短跑运动控制的生物力学分析

文章编号:1000 677X(2010)09 0037 07体育科学2010年(第30卷)第9期CH INA S PORT SCIENCEVol.30,No.9,37 43,2010.短跑运动控制的生物力学分析Biomechanical Analysis on MovementControl during Sprint Running魏书涛1,刘 宇1,傅维杰1,李 庆2,钟运健1WEI Shu tao1,LIU Yu1,FU Wei jie1,LI Qing2,ZH ONG Yun jian1摘 要:目的:通过建立短跑最高速阶段下肢的生物力学模型,探讨短跑运动下肢肌肉在多关节运动中协调、控制功能的生物力学机制,为短跑技术分析、技术最佳化提供依据。

方法:使用三维红外高速摄像系统(300H z)、三维测力台(1200Hz)采集8名高水平短跑运动员在塑胶跑道上全力跑动时的数据。

使用环节互动动力学分析短跑最高速时一个步态周期的运动学、动力学数据。

研究结果:1)触地初期,地面反作用力通过膝关节和髋关节前方,在膝、髋关节处产生伸膝、屈髋力矩的外力矩(EXF),此时肌肉力矩(M US)的主要作用是对抗地面反作用力产生的外力矩(EXF)。

此时,膝、髋关节处最大MU S分别为203.40 93.60Nm和455.24 198.72Nm;蹬伸末期,在髋关节处出现较大的由大腿加速度和髋线加速度产生的惯性力矩(INT),在离地后小腿后摆运动中起到积极作用;2)摆动初期,小腿的后摆主要是惯性力矩引起的;摆动末期肌肉力矩(M US)与惯性力据(IN T)出现最大值,膝关节处为249.32 38.81Nm、194.01 30.90Nm,髋关节处为650.81 101.06Nm、410.8078.67N m。

结论:支撑期,肌肉力矩(M U S)和地面反作用力产生的外力矩(EXF)是主要控制下肢运动的主要力矩。

支撑末期,大腿加速度及髋线加速度在髋关节处产生较大的惯性力矩(INT),为离地后小腿的积极后摆提供帮助;腾空期,摆动腿的运动主要受肌肉力矩(MU S)和惯性力矩(INT)控制,其中,惯性力矩(IN T)主要由小腿的角加速度产生的,两力矩相互作用,以控制与完成下肢的目标动作。

关键词:环节互动动力学;运动控制;关节力矩;短跑Abstract:T he pur po se of this study was to analyze the movement contr ol of the low er extr emity by using bio mechanical model dur ing spr int r unning and prov ide the basis for technical analysis and o pt imization of spr int running.M etho ds:T hr ee dimensional v ideo g raphic and g ro undreactio n fo rce(GRF)data wer e co llect ed fr om8outstanding male sprint runners perfo rmingspr int running at their max imum effor t.T he inter seg mental dy namics w as quant ified and thekinemat ics,the g ro und r eact ion f orce were analyzed dur ing a r unning gait cycle of the max imalspeed phase in sprinting.R esult s:Dur ing the initial stag e o f stance phase,t he g round r eactionfor ce passes t hr ough in fr ont of knee and hip joint,pro duces a knee ex tension tor que and hipflex io n to rque.T o co unteract the to rque of GRF,the hamstring muscle co nt racted and pr oduceda f lex ion tor que at knee(203.40 93.60N m)and an extension t orque at hip(455.24198.72N m).At the hip joint,T he IN T due to thig h ang ular accelerat ion and hip velocity hascontributio ns to back swing of leg dur ing later stance phase.Dur ing initial sw ing phase,T heIN T due to leg and thig h angular acceler at ion and hip acceleration has contributio ns to backswing o f leg.T he M U S and the IN T are the dominating tor ques and their maximal v alues wer e249.32 38.81N m,194.01 30.90Nm at knee joint and650.81 101.06N m,410.8078.67N m at hip joint respectiv ely dur ing later sw ing.Conclusio ns:D ur ing st ance phase,themuscle to rques and the gr ound reactio n t orques ar e the ma in t orques that tends to counter acteach o ther for contro lling t he mo vement.T he IN T due to thig h ang ular acceleration and hip velocity has contr ibutio ns t o back sw ing of leg during later stance phase.D ur ing sw ing phase,segment mo vement is co nt rolled mainly by active muscle t orques and motion dependent to rques(due to leg angular acceleratio n),and their functions w ere o pposite and canceled out.Key words:seg ment inter action;movement contr ol;j oint tor que;s p r int r unning中图分类号:G804.6 文献标识码:A收稿日期:2010 05 30; 修订日期:2010 08 30基金项目:国家自然科学基金项目(30871210);上海科委项目(08490512700);上海市 东方学者基金!资助项目。

作者简介:魏书涛(1980 ),男,山东临沂人,在读博士研究生,主要研究方向为运动生物力学,Tel:(021)51253239,E mail:qfw st@;刘宇(1959 ),男,河北张家口人,教授,博士,德国科隆体育大学博士后,主要研究方向为运动生物力学的理论与方法、体育工程,Email:yuliu @;傅维杰,男,浙江嘉善人,在读博士研究生,主要研究方向为运动生物力学。

作者单位:1 上海体育学院运动科学学院,上海200438;2 清华大学体育部,北京1000841 Shanghai University of S port,Shanghai 200438,Chi na;2.T singh ua Un iversity,Beijing 10084,Ch ina.1 前言短跑运动成绩主要受运动员在腾空期下肢快速摆动能力、支撑期承受地面反作用力冲击能力以及快速产生推蹬反作用力能力的影响[13,25]。

因此,针对下肢三环节间的相互作用力矩和它们在膝、髋关节处产生的影响进行研究,有利于帮助运动员和教练员了解短跑运动中支撑期与腾空期下肢肌肉协调、控制运动的功能,进一步理解人体多关节运动控制的生物力学机制,并为技术分析、技术最佳化提供依据。

环节互动动力学必须是通过对肢体运动的动力学方程的逆过程表达式进行重新整理,以分别计算主动的肌肉力和被动的反作用力的分量,据此,探讨人体运动如何受到主动力和被动力的影响,特别是运动过程中出现的肢段间的相互作用现象。

它已经被应用在对闭链系统(closed linked system)运动(如跑的支撑期)[6,12]及开链系统(openlinked systems)运动(如踢、投,跑的腾空期)[8,10,11,16,18,20]的研究中。

其中,Hunter 等人[12]已对短跑支撑期的肌肉力矩和外力矩进行了研究,但他们的研究局限在短跑加速阶段。

M ann[14,15]等人在对短跑的研究中首次计算了肌肉力矩,发现肌肉在膝关节处产生了一个使膝关节屈的力矩,这一力矩由摆动末期一直延续到支撑初期。

针对这一现象,M ann 等人的解释为:在接续摆动后期的着地动作中,大腿带动小腿快速下压,膝关节屈膝力矩的作用是向后快速抓地,配合髋关节伸展带动身体向前,使身体快速通过支点正上方。

此论述虽在现象上解释了这一力矩的功能,但在力学原理上无法自圆其说。

因为跑步支撑阶段,身体受到重力与地面反作用力的作用,所产生的结果,一般认为会使下肢关节受到压缩,而此时如果主动肌肌肉力矩的作用为使关节屈曲,那膝关节岂不坍塌(collapse)而无法支撑身体?因此,M ann 等人的解释并不能完全令人信服。

此后,M ann 、Putnam [14 18]等人在对短跑腾空期及踢球等开链运动模式的研究中发现,用于平衡肌肉力矩(M U S)的力矩是由运动引起的惯性力矩(INT ),但研究并没有提及惯性力矩主要来自于环节运动的哪个分量,而且受试者的运动速度较低,不利于分析惯性力矩对运动控制造成的影响。