劉海濤，江大雷，李海偉，高維緯

起跳高度是起跳后重心達到的最高值與自然站立時的重心高度的差值[1]，它是影響球類體育項目運動員取得理想成績的重要因素。當代籃球運動已表現(xiàn)出高空爭奪的趨勢。高空優(yōu)勢除了與運動員的身高有關(guān)外，卓越的起跳高度也很重要[2]。因此籃球運動員必須具有出色的起跳高度以確保自己的高空優(yōu)勢。所以確定影響起跳高度的關(guān)鍵因素，在訓練中把握這些因素有助于提高起跳高度[3]。

下肢生物力學因素對起跳動作的影響較為密切[2]。Floria等[4]發(fā)現(xiàn)垂直起跳成績好的女性重心運動速度大。吳升扣等人[5]認為蹬伸時間是影響女運動員彈跳效果的重要原因，而Kirby等人[6]發(fā)現(xiàn)蹬伸階段增加觸地時長可以得到更大的垂直起跳速度。井蘭香等人[7]發(fā)現(xiàn)髖、膝、踝關(guān)節(jié)角速度是決定縱跳成績的重要因素。但前人關(guān)于垂直蹬伸力峰值對起跳高度影響的研究結(jié)果不一致。因此，本研究中下肢生物力學指標參考前人關(guān)于運動員縱跳能力、跳躍能力和下肢爆發(fā)力的相關(guān)研究[4-9]，選取了重心垂直運動速度，蹬伸時長，垂直蹬伸力和髖、膝、踝關(guān)節(jié)角速度6個指標反應(yīng)對女子籃球運動員起跳高度的影響。

運動員起跳的效果和機制，一直是國內(nèi)外體育科研人員感興趣的研究內(nèi)容。然而到目前為止，仍存在許多不同的看法。一般研究者認為，下肢肌肉力量越大，蹬伸起跳的地面反作用力就越大，起跳成績就越好，而下肢力量較差的運動員起跳能力較差[10]。但Pietraszewski等人[2]發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)力矩對縱跳和跳深動作的起跳高度沒有影響。關(guān)于下肢各關(guān)節(jié)運動速度對起跳高度的影響也有不一致的研究報道，張海斌等人[11]研究發(fā)現(xiàn)女子排球運動員最大起跳高度與膝關(guān)節(jié)角速度呈高相關(guān)性，與髖關(guān)節(jié)角速度相關(guān)性不高。而Johnston[12]等人則認為影響下蹲跳高度的是髖關(guān)節(jié)最大爆發(fā)力。為了更加明確下肢生物力學因素與起跳高度的關(guān)系，解釋內(nèi)在生物力學機理，本研究嘗試從生物力學角度，以測試女子籃球運動員完成急停起跳動作的下肢多關(guān)節(jié)生物力學指標為切入點，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法探討蹬伸起跳時相下肢各關(guān)節(jié)生物力學參數(shù)對起跳高度影響的關(guān)聯(lián)程度。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以北京體育大學競技體育學院17名籃球?qū)ｍ椗畬W生為研究對象，年齡(19.85±1.29)歲；身高(177.41±8.12) cm；體重(65.86±8.47) kg；BMI (20.88±2.05) kg/m2；訓練年限(7.83±2.71)年。受試對象運動等級均為二級；測試中已排除不能正常行走且下肢近半年內(nèi)有明顯損傷者。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方法

受試者測試時穿著統(tǒng)一準備的緊身衣和短褲，頭戴泳帽，自備無氣墊低幫不反光運動鞋，受試者完成急停起跳實驗動作前進行5 min熱身活動。之后按照Helen Hayes模型[13]的要求在受試者體表相應(yīng)位置粘貼反光標識點，粘貼位置預(yù)先用剃須刀除毛，紅外反光標識點的粘貼有專人進行，以減少操作過程的系統(tǒng)誤差。急停起跳測試動作要求受試者在距離測力臺4 m處開始全力助跑，隨后兩腳分別踩在兩塊測力臺上制動，雙手向上擺，盡全力垂直向上跳起，雙腳騰空并盡量達到最大高度，之后雙腳分別落在兩塊測力臺內(nèi)。測試過程中有專人講解并演示急停起跳動作。應(yīng)用8鏡頭Motion Analysis(美國)數(shù)字影像捕捉分析系統(tǒng)對受試者動作運動學指標進行采集，數(shù)據(jù)采集頻率為200 Hz，應(yīng)用4塊Kistler 9281CA(瑞士)三維測力臺(規(guī)格：40 cm*60 cm*10 cm)對受試者動作過程中動力學指標進行采集與處理，數(shù)據(jù)采集頻率為1 000 Hz[14]。運動學與動力學數(shù)據(jù)的采集實現(xiàn)同步觸發(fā)。每個受試者采集3次有效數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

選取3次原始有效數(shù)據(jù)中反光標識點全部呈現(xiàn)的1次進行分析。數(shù)據(jù)處理通過受試者體表紅外反光標識點建立環(huán)節(jié)坐標系[15]，根據(jù)環(huán)節(jié)坐標系計算髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度。采用 Cortex軟件(版本號：2.6.2.1169)進行運動學數(shù)據(jù)處理。采集的所有標識點三維坐標采用Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為10 Hz[16]。選取Deleva修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)計算人體重心。動力學數(shù)據(jù)運用Kistler Bioware(版本號：3.2.6.104)進行提取。選取右腿膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大至腳尖離地階段(即急停起跳動作的蹬伸起跳時相)下肢關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)進行分析[17]。指標選取依據(jù)前人關(guān)于運動員縱跳能力、跳躍能力和下肢爆發(fā)力生物力學的相關(guān)研究[4-9]。規(guī)定地面垂直反作用力小于10 N的時刻作為足部離開地面時刻[18]。力標準化為體重(BW)的倍數(shù)[19]。重心垂直運動速度參考劉卉等人[8]的計算方法，計算公式為：Vt=It/m，其中Vt表示重心垂直運動速度，It表示起跳沖量，m表示人體質(zhì)量。起跳高度采用Kirby[6]和Harrison[1]等人的計算方法，蹬伸時相重心達到的最高垂直高度減去初始標定站立姿勢的重心高度。參考LIN等人[15]依據(jù)環(huán)節(jié)坐標系計算髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度，本文中選取的為屈伸角度。角速度的計算方法參考井蘭香等人[20]采用關(guān)節(jié)角度對時間求微分得到關(guān)節(jié)角速度。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析法[21-22]對17名籃球?qū)ｍ椗畬W生完成急停起跳動作的蹬伸起跳時相下肢生物力學參數(shù)與其起跳高度的灰色關(guān)聯(lián)度進行計算，按各項參數(shù)對起跳高度的影響程度進行關(guān)聯(lián)排序，找出影響女子籃球運動員起跳高度的主要生物力學因素。

2 結(jié)果

對17名女子籃球運動員完成急停起跳動作時進行運動學和動力學測試，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析得到蹬伸起跳時相下肢生物力學測試數(shù)據(jù)，見表1。

表1 蹬伸起跳時相下肢生物力學測試數(shù)據(jù)Table 1 Biomechanical of lower extremity during takeoff phase

2.1 設(shè)定參考序列和比較序列

設(shè)定起跳高度為參考序列，記為y0(k)，采集17個數(shù)據(jù)：y0(k)={y0(1)，y0(2)，…，y0(17)}。設(shè)定髖關(guān)節(jié)角速度峰值，膝關(guān)節(jié)角速度峰值，踝關(guān)節(jié)角速度峰值，重心垂直運動速度峰值，蹬伸時長，垂直蹬伸力峰值6個生物力學參數(shù)為比較序列，記為xi(k)，有6個子序列，i={1，…，6}，每個子序列采集17個數(shù)據(jù)：xi(k)={xi(1)，xi(2)，...，xi(17)}。

2.2 無量綱化處理

采用均值化方法對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，即用各個原始數(shù)據(jù)除以各組數(shù)據(jù)的平均值得到均值化數(shù)列，計算公式如下：

其中，xi(k)d代表均值后的值，i={1，…，6}，k={1，…，17}，均值化后的具體結(jié)果見表2。

表2 蹬伸起跳時相下肢生物力學原始數(shù)據(jù)均值化處理Table 2 Equalization processing of biomechanical raw data of lower extremity during takeoff phase

2.3 計算參考序列和比較序列的絕對差

使用均值化后的值計算參考序列和比較序列的絕對差，計算公式為：Δ0i(k)=|y0(k)-xi(k)|

其中，i={1，…，6}，k={1，…，17}，見表3。

表3 本研究參考序列和比較序列絕對差Table 3 Absolute difference between reference sequence and comparison sequence

2.4 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

依據(jù)公式：ξ0i(k)=(minΔmin+ρ·maxΔmax)/(Δ0i+ρ·maxΔmax)。Δmax為|y0(k)-xi(k)|的最大值，maxΔmax為參考序列和比較序列絕對差中最大值；Δmin為|y0(k)-xi(k)|的最小值，minΔmin為參考序列和比較序列絕對差中最小值。ρ為分辨系數(shù)，本研究選取ρ=0.5[21]。結(jié)果見表4。

表4 蹬伸起跳時相下肢生物力學參數(shù)與起跳高度間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of biomechanical factors associated with jump height during takeoff phase

2.5 計算關(guān)聯(lián)度和權(quán)重

表5 蹬伸起跳時相下肢生物力學參數(shù)與起跳高度關(guān)聯(lián)度、權(quán)重比較Table 5 Comparison of correlation degree and weight coefficient in biomechanical factors of lower extremity during takeoff phase

3 討論

急停起跳動作與籃球運動中的急停跳投技術(shù)動作相似[23]。蹬伸階段一直被認為是影響起跳高度的重要階段。因此本研究選取急停起跳動作的蹬伸起跳時相作為研究籃球運動員起跳能力的實驗動作階段。在多數(shù)跳躍類研究中以跳躍高度來評判起跳能力[24]，起跳高度與人體下肢各關(guān)節(jié)肌肉的協(xié)調(diào)性和發(fā)力緊密相連，肌肉的發(fā)力在運動學上表現(xiàn)為各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角速度等。因此，對下肢整體力學指標和各關(guān)節(jié)角速度的測試，在一定程度上可以解釋起跳高度的內(nèi)在生物力學機理[25]。

3.1 重心垂直運動速度峰值、蹬伸時長、垂直蹬伸力峰值對起跳高度的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，重心垂直運動速度峰值對起跳高度的影響程度最大，關(guān)聯(lián)度r=0.8075，權(quán)重為0.1097。這與前人的研究結(jié)果一致，吳升扣等人[5]發(fā)現(xiàn)要想獲得較大的起跳高度，需要有較大的垂直向上初速度。我們知道，整個下肢關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩總和在每個關(guān)節(jié)接近完全伸展和轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生最大的重心運動速度，Okazaki等人[26]發(fā)現(xiàn)，起跳高度增加，此時身體重心運動速度也增大。齊春燕等人[27]發(fā)現(xiàn)男子排球運動員離地時重心垂直速度與起跳高度相關(guān)，r=0.839。蹬伸起跳階段，伴隨下肢肌肉從開始激活到激活程度達到最大一個過程，提示起跳過程中下肢各關(guān)節(jié)肌肉要協(xié)調(diào)配合和發(fā)力，達到下肢肌肉力量傳遞時間點的最佳組合[28]，從而產(chǎn)生最大的力矩總和，提高重心垂直運動速度峰值。

本研究發(fā)現(xiàn)，蹬伸時長、垂直蹬伸力峰值對起跳高度的影響程度為，蹬伸時長>垂直蹬伸力峰值。蹬伸時長與起跳高度的關(guān)聯(lián)度為r=0.7651，權(quán)重為 0.1040。這與其他研究與不一致，有研究者發(fā)現(xiàn)男子排球運動員蹬伸時間與起跳高度成負相關(guān)，r=-0.379[27]，有研究表明起跳者延長肌肉的做功時間，以期望肌肉獲得最大的激活，產(chǎn)生更大的力矩和關(guān)節(jié)角速度[29]。Kirby等人[6]也發(fā)現(xiàn)蹬伸階段增加觸地時長是為了得到更大的垂直起跳速度，而本研究發(fā)現(xiàn)重心垂直運動速度峰值對起跳高度的影響程度最大。整個起跳過程通常表現(xiàn)為：通過增大力臂、拉長有關(guān)肌肉群、延長肌肉用力時間去換得更大的起跳高度。本研究發(fā)現(xiàn)，垂直蹬伸力峰值對起跳高度的影響程度最小。關(guān)于垂直蹬伸力對起跳高度的影響一直是研究者爭論的熱點。有人認為垂直蹬伸力與起跳高度有直接的物理關(guān)系，起跳蹬地的力越大，人體起跳也就越高[30]，JUAN[31]等人發(fā)現(xiàn)在下蹲跳中，垂直地面最大反作用力與跳躍成績高度相關(guān)，但也有研究發(fā)現(xiàn)垂直蹬伸力峰值與縱跳高度之間相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅為r=0.34[32]，甚至還有研究發(fā)現(xiàn)垂直蹬伸力與起跳高度成負相關(guān)[6]。這可能與不同的研究在獲取下肢生物力學參數(shù)時，選用的測試動作不同有關(guān)。因此，結(jié)合本研究結(jié)果可以認為垂直蹬伸力僅是影響起跳高度的因素之一，不加前提的一概認為垂直蹬伸力大，起跳高這種觀點不確切，垂直蹬伸力峰值僅是起跳高度的必要而不充分條件。提示單純依靠增加下肢的力量來提升起跳高度是片面的，還要注意下肢各關(guān)節(jié)肌肉的協(xié)調(diào)配合，運動員在訓練中需要通過不斷地練習，熟悉技術(shù)動作，以獲得適宜的垂直蹬伸力。因為過大的垂直蹬伸力容易造成膝關(guān)節(jié)損傷[16]。

3.2 髖、膝、踝角速度峰值對起跳高度的影響

根據(jù)運動生物力學理論，起跳的實質(zhì)是由人體肌肉發(fā)力，作用于骨骼使各關(guān)節(jié)的角度發(fā)生變化，產(chǎn)生關(guān)節(jié)角速度，并且角動量依次傳遞，提供人體向上的速度[33]。因此，研究下肢各關(guān)節(jié)的角速度，對于分析各關(guān)節(jié)周圍的肌肉力量以及指導運動訓練具有實際意義。本研究顯示，髖、膝、踝角速度峰值對女子籃球運動員起跳高度的影響程度為，髖關(guān)節(jié)角速度峰值>膝關(guān)節(jié)角速度峰值>踝關(guān)節(jié)角速度峰值。由此可見，髖關(guān)節(jié)角速度對起跳高度的影響非常顯著。以往少數(shù)研究表明膝關(guān)節(jié)角速與起跳高度相關(guān)性較高，r=0.739，而與髖關(guān)節(jié)角速度相關(guān)性不高，r=0.402[11]。Johnston等人[12]發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)最大伸展速度可以解釋58.1%的單腿跳動作的起跳高度。Vaneais等人[34]研究足球運動員下肢肌肉力量對垂直起跳高度的貢獻發(fā)現(xiàn)，髖、膝、踝關(guān)節(jié)分別為43%、29%、28%。因此加強髖關(guān)節(jié)的快速肌肉力量訓練對于提高起跳高度意義重大。Floria等人[4]發(fā)現(xiàn)為了獲得更大的起跳高度，下肢肌肉必須按照從近端到遠端的順序達到最大的激活。因此，在下肢最近端的髖關(guān)節(jié)伸髖肌群(臀大肌、半腱肌、半膜肌、股二頭肌長頭和大收肌)是最先被激活的，所以較大的伸髖肌群可以產(chǎn)生較大的髖伸直力矩，進而產(chǎn)生較大的髖關(guān)節(jié)角速度。在現(xiàn)實訓練中，髖關(guān)節(jié)的發(fā)力在縱跳的訓練中易被忽略[25]。由于缺少強大的髖關(guān)節(jié)肌群支持，因而出現(xiàn)擺臂過程中髖關(guān)節(jié)松垮；當人體起跳后，才有腰部髖關(guān)節(jié)的發(fā)力，這已無助于起跳。由此可見，由于髖關(guān)節(jié)力量不足或姿勢控制缺乏導致起跳階段髖關(guān)節(jié)伸展不夠充分是影響起跳高度的一個原因[35]。提示在訓練起跳能力時應(yīng)重視和加強髖關(guān)節(jié)的肌肉力量訓練。特別是伸髖肌群的力量訓練。臀大肌作為主要的伸髖肌肉，研究發(fā)現(xiàn)它不僅可以對髖關(guān)節(jié)有伸展作用，還可以協(xié)助膝關(guān)節(jié)執(zhí)行最后20°～30°的伸展功能，讓足部可以完全接觸到地面[36]，相當于臀大肌在充分發(fā)揮伸髖功能外還輔助了伸膝和伸踝動作。還有研究發(fā)現(xiàn)臀大肌肌力與肌纖維長度的二次方相對應(yīng)[37]，因此如果肌肉長度發(fā)生改變，臀大肌會輸出更多的功。由此可見，臀大肌的積極伸髖作用對髖關(guān)節(jié)角速度增加非常重要，所以在針對訓練起跳能力時，可以考慮增加臀大肌的訓練內(nèi)容和比重。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

重心垂直運動速度峰值是影響起跳高度的首要因素。髖關(guān)節(jié)角速度對起跳高度的影響相較于膝、踝關(guān)節(jié)角速度更為密切。 垂直蹬伸力峰值是起跳高度的必要而不充分條件。

4.2 建議

(1)在跳躍訓練中注意下肢各關(guān)節(jié)肌肉間的協(xié)調(diào)配合和發(fā)力，提高跳躍工作肌的力量和速度，產(chǎn)生最大的下肢力矩總和，提高重心垂直運動速度。

(2)在跳躍動作教學和訓練實踐中應(yīng)重視和加強伸髖肌群的力量訓練。

(3)為了提高跳躍動作的運動表現(xiàn)，同時避免下肢運動損傷，運動員要通過不斷練習熟悉自己專項的技術(shù)動作，以期獲得適宜的垂直蹬伸力。