现场及时反馈测试分析结果并提供详细报告的仪器设备和方法; (2) 对采集的数据进行模型模拟, 从而对舞蹈技术动作做出预测, 为预防舞蹈损伤、选择康复手段提供方案; (3) 在人体机能代偿能力范围内确定发生损伤的极限指标———最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量和它们的持续时间等, 从而为预防舞蹈损伤提供参考; (4) 测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术将成为今后发展的重点, 主要趋向是遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化; (5) 通过与医学和康复科学的交流合作将会对舞蹈损伤的治疗达到前所未有的新的高度。

　　总之, 运用运动生物力学的方法对舞蹈进行的现有研究都没能形成一套系统的理论体系, 特别是国内在该领域的已有研究还不够深刻, 以及在关于中国古典舞和中国民族民间舞等中国传统舞蹈的运动生物力学研究比较匮乏, 所以更深入全面的研究被期待以促进我国体育事业的发展。

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