健美操運動員單次跳躍與連續跳躍能力的生物力學分析

吳升扣+紀仲秋

摘 要：采用QUALYSIS系統、KISTLER系統，對26名競技健美操一級運動員單次屈體分腿跳、連續兩次屈體分腿跳動作進行運動生物力學分析。結果發現，男運動員能夠較好地完成連續的屈體分腿跳，但是連跳中第2次跳躍在騰空時間、騰空高度、騰空時髖關節角度和垂直起跳沖量指標上都與單次屈體分腿跳差異存在顯著性意義，不如單次屈體分腿跳表現得優異；女運動員完成連續的屈體分腿跳較差，連跳中第2次跳躍除了起跳緩沖時間與單個屈體分腿跳差異無顯著意義外，其他指標差異均有顯著意義。因此建議女運動員盡量規避兩個C組難度動作的動作連接。另外，男女運動員在3個跳躍中的騰空時間、騰空高度、髖關節角度、垂直起跳沖量上差異均有非常顯著意義，男運動員的跳躍效果明顯優于女運動員；而在緩沖時間、蹬伸時間、起跳時間、騰空時膝關節角度上差異沒有顯著性意義。

關 鍵 詞：運動生物力學；競技健美操；單次跳躍；連續跳躍

中圖分類號：G804.6 文獻標志碼：A 文章編號：1006-7116（2014）03-0132-05

在競技健美操中，跳與躍類難度動作（C組難度）在4組難度動作中數量最多，且是成套動作中必須出現的一組難度動作，因此，競技健美操運動員必須具備高水平的彈跳能力。隨著競技健美操技術的迅速發展，對運動員的彈跳能力提出了更高的要求。《2012—2016年競技健美操最新規則》規定：成套10個難度中的兩個難度，可以從A組和C組中不同根命組的難度動作任意選擇，直接進行連接[1]。兩個C組動作的連接，第1個動作落地時，落地腿作為第2個動作的起跳腿，必須馬上開始第2個動作。這樣的跳躍難度連接不僅可以獲得額外的加分，還能增加成套動作的藝術分以及裁判對運動員的印象分。連續完成跳躍難度是對運動員的挑戰，且競技健美操不僅僅要求彈跳高度，還對起跳速度和空中姿態提出了要求[2]，因此研究運動員的跳躍能力特別是連續跳躍能力是非常必要的。本研究采用QUALYSIS紅外高速測試系統[3]和KISTLER三維測試系統[4]測試了競技健美操運動中典型的跳躍難度動作——屈體分腿跳，從運動學和動力學的角度深入分析競技健美操運動員的單次跳躍和連續跳躍能力，為競技健美操彈跳力訓練提供依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究以26名健美操一級運動員為研究對象，女15人，男11人，受試者身體健康，沒有下肢運動傷病，并簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1）測試方案。

每名運動員都進行2項測試，分別為單個屈體分腿跳和連續2次屈體分腿跳，具體操作為：（1）單個跳躍：經過簡單的熱身，受試者先于測力臺外做一次開合步伐，再上步于測力臺上完成單個屈體分腿跳。騰空時雙手前平舉，要求受試者盡量跳高，快速踢腿，盡量讓雙腿能達到水平的角度，落地時著落在測力臺上。（2）連續跳躍：經過簡單的熱身，受試者先于測力臺外做一次開合步伐，再上步于測力臺上完成2個連續的屈體分腿跳，要求受試者盡量跳高，快速踢腿，盡量讓雙腿能達到水平的角度；兩次跳躍必須連貫，不能有中斷，且都在測力臺上完成。

2）測試器材。

KISTLER三維測力臺，采用頻率為1 000 Hz，采集時間為15 s；QUALYSIS紅外高速運動捕捉測試系統，采用頻率為500 Hz，采集時間為15 s。

3）測試指標。

采集跳躍全過程的力-時間曲線，起跳時間、緩沖階段時間、蹬伸階段時間，起跳階段力的沖量，每次騰空最高點時膝、髖關節角度、各環節加速度等數據。

4）統計方法。

用SPSS18.0對各項指標參數進行統計分析，對運動員單獨跳躍、連續跳躍中第1次跳躍和第2次跳躍的指標進行單因素ANOVA分析，比較運動員在3個跳躍中的差異；再對3個跳躍的指標進行男女組間獨立樣本T檢驗，比較不同性別運動員之間的差異。以P<0.05表示差異具有顯著性意義，P<0.01表示差異具有非常顯著性意義。

2 結果與討論

屈體分腿跳需要運動員優秀的彈跳能力。不僅騰空要高，起跳速度也要快[5]。本研究采集了單個屈體分腿跳、連續兩次屈體分腿跳中的第1次跳躍和第2次跳躍的起跳和騰空階段運動學與動力學數據。

2.1 單次跳躍與連續跳躍能力運動學測試結果

運動學指標是通過QUALYSIS攝像系統采集的包括各個特征畫面的各關節的角度、運動速度、高度以及時間等指標示。

1）髖關節的騰空凈高度變化。

競技健美操規則規定屈體分腿跳最低完成標準為雙腿達到水平位置，髖關節的騰空高度直接反映了競技運動員的彈跳效果[6]，因此本研究騰空高度采用的是髖關節的騰空凈高度。髖關節的騰空凈高度是用運動員騰空最高點時髖關節的高度減去運動員著板緩沖瞬間髖關節的高度得出的。

從表1可看出，男運動員單個跳躍時的髖關節騰空凈高度最高，其次是連續跳躍中的第1次騰空高度，最低的是連續跳躍中的第2次騰空高度，女運動員也表現出了相同的趨勢。且男女運動員單獨跳躍的騰空高度與連跳中第2次的騰空高度之間差異存在顯著性。因為連續跳躍時運動員需要從較高的空中落下，然后迅速完成第2次起跳，需要下肢伸肌群強大的超等長收縮能力，對運動員的跳躍能力提出了很高的要求。通過獨立樣本T檢驗發現，男女運動員騰空高度的組間對比差異具有非常顯著性，說明男運動員彈跳高度要明顯優于女運動員。

2）騰空時間的變化。

男女運動員單個跳躍的騰空時間、連續兩次跳躍中第1次騰空時間和第2次騰空時間呈現出遞減的現象。對比運動員的3個騰空時間發現，單個跳躍的騰空時長與連跳中第2次騰空時長差異存在顯著性。比較男女在3個騰空時長時發現，無論完成哪種跳躍，男運動員的騰空時間都明顯優于女運動，這與QUALYSIS系統測試的騰空髖關節高度的結果是吻合的。endprint

3）起跳緩沖時間的變化。

緩沖階段是指從運動員著板時刻到膝關節角度達到最小時刻的過程。起跳腿的屈膝緩沖是非常必要的，因為它使起跳腿的伸肌群做退讓性收縮，提高了肌肉與肌腱的彈性勢能，使肌肉的總收縮力增大，但如果想取得到良好的起跳效果，膝關節就不能過度的屈曲。緩沖角度偏大會導致緩沖時間過長，不利于肌肉彈性勢能的利用，甚至會造成肌肉的松弛。另外競技健美操屬于表現難美類項目，不僅要考慮到彈跳高度，還要考慮視覺效果。如果緩沖時間太長，會造成動作拖沓，跟不上音樂節奏，導致動作與音樂脫節。

表1對運動員完成單次和連續跳躍時起跳緩沖時間指標進行了單因素ANOVA分析以及獨立樣本T檢驗，結果說明男女運動員3個起跳的緩沖時間無論在組內還是在組間差異都沒有顯著性，即表明男女運動員起跳的緩沖時長相近。從絕對值來看，女運動員的緩沖時間普遍比男運動員緩沖時間短。以往的研究表明，當緩沖時起跳腿膝關節角度低于130°時，肌肉的彈性就會下降10%～20%[7-9]。女運動員由于下肢伸肌群離心力量沒有男運動員強，因此緩沖時間稍短。如果緩沖時間過長的話，會使膝關節緩沖角度過大，從而影響緩沖與蹬伸階段的有效轉化，喪失已積聚的彈性勢能，女運動員的彈跳效果將會受更大的影響。

4）起跳蹬伸時間的變化。

蹬伸階段是指從膝關節由最小時刻開始到運動員離板時刻的過程。蹬伸階段是運動員能夠跳起的直接能量來源，決定著跳躍的高度。另外在競技健美操中，迅速的蹬伸和迅速的緩沖一樣，是彈跳能力強的重要表現，會給裁判以視覺的沖擊。

運動員起跳蹬伸時間指標的變化情況比緩沖時間指標的變化要復雜很多。男運動員單個跳躍和連跳中第1次起跳的蹬伸時間相差無幾，而連跳中第2次起跳時間較前兩個起跳有所增加；女運動員起跳蹬伸時間出現了類似的情況。單個跳躍、連跳第1次起跳蹬伸時間很接近，分別為0.15、0.16 s，連跳第2次起跳蹬伸時間增加為0.22 s，甚至超過了男運動員，與前兩個起跳蹬伸時間差異出現了非常顯著性（P<0.01）。由于男運動員第2次跳躍高度并沒有變化，而女運動員第2次跳躍高度出現了明顯下降，因此我們認為連跳中的第2次起跳對女運動員來說非常具有挑戰性。

連續跳躍時人體從高空落下后，緊接著起跳蹬伸，下肢伸肌群先被動拉長然后再進行主動的向心收縮，是非常典型的超等長收縮，需要運動員很強的超等長收縮能力。研究發現女運動員的超等長收縮能力要遠遠差于男運動員[10-11]。

對男女運動起跳蹬伸時間進行組間對比發現，在單個跳躍以及連跳中的第1個跳躍中，女運動員比男運動員起跳蹬伸時間短很多，連跳中第2次跳躍女運動員的蹬伸時間與男運動員沒有顯著差異。結合男女運動員彈跳高度的表現，本研究認為蹬伸時間是影響女運動員彈跳效果的重要原因，蹬伸的力量與時間的乘積，決定了運動員起跳的速度。一般情況下，女運動員下肢蹬伸力量要小于男運動員，蹬伸時間再短的話，力量與時間的乘積自然就小了。雖然女運動員的體重（（56.78±6.93）kg）比男運動員體重（（64.31±6.45）kg）小，也可能產生較大的蹬伸速度。但結合垂直起跳沖量來看，男運動員的垂直起跳沖量比女運動員大得多，所以女運動員的離板速度還是比男運動員慢，彈跳高度自然就比男運動員低。

5）起跳時間的變化。

起跳時間是指運動員從著板瞬間至離板瞬間，它是由起跳緩沖時間與蹬伸時間相加得來的。運動員起跳太倉促，會影響彈性勢能的儲備；但起跳時間過長，會造成肌肉松弛，彈跳效果同樣不會理想。被拉長的肌肉，其張力有隨著時間的延長而下降的特性，這一特性稱肌肉松弛。這是肌肉中串聯及并聯彈性元屬黏彈性體的特性所決定的[12]。

單因素ANOVA分析發現，男生單個跳躍與連跳的起跳時間沒有顯著性的差異。而女運動員連跳第2次起跳時間比第1次起跳，以及單個跳躍的起跳時間都顯著增加，導致這種現象的原因是女運動員第2次蹬伸時間的延長。在連跳中由于第2次跳躍是運動員由高處落下后緊接著起跳，中間沒有任何的間歇，比單個跳躍困難許多，需要運動員下肢強大的超等長收縮能力。男運動員在進行緩沖后能接著募集腿部伸肌群肌纖維迅速收縮，而女運動員這種迅速轉化的能力就差很多，因此第2次起跳時間變長。對比男女運動員發現，男女生在不同跳躍動作中起跳的時間不存在顯著性差異，即從外表上看，男女運動員的起跳時間是差不多的。結合騰空高度，我們總結在相同的起跳時間內，男運動員能獲得更好的騰空高度，且男運動員的起跳并沒有給人緩慢、沉重的感覺。

6）騰空最高點髖、膝關節的角度變化。

騰空最高點髖、膝關節角度是由QUALYSIS系統測出的三維合成的關節角度，而不是在某個平面的角度。髖關節角度定義為肩峰點和大轉子點連線與大轉子點和脛骨上點連線的夾角。膝關節角度定義為大轉子和脛骨上點連線與脛骨上點和外踝點連線的夾角。騰空最高點髖、膝關節的角度關系到運動員的完成分，如果這些角度沒有達到最低要求，還會影響到難度分值[13]。

對比男女3次跳躍騰空最高點髖關節角度我們發現，女運動員無論在單個跳躍，還是在連續跳躍中髖關節角度都明顯比男運動員大。規則要求完成屈體分腿跳時，運動員的髖關節角度小于90°，而女運動在3個跳躍中的髖關節角度都超過了90°，在連續跳躍中的角度甚至達到了100°。髖關節角度與運動員的騰空高度是直接相關的，只有保證了足夠的騰空，運動員才有時間完成屈體和踢腿的動作，才能使髖關節小于直角。男運動員由于有良好的彈跳力，因而在3個跳躍中的髖關節角度都明顯小于90°，超出了規則的要求，但從絕對值上來看，男運動員在單個跳躍中髖關節的角度為62.98°，而在連跳中髖關節的角度分別為73.89°和71.98°，可見連續跳躍對動作完成質量還是有影響的，只有具備超強的彈跳能力和踢腿速度，才能保證連續跳躍的質量媲美單個跳躍[14]。對比3次跳躍騰空最高點男女生膝關節角度我們發現，男女運動員之間不存在顯著的差異。因為運動員騰空中膝關節的角度取決于膝關節的柔韌性以及形體基本功的練習，不受彈跳力好壞的影響。endprint

2.2 單次跳躍與連續跳躍能力動力學測試結果

動力學指標是通過分析KISTLER三維測力臺收集的力-時間曲線所得的各階段力的大小、時間的變化。測力臺的測試與QUALYSIS系統同步進行，圖1是測力臺依據原始數據繪制的一名受試者連續兩次屈體分腿跳的力-時間曲線。

（1）a-b階段為連續屈體分腿跳第1次起跳階段，b-c階段為第1次騰空階段，c-d階段為第2次起跳階段，d-e為第2次騰空階段）

1）垂直起跳沖量的變化。

沖量I是指運動員起跳階段力（F）與時間（t）的積分：I= dt。由Ft=mat=mVC，（加速度a）看出，力與時間的乘積（Ft）越大，靜止的物體獲得的速度（VC）就越大；起跳過程中力不是恒定的，因此起跳階段力的沖量其實是由積分得來的，最終的彈跳效果決定于沖量的大小[15]。測力臺上計算的沖量是指運動員所受向上合外力與時間的乘積，然而每個人的重力是不同的，因此本研究將測力臺給予運動員向上的反作用力減去重力所得結果乘以起跳時間得出垂直起跳沖量。垂直起跳沖量是對騰空高度和騰空時間的合理解釋。

男女運動員連跳中的第2次起跳沖量最高，其次是連跳中的第1次起跳沖量，最低的是單次起跳沖量。獨立樣本T檢驗結果顯示男運動員垂直起跳沖量顯著高于女運動員。第2章第2.1節第5）節分析結果顯示，男女運動員的起跳時間（t）無顯著差異，女運動員的平均起跳時間比男運動員約小0.02 s，因此主要影響男女運動員垂直起跳沖量的是蹬伸階段收縮力（F）[16]。男運動員的下肢蹬伸力量要遠遠大于女運動員，垂直起跳沖量明顯優于女運動員。由Ft=mat=mVC，結合男女運動員的體重分析，雖然女運動員體重小，沖量較小也可能產生較大的蹬伸速度，但男運動員垂直起跳沖量顯著高于女運動員，已經完全抵消了女運動員因為體重小而產生的補償。所以男運動員的離板速度還是比女運動員快，騰空高度和騰空時間因此明顯優于女運動員。

連續跳躍屬于典型的超等長收縮，因此通過超等長練習可以有效的提高運動員連續跳躍能力，如目前被廣泛使用的跳深練習。Kernozek等[17]研究認為，0.35～0.55 m的跳深練習可以有效地提高運動的彈跳能力，教練員可以根據運動員的能力選擇不同的高度進行練習，以期達到最佳效果。另外手臂在起跳過程中的作用也是不容忽視的。已有的研究表明，擺臂顯著提高了跳躍的高度，并顯著增加了髖關節、踝關節和臀部的功率[18]。在起跳過程中盡量采用直臂上擺代替曲臂上擺，使肩關節的力矩保持較高的水平，做出更大的功。因此應加強肩關節肌群上擺的力量訓練，增加擺動幅度和直臂程度，幫助完成起跳，提高運動員彈跳效果。

3 結論

1）男運動員能夠較好地完成連續屈體分腿跳動作，但是在騰空時間、騰空高度、騰空時髖關節角度和垂直起跳沖量指標上與單個屈體分腿跳都有顯著性的差異，不如單個屈體分腿跳優異，可見完成連續跳躍難度對于男運動員來說具有一定挑戰性。

2）女運動完成連續屈體分腿跳的效果較差，連跳中第2次跳躍除了起跳緩沖時間、騰空時膝關節角度與單個屈體分腿跳無顯著差異外，其他指標均顯示出顯著的差異。騰空的高度明顯降低，起跳蹬伸時間顯著增加，因此看上去起跳動作拖沓、沉重。建議女運動員盡量規避C組難度的連接。

3）男女運動員在3個跳躍中的騰空時間、騰空高度、髖關節角度、垂直起跳沖量上都表現出了非常顯著的差異，而在起跳緩沖時間、蹬伸時間、起跳時間、騰空時膝關節角度上并沒有顯著的差異。證明了男運動員能夠在相同的起跳時間內，獲得更好的起跳高度，從而更好完成動作，這主要依賴于男運動員下肢伸肌群強大的向心收縮能力和連跳時優秀的超等長收縮能力。

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