“旋风脚720°接马步”落地膝关节损伤的运动生物力学研究

　　随着竞技武术的不断发展，高难度动作成为教练员和运动员训练追求的目标，与此同时，不合理的运动训练引起的损伤成为运动员难以逾越的鸿沟，这就需要通过科学实验，加强对运动技术以及其可能引起的伤病规律进行认识，进而寻找合理的教学、训练方法，达到有效预防伤病的目的。本研究通过文献资料、专家访谈和问卷调查等研究方法，了解到我国竞技武术套路运动员运动损伤情况较为普遍，且运动损伤部位以膝关节为主[2,3],主要表现在难度动作落地阶段； 因此，本研究以典型难度技术动作 “旋风脚720°接马步”动作落地阶段[4]

　　为研究重点； 选取四川省 5 名优秀武术套路运动员针对“旋风脚 720°接马步”动作进行三维摄像测量，获得相关运动特征参数并进行运动生物力学分析，探讨该动作落地时致膝关节损伤的影响因素，为广大教练员和运动员进行科学训练提供参考。

　　1 研究对象与方法
　　
　　1. 1 研究对象
　　
　　旋风脚 720°接马步动作落地时致膝关节损伤。

　　1. 2 研究方法
　　
　　1. 2. 1 文献资料法 通过对中英文全文期刊数据库、中国优秀博士、硕士论文数据库，超星数字图书等资料库，运用武术套路运动损伤、武术动作与膝关节损伤、旋风脚及运动生物力学，physical exercise,knee-joint injury,sports biomechanics 等关键词，查阅中文文献 40 余篇，英文文献 20 余篇，了解并掌握了研究思路和武术套路难度动作损伤的研究现状，为本研究提供理论依据。

　　1. 2. 2 专家访谈法 在进行本研究期间，电话和走访四川省武术队任刚教练、成都体育学院武术队刘金丽教练及国际级裁判温佐惠教授，了解旋风脚 720°接马步动作落地时致膝关节损伤情况，以及该动作扣分点和完成该动作的技术关键。

　　1. 2. 3 问卷调查法
　　
　　1） 为确保研究的严谨及准确，问卷的信度采用克龙巴赫分半信度检验，教练员问卷的信度为0. 85,运动员问卷的信度为 0. 86; 效度检验请成都体育学院武术及运动生物力学专项的专家和教授采用打分方式，内容效度为0. 92,结构效度为0. 91.

　　2） 选取四川省武术队 4 名教练和 13 名一线优秀套路运动员、成都体育学院竞技体校 8 名一线优秀套路运动员、成都体育学院 4 名武术老师和 43 名学生，共计 72 名武术习练者进行问卷调查，主要内容包括：

　　武术难度动作中易致膝关节损伤的动作、旋风脚 720°接马步动作致膝关节损伤的机率、损伤阶段、损伤类型及损伤因素等。发放问卷 72 份，回收问卷 72 份，有效回收率为 100%,并对其进行整理分析。

　　1. 2. 4 三维摄像测量法 摄像测量对象： 四川省武术代表队 5 名优秀运动员（ 2 名男队员，3 名女队员） .运动员基本信息如下（ 表 1） .【1】

　　
　　对四川省武术代表队 5 名优秀运动员进行旋风脚 720°接马步动作的技术数据采集，采用 2 台高速摄像机 JVC9800,2 台摄像机主光轴夹角接近 90°，拍摄频率 50 帧/s,用美国 APAS - 2000 系统做数据处理。

　　每名运动员完成动作 2 次（ 2 轮： 1 轮 1 次） ,取动作技术完整的 1 次，其技术动作质量由聘请的省队 2 名武术教练和 2 名国家级武术裁判进行确认。实验现场如图 1 所示。1. 2. 5 数理统计法 对所获问卷数据和实验解析数据，使 用 EXCEL 软 件 和 国 际 通 用 统 计 软 件 包SPSS17. 0 进行数据统计处理，绘制图表进行分析，并根据不同的研究问题，进行统计学量化分析，P < 0. 05表示有统计学意义。

　　2 结果与分析
　　
　　2. 1 旋风脚 720°接马步动作致膝关节损伤的调查
　　
　　对 72 名（ 见 1. 2. 3） 武术习练者进行问卷调查发现，旋风脚 540°接马步动作和旋风脚 720°接马步动作致膝关节损伤较为突出（ 表 2） ,前者损伤率为 44. 5%,后者损伤率为 83. 3%,2 者总损伤率为 73. 6%,损伤阶段以落地阶段为主，占 84. 9%.类似的，张冰报道，16人中仅旋子转体 720°动作致膝关节损伤有 5 人，损伤比例 34%[5].林小美等对优秀武术套路运动员因练习 C 级难度造成膝关节损伤的调查研究显示： 17 名旋子转体和旋风脚 720 °接马步或接叉等动作致伤的有 9 人，损伤率为 53%[6].魏巍在分析易导致武术套路运动员膝关节损伤的技术动作时发现，84 名中有 75人有过膝关节损伤，损伤率高达89. 3%[7].问卷调查结果及相关文献提示，在武术套路中选用旋风脚720°接马步动作的较为普遍，但成功率并不高[8],膝关节损伤具有普遍性，究其原因，这可能与膝关节的解剖、生理特点及技术动作结构对人体的特殊要求有密切联系[7]【2】

　　
　　2. 2 旋风脚 720°接马步动作致膝关节损伤的主要类
　　
　　型 问卷调查结果显示（ 表 3） : 旋风脚 720°接马步动作致膝关节损伤中，易损伤的膝： 右膝 92. 5% > 左膝7. 5% ; 损 伤 病 程： 慢 性 损 伤 73. 5% > 急 性 损 伤26. 5% ; 损伤易发部位： 半月板损伤 > 膝关节侧副韧带损伤 > 髌骨劳损 > 膝关节交叉韧带损伤，其中，半月板损伤和膝关节侧副韧带损伤居多。这与张忠新[9]和李兆伟[10]等对武术套路运动中常见损伤部位调查结果类似。究其原因，在武术套路运动中“屈膝支撑”是各项目中的共同特征[7],完成旋风脚 720°接马步动作过程中，在膝关节蹬升时，髋关节及股骨扭转会使受到相邻上下骨的挤压、研磨等，超过其承受负荷时，则易导致半月板损伤； 当离地前这种扭转超过关节韧带所承受的范围时易导致侧副韧带和十字韧带 损 伤[7].类 似 的，Liederbach M[11]和 OrishimoKF[12]等从生物力学角度对80 名从高处跳到地面静止过程（ 30cm 高平台单脚着地） 的舞蹈员和运动队运动员的研究结果提示，女性运动队运动员表现出较好的膝外翻能力，舞蹈员有更好的躯体稳定性，而两者落地时有类似的膝关节冠状面对齐相，并认为疲劳可增加前交叉韧带受伤风险，KernozekTW[13]等认为神经肌肉疲劳是前交叉韧带的损伤外部影响因素且有性别差异； Liederbach M 等建议通过合理训练，在着陆技术和日常实践中可获得更高耐力水平以完成相应的难度动作[11].【3】

　　2. 3 旋风脚 720°接马步动作的三维摄像测量结果及分析
　　
　　2. 3. 1 运动员完成旋风脚 720°接马步动作各阶段特征数据
　　
　　参考刘北湘[14]对旋风脚 720°接马步动作划分武术技术动作阶段的方法，结合研究需要，本研究中完成旋风脚 720°接马步动作主要包括起跳缓冲、离地、腾空、落地等阶段。其中，起跳缓冲与离地合为起跳阶段，该阶段是指助跑最后一步到双脚离开地面之前且人体对地面没任何作用力之间的阶段[15]; 腾空阶段是指人体蹬离地瞬时至重心最高点（ 重心速度为零） ,落地阶段是指从运动员重心最高点到马步重心稳定时刻； 落地阶段分为从运动员重心最高点到脚触地瞬间和脚触底瞬间到马步重心稳定（ 落地缓冲阶段） .腾空时间为起跳到落地阶段的时间，最高重心高度是指人体在腾空上升过程中，当速度降为零时重心的高度[14]; 重心上升高度是指最高重心高度与静止直立时重心高度差，缓冲时间是指运动员双脚着地到马步动作进入稳态瞬间的时间。5 位运动员完成旋风脚 720°接马步动作各阶段的三维摄像测量的特征数据（ 表 4） .【4】

　　
　　以李付魁为例（ 图 2） ,该运动员在完成该动作中腾空时间为 0. 72s,最高重心高度为 106. 2cm,重心上升高度为 49. 6cm,缓冲时间为 0. 24s,显着高于其他运动员及文献报道[16]的相关参数，但这 5 位运动员各参数的均值与古福明报道相关指标的均值[16]相似。运动员最高重心高度越高相应地腾空高度越高，越有利于延长身体的滞空时间和完成空中动作，同时有利于落地时的缓冲做准备，这是顺利完成旋风脚 720°接马步动作的重要条件； 但有学者认为腾空高度对旋风脚720°空中转体与落地稳定性的影响有争议，可通过加大起跳时的旋转速度和减小空中的转动惯量来实现加快空中旋转速度的效果[4].根据人体在腾空状态遵循动量矩守恒定律，即转动惯量 I 和角速度 ω 的乘积等于常数，转动惯量它是描述物体转动时保持原来转动状态能力的物理量，转动惯量（ I = mr2） 对同一运动员来讲与其离转轴的垂直距离 r 有关，则运动员可以通过在空中调整肢体动作来改变 r,以改变转动惯量的大小[18],从而完成相应的旋转度数。如果运动员起跳高度和旋转速度不充分，为完成符合难度等级要求的旋转角度，易忽略落地前的旋转缓冲，在旋转惯量和下落重力的作用下，如没能及时捻地旋转并由伸膝到屈膝进行合理的缓冲，极易导致半月板、侧副韧带和十字韧带损伤[7].完成旋风脚 720°接马步动作与运动员起跳、腾空、绕身体纵轴旋转和落地缓冲等各个阶段密切相关，而且动作间相互影响； 由表 4 可知，与李付魁各动作阶段特征参数相比，戴熙莉（ 图 3）的最高重心高度为 85. 9 cm,缓冲时间为 0. 16 s,为更好的完成难度动作，该运动员可在腾空状态做肢体动作调整，改变其转动惯量，有利于获得足够的缓冲[16],以达到保护膝关节的目的。
　　
　　2. 3. 2 运动员完成旋风脚 720°接马步动作落地阶段重心速度与受力情况
　　
　　调研结果显示，武术套路运动员完成旋风脚 720°接马步动作过程中致损伤主要发生在落地阶段。其中落地瞬间是指人体在腾空下降过程中，向下速度逐渐增大，当脚触地瞬间开始受到地面的作用力，向下速度开始减小，由此当人体向下速度最大时的瞬间[14]; 延续这个过程，当速度趋向于零时表示落地最大缓冲瞬间[14].现探讨该动作在落地阶段运动员的重心速度及相关受力情况，其中落地阶段受力计算参考刘北湘[14]的方法。由表 5 可知，运动员落地瞬间重心速度较大，其中垂直速度均值为 -287. 88 cm / s,水平速度均值为 66. 52 cm / s; 落地瞬间主要受到垂直方向的冲力，其均值为 132. 84 kg,其次是水平方向的分力（ 即运动员完成旋风脚 720°动作时向前的水平运动方向[14]） ,均值为 43. 36 kg.根据运动状况效果的大小是由施力大小 F 与时间 t 的乘积（ 即冲量） 决定[18],而冲量 F. △t = m. △v,即 F = m.△v/△t,这提示对同一质量的运动员而言，受力大小与速度及作用的时间有关； 为避免落地冲击力造成人体损伤，应延长落地缓冲时间，减少地面对人体的冲击力[16].

　　以李付魁为例（ 图 4） ,在落地瞬间的垂直速度达- 316. 7 cm / s,水平速度为 59. 1 cm / s,缓冲时间为0. 24 s（ 表 4） ,垂直和水平缓冲速度的改变量分别达307. 4 cm / s 和 - 66. 29 cm / s,其落地总冲力达 163. 9kg 是其体重的 2. 4 倍； 而戴熙莉 （ 图 5 ） 与李付魁相比，各相关指标略小，但落地总冲力 123. 4 kg 是其体重的 2. 2 倍，这说明落地时冲击力与运动员的体重有关，运动员自身体重是较难调整的因素； 但这 2 名运动员可利用腾空阶段使四肢伸开远离旋转轴来增加转动半径 r,以增大转动惯量 I,减小旋转速度，有利于落地缓冲，增加稳定性[4],达到保护膝关节的目的。运动员完成旋风脚 720°接马步动作，在落地缓冲阶段时会受到起跳、腾空、绕身体纵轴旋转等前面动作影响，如果起跳不充分，空中转体动作完成不到位，在重心速度的影响下，以膝关节内旋补偿完成相应难度的旋转度数，如超出其负荷范围，则容易导致半月板、侧副韧带和十字韧带损伤[7].【5】

　　
　　2. 3. 3 运动员落地阶段膝关节角度变化
　　
　　本 研究中，膝关节角度是指同侧髋、膝、踝 3 点构成的夹角。

　　由表 6 可知，经两组配对 t 检验分析，在落地瞬间，左膝关节角度（ 均值 110. 66°） 显着小于右膝关节角度（ 均值 169. 84°） （ P = 0. 000） ; 在最大缓冲瞬间，左膝关节膝角较右膝关节膝角略小，但 2 者差异无统计学意义（ P =0. 254） ; 而在缓冲阶段右膝膝角变化量（ 均值 95. 56°） 显着大于左膝膝角变化量（ 均值 46. 43°）（ P =0. 001） ,提示右膝较左膝易受伤，这与调查结果一致（ 结果 2. 2） .膝关节角度变化的幅度为角位移，膝关节角度变化量越大，相对角位移也越大； 由表 6可知，从落地瞬间到最大缓冲瞬间，左右膝关节角度随着制动，膝关节角度逐渐减小。在完成旋风脚 720°动作接马步动作缓冲阶段，膝关节角度变化量对缓冲作用有一定影响，在角位移和缓冲时间已知时，则根据角速度 W = （ a2- a1） /t,角速度与缓冲时间成反比，而延长缓冲时间可通过肢体动作变化增大转动惯量来实现，以顺利完成难度动作。【6】

　　
　　以李付魁和厉娜为例（ 图 6,图 7） ,在落地瞬间到最大缓冲瞬间，右膝关节角度变化量分别为 86. 0°和107°显着大于左膝关节角度变化量 29. 4°和 55. 8°，这与运动员着地瞬间身体还在扭转关系较大[19]; 提示右膝关节较左膝关节易受伤，原因在于完成旋风脚 720°动作接马步动作落地阶段，膝关节由伸到屈，存在关节肌力弱、保护少、韧带松弛等弱点，导致膝关节周边肌力不均，使关节失去稳定性、不合槽，加上屈膝下蹲姿势导致髌骨与接触面较小、从而压力增大则易出现关节骨损伤。就旋风脚 720°动作接马步动作在落地缓冲阶段，强调运动员有意识的预先将肌肉绷紧，形为“刚体”,这有助于改变骨骼的受力形式，从而可以预防和减少运动损伤的发生； 从运动训练的角度，在对肌力的训练中，注意肌肉收缩部分的同时，增强对肌肉弹性成分的刺激，以达到保护膝关节的目的。
　　
　　3 结论与建议
　　
　　3. 1 结论
　　
　　1） 旋风脚 720°接马步动作落地阶段致膝关节损伤具有普遍性，该动作导致膝关节损伤的主要形式有半月板、侧副韧带、交叉韧带损伤等。

　　2） 落地瞬间产生的冲撞力是旋风脚 720° 接马步动作落地时致膝关节损伤的主要因素，决定落地瞬间冲撞力的影响因素主要是运动员的体重、腾空高度及落地方式。

　　3） 体重是相对不变的量，而腾空高度决定该动作质量完成高低，腾空越高，动作质量越高，同时为落地阶段赢得相应缓冲时间。

　　4） 在体重和腾空高度一定时，人体可以在落地阶段通过调整肢体动作来改变转动惯量和左右膝角的大小，延缓落地过程的时间，达到减少冲撞力峰值目的，以获得合理的缓冲保护膝关节。

　　3. 2 建议
　　
　　1） 从动作完成方式上，强调落地瞬间有意识的预先“绷紧”下肢肌肉，加大下肢的弹性和韧性，提高预伤能力。

　　2） 从身体素质上加强下肢肌肉力量、弹性及柔韧性练习，针对运动员的薄弱环节进行专项训练，提高下肢抗冲撞的能力。

　　3） 从技术上提高技术动作的熟练程度及稳定性，同时加强保护意识，减少不必要的晃动而引发的外加力。

　　参考文献：

　　[1]陈建民 . 对武术南拳中不同难度的旋风脚动作与其链接的难度动作的运动学分析[J]. 北京体育大学学报，2009,32（ 11） : 124 - 126.