李樹(shù)屏

下肢打水在水中游進(jìn)中的推力和控制機(jī)制

李樹(shù)屏

下肢擊水的核心目標(biāo)是增大游進(jìn)的推力。從能量的角度分析，動(dòng)力（推力）和阻力都來(lái)自于渦旋。高效率的推進(jìn)依賴(lài)游進(jìn)者的身體與流體流動(dòng)環(huán)境相互作用的優(yōu)化，即渦旋強(qiáng)度的平衡。高水平的打水模式是：下肢各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動(dòng)向足部方向產(chǎn)生正弦波動(dòng)，振動(dòng)速度不發(fā)生衰減。人體系統(tǒng)無(wú)論對(duì)熟悉（如：腳蹼）還是不熟悉的任務(wù)型約束（如：腿蹼），在相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式未建立起來(lái)之前，都可以迅速地在訓(xùn)練前期加以調(diào)節(jié)。當(dāng)任務(wù)型約束為非熟悉形式時(shí)，整合過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)。說(shuō)明運(yùn)動(dòng)練習(xí)手段和輔助訓(xùn)練器材的時(shí)效性是一個(gè)值得關(guān)注的既有理論價(jià)值又有實(shí)踐意義的課題。

下肢打水；推進(jìn)力；動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論；約束；動(dòng)作協(xié)調(diào)

競(jìng)技游泳中對(duì)下肢的作用關(guān)注較少，人們的注意力常常放在身體姿勢(shì)和上肢功能上[1]，這是因?yàn)樾枰揽可现珓澦龃笸七M(jìn)力和身體運(yùn)動(dòng)減小游進(jìn)的阻力[2-4]。實(shí)際上，有研究早已證實(shí)，下肢的打水對(duì)游泳推進(jìn)力的貢獻(xiàn)不容忽視[2，5]。下肢的打水為全身擺動(dòng)提供了一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，使游泳者得以減少阻力、優(yōu)化推進(jìn)力以及旋轉(zhuǎn)的效率[6]。

下肢打水動(dòng)作不僅在競(jìng)賽中有重要作用，而且無(wú)論對(duì)高水平游泳運(yùn)動(dòng)員還是初學(xué)者都是常用的訓(xùn)練和練習(xí)手段。對(duì)無(wú)上肢動(dòng)作的下肢打水的研究主要集中在打水效率的運(yùn)動(dòng)學(xué)，如打水幅度的高低[7]，打水時(shí)足的迎水面積大小[8]等。有研究利用電子量角器比較了自由泳、仰泳和蝶泳打水的下肢角度[9]，發(fā)現(xiàn)，海豚式打水的膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度和屈伸幅度都明顯高于交叉式打水，而踝關(guān)節(jié)角度則無(wú)顯著性差異。在25 m泳池中，0.5 m的水下比較從1.6～3.1 m/s間5種游速下的3種打水方式（自由式打水、海豚式打水和側(cè)位海豚式打水，軀干和上肢成流線型姿勢(shì)）的阻力，結(jié)果表明，在2.2 m/s游速，3種打水方式的阻力并無(wú)差別[10]?；貧w分析表明，自然幅度的海豚式打水的游速明顯高于交叉式打水以及小幅和大幅度的海豚式打水，而踝關(guān)節(jié)和足的大幅度縱向運(yùn)動(dòng)加上較寬的足的面積有利于海豚式打水獲得高的游速[11]。

研究下肢打水技術(shù)的目的主要在于如何提高打水的效果，其關(guān)鍵在于下肢動(dòng)作與環(huán)境（水）之間相互作用的最佳化，這涉及到下肢打水推進(jìn)的生物力學(xué)特征以及動(dòng)作協(xié)調(diào)與優(yōu)化的機(jī)制。

1 下肢打水推進(jìn)的生物力學(xué)

1.1 推進(jìn)模式

NEUHAUS等[12]提出，人體游泳時(shí)腿部的運(yùn)動(dòng)模式可分為2種：（1）海豚式，即2腿并攏擊水；（2）交叉式，即2腿反相運(yùn)動(dòng)，如爬泳，類(lèi)似于魚(yú)類(lèi)的尾部擺振。WEBB[13]根據(jù)魚(yú)類(lèi)的身體形狀和運(yùn)動(dòng)方式將魚(yú)類(lèi)的推進(jìn)模式分為3種類(lèi)型，即全身加尾鰭周期性擺動(dòng)型（BCF-p型）、全身加尾鰭快變（出發(fā)和轉(zhuǎn)向）型（BCF-t型）和半身加腹鰭擺動(dòng)型（MPF型）。相對(duì)于人體的運(yùn)動(dòng)，BCF和MPF型分別對(duì)應(yīng)游泳時(shí)下肢和上肢的動(dòng)作（見(jiàn)圖1）。BCF模式是從身體的前部開(kāi)始擺動(dòng)一直到尾部，其中，從頭頂部就開(kāi)始擺動(dòng)直至全身，稱(chēng)為全身波動(dòng)，如鰻鱺科的游動(dòng)，這種游進(jìn)方式的加速性和機(jī)動(dòng)性好，但能耗很高。半身波動(dòng)從身體的下半部開(kāi)始，速度、效率和機(jī)動(dòng)性較高，如anguilliform（見(jiàn)圖2）。尾部波動(dòng)或圍繞某支點(diǎn)的擺振，這是速度最快且效率最高的推進(jìn)模式，為金槍魚(yú)、海豚和鯊魚(yú)等采用。

MPF模式是從身體擺動(dòng)方式（如rajiform）到完全依靠鰭的擺動(dòng)（如labriform）。labriform模式中還可分為2類(lèi)，阻力型（搖櫓型）推進(jìn)和升力型（拍振型）推進(jìn)，采用哪種形式，取決于游進(jìn)的速度。阻力型（搖櫓型）推進(jìn)在低速游進(jìn)時(shí)效率較高，而升力型（拍振型）推進(jìn)在高速游進(jìn)時(shí)效率較高，人體游泳時(shí)上肢的運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似于labriform模式[14-15]。

圖1 魚(yú)類(lèi)推進(jìn)器（鰭）類(lèi)型與推進(jìn)模式關(guān)系[13]

圖2 BCF模式漸進(jìn)圖[16]注：（a）為 anguilliform，（b）為 subcarangiform，（c）為 carangiform，（d）為thunniform mode。

1.2 推力產(chǎn)生機(jī)制

對(duì)水生生物運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)研究始于LIGHTHILL[17]和WU[18]，研究焦點(diǎn)主要圍繞在水生生物的身體或鰭運(yùn)動(dòng)時(shí)是否產(chǎn)生逆卡門(mén)渦列作為推進(jìn)力的渦旋的特性。盡管對(duì)水生生物2種運(yùn)動(dòng)模式（subcarangiform和carangiform型（下半身波動(dòng)），thunniform和ostraciiform型（主要由尾部擺振））的數(shù)學(xué)處理上有所不同，但從渦旋的特性入手的思路主導(dǎo)了對(duì)水生生物推進(jìn)力的研究。

LIGHTHILL的細(xì)長(zhǎng)體理論是廣泛應(yīng)用于波動(dòng)式游進(jìn)分析的方法。根據(jù)細(xì)長(zhǎng)體理論，身體的每一個(gè)波動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生向后的動(dòng)量，依次在兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)律的渦旋傳遞到尾波，形成渦列。LIGHTHILL首先提出逆卡門(mén)渦列為推進(jìn)力源的觀點(diǎn)，并被應(yīng)用到單個(gè)或成群的魚(yú)類(lèi)和水生哺乳動(dòng)物的游進(jìn)分析[19-21]，以及人體的蹼泳運(yùn)動(dòng)分析中[22-25]。波動(dòng)的推力可根據(jù)細(xì)長(zhǎng)體理論由身體環(huán)節(jié)波動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力計(jì)算（見(jiàn)圖3）。

圖3 反向卡門(mén)渦列圖

對(duì)擺振式游進(jìn)（如海豚、鯊魚(yú)等）的研究還包括尾翼的翼型（高展弦比，如新月?tīng)钗惨恚27-28]，從硬板式尾翼到三維可變形尾翼，以及不同形狀下大幅度運(yùn)動(dòng)或小幅度運(yùn)動(dòng)的分析[21]。

近10多年來(lái)，基于對(duì)非定常流控制受到關(guān)注[29-31]，研究證明，許多魚(yú)類(lèi)可以借助非定常流的能量加強(qiáng)推力和機(jī)動(dòng)性。通過(guò)自身的動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)，魚(yú)類(lèi)可以做到高效地游進(jìn)，可以產(chǎn)生大的推力和調(diào)節(jié)力，以及使用最小的能耗順滑地游過(guò)流體[31]。

自從LIGHTHILL早期提出概念化的“細(xì)長(zhǎng)體理論”以來(lái)，數(shù)學(xué)力學(xué)模型得到了明顯的改進(jìn)，以適應(yīng)大幅度的波動(dòng)分析[32-33]，中心線以及尾翼與腹鰭產(chǎn)生的渦列的相互作用[34-36]。WU[18]提出了二維波面理論，將魚(yú)類(lèi)作為彈性板處理。身體的厚度對(duì)推力和阻力的影響也有研究[37-38]。KATZ和WEITHS[39]研究了身體彈性的影響。波動(dòng)板理論的線性和非線性擴(kuò)展分析也有研究[40-43]。

1.3 推力和效率的平衡

水生生物運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果可以為人體游泳所借鑒，特別是逆卡門(mén)渦列以及能量的再利用。一些研究者研究了卡門(mén)渦列在水下打水和腳蹼游進(jìn)[22-24，44-47]。當(dāng)尾鰭在最高點(diǎn)開(kāi)始向下打水時(shí)，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻臏u旋，形成對(duì)后方的水的沖量，從而水對(duì)腳蹼（人體）產(chǎn)生向前的反作用力沖量；當(dāng)腳蹼在最低點(diǎn)開(kāi)始向上打水時(shí)，產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻臏u旋，同樣形成對(duì)后方的水的沖量，水仍然對(duì)腳蹼（人體）產(chǎn)生向前的反作用力沖量（見(jiàn)圖3（a））。

尾渦的產(chǎn)生必須受到控制，一方面，需要產(chǎn)生足夠多的渦旋以獲得推進(jìn)力；另一方面，人們需要避免過(guò)多的渦旋消耗過(guò)多的不能再利用的能量，在推力和能耗中取得平衡。這種平衡部分取決于渦旋與人體相應(yīng)部位的相互作用。由此可見(jiàn)，打水在運(yùn)動(dòng)模式優(yōu)化中的重要作用。

由此得出的關(guān)鍵概念是，游進(jìn)者必須發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生適量的分布渦旋（卡門(mén)渦列），無(wú)論是波動(dòng)還擺振型游進(jìn)。平衡點(diǎn)能產(chǎn)生足夠“有用的”渦旋去克服前進(jìn)的阻力，同時(shí)避免產(chǎn)生多余的渦旋以致耗費(fèi)不能再利用的能量。高效率的推進(jìn)依賴(lài)游進(jìn)者的身體和腳蹼與流體流動(dòng)環(huán)境相互作用的優(yōu)化。

近年來(lái)，有關(guān)尾翼諧波擺振產(chǎn)生推力原理的研究取得了顯著的進(jìn)展，連同下肢打水運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，以及數(shù)字模擬單蹼游進(jìn)的研究結(jié)果表明，優(yōu)化的腳蹼擊水模式是身體各部依次波浪形運(yùn)動(dòng)傳遞到末端的腳蹼從而形成卡門(mén)渦列并加以有效的利用，產(chǎn)生推進(jìn)力。

2 下肢打水動(dòng)作協(xié)調(diào)與優(yōu)化

2.1 打水訓(xùn)練與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論

下肢打水動(dòng)作不僅在競(jìng)賽中有重要作用，而且無(wú)論對(duì)高水平游泳運(yùn)動(dòng)員還是初學(xué)者都是常用的訓(xùn)練和練習(xí)手段。動(dòng)作練習(xí)、訓(xùn)練的目的是優(yōu)化動(dòng)作模式，動(dòng)作練習(xí)應(yīng)該在動(dòng)作學(xué)習(xí)的初期盡早進(jìn)行，因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)牧?xí)慣性的動(dòng)作模式一旦形成，就很難改變。

根據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的觀點(diǎn)，作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的行為由大量相互聯(lián)系和相互作用的子系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)的“自組織”（self-organization）功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種由各類(lèi)不同人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部分組合而成的功能單位被稱(chēng)為“協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)”（coordinative structures）或“協(xié)同”（synergies）。這種臨時(shí)的功能組合是有選擇性的，有特定動(dòng)作目標(biāo)的，不受人體生物結(jié)構(gòu)限制的系統(tǒng)組織狀態(tài)，這種協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的可變性是運(yùn)動(dòng)動(dòng)作可塑性的重要理論基礎(chǔ)[48]。

動(dòng)力系統(tǒng)理論被較多的應(yīng)用于考察人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作模式，其主要特點(diǎn)有以下2點(diǎn)。（1）多環(huán)節(jié)系統(tǒng)協(xié)調(diào)分析。WICKELGREN[49]曾在《Science》雜志報(bào)道，小腦受損的病人對(duì)單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制尚屬正常，但對(duì)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉控制則存在動(dòng)作協(xié)調(diào)的功能障礙。這從生物力學(xué)的角度說(shuō)明了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)單環(huán)節(jié)（關(guān)節(jié)）運(yùn)動(dòng)的控制與協(xié)調(diào)是有別于多環(huán)節(jié)（關(guān)節(jié)）的。鑒于人體運(yùn)動(dòng)是多環(huán)節(jié)參與的特性，多環(huán)節(jié)系統(tǒng)的分析有助于更深入地了解人體系統(tǒng)的動(dòng)作控制和演變的規(guī)律。動(dòng)力系統(tǒng)理論在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上采用相位分析等非線性方法，最常用的是從計(jì)算環(huán)節(jié)（或關(guān)節(jié)）的相位角入手，分析環(huán)節(jié)相位角位移—角速度關(guān)系（相平面），和對(duì)任意2個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)相對(duì)的相位關(guān)系（即2個(gè)環(huán)節(jié)相位角位移—角速度參數(shù)的差）。連續(xù)相位關(guān)系的優(yōu)勢(shì)則在于同時(shí)體現(xiàn)2個(gè)環(huán)節(jié)的4個(gè)位移和速度關(guān)系來(lái)研究多環(huán)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制功能。（2）長(zhǎng)程觀測(cè)和重復(fù)測(cè)量。動(dòng)力系統(tǒng)理論的一個(gè)關(guān)鍵概念是“約束”，即人體內(nèi)外環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)的限制。一個(gè)熟練的動(dòng)作形式作為神經(jīng)—肌肉協(xié)調(diào)和控制的優(yōu)化模式，是由身體結(jié)構(gòu)型約束（如身高、體重）、環(huán)境型約束（如溫度、重力）和任務(wù)型約束（如運(yùn)動(dòng)的目的、運(yùn)動(dòng)時(shí)所用運(yùn)動(dòng)裝備）的相互作用決定的[50]。如穿戴不同的蹼（穿在腳上的腳蹼和穿在腿上的腿蹼），人體環(huán)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)模式是不同的，即約束條件決定了動(dòng)作的形式[51]。但多數(shù)研究往往只關(guān)注了人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)約束條件的最初的反應(yīng)，這并不能保證所得到的系統(tǒng)對(duì)約束的反應(yīng)和適應(yīng)的真實(shí)性[52]。

2.2 打水動(dòng)作模式的優(yōu)化

有研究報(bào)道，通過(guò)比較不同水平游泳練習(xí)者打水動(dòng)作模式的橫向研究，分析游泳初學(xué)者在“學(xué)習(xí)游泳”（打水）過(guò)程中與高水平游泳運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作模式的不同之處[1]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著訓(xùn)練任務(wù)的完成，各水平游泳初學(xué)者在打水訓(xùn)練中下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)趨向于采取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)幅度，從而產(chǎn)生簡(jiǎn)單的正弦運(yùn)動(dòng)。對(duì)髖、膝、踝關(guān)節(jié)豎直運(yùn)動(dòng)的傅里葉分析計(jì)算出身體波動(dòng)的傳遞速度以及生物學(xué)噪聲和變異度。髖-膝和膝-踝波動(dòng)速度比指數(shù)表明，多數(shù)低水平的游泳練習(xí)者下肢關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)程度沒(méi)有達(dá)到高打水效率的要求。而有明顯的證據(jù)顯示，高水平的打水動(dòng)作特征是：各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動(dòng)向足部方向產(chǎn)生正弦波動(dòng)，振動(dòng)速度不減小甚至增大，生物學(xué)噪聲低和變異度小。

通過(guò)熟悉任務(wù)型約束的不同組合形式，運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)快速適應(yīng)競(jìng)賽中約束條件的各種變化，這種適應(yīng)約束條件變化的能力（速度）取決于2個(gè)因素。（1）運(yùn)動(dòng)員是否“熟悉”該任務(wù)約束。熟悉的任務(wù)約束定義為在訓(xùn)練中經(jīng)常出現(xiàn)的約束，非熟悉的任務(wù)約束則是訓(xùn)練中從未出現(xiàn)過(guò)的約束形式。（2）任務(wù)約束變化的引入是否會(huì)使得動(dòng)作模式需要優(yōu)化。因此，當(dāng)任務(wù)型約束發(fā)生變化時(shí)，會(huì)有4種情況出現(xiàn)：（1）形成新的動(dòng)作模式以適應(yīng)非熟悉的任務(wù)型約束；（2）形成新的動(dòng)作模式以適應(yīng)熟悉的任務(wù)型約束；（3）以不變的運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)肌肉的協(xié)同作用應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)約束條件以適應(yīng)非熟悉的任務(wù)型約束[53]；（4）以不變的運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)肌肉的協(xié)同作用應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)約束條件以適應(yīng)熟悉的任務(wù)型約束。

2.3 打水動(dòng)作模式形成和演變的機(jī)制

有關(guān)訓(xùn)練的次數(shù)（時(shí)間與頻率）與適應(yīng)任務(wù)型約束變化的研究少見(jiàn)報(bào)道。目前的研究有2個(gè)值得注意的問(wèn)題：（1）多數(shù)研究沒(méi)有涉及在不同約束條件之間，優(yōu)化的動(dòng)作模式在什么程度上是不同的；（2）多數(shù)研究往往只關(guān)注了人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)約束條件的最初反應(yīng)，這并不能保證所得到的系統(tǒng)對(duì)約束的反應(yīng)和適應(yīng)的真實(shí)性[53]。

根據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論，肌肉系統(tǒng)會(huì)自組織協(xié)同以適應(yīng)給定的約束條件下的運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)約束條件形成動(dòng)作模式的速度取決于系統(tǒng)尋找“顯現(xiàn)因子”所需的時(shí)間。因此，當(dāng)需要形成新的動(dòng)作模式但缺乏對(duì)特定約束條件的體驗(yàn)（經(jīng)驗(yàn)）時(shí)，系統(tǒng)的適應(yīng)（調(diào)節(jié)）過(guò)程就會(huì)較長(zhǎng)。上文表明，高效的下肢打水動(dòng)作是肢體各環(huán)節(jié)依次由近端向遠(yuǎn)端作正弦波動(dòng)，由于系統(tǒng)“知道”最佳動(dòng)作模式的特征，因而有助于加快對(duì)變化的約束的適應(yīng)而無(wú)需尋找感覺(jué)-運(yùn)動(dòng)因子去優(yōu)化建立新的動(dòng)作模式[50，53]。在訓(xùn)練中，教練或老師的任務(wù)是利用各種任務(wù)約束手段來(lái)幫助練習(xí)者、運(yùn)動(dòng)員找到基本的和個(gè)性化的動(dòng)作協(xié)調(diào)方案[54]，以及模擬競(jìng)賽條件進(jìn)行訓(xùn)練?？梢?jiàn)，從任務(wù)約束結(jié)構(gòu)和組織訓(xùn)練環(huán)境的角度看，教練的作用是不可或缺的[54-55]。

使用腳蹼來(lái)訓(xùn)練下肢打水動(dòng)作，滿(mǎn)足改變?nèi)蝿?wù)型約束而不引起改變基本動(dòng)作模式的條件。游泳練習(xí)者經(jīng)常使用腳蹼訓(xùn)練，因而腳蹼與腿部打水不同，但熟悉的任務(wù)型約束條件，一種新型的穿在小腿上的腿蹼則提供了不同，但為大多數(shù)游泳練習(xí)者不熟悉的任務(wù)型約束條件（見(jiàn)圖4）。使用腿蹼可以減小膝關(guān)節(jié)的受力，同時(shí)在打水時(shí)使下肢三環(huán)節(jié)變成了二環(huán)節(jié)系統(tǒng)。這樣，練習(xí)者不僅要適應(yīng)腿部力矩的變化，而且要適應(yīng)三環(huán)節(jié)系統(tǒng)壓縮為二環(huán)節(jié)系統(tǒng)的變化，即第2個(gè)環(huán)節(jié)加長(zhǎng)（小腿+足）。

圖4 腿蹼（a）和腳蹼（b）

SANDERS等[56]研究了下肢打水在無(wú)蹼、腳蹼和腿蹼條件下，即任務(wù)型約束變化條件下的調(diào)節(jié)適應(yīng)過(guò)程。9位達(dá)到競(jìng)賽年齡的少年游泳練習(xí)者（11～14歲）隨機(jī)分為腿蹼組、腳蹼組和無(wú)蹼對(duì)照組，受試者均有經(jīng)常使用腳蹼作打水練習(xí)的經(jīng)驗(yàn)。有蹼組在訓(xùn)練前進(jìn)行5次無(wú)蹼打水測(cè)試，完成60次帶蹼訓(xùn)練（每周10次）后，再進(jìn)行10次無(wú)蹼打水測(cè)試?？刂平M則只參加訓(xùn)練前的5次和訓(xùn)練后的10次無(wú)蹼打水測(cè)試。所有訓(xùn)練和測(cè)試均用測(cè)試游泳池裝備的數(shù)字化水下影像記錄系統(tǒng)記錄，并采用APAS計(jì)算機(jī)影像解析系統(tǒng)數(shù)字化解析所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)。受試者的運(yùn)動(dòng)模式與任務(wù)約束的契合程度采用對(duì)髖、膝、踝關(guān)節(jié)豎直運(yùn)動(dòng)的傅里葉分析，計(jì)算出髖-膝和膝-踝波動(dòng)速度比指數(shù)加以判定。結(jié)果表明，無(wú)論是腿蹼組還是腳蹼組，重建適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)模式的調(diào)節(jié)過(guò)程都發(fā)生在第一次訓(xùn)練節(jié)段，即前10次帶蹼訓(xùn)練中，但非熟悉任務(wù)型約束變化組（腿蹼組）在10次訓(xùn)練后的打水動(dòng)作仍未達(dá)到優(yōu)化的程度。

3 小 結(jié)

優(yōu)化的腳蹼擊水模式，是身體各部依次波浪形運(yùn)動(dòng)傳遞到末端的腳蹼從而形成卡門(mén)渦列并加以有效利用，產(chǎn)生推進(jìn)力。關(guān)鍵是，一方面需要產(chǎn)生足夠的“有用的”渦旋去克服前進(jìn)的阻力；另一方面，避免產(chǎn)生多余的渦旋以致耗費(fèi)不能再利用的能量。高效率的推進(jìn)依賴(lài)游進(jìn)者的身體和腳蹼與流體流動(dòng)環(huán)境相互作用的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，本文論述了在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論框架下打水動(dòng)作模式的優(yōu)化及動(dòng)作模式形成和演變的機(jī)制。高水平的打水模式是下肢各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動(dòng)向足部方向產(chǎn)生正弦波動(dòng)，振動(dòng)速度不發(fā)生衰減。人體系統(tǒng)無(wú)論對(duì)熟悉還是不熟悉的任務(wù)型約束，在相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式未建立起來(lái)之前，都可以迅速地在訓(xùn)練前期加以調(diào)節(jié)，但快速的調(diào)節(jié)并不妨礙肌肉持續(xù)微調(diào)整合打水動(dòng)作，即當(dāng)任務(wù)型約束為非熟悉形式時(shí)，整合過(guò)程會(huì)長(zhǎng)于熟悉任務(wù)型約束。

[1]SANDERS R H.Kinematics，coordination，variability，and noise in the prone flutter kick at different stages of a learn to swim program[J].Journal of Sports Sciences，2007，25：213-227.

[2]ADAMS M.Thoughts on the crawl stroke[J].Swimming technique，2000，37（2）：17-23.

[3]ARELLANO R，BROWN P，CAPPAERT J，et al.Analysis of 50-，100-，and 200-m freestyle swimmers at the 1992 Olympic Games[J].Journal of applied biomechanics，1994，10（2）：189-199.

[4]KENNEDY P K，BROWN P L，CHENGALUR S N，et al.Analysis of male and female Olympic swimmers in the 100-meter events[J].International journal of sport biomechanics，1990，6：187-197.

[5]HOLLANDER A P，DE GROOT G，VAN INGEN SCHENAU G J，et al.Contribution of the legs to propulsion in front crawl swimming[M].Champaign，IL：Human Kinetics，1988.

[6]MAGLISCHO E W.Swimming Even Faster[M].CA：Mayfield，1993.

[7]ALLEY L E.An analysis of water resistance and propulsion in swimming the crawl stroke[J].Research quarterly，1952，23：257-270.

[8]FUJIWARA H，OGITA F.Effects of the foot frontal area and the lower limbs flexibility on the maximal swimming velocity during leg kick and whole body stroke of front crawl[D].Japan：University of Tokyo，1997.

[9]SHEERAN T J.Electrogoniometric analysis of the knee and ankle of competitive swimmers[J].Journal of human movement Studie，1980，6（3）：227-235.

[10]LYTTLE A D，BLANKSBY B A，ELLIOTT B C，et al.Net forces during tethered simulation of underwater streamlined gliding and kicking techniques of the freestyle turn[J].Journal of sport sciences，2000，18：801-807.

[11]CLOTHIER P.Underwater kicking following the freestyle tumble turn[EBOL].http：//www.digthesis.ballarat.edu.au/adt/public/adt-ADT2005 1026.161431/index.html.

[12]NEUHAUS P D，O’SULLIVAN M，EATON D，et al.Concept designs for underwater swimming exoskeletons.Proceedings of the 2004 IEEE international conference on robotics and automation，New Orleans，LA April 2004[EBOL].http：//www.ieeexplore.ieee.org/iel5/9126/28923/01302493.pdf.

[13]WEBB P W.Body form，locomotion and foraging in aquatic vertebrates[J].American zoologist，1984，24：107-120.

[14]SCHLEIHAUF R E.A hydrodynamic analysis of swimming propulsion[M].Maryland：University Park Press，1979.

[15]TOUSSAINT H，TRUIJENS M.Biomechanical aspects of peak performance in human swimming[J].Animal biology，2005，55（1）：17-40.

[16]LINDSEY C C.Form，function and locomotory habits in fish[M].London：Academic Press，1978.

[17]LIGHTHILL M J.Note on the swimming of slender f i sh[J].Journal of fluid mechanic，1960，9：305-317.

[18]WU T Y.Swimming of a waving plate[J].Journal of fluid mechanics，1961，10：321-344.

[19]WEIHS D，WEBB P W.Optimization of locomotion[M].New York：Praeger，1983.

[20]MüLLER U，VAN DEN HEUVEL B，STAMHUIS E，et al.Fish foot prints：morphology and energetics of the wake behind a continuously swimming mullet[J].Journal of experimental biology，1997，200：2893-2896.

[21]SFAKIOTAKIS M，LANE D M，DAVIES B C.Review of fish swimming models for aquatic locomotion[J].IEEE journal of oceanic engineering，1999，24（2）：237-252.

[22]李樹(shù)屏.人體與運(yùn)動(dòng)器械在流體中的阻力和動(dòng)力[J].浙江體育科學(xué)，1998，20（6）：34-38.

[23]LI S，HONG Y，LUK T C.The power initiating point and tail vortex in scuba swimming[D].Hong Kong：The Chinese University of Hong Kong，2000.

[24]李樹(shù)屏.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[25]ARELLANO R，PARDILLO S，GAVILAN A.Underwater undulatory swimming：kinematic characteristic，votex generation and application during the start，turn and swimming strokes[D].Spain Universidad de Extremadura，Caceras，2002.

[26]TRIANTAFYLLOU M S，TRIANTAFYLLOU G S.An efficient swimming machine[J].Scientific American，995，272：64-70.

[27]LIGHTHILL M J.Aquatic animal propulsion of high hydromechanical efficiency[J].Journal of fluid mechanics，1970，44：265-301.

[28]WU T Y.Hydrodynamics of swimming propulsion.Part 2.Some optimum shape problem[J].Journal of fluid mechanics，1971b，46：521-544.

[29]TRIANTAFYLLOU M S，TRIANTAFYLLOU G S，YUE D K P.Hydrodynamics of fishlike swimming[J].Annual review of fluid mechanics，2000，32：33-53.

[30]COLGATE J E，LYNCH K M.Mechanics and control of swimming：a review[J].IEEE journal of oceanic engineering，2004，29（3）：660-673.

[31]BEAL D N，HOVER F S，TRIANTAFYLLOU M S，et al.Passive propulsion in vortex wakes[J].Journal of fluid mechanics，2006，549：385-402.

[32]LIGHTHILL M J.Large-amplitude elongated-body theory of fish locomotion[J].Proc.R.Soc.Lond.B，1971，179：125-138.

[33]WARDLE C S，REID A.The application of large amplitude elongated body theory to measure swimming power in fish[M].New York：Academic，1977.

[34]WU T Y.Hydrodynamics of swimming propulsion.Part 1.Swimming of two dimensional flexible plate at variable forward speed in an inviscid fluid[J].Journal of fluid mechanics，1971a，46：337-355.

[35]WU T Y.Hydrodynamics of swimming propulsion.Part 2.Some optimum shape problem[J].Journal of fluid mechanics，1971b，46：521-544.

[36]WU T Y.Hydrodynamics of swimming propulsion.Part 3.Swimming and optimum movement of slender fish with side fins[J].Journal of fluid mechanics，1971c，46：545-568.

[37]NEWMAN J N.The force on a slender fish-like body[J].Journal of fluid mechanics，1973，58（4）：689-702.

[38]NEWMAN J N，WU T.A generalized slender-body theory for fish-like forms[J].Journal of fluid mechanics，1973，57：673-93.

[39]KATZ J，WEIHS D.Hydrodynamic propulsion by large amplitude oscillations on an airfoil with chordwise flexibility[J].Journal of fluid mechanics，1978，88：485-497.

[40]CHENG J Y，ZHUANG L X，TONG B G.Analysis of swimming three dimensional plates[J].Journal of fluid mechanics，1991，232：341-355.

[41]TONG B G，ZHUANG L X，CHENG J Y.The hydrodynamic analysis of fi sh propulsion performance and its morphological adaptation[J].Sadhana-Academy proceedings in engineering and sciences，1993，18：719-728.

[42]CHENG J Y，BLICKHAN R.Note on the calculation of propeller eff i ciency using elongated body theory[J].Journal of experimental biology，1994，192：169-177.

[43]ZHU Q，WOLFGANG M J，YUE D K P，et al.Three dimensional flow structures and vorticity control in fish-like swimming[J].Journal of fluid mechanics，2002，488：1-28.

[44]LI S.Biomechanical study of fin-swimming and fins[M].Vic：Dept.of Physical Education and Recreation，1989.

[45]UNGERECHTS B E，DALY D，ZHU J P.What dolphins tell us about hydrodynamics[J].Journal of swimming research，1998，13：1-7.

[46]UNGERECHTS B E，PERSYN U，COLMAN V.Application of vortex flow formation to self-propulsion in water[M].Jyvaskla：Gummerus Printing House，1999.

[47]UNGERECHTS B，PERSYN U，COLMAN V.Analysis of swimming techniques using vortex traces[D].Hong Kong：The Chinese University of Hong Kong，2000.

[48]DAVIDS K，GLAZIER P，ARAUJO D，et al.Movement systems as dynamic systems：the functional role of variability and its implications for sports medicine[J].Sports medicine，200，33（4）：245-260.

[49]WICKELGREN I.The cerebellum：The brain’s engine of agility[J].Science，1998，281：1588-1590.

[50]NEWELL K M.Constraints on the development of coordination[M].MA：Matinus Nijhof，1986.

[51]CLARK J E.On becoming skillful：patterns and constraints[J].Research quarterly for exercise and sport，1995，66（3）：173-183.

[52]NOURRIT D，DELIGNIèRES D，CAILLOU N，et al.On discontinueities in motor learning：a longitudinal study of complex skill acquisition on a ski-simulator[J].Journal of motor behaviour，2003，35（2）：151-170.

[53]DAVIDS K，BENNETT S，HANDFORD C，et al.Acquiring coordination in self-paced，extrinsic timing tasks：A constraints led perspective[J].International Journal of Sport Psychology，1999，30：437-461.

[54]ARAU J O D，DAVIDS K，BENNETT S，et al.Emergence of sport skills under constraints[M].London：Routledge，2004.

[55]SCHMIDT R A，LEE T D.Motor control and learning[M].Champaign，IL：Human Kinetics，1999.

[56]ROSS S，SHUPING L，JOSEPH H.Adjustment to change in familiar and unfamiliar taskconstraints[J].Journal of Sports Sciences，2009，27（6）：651-659.

Thrustandcontrolmechanismoflowerextremityunderwaterkickinginswimming

Li Shuping
（Center of Motor Control and Evolution，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The core target of lower limbs kicking is to increase swimming thrust.Based on the view of energy analysis，both power（thrust）and resistance are come from the vortex.High efficiency promoting relies on the optimization of interaction between swimmer and fluid flow：the balance of vortex intensity.A high level kicking model is：all joints of the lower extremity generate sine wave to the direction of foot，vibration velocity does not decay.Either to the familiar or to the unfamiliar task constraints，the human system could adjusted quickly in the early stage of training before the corresponding motion mode was estab?lished.When a task constraint is unfamiliar，the integration process would be longer.It indicated that there are theoretical and practical values for the study on the time effectiveness of exercise methods and auxiliary training equipments.

lower limb underwater kicking；Thrust；dynamic system theory；constraint；coordination

G 804.6

A

1005-0000（2014）02-100-05

2013-11-15；

2014-02-08；錄用日期：2014-02-09

李樹(shù)屏（1957-），男，湖北武漢人，教授，博士，研究方向?yàn)樯锪W(xué)。

湖北大學(xué)動(dòng)作控制與發(fā)展研究中心，湖北武漢430062。