李 意，嚴(yán)壯志，司 文

上海大學(xué)上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院(上海，200072)

青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑足底連續(xù)三維力的研究

李 意，嚴(yán)壯志，司 文

上海大學(xué)上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院(上海，200072)

目的 測(cè)量青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑階段足底連續(xù)三維力，以揭示不同水平青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑階段三維力特征。方法 選取10名身體健康高中男性運(yùn)動(dòng)員作為受試者，應(yīng)用作者研發(fā)的新型足底三維測(cè)力跑鞋，測(cè)試與記錄每位受試者100m短跑途中跑階段的足底連續(xù)三維力，并加以分析。結(jié)果 青少年運(yùn)動(dòng)員在沖擊時(shí)相時(shí)Fx分量有明顯的峰值，其中優(yōu)秀組運(yùn)動(dòng)員的Fx第一負(fù)波峰值均值小于對(duì)照組;Fy分量是客觀存在的，優(yōu)秀組運(yùn)動(dòng)員Fy的標(biāo)準(zhǔn)差較對(duì)照組要小，并且優(yōu)秀組運(yùn)動(dòng)員的Fy分量的連續(xù)波動(dòng)更加平穩(wěn);Fy分量與Fz分量具有相同的變化趨勢(shì)。結(jié)論 結(jié)果表明，前撐階段Fx第一負(fù)波峰值對(duì)運(yùn)動(dòng)員向前有阻力的作用;Fy分量是客觀存在的且與Fz分量具有相同的變化趨勢(shì);Fy分量的大幅波動(dòng)影響運(yùn)動(dòng)員的身體平穩(wěn)性，不利于運(yùn)動(dòng)員大腿充分發(fā)力。

青少年運(yùn)動(dòng)員;途中跑;連續(xù)三維力;三維力傳感器

青少年運(yùn)動(dòng)員因?yàn)樯眢w條件的特殊性導(dǎo)致在短跑中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)更容易發(fā)生損傷［5］。陳真對(duì)北京城郊區(qū)的32支青少年田徑運(yùn)動(dòng)隊(duì)運(yùn)動(dòng)損傷患病情況進(jìn)行的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，膝部、踝部、足部損傷占運(yùn)動(dòng)員損傷部位構(gòu)成比為41．43%，造成損傷最主要的原因是技術(shù)動(dòng)作失誤。踝關(guān)節(jié)過(guò)度內(nèi)翻引起的外側(cè)副韌帶損傷在青少年運(yùn)動(dòng)員中常見(jiàn)。如果運(yùn)動(dòng)員在落地時(shí)重心不穩(wěn)，就會(huì)以足前外側(cè)著地，內(nèi)翻而導(dǎo)致外側(cè)副韌帶損傷［6］。青少年短跑運(yùn)動(dòng)員損傷大部分發(fā)生在身體訓(xùn)練和專項(xiàng)輔助訓(xùn)練中，損傷與運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)特點(diǎn)有關(guān)，是身體條件與訓(xùn)練不相適應(yīng)的結(jié)果。對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的根本目的在于挖掘其運(yùn)動(dòng)潛能，如何健全其技術(shù)動(dòng)作與技術(shù)訓(xùn)練對(duì)于處在成長(zhǎng)期的青少年運(yùn)動(dòng)員尤為重要［5］。

隨著三維力傳感器制作工藝的進(jìn)步，傳感器的尺寸越來(lái)越小、質(zhì)量越來(lái)越輕，如何在受試者無(wú)束縛條件下測(cè)量其足地間連續(xù)三維作用力日益成為研究的熱點(diǎn)。Chateau等設(shè)計(jì)了一種馬蹄狀三維力傳感裝置，可測(cè)量不同路面情況下馬蹄與地面間的三維互作用力［7］。Stacy等利用無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)病足患者的連續(xù)步態(tài)分析［8］。Liu等研制出一種穿戴式三維測(cè)力裝置用于在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境慢走時(shí)足底與地面作用力的連續(xù)測(cè)量［9］。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員短跑過(guò)程中足地間連續(xù)三維力的測(cè)量，作者與上海體科所合作研制了可測(cè)量高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)下足底與地面連續(xù)三維測(cè)力的數(shù)字跑鞋。

因此，對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員足底連續(xù)三維力進(jìn)行研究不僅有利于指導(dǎo)其安全訓(xùn)練，更能進(jìn)一步挖掘其運(yùn)動(dòng)潛能提高短跑成績(jī)。本文利用三維力數(shù)字跑鞋對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑階段足底三維受力進(jìn)行研究，分析探討青少年足底連續(xù)三維受力特征以及對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑步成績(jī)的影響。

1 途中跑足地間三維作用力模型

圖1 足地間三維受力分解Fig．1 Composition of 3D impact force

足地間三維力方向如圖1所示。跑步時(shí)，人體的動(dòng)力是靠?jī)赏鹊暮蟮艁?lái)提供的，根據(jù)力的分解，可以把后蹬的支撐反作用力分解為垂直分力和水平分力。當(dāng)水平分力方向和跑動(dòng)方向一致時(shí)，水平分力才能發(fā)揮它的最大作用。如果兩者方向不一致，那么水平分力又可分解成兩個(gè)相互垂直的力，其中一個(gè)方向與運(yùn)動(dòng)方向一致的前進(jìn)動(dòng)力Fx，另一個(gè)力的方向則是指向身體兩側(cè)即橫向剪應(yīng)力Fy。傳統(tǒng)理論認(rèn)為Fx決定了身體重心水平移動(dòng)速度的快慢，F(xiàn)z大小決定了身體重心起伏的程度。迄今的研究較多地關(guān)注Fx和Fz，而對(duì)Fy的研究不多。Fy分量使得人體運(yùn)動(dòng)與前進(jìn)方向有一定的夾角，必然減小向前運(yùn)動(dòng)的推力，從而影響跑速［10］。

2 研究對(duì)象與方法

研究青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑過(guò)程中足地間的三維相互作用力，有助于完整分析青少年運(yùn)動(dòng)員足底受力情況，全面探討足底與地面反作用力的三維分量的曲線特征，健全青少年運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，指導(dǎo)青少年運(yùn)動(dòng)員的安全訓(xùn)練。

2．1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取10名山東魚(yú)臺(tái)某中學(xué)身體健康、身高(176．5 ±7．5)cm、體重(65．4 ±7．6)kg、年齡(18 ±2)周歲的高中男性運(yùn)動(dòng)員作為受試者進(jìn)行試驗(yàn)。10名青少年運(yùn)動(dòng)員的100m最好成績(jī)?cè)?1秒02－12秒30之間。根據(jù)比賽成績(jī)將他們分為優(yōu)秀組和對(duì)照組，每組各五名運(yùn)動(dòng)員。受試者基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況Tab．1 The basic characteristics of subjects

2．2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用上海大學(xué)與上海體育科學(xué)研究所合作研發(fā)的三維測(cè)力跑鞋對(duì)受試者進(jìn)行測(cè)試。該三維測(cè)力跑鞋的測(cè)量范圍F;分辨率;線性誤差;重復(fù)誤差。測(cè)力跑鞋包括專用運(yùn)動(dòng)跑鞋、三維力傳感器、數(shù)據(jù)采集芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片、pc電腦、上位機(jī)顯示軟件［11］，如圖2所示。測(cè)試頻率為30 KHz。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(a)動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置(b)三維測(cè)力傳感(c)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(d)三維測(cè)力跑鞋外觀(e)上位機(jī)顯示軟件Fig．2 Experimental platform(a)Dynamic calibration device(b)3－D force sensor(c)Data acquisition and processing system(d)Appearance of 3D force shoes(e)PC display software

2．3 研究方法

2．3．1 實(shí)驗(yàn)步驟

其次，注漿施工技術(shù)在運(yùn)用過(guò)程中缺乏必要的硬件和軟件支持。在運(yùn)用注漿施工技術(shù)的過(guò)程中，根據(jù)不同的注漿施工技術(shù)方法可能會(huì)需要運(yùn)用到不同的機(jī)器設(shè)備，所以，在建筑施工的過(guò)程中要想發(fā)揮注漿施工技術(shù)的作用一定不能夠缺少機(jī)器設(shè)備的支持。先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備是發(fā)揮注漿施工技術(shù)方法作用的首要前提，所以，在房屋建筑建設(shè)的過(guò)程中首先應(yīng)該要確保機(jī)器設(shè)備的齊全。

(1)跑前做好準(zhǔn)備活動(dòng)，受試者按照規(guī)定穿好三維測(cè)力跑鞋，并進(jìn)行多次練習(xí)，以確保能夠適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，保證跑步符合實(shí)驗(yàn)要求。

(2)起跑點(diǎn)距離測(cè)量點(diǎn)30m，采用蹲踞式起跑，用全速跑測(cè)試3次，跑次中有充分的休息時(shí)間。

(3)跑步命令發(fā)出時(shí)，三維測(cè)力裝置被打開(kāi)，并記錄運(yùn)動(dòng)員起跑時(shí)間、到達(dá)30m處時(shí)間以及到達(dá)60m處時(shí)間。三維傳感器采集的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理單元轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)。上位機(jī)顯示采集數(shù)據(jù)的曲線圖截取30m－60m過(guò)程中共計(jì)30組數(shù)據(jù)，每個(gè)人的數(shù)據(jù)取3次的平均值作為有用數(shù)據(jù)以備后續(xù)分析。

2．3．2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用EXCEL 2007與SPSS PASW Statistics 18相結(jié)合的方法，所有數(shù)據(jù)均采用均值的形式表示。優(yōu)秀組與對(duì)照組測(cè)量參數(shù)均值差異的顯著性檢驗(yàn)使用t檢驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 途中跑三維力曲線圖Fig．3 Curve graphs of 3D force in sprint running

途中跑階段足地間三維力曲線如圖3所示，起點(diǎn)到峰值之間作直線連接。從曲線圖可以看出:Fx分量是與運(yùn)動(dòng)方向在同一水平線上的分量。其中正值表示指向前進(jìn)方向的力，負(fù)值表示指向運(yùn)動(dòng)反方向的力，對(duì)運(yùn)動(dòng)起到阻力作用。Fx分量為零處是前撐階段與后蹬階段的臨界點(diǎn)。Fy分量是三個(gè)分兩中最小的量，正值表示指向右手邊的力，負(fù)值表示指向左手邊的力。Fy分量的存在影響運(yùn)動(dòng)員在高速跑時(shí)身體平穩(wěn)性。Fz總是正值即地面對(duì)足底的反作用總是指向正方向的，是對(duì)人體起支撐作用的力。

途中跑支撐階段可分為前撐階段和后蹬階段，在前撐階段中Fx會(huì)出現(xiàn)第一負(fù)波峰。這是因?yàn)榍皳坞A段身體重心在著地點(diǎn)后面，地面對(duì)足底的反作用力對(duì)運(yùn)動(dòng)員起到制動(dòng)的作用。與Fx的第一負(fù)波峰同時(shí)出現(xiàn)的是Fy的第一波峰和Fz的第一波峰。表2記錄優(yōu)秀組和對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員從30m處開(kāi)始后的連續(xù)10個(gè)周期內(nèi)Fx的第一負(fù)波峰的絕對(duì)值、Fy的第一波峰值和Fz的第一波峰值，且均為平均值。

Fx第一負(fù)波峰值是前撐階段地面對(duì)腳掌的反作用力在運(yùn)動(dòng)反方向上的分量，對(duì)運(yùn)動(dòng)員有阻力的作用。由表3可知，優(yōu)秀組連續(xù)10次Fx第一負(fù)波峰值的均值為575．9牛頓小于對(duì)照組的606．7牛頓，由此可以得出優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員在前撐階段腳掌落地技術(shù)要優(yōu)于對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員，從而減少了落地瞬間地面對(duì)運(yùn)動(dòng)員的阻礙。

表2 前撐階段優(yōu)秀組與對(duì)照組三維力均值(N)Tab．2 Mean of top group and control group＇s 3D force in the phase of impact

在支撐力的三個(gè)分量中，左右方向的分量Fy往往是最小的，并且通過(guò)觀察連續(xù)10次測(cè)量的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)Fy并不是不變的，而是會(huì)上下波動(dòng)。如表4所示，相對(duì)于對(duì)照組5名運(yùn)動(dòng)員，優(yōu)秀組的Fy第一波峰值連續(xù)波動(dòng)更平緩，連續(xù)10次測(cè)量值的方差更小。袁慶成在研究三維反作用力時(shí)提出Fy分量對(duì)運(yùn)動(dòng)員有干擾作用它增加了人體的不穩(wěn)定性，影響跑進(jìn)的直線性，但并沒(méi)有說(shuō)明Fy分量是如何對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)中的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的。由表4可以看出，對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員與優(yōu)秀組運(yùn)動(dòng)員的Fy第一波峰值均值相差并不大，優(yōu)秀組與對(duì)照組Fy第一波峰值方差相差較大，并有顯著性差異p＜0．01。通過(guò)以上分析可以得出Fy第一波峰值連續(xù)波動(dòng)的幅度增加了運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)時(shí)人體不穩(wěn)定性。Fy第一波峰值連續(xù)波動(dòng)幅度較大這可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員在高速跑動(dòng)時(shí)著地技術(shù)存在缺陷，前腳著地方向與運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)方向之間的角度不穩(wěn)定，從而影響了運(yùn)動(dòng)員發(fā)力的穩(wěn)定性。

表3 Fy分量第一波峰值(N)Tab．3 The first wave peak value(N)

由表2可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是優(yōu)秀組還是對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員，總體上Fy分量與Fz分量具有相同的變化趨勢(shì)，對(duì)優(yōu)秀組和對(duì)照組共10名運(yùn)動(dòng)員的Fy、Fz進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，得出有4名運(yùn)動(dòng)員的 Fy、Fz的Pearson相關(guān)系數(shù)大于0．7，兩者之間不相關(guān)的雙尾檢驗(yàn)值小于0．05。圖4是對(duì)照組Fz分量與Fy分量在10個(gè)連續(xù)周期內(nèi)波動(dòng)情況。

圖4 對(duì)照組Fz分量與Fy分量Fig．4 The Fz and Fy component of control group

途中跑支撐階段Fy分量是客觀存在的，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)著地技術(shù)訓(xùn)練并不能消除Fy分量對(duì)人體平穩(wěn)性的影響，但可以通過(guò)訓(xùn)練避免Fy分量的大幅波動(dòng)來(lái)維持身體的平穩(wěn)性。在不考慮Fz分量的影響下，可以計(jì)算出Fx、Fy合力在運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)方向的傾角，其結(jié)果如表4所示。

表4 10名運(yùn)動(dòng)員Fx、Fy合力在前后方向上的傾角Tab．4 The composition angle of Fx and Fy in the forth for 10 athletes

表4所示10名運(yùn)動(dòng)員在支撐階段的Fx、Fy合力在前后方向的傾角，不同對(duì)象其合力在前后方向的傾角是不同的。最小值為27．7°最大值為31．9°，兩者相差4．2°。不僅如此，通過(guò)表2中數(shù)據(jù)我們計(jì)算得出同一個(gè)人在途中跑階段該合力的傾角在連續(xù)10次測(cè)量中的值也是變化的，技術(shù)動(dòng)作穩(wěn)定者其合力的傾角波動(dòng)較小。通過(guò)比較優(yōu)秀組與對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員Fx、Fy合力在前后方向上的傾角，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀組5名運(yùn)動(dòng)員該合力在前后方向的傾角的均值為30．1°、方差為1．6，對(duì)照組5名運(yùn)動(dòng)員該合力在前后方向的傾角的均值為29．1、方差為0．4，兩者無(wú)顯著性差異 p ＞0．05。

4 結(jié)論

(1)青少年運(yùn)動(dòng)員途中跑階段，腳落地時(shí)有短暫的沖擊時(shí)相。在X方向最大值為647牛頓，對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員Fx的均值要大于優(yōu)秀組，其最大值也出現(xiàn)在對(duì)照組。前撐階段Fx第一負(fù)波峰是地面對(duì)腳掌的反作用力在運(yùn)動(dòng)反方向上的分量，對(duì)跑動(dòng)有阻力作用。Fx第一負(fù)波峰值過(guò)大說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員著地技術(shù)存在缺陷應(yīng)引起主意。運(yùn)動(dòng)員著地時(shí)腳掌順勢(shì)積極向前翻滾，并使人體重心快速通過(guò)支撐點(diǎn)有利于克服Fx第一負(fù)波峰值過(guò)大現(xiàn)象。

(2)Fy分量往往是三個(gè)分量中最小的，F(xiàn)y分量的大幅波動(dòng)增加了運(yùn)動(dòng)員途中跑時(shí)身體的不穩(wěn)定性。青少年運(yùn)動(dòng)員由于身體條件的特殊性而導(dǎo)致在短跑中踝關(guān)節(jié)更容易發(fā)生損傷，因此教練員在指導(dǎo)青少年運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)對(duì)Fy分量的平穩(wěn)性引起足夠重視，找到有效的訓(xùn)練方法減小運(yùn)動(dòng)員在跑動(dòng)時(shí)Fy分量的波動(dòng)幅度，這對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)也有重要意義。

(3)總體上Fy分量與Fz分量具有相同的變化趨勢(shì)。在10名受試者中有4名運(yùn)動(dòng)員的Fy與Fz分量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)大于0．7，其中3名屬于優(yōu)秀組，1名屬于對(duì)照組。這也在一定程度上說(shuō)明了以聯(lián)系的觀點(diǎn)來(lái)研究運(yùn)動(dòng)員足地間三個(gè)方向力的必要性，有助于更全面的分析運(yùn)動(dòng)員在跑步時(shí)足底受力情況。

(4)不同運(yùn)動(dòng)員Fx、Fy合力在前后方向的傾角是不同的，最大者與最小者相差4．2°，并且同一名運(yùn)動(dòng)員在連續(xù)10次測(cè)量中該參數(shù)也是變化的;優(yōu)秀組與對(duì)照組運(yùn)動(dòng)員Fx、Fy合力在前后方向的傾角差異并不明顯，即該參數(shù)與運(yùn)動(dòng)員跑步成績(jī)不相關(guān)性。

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Research on the Continuous 3D Impact Force between Shoe Sole and Ground of Young Athletes in Sprint Running

Li Yi，Yan Zhuangzhi，Si Wen
School of communication and information engineering，Shanghai University(Shanghai，200072)

Objective Measuring the continuous 3D impact force between shoe sole and ground of young athletes in sprint running to discuss the characteristic of young athletes＇3D impact force between different levels in sprint running． Methods 10 healthy male athletes with height(176．5 ±7．5)cm、weight(65．4 ±7．6)kg、age(18 ±2)years are used．Every subjects＇continuous 3D impact force between shoe sole and ground are recorded by the new three－dimensional force shoes developed by the author and analyzed． Results Young athletes＇Fxhave obvious wave peak in shock stage．The first negative wave peak of top group is less than the control group;Fyis objective with it＇s standard deviation of top group less than the control group．Fzhas the same trend with FyConclusions It imply that first negative wave peak of Fxhas resistance effect to athletes;Fyis objective and has the same trend withFz;The wide fluctuation of Fydecreases body balance，and is against thigh＇s maximum treading force．

young athletes，continuous 3D impact force，3D force sensor

R319

A

1674－1242(2011)03－0134－05

10．3969/j．issn．1674 －1242．2011．03．003

李意，E －mail:lee_eternal@163．com

2011－07－29)