李欣鑫

1 前言

跳遠(yuǎn)屬于快速力量類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。不僅要求運(yùn)動(dòng)員具備超強(qiáng)的爆發(fā)能力與協(xié)調(diào)能力，而且還要求運(yùn)動(dòng)員具備高效的技術(shù)運(yùn)用能力。因此，跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能和專項(xiàng)技術(shù)都有較高的要求。這種高要求也使得跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳腿的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)增高。膝關(guān)節(jié)是人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，在人體運(yùn)動(dòng)和承重上具有十分重要的作用。研究表明，膝關(guān)節(jié)損傷占人體所有損傷的14% ～33%［1］;加大垂直地面的反作用力容易造成膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷，而且膝關(guān)節(jié)損傷后，垂直地面反作用力最大瞬間的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生顯著性變化［2］。跳遠(yuǎn)的起跳技術(shù)使運(yùn)動(dòng)員身體重心的動(dòng)量發(fā)生急劇變化，以獲得必要的騰起速度與騰起角度的同時(shí)，也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)造成運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)橄リP(guān)節(jié)在助跑、起跳運(yùn)動(dòng)中都是發(fā)力的主要點(diǎn)，而膝關(guān)節(jié)周圍肌腱與韌帶組織又相對(duì)較少，缺乏保護(hù)，容易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。本研究通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等研究方法對(duì)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳技術(shù)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)力與角度等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，以探討影響跳遠(yuǎn)起跳技術(shù)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)的生物力學(xué)因素，以及膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)損傷的生物力學(xué)機(jī)制，為膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防與康復(fù)訓(xùn)練提供理論參考。

2 研究對(duì)象與方法

2．1 研究對(duì)象

以跳遠(yuǎn)的起跳動(dòng)作導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)損傷為研究對(duì)象。選取3名國(guó)家一級(jí)和2名國(guó)家二級(jí)男子跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員為被試對(duì)象，被試對(duì)象的基本信息(見表1)。

表1 受試對(duì)象的基本信息

2．2 研究方法

2．2．1 文獻(xiàn)資料法 通過電子期刊網(wǎng)輸入關(guān)鍵詞“跳遠(yuǎn)起跳”“膝關(guān)節(jié)損傷”等，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確跳遠(yuǎn)起跳動(dòng)作可能會(huì)使運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，深刻理解運(yùn)動(dòng)損傷產(chǎn)生的機(jī)制，為本研究提供理論基礎(chǔ)。

2．2．2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試法 2019年4月在中北大學(xué)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用英國(guó)Oxford Metrics Cimited(OML)公司生產(chǎn)的Vicon動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和Bertec三維測(cè)力臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)5名不同水平的男子跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中起跳腿的技術(shù)環(huán)節(jié)、肌肉用力形式進(jìn)行了同步測(cè)試。實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)員完成起跳動(dòng)作時(shí)身體重心、膝關(guān)節(jié)以及下肢肌肉用力、力矩等參數(shù)，以這些參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)一步分析跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中對(duì)起跳腿膝關(guān)節(jié)損傷的影響因素。

所選的受試對(duì)象沒有任何疾病與傷病，在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象說明本實(shí)驗(yàn)的意圖，并做好充分的準(zhǔn)備活動(dòng)，以保證本次測(cè)試任務(wù)順利完成。要求受試對(duì)象以良好的助跑節(jié)奏和最大速度完成助跑，最后一步起跳腳踏準(zhǔn)測(cè)力臺(tái)，并成功完成跳遠(yuǎn)的后續(xù)技術(shù)動(dòng)作。

2．2．3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 利用 Excel2010、SPSS25．0等軟件對(duì)所獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理以及相關(guān)性分析。

3 研究結(jié)果與分析

3．1 跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員完成起跳過程各階段的參數(shù)分析

跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員通過一定距離的助跑獲得最佳的速度，為上板起跳做好充分的準(zhǔn)備。起跳時(shí)，充分利用助跑所獲得的速度，在極短的時(shí)間內(nèi)，完成速度的轉(zhuǎn)化，以便獲得最大的騰起速度與適宜的騰起角度。根據(jù)一般研究分析，把起跳過程大致分為四個(gè)時(shí)相、三個(gè)階段［4］:即著地瞬間、最大緩沖瞬間、身體重心達(dá)到垂直面瞬間和起跳離地瞬間［4］。其中，著地瞬間到最大緩沖瞬間為緩沖階段;最大緩沖瞬間到身體重心達(dá)到垂直面瞬間為轉(zhuǎn)化階段;身體重心達(dá)到垂直面到離地瞬間為蹬伸階段［4］(見圖1)。

圖1 跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳動(dòng)作各階段時(shí)相示意圖

運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中，要將水平速度在最短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為一定的垂直速度，并獲得適宜的騰起角度。這就要求運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)必須給起跳板施加一定的作用力。因而，跳起時(shí)間和作用力的大小將決定著起跳的效果。

起跳時(shí)間(T)是指起跳腿著板瞬間至離地瞬間的時(shí)間［3］，由緩沖時(shí)間(T1)、轉(zhuǎn)化時(shí)間(T2)和蹬伸時(shí)間(T3)組成。緩沖階段，起跳腿受到作用于人體重心向后上方的支撐反作用力較大，使人體受到了較大的水平制動(dòng)沖量，緩沖時(shí)間過短或過長(zhǎng)，都會(huì)影響起跳效果。轉(zhuǎn)化階段是起跳腿開始從退讓性工作向克制性工作轉(zhuǎn)化［3］，起跳腿肌群開始為蹬伸做準(zhǔn)備，隨著身體重心的前移，支撐反用力的方向逐漸轉(zhuǎn)向垂直方向。此時(shí)人體在垂直方向上受到更大的沖擊力。由于在緩沖與轉(zhuǎn)化兩個(gè)階段，跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)所受力的方向與身體重心運(yùn)動(dòng)方向相反，而且膝關(guān)節(jié)由伸膝到屈膝進(jìn)行緩沖。如果緩沖不夠合理，起跳腿肌群退讓性工作能力較差，容易造成膝關(guān)節(jié)的半月板、兩側(cè)副韌帶和十字韌帶的損傷。因此，在緩沖和轉(zhuǎn)化階段容易造成膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷。蹬伸階段是起跳腿轉(zhuǎn)化做克制性工作，身體重心已經(jīng)移過垂直面，支撐反作用力的方向改為向前上方，膝關(guān)節(jié)由屈曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈派鞝顟B(tài)，起跳腿肌群會(huì)爆發(fā)出更大的力量，為騰空創(chuàng)造有利的條件。如果起跳腿肌肉力量不足、身體重心不夠穩(wěn)定就容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)受損。

表2 受試對(duì)象在起跳過程中各階段的運(yùn)動(dòng)參數(shù)比較

從表2可看出，受試對(duì)象在著地瞬間、最大緩沖瞬間和蹬伸離地瞬間身體重心高度平均值分別為 89．3cm、84．2cm 和 96．0cm;緩沖時(shí)間、轉(zhuǎn)化時(shí)間和蹬伸時(shí)間分別為 0．042s、0．044s和 0．046s;起跳總時(shí)間的平均值為0．132s，大于世界優(yōu)秀男子跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員的起跳平均時(shí)間 0．10 ～ 0．125s［3］，而且受試對(duì)象在起跳過程中各階段的時(shí)間特征不符合“T1較短、T2較長(zhǎng)、T3次之”的時(shí)間規(guī)律。轉(zhuǎn)化時(shí)間(T2)短，說明起跳腿所受到的沖量大;同時(shí)，蹬伸時(shí)間大于轉(zhuǎn)化時(shí)間，可能是實(shí)驗(yàn)對(duì)象的下肢力量不足或沒有充分做好起跳動(dòng)作而造成的。而由于起跳腿力量差，沒能完成好起跳腿肌肉的退讓性工作，起跳動(dòng)作不規(guī)范就很容易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

3．2 跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中身體重心速度與受力情況分析

研究顯示:跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷大多在起跳的緩沖階段［4］。由于在著地瞬間運(yùn)動(dòng)員向下的速度逐漸增大，當(dāng)開始進(jìn)入緩沖時(shí)，受到地面的作用力不斷加大，向下的加速度就不斷增大。最大緩沖瞬間向下的作用力是最大的。起跳腿肌肉作用力的方向瞬間也轉(zhuǎn)為向上方向，垂直速度開始上升;同時(shí)，身體重心的運(yùn)動(dòng)方向與支撐腿所承受的水平分力方向相反(見表3、表4)。跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在完成起跳動(dòng)作瞬間，會(huì)產(chǎn)生較大的伸膝力矩。較大的伸膝力矩與其著地瞬間受到的較大的水平向后反作用力有關(guān)。而較大的水平向后反作用力則與起跳前身體水平速度較大有關(guān)。也就是說跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳前獲得了較大的助跑速度，起跳前突停制動(dòng)，可能會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生較大的沖擊力，從而使起跳腿肌群受到的負(fù)荷較大。如果起跳腿肌群力量不足，往往會(huì)造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

表3 受試對(duì)象在起跳過程中各時(shí)相身體重心速度比較(單位:m/s)

表4 受試對(duì)象在起跳過程中各時(shí)相起跳腿受力比較(單位:N)

從表3和表4可以看出，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在著地瞬間身體重心的速度都比較大，其中水平速度為8．617m/s、垂直速度為 3．384m/s。著地瞬間主要受到地面的垂直反作用力，其均值為53．9N;其次是水平方向的分力，均值為4．8N;另外是左右方向的側(cè)向分力，均值為2．0N。最大緩沖瞬間，實(shí)驗(yàn)對(duì)象受到的地面垂直反作用力均值為2 804．9N、水平分力均值為794．3N、側(cè)向分力均值為183．7N。根據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理，運(yùn)動(dòng)狀況效果的大小是由施加的力值(F)與時(shí)間(t)乘積(即沖量)決定的［4］。而沖量 F·t=M·V(其中，M 表示運(yùn)動(dòng)員的身體質(zhì)量、V表示運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)的速度)，也就是說施加力值F=MV/t。由于運(yùn)動(dòng)員的體重是保持不變的，因此，運(yùn)動(dòng)員受到的沖擊力與身體重心的速度以及作用時(shí)間有著密切的關(guān)系。但是，跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員為了獲得優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)成績(jī)，必須保持最大的起跳速度或減少起跳時(shí)間，而這恰巧對(duì)膝關(guān)節(jié)的作用力比較大，起跳腿肌群所受到的負(fù)荷就比較大。如果起跳腿的力量不夠強(qiáng)，很容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。為了減少跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中膝關(guān)節(jié)的損傷，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)周圍肌群的力量練習(xí)以及韌帶的柔韌性練習(xí);同時(shí)，規(guī)范運(yùn)動(dòng)員的起跳技術(shù)，以合理的技術(shù)也能起到保護(hù)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)的目的。

研究表明，著地時(shí)較大的沖擊力也可能是膝關(guān)節(jié)損傷的一個(gè)危險(xiǎn)因素，特別是膝關(guān)節(jié)的前交叉韌帶損傷的風(fēng)險(xiǎn)［5］。因?yàn)樵谔h(yuǎn)的起跳過程中，起跳腿承受地面垂直反作用力越大，股四頭肌收縮的力量就越大，而股四頭肌是對(duì)抗落地緩沖階段膝關(guān)節(jié)所受負(fù)荷的主要肌肉。膝關(guān)節(jié)的前交叉韌帶所承受的負(fù)荷越大，可能會(huì)造成前交叉韌帶損傷的風(fēng)險(xiǎn)。從表4可知，受試對(duì)象在最大緩沖瞬間所承受的地面垂直支撐反作用力平均值為2 804．9N、水平分力均值為794．3N、側(cè)方向的分力達(dá)到了183．7N。如果沒有合理的緩沖，就可能會(huì)對(duì)其膝關(guān)節(jié)造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)。垂直與側(cè)向分力是跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳時(shí)地面反作用力對(duì)支撐腿垂直與左右的支撐力。側(cè)向分力值的大小與身體重心的變化以及膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量大小有關(guān)。也就是說跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中由于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)力量的薄弱，致使身體重心左右擺動(dòng)。由于身體重心的不穩(wěn)定，往往會(huì)增加膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，加強(qiáng)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量素質(zhì)練習(xí)，提高起跳腿肌肉的退讓性工作能力，鞏固膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，既可提高運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)成績(jī)，又可減少運(yùn)動(dòng)員損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3．3 跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中起跳腿膝關(guān)節(jié)角度變化分析

從表5可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象從著地瞬間到最大緩沖瞬間，起跳腿的膝關(guān)節(jié)角度隨著制動(dòng)在不斷減小，起到緩沖的作用，其目的就是減少膝關(guān)節(jié)受到地面的沖擊力。研究表明，膝關(guān)節(jié)角度的變化量對(duì)支撐腿的緩沖具有一定的作用［6］。膝關(guān)節(jié)角度變化大，說明緩沖效果好，而膝關(guān)節(jié)角度變化量大，角位移也就大。根據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理，角速度與緩沖時(shí)間成反比，即角速度 W=(a1-a2)/t［7］。由此可見，膝關(guān)節(jié)角度變化越大，說明角速度就越大。角速度大就會(huì)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性變?nèi)?，再加上屈膝?dǎo)致髕骨與接觸面減小，容易造成膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理，ft=mv，則v=f/t。如果作用于物體上的力一定時(shí)，延長(zhǎng)了作用時(shí)間，必然會(huì)影響物體運(yùn)動(dòng)的速度。如果延長(zhǎng)了緩沖時(shí)間，勢(shì)必造成水平速度與垂直速度的損失，降低起跳的高度和騰起的速度，影響起跳效果。另外，緩沖時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致身體重心不能快速前移，身體重心落于支撐面的后方，會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)造成更大的水平剪切力。而這種剪切力會(huì)加大髕腱負(fù)荷量，使脛骨向前的剪切力和前交叉韌帶負(fù)荷增加，容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，既要保持合理的緩沖效果，又要提高起跳效果。在訓(xùn)練過程中要求運(yùn)動(dòng)員有意識(shí)地預(yù)先將下肢的肌肉綁緊，有利于改變骨的受力形式，從而減少膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷。另外，加強(qiáng)下肢肌肉力量的訓(xùn)練，提高肌肉的彈性，以達(dá)到保護(hù)膝關(guān)節(jié)的目的。

表5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象在各時(shí)相起跳腿膝關(guān)節(jié)角度變化比較(單位:°)

4 結(jié)論與建議

(1)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在完成起跳動(dòng)作時(shí)，膝關(guān)節(jié)所承受的壓力非常之大，且膝關(guān)節(jié)此時(shí)處于屈曲狀態(tài)，引起關(guān)節(jié)中心點(diǎn)發(fā)生改變，使膝關(guān)節(jié)內(nèi)的半月板上產(chǎn)生異常高的扭轉(zhuǎn)與剪切應(yīng)力，極易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。因此，應(yīng)該明確膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)，規(guī)范技術(shù)動(dòng)作，合理安排運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，加強(qiáng)對(duì)膝關(guān)節(jié)的預(yù)防與保護(hù)措施，防止不科學(xué)的訓(xùn)練方法及不規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作造成膝關(guān)節(jié)的損傷。

(2)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳的緩沖和轉(zhuǎn)化階段，膝關(guān)節(jié)所受力的方向與身體重心運(yùn)動(dòng)的方向相反，且膝關(guān)節(jié)由伸膝到屈膝不能合理地進(jìn)行緩沖，容易造成膝關(guān)節(jié)半月板、兩側(cè)副韌帶和十字韌帶的損傷。因此，加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員下肢力量素質(zhì)的訓(xùn)練，增加肌肉的彈性，提高下肢韌帶的柔韌性，以保護(hù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員受到的沖擊力與身體重心的速度以及作用的時(shí)間有著密切的關(guān)系。為了避免跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中膝關(guān)節(jié)的損傷，應(yīng)該加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)周圍肌群的力量練習(xí)以及韌帶的柔韌性練習(xí);同時(shí)，規(guī)范運(yùn)動(dòng)員的起跳技術(shù)，以合理的技術(shù)達(dá)到保護(hù)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)的目的。

(4)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中，垂直分力和側(cè)向分力是地面反作用力對(duì)支撐腿在上方和左右的支撐力。側(cè)向力值的大小與身體重心的變化以及膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量大小有關(guān)。因此，加強(qiáng)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的力量素質(zhì)，鞏固起跳腿的穩(wěn)定性，既可以提高運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)成績(jī)，又可以減少運(yùn)動(dòng)員受損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在緩沖階段，膝關(guān)節(jié)角度的變化量大，角速度就大，就會(huì)增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性變?nèi)?，同時(shí)，屈膝導(dǎo)致髕骨與接觸面減小，容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。因此，在訓(xùn)練過程中要求運(yùn)動(dòng)員有意識(shí)地預(yù)先將下肢的肌肉綁緊，有利于改變骨的受力形式，從而減少膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)損傷。