林奕貫，潘 旭，鄭 哲

跳深（drop jump，DJ）是典型的快速伸縮復合訓練手段，對提高運動員的下肢爆發(fā)力具有良好的效果，因此備受推崇，現已廣泛地運用在各個項目的日常訓練中，成為不可或缺的訓練動作之一[1]。然而，由于跳深訓練需要在一定的高度落下，在觸地瞬間肢體會受到極大的沖擊力，易導致運動損傷發(fā)生，因此越來越多的訓練者都在積極地尋找方法以降低跳深訓練的損傷風險，如對跳深跳下的高度進行限定[2]，對不同跳深方式的強度進行量化[3]，對跳深訓練安排的次序進行優(yōu)化[4]等。

近年來，不同材質地面或表面訓練逐漸受到訓練者們的關注。已知柔軟地面有良好的緩沖作用，大量的研究證實了落于柔軟地面能夠有效降低損傷風險[5，6]，然而跳深不但有落地動作，還有蹬伸跳躍過程，并非常強調短促地踏跳時間，因此對地面材質的柔軟度的要求更為特殊。為追求損傷預防與訓練效益的最大化，現階段水中[7]、沙地[8，9]、體操墊[10]、平衡墊[11，12]、蹦床[13]等都被做為跳深運動落地的接觸表面，一些研究顯示，在這些地面跳深能夠顯著降低訓練者的延遲性肌肉酸痛癥狀，減少肢體與地面碰撞產生的沖擊力，有助于運動損傷的預防[14，15]。然而，也有研究認為高柔軟地面會提高膝關節(jié)損傷風險[16，17]?？梢姴煌馁|地面對跳深損傷風險影響是不一致的，對比不同材質地面跳深的力學特征對訓練時合理的選擇地面材質有重要的作用。

不同材質地面具有共性也有其特性，現階段研究更多的是對比硬地與單一材質地面的力學特征，而對不同材質地面跳深之間下肢的發(fā)力與受力差異卻很少有研究進行比較。為此，本研究通過運動生物力學手段對硬地（測力臺）、沙地、體操墊、平衡墊四種訓練中常見的地面跳深進行對比，并明確不同材質地面的恢復系數，深入分析在不同材質地面進行跳深的力學差異，為跳深及快速伸縮復合訓練選擇提供新的思路和理論依據。

1 研究方法

1.1 研究對象

本次研究招募的受試者為浙江師范大學體育學院學生（男生），共招募受試者25名，所有受試者近半年內無下肢和腰部受傷史，身體狀況以及運動能力良好，并均已在訓練或練習中熟練掌握跳深動作，在實驗前24小時沒有從事劇烈運動。實驗前清楚地告知受試者本實驗的目的、過程，在受試者能理解實驗意圖的情況下簽署知情同意書。

1.2 實驗儀器與器材

1.2.1 實驗儀器

測力臺：瑞士奇石樂公司生產三維測力臺1塊（長×寬×高：90×60×10cm）以及相配套BioWare軟件，型號為2812A，內置信號放大器，最大側向力和垂直力分別可達10kN和20kN。本研究的采樣頻率為1000Hz，采樣時間為4秒。

高速攝像機：在實驗場地使用2臺SONY DCRHC52E數碼攝像機，按照三維攝像測量的要求架設攝像機，兩臺攝像機通過測力臺中心，兩機主光軸之間的夾角約為90度，攝像機架設完畢后，用PEAK三維標定框架（框架坐標x代表左右方向，y代表前后方向，z代表垂直方向）對受試者運動范圍進行標定，標定完成后維持兩臺攝像機的位置及各種拍攝條件不變，每次測試都暫停進行區(qū)分，拍攝頻率為50幀/秒。

SIMI-Motion三維運動解析系統(tǒng)：使用德國的SIMI-Motion三維運動解析系統(tǒng)對受試者動作進行影像解析分析，解析采樣頻率為50Hz，使用DLT方法計算解析點的三維空間坐標，運用截斷頻率為6Hz的低通濾波方法對原始數據進行平滑處理。

1.2.2 地面材質

平衡墊：TPE材質，產地金華，單塊長50cm，寬40cm，高6cm，用兩塊平衡軟墊拼接，中間用強力雙面膠固定。

沙地：采用木頭制成一個長、寬、高分別為90cm、60cm、6cm上下鏤空的筐，底面以及四個側面用布包裹，將沙倒入自制的筐中填滿。

體操墊：內置為珍珠棉，外部包裹為PU材質的對折型體操墊，長120cm、寬60cm和高3 cm，對折后長60cm、寬60cm和高6 cm，對折后的重疊部分以雙面膠固定，減小空隙。

四種材質地面恢復系數：根據Anthony[18]的研究，網球從1.83米處垂直下落，通過高速攝像機獲得網球的彈起高度，由公式獲得恢復系數：

hb為球彈起高度，hd為球下落高度。最終測得測力臺恢復系數為e=0.82，平衡墊e=0.75，體操墊e=0.63，沙地e=0.1。

1.3 實驗方案

實驗期間受試者共到訪實驗室三次，每次間隔1-2天，前兩次為適應性練習，以熟練測試流程，提前感受不同材質地面跳躍的狀態(tài)，并掌握本研究需要的標準動作，最后一次為正式測試。

正式測試時，首先由2名實驗員對其身高和體重進行測量，測量完畢后讓受試者進行15分鐘的熱身，包括慢跑、動態(tài)拉伸以及準備活動（跑跳性活動以及跳深動作適應性練習），每個階段都為5分鐘。熱身結束后讓運動員換上實驗準備的短褲與膠鞋，以保證緩沖條件一致。換裝后根據三維運動解析模型建立的需要，在人體建立15個身體關節(jié)點貼上標記點，建立三維運動解析模型。

采用50cm高度跳深，受試者兩手叉腰，雙腳開立與肩同寬，聽到指令后向前邁步，然后后腳前腳并攏向下落地，要求受試者雙腳同時落地，并且在落地后快速向上垂直跳起。每種地面都重復3次，每次間歇時間30秒，每種地面間隔3分鐘，四種地面測試在同一天內完成，最終受試者將在20分鐘內完成12次跳深動作。在受試者跳深的過程中如果中間出現失誤則重新測試，每個受試者最多可進行5次跳躍。四種地面的先后順序為測力臺→平衡墊→體操墊→沙地，平衡墊與體操墊底面用雙面膠與測力臺固定，減少跳躍過程中產生的滑動。

1.4 主要觀察指標

地面反作用力峰值：垂直力（Fz）取垂直向上地面反作用力最大值，水平力（Fy）取水平向后地面反作用力最大值，橫向力（Fx）取左或右地面反作用力最大值的絕對值。

力-時間曲線變化：四種表面跳深觸地階段Fz、Fy力值與時間變化的曲線。

著地時間：包括了觸地時間、緩沖時間以及蹬伸時間。觸地時間為在跳深過程中，足間觸地至離地時刻所經過的時間；緩沖時間為足尖觸地至膝關節(jié)屈曲角度最大時刻經過的時間；蹬伸時間為膝關節(jié)屈曲角度最大時刻至離地時刻經過的時間。

緩沖階段關節(jié)角度變化量：選取髖、膝、踝關節(jié)落地與起跳階段矢狀面的關節(jié)活動范圍（°），即通過計算跳深過程中落地和起跳階段下肢3關節(jié)最大角度與最小角度之差而得。

緩沖階段關節(jié)角速度峰值：在跳深過程中緩沖階段髖、膝、踝關節(jié)屈曲角速度的最大值。

1.5 統(tǒng)計學分析

將解析后的數據導出至Excel電子表格，對原始數據進行分類后運用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對所獲的運動學、動力學參數進行常規(guī)統(tǒng)計學處理，文表中數值無特殊說明均為平均值±標準差。將整理后多組間數據進行單因素方差分析，再對其方差齊性進行檢驗，若Levene檢驗方差齊，采用單因素方差分析進行總均值比較，然后采用LSD法進行兩兩比較；若Levene檢驗方差不齊，則采用Dunnett T3檢驗進行兩兩比較，當p＜0.05為具有顯著差異，p＜0.01為非常顯著差異。最后將統(tǒng)計的結果用Excel繪制成相應的數據表格和圖片。

2 結果

2.1 動力學參數對比

2.1.1 緩沖階段地面反作用力峰值對比

表1的統(tǒng)計結果顯示，四種材質地面跳深在緩沖階段Fz、Fx以及Fy都有顯著差異（p＜0.05），其中Fy表現出非常顯著差異（p＜0.01）。通過多重對比顯示（圖一），Fx上，測力臺跳深與體操墊對比有顯著差異（p＜0.05），與平衡墊跳深對比有非常顯著差異（p＜0.05），平衡墊跳深與沙地跳深具有非常顯著差異（p＜0.01）；Fy上，測力臺跳深與體操墊、平衡墊、沙地跳深對比都有非常顯著差異（p＜0.01），沙地與體操墊、平衡墊跳深對比具有非常顯著差異（p＜0.01）；Fz上，體操墊跳深顯著高于測力臺跳深（p＜0.05）。

表1 四種材質地面跳深緩沖階段地面反作用力峰值對比（M±SD）

圖一 四種材質地面跳深緩沖階段地面反作用力多重對比結果

圖注：“*”表示兩組之間對比具有顯著差異（p＜0.05），“**”表示兩組之間對比具有非常顯著差異（p＜0.01），下同。

2.1.2 力-時間曲線變化對

從圖二中可以看到，測力臺跳深有兩個波峰，并且第一個波峰斜率較大；平衡墊與體操墊跳深僅有一個波峰，地面反作用力上升的也較為平緩；沙地跳深有三個波峰，第一個波峰較低，第二個波峰垂直力值最高并且上升斜率較大，第三個波峰較為平緩?？傮w上看，在體操墊與平衡墊上跳深踏跳較為流暢。

圖二 四種材質地面跳深垂直地面反作用力-時間曲線

圖三的四種地面跳深前后向地面反作用力變化顯示，僅有測力臺第一波谷低于第二波谷，其主要發(fā)生在著地瞬間；相對于測力臺，其他三種材質地面跳深第二個波谷力值較高，可見在蹬伸階段，沙地、平衡墊以及體操墊需要更多的使用前后向力維持跳躍的穩(wěn)定性。

圖三 四種材質地面跳深前后向地面反作用力-時間曲線

2.2 運動學參數對比

2.2.1 著地時間對比

表2的統(tǒng)計結果顯示，四種材質地面跳觸地時間與蹬伸時間都具有非常顯著差異（p＜0.01）。通過多重對比顯示（圖四），沙地跳深觸地時間顯著長于測力臺（p＜0.01）、體操墊跳深（p＜0.01）；沙地跳深蹬伸時間長于測力臺、體操墊、平衡墊，都具有非常顯著差異（P＜0.01）。

表2 四種材質地面跳深緩沖階段關節(jié)角度變化量對比（M±SD）

圖四 四種材質地面跳深著地時間多重對比結果

2.2.2 關節(jié)角度變化量對比

表3的統(tǒng)計結果顯示，四種材質地面跳深在緩沖階段髖、膝關節(jié)角度變化量具有顯著差異（p＜0.05）；踝關節(jié)角度變化量沒有顯著差異（p＞0.05）。通過多重對比顯示（圖五），髖關節(jié)角度變化量上，平衡墊跳深與測力臺跳深相比具有顯著差異（p＜0.05），與體操墊跳深相比有非常顯著差異（p＜0.01），沙地跳深髖關節(jié)角度變化量顯著高于體操墊跳深（p＜0.05）；膝關節(jié)角度變化量上，體操墊跳深低于測力臺與沙地跳深，并具有非常顯著的差異（p＜0.01）。

表3 四種材質地面跳深緩沖階段關節(jié)角度變化量對比（M±SD）

圖五 四種材質地面跳深緩沖階段關節(jié)角度變化量多重對比結果

2.2.3 關節(jié)角速度峰值對比

表4的統(tǒng)計結果顯示，四種材質地面跳深在緩沖階段膝關節(jié)角速度具有顯著差異（p＜0.05），髖、踝關節(jié)無顯著差異（p＞0.05）。通過多重對比顯示（圖六），體操墊跳深膝關節(jié)角速度低于測力臺與平衡墊跳深，且具有非常顯著差異（p＜0.01），沙地跳深膝關節(jié)角速度顯著低于測力臺跳深（p＜0.05）。

表4 四種材質地面跳深緩沖階段關節(jié)角速度峰值對比（M±SD）

圖六 四種材質地面跳深緩沖階段關節(jié)角度變化量多重對比結果

3 討論

在跳深訓練中，損傷往往出現在落地緩沖階段，其主要是由于在跳深訓練中人體與地面具有一定高度，在重力作用下，落地瞬間會產生高沖擊力，導致肌肉、韌帶、關節(jié)的損傷，尤其是膝關節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligaments，ACL）的損傷[19，20]。緩沖階段地面反作用力越大，則越容易造成下肢的損傷發(fā)生。一些進行長期干預的實驗顯示，在草地、平衡軟墊、沙地等較為柔軟的地面上進行快速伸縮復合訓練能夠有效降低損傷風險[14，21]，他們認為這得益于地面反作用力的降低[15]。

本研究結果顯示，在四種材質的地面跳深時測力臺Fz最低，其次是平衡墊，而地面的恢復系數較低的體操墊和沙地Fz較高，此結果與Miyama等[22]和Prieske等[16]的研究一致。Prieske等[16]推測，柔軟地面跳深Fz的增加可能與膝關節(jié)在緩沖階段的屈曲角度較小有關，在本研究中也觀察到，體操墊與沙地跳深在緩沖階段膝關節(jié)屈曲角度變化量較小、角速度較低，這可能與本研究的跳深動作要求受試者快速跳起有關。人體作為活性機體，在地面硬度改變的情況下，會通過改變運動學狀態(tài)來調整與適應地面的硬度，在體操墊和沙地上跳深時關節(jié)屈曲角度減小能夠顯著減少關節(jié)活動的距離和時間，從而最大程度縮短觸地時間。

緩沖階段Fz的大小主要依賴有效質量（Effective Mass），所謂有效質量就是完成動作時能夠產生碰撞力量效果的身體質量[23]。在肢體與地面的碰撞中，假如關節(jié)不產生任何彎曲，那么碰撞的有效質量將等于體重；若關節(jié)在碰撞中產生了彎曲，那么人體將不是一個單一的剛體，會因各個關節(jié)的彎曲而導致力的分散，降低產生碰撞力量效果的身體質量。有研究發(fā)現體重為65公斤的受試者，膝關節(jié)屈曲從5°增加到20°后，身體的有效質量從11公斤減少到5公斤，并且在這個范圍內，膝關節(jié)屈曲和有效質量之間幾乎呈線性關系[24]。Fz增加、膝關節(jié)屈曲角度減小被認為是跳躍動作中增加損傷風險的重要因素[25，26]，依此指標從本研究測得的結果上看恢復系數較低的地面對下肢損傷似乎具有不利的影響，與長期訓練的相關研究結果不一致。

為此本研究進一步對比了四種地面跳深的水平向后的地面反作用力（Fy），結果顯示緩沖階段測力臺Fy峰值顯著高于其他三種地面，其中沙地的Fy峰值最低。通過四種材質地面反作用力變化曲線的對比發(fā)現，測力臺在觸地瞬間水平向后地面反作用力急劇上升，地面反作用力的急劇變化預示著測力臺跳深在觸地瞬間會產生較大的剪切力，可能會增加膝關節(jié)周圍組織損傷的風險[27]。劉宇等[23]的研究中提到，著地瞬間水平向后的地面反作用力是引發(fā)非接觸式損傷的主要危險因素。在跳深練習中，膝關節(jié)作為主要的受力關節(jié)，水平向后地面反作用力作用與人體足部會產生較大的外部膝屈力矩促使膝關節(jié)屈曲，此時人體需要通過神經肌肉控制增大內部的膝伸力矩來對抗外部力矩，在兩個力相互對抗中增加了膝關節(jié)的負荷，提高損傷風險[28]。另一方面，在對Fz的曲線變化對比中也發(fā)現，測力臺跳深在觸地瞬間垂直力也有一個快速上升的階段，那么在觸地瞬間垂直力、水平向后力的共同作用下，膝關節(jié)受到的剪切力增加，也會進一步提高損傷風險。

在橫向力（Fx）上，本研究結果顯示測力臺跳深緩沖階段Fx的峰值最大，沙地次之，再是體操墊，平衡墊的橫向力最小，這一定程度上說明測力臺跳深緩沖階段膝關節(jié)受到了更大的內收外展或內旋外旋的力，提高損傷風險[29，30]，而體操墊、平衡墊則具有良好的保護作用。

4 結論與建議

相對于測力臺跳深，平衡墊、體操墊以及沙地雖增加了緩沖階段的垂直地面反作用力、減小了膝關節(jié)屈曲角度，但同時也大幅度降低了著地瞬間Fy與Fx，體操墊與沙地在膝關節(jié)角速度峰值上也有顯著下降?？傮w而言，平衡墊、體操墊與沙地都有助于降低跳深運動潛在的非接觸性損傷風險，其中沙地的效果最佳，而平衡墊與體操墊跳深的踏跳流暢性較高。建議在訓練過程中僅需落地以及不強調觸地時間的動作，如立定跳遠、弓箭步跳等在沙地中進行，而跳深、快速跳等強調肌肉離心-向心快速轉換的動作則采用體操墊或平衡墊訓練較為合適。