競技健美操難度動作的運動生物力學研究進展

張美琪，馬鴻韜

（北京體育大學體育藝術系，北京 100084）

競技健美操難度動作的運動生物力學研究進展

張美琪，馬鴻韜

（北京體育大學體育藝術系，北京 100084）

根據以往的研究文獻，對近年來運用運動生物力學的原理和方法對競技健美操難度動作的研究進行綜述，旨在為難度動作的學習和訓練提供理論指導，也為運動生物力學在競技健美操方面的進一步研究理清脈絡。研究認為：1）前人對競技健美操的研究大多著重難度動作的運動學分析，動力學和肌電指標的測試甚少，來自比賽場上的參數分析幾乎沒有；2）如何進一步改進動力學測試手段并應用于比賽實踐中可能會成為競技健美操動力學研究方法的新突破口；3）尚未發現對新引進的難度動作在健美操訓練、比賽環境下的探索和研究。建議未來研究者：1）在不干擾運動員比賽的前提下，獲取有效的賽場數據；2）對創新難度動作由研究人員在計算機中先進行模擬分析，以此減少運動員損傷并提高研究效率；3）跳水、體操等項目研究方法可以借鑒到競技健美操中，推動競技健美操運動科學研究的快速發展。

競技健美操；難度動作；運動生物力學；研究進展

競技健美操是一項在音樂的伴奏下，能夠表現連續、復雜、高強度成套動作能力的運動項目，起源于傳統的有氧健身運動，是在傳統健美操的基礎上發展起來的。競技健美操以一個新成員的身份進入國際體育競賽項目的行列只有三十余年，自20世紀80年代末期由歐洲傳入我國后，在國內快速發展起來，近些年中國隊在世界各級大賽中也取得了不錯的成績。但是，隨著規則的變化和競技健美操在世界范圍的普及，其他國家的競技實力逐漸增強，這敦促我們在難度動作訓練上要不斷地研究、創新，以期提高難度動作分值，獲得更好的運動成績。

運動生物力學是生物力學（Biomechanics）的重要分支，主要是應用力學原理和方法研究生物系統的結構和功能[1]。運動生物力學也是體育科學中的一門重要的理論學科，對我國體育事業的發展，特別是在各體育項目中的技術分析、運動訓練、設計和改進運動器材、裝備和設備、預防運動損傷等發揮著重要作用。本研究旨在通過對國內外研究的文獻分析，探討競技健美操難度動作運動生物力學方面的研究現狀，以求從生物力學角度了解競技健美操難度動作特征，為難度動作的訓練安排和科研實施提供理論參考。

1 研究方法

研究中主要采用文獻資料法，以“競技健美操”、“難度動作”為主題檢索詞，通過中國知網進行檢索，截至2016年5月30日國內共刊發2 395篇文獻；同樣以“Aerobic Gymnastics”、“Difficulty”為主題搜索詞，通過Google Scholar、Web of Science和PubMed等對國外標準舞項目相關文獻資料進行搜索，截至2016年5月30日，共搜索到29篇文獻，有20篇屬于生物力學和生理學、醫學領域，其中13篇文獻為實驗性研究。國內外現有文獻為競技健美操難度動作的運動生物力學綜述研究提供了依據。

2 競技健美操難度動作在運動生物力學領域的研究進展

根據《運動訓練學》[2]對項目群落的劃分，競技健美操屬技能主導類表現難美性項群，難美項群運動項目技術性強、動作種類和數量多，并且技術動作創新較快。因此，動作技術始終是競技健美操項目科學研究的主要內容之一。難度動作是構成競技健美操成套動作的主體，也是成套編排要考慮的核心要素。運動員要想在競賽中取勝，就要不斷增大難度價值、提高難度動作成功率、加強成套強度[3]。此外，競賽規則難度表中不斷有新動作加入，這些新難度動作包括的面越來越廣，例如，體操中的雙向托馬斯和武術中的旋腿動作被引入動力性力量類難度動作中，藝術體操的后舉腿轉體引入柔韌類難度動作中。可見，競技健美操難度動作將向高難度、多樣化、全面性方向發展。

運動生物力學運用力學的原理和方法研究人體機械運動原理和規律[4]，前人對競技健美操的運動生物力學研究主要使用運動學、動力學和肌電指標3種測量方法，以某個或某些難度動作為研究對象進行解析，為運動員難度動作的技術細節提供量化依據。其中，運動學測量參數主要包括肢體的（角）位移、（角）速度、（角）加速度等；動力學測量參數主要界定在力的測量方面；肌電圖測量實際上是測量肌肉收縮時的神經支配特性[5]。

2.1 運動學分析 由于運動學數據采集方法較為靈活，一般采用攝像、攝影的方法，對運動員無干擾，適合用于比賽和訓練場地現場采集，應用較為廣泛。隨著科學技術的進步，運動學檢測手段從二維攝影技術發展到三維立體攝影，攝像技術從每秒25幀的普通攝像機到后來每秒1 000幀以上的三維高速攝像機捕捉[6]?？萍歼M步不但提高了攝像機采集頻率，還有一些定位更精確的三維動作捕捉系統，例如，ARIEL、SIMI-MOTION、VICON、QUALISYS等，也越來越多地被應用到運動學的研究過程中用于剖析難度動作。

競技健美操難度動作是運動員利用身體內在力量改變身體各個部位的相對位置，保證身體重心沿著一定的軌跡運動而完成的不同復雜程度的技術動作。難度動作是成套的價值基礎，也是健美操運動員綜合實力的體現[7]。2001年起，國際體操聯合會將競技健美操難度動作規范為4個組別，分別是A組動力性力量類難度、B組靜力性力量類難度、C組跳躍類難度和D組平衡與柔韌類難度?？赡苡捎跍y試方法和儀器精確度等局限，目前對靜力性力量、動力性力量和平衡與柔韌類難度動作的研究還較少，對跳躍類難度動作關注較多。

2.1.1 動力性力量類難度動作的運動學分析 A組難度動作包括俯臥撐、俯臥撐騰起、支撐騰起、旋腿和直升飛機5個根名組，當前研究中關于A組難度動作的運動學分析主要關注俯臥撐騰起和旋腿2類。例如，鄭輝[8]采用6臺QUALISYS-MCU500紅外遠射測試儀對西安體育學院3名優秀男子健美操運動員完成的提臀起動作進行三維攝影，獲得完成時間、身體騰空至最高點髖關節的坐標位置及髖、肘、肩關節的角度等運動學數據，得出此類難度動作的完成由騰起高度和完成時間2個因素有機地結合來實現：適當速度的上肢和腰腹部協同發力是決定騰起高度的重要機制；完成動作時間過長則會影響成套動作的連貫性。李旭龍[9]等使用美國Ariel錄像解析系統，以北京師范大學健美操隊教練員張卓、高水平運動員李萌和張逸鋒為研究對象，選取了張卓和李萌較成功的A組托馬斯全旋動作和張逸鋒的一次失誤動作進行解析及比較分析，認為運動員應注意在動作開始階段增大分腿角度以增加轉動速度；完成“托馬斯全旋”動作時應注意雙手的及時撐地，否則容易造成動作失敗。關于動力性力量類難度動作的運動學特征有待更多地探索，未來研究者可深入考慮動力性力量難度動作中身體姿態的保持和移動一致性、旋轉速度問題。

2.1.2 靜力性力量類難度動作的運動學分析 B組難度動作展示靜力性力量，規則要求該類動作無論在開始或結束位置，還是在支撐轉體中，整個過程必須保持2s以上；要求身體以各種姿勢完全支撐在單手或雙手上，雙腳或臀部不允許接觸地面，并且支撐時手掌平整撐于地面。由于直角支撐轉體動作難度適中、分值較高，是成套動作編排B組難度動作的首選。現有關于B組難度動作的運動學分析主要探討了直角支撐轉體動作。例如，韓春英、韓甲[10]通過TJ-MOTION三維圖像解析系統，獲得健美操國家健將級運動員別蓁蓁完成B組直角支撐轉體720°的運動學參數，發現整個轉體過程是先加速、后減速的運動；身體重心隨著時間推移上下波動加劇，認為運動員應提高技術發揮和肌肉耐久性。楊宏、鄭松波[11]采用德國SIMI-MOTION三維動作解析系統對所拍攝的直角支撐轉體720°難度動作全程進行圖像采樣、解析和計算，得出轉動過程中重心越高越有利于身體的轉動，并且重心速度隨身體轉動由小到大遞進，才能在轉動過程中保持良好的身體姿態；直角支撐轉體是定軸轉動，完成過程中做原地轉體動作是最佳動作姿態。上述研究從理論上證明了重心與爆發力對直角支撐轉體動作完成質量的重要性，而重心與爆發力則主要由神經肌肉系統功能所決定。規則不斷變換，難度動作水平逐漸提高，B組難度動作的運動學分析有待于進一步研究，尤其是對組合支撐轉體、銳角支撐等更高分值的難度動作研究。

2.1.3 跳躍類難度動作的運動學分析 跳躍類難度動作要求以最大限度展示爆發力和最大的動作幅度，由于要通過盡可能短的時間達到峰值力，所以與其他組別難度動作相比具有更高的損傷風險。而且，跳躍類難度動作在競技健美操規則難度表中占比最大[12]，跳躍類難度動作的運動學分析也是當前研究熱點之一，實驗主要使用Vicon、SIMI-Motion、Dartfish等儀器分析了落地成俯撐、跳躍轉體落地成俯撐、跳躍轉體3個根名組動作。

1）落地成俯撐。多名學者從運動學角度對比分析了落地成俯撐動作，研究發現，在起跳階段，標準動作有充分預擺、用時較長，而對比動作起跳時間較短[13]；騰空階段，標準動作并腿速度快并且完成時間短，對比動作并腿速度快但保持并腿姿勢的時間長，說明身體的空中制控能力較弱，最佳動作姿態應是重心達到最高點時形成的分腿跳空中姿態[14]；落成俯撐階段應主動伸髖屈踝，落地髖角代表了身體姿態，高水平運動員髖角在170°左右[15]，髖角過小會影響動作美感。落成俯撐時，緩沖時間和撐起時間表現出差異性，主要原因可能是主動肌力量和超等長收縮能力較差[16]?？梢?，加強肌肉爆發力、均衡發展上下肢及肢體左右側力量是高質量地完成屈體分腿跳成俯撐動作的前提。

2）跳躍轉體落地成俯臥撐。跳躍轉體落地成俯撐動作是C組難度動作的重要部分，也是競技健美操難度動作的一個研究重點。在跳躍轉體落地成俯撐方面，研究認為起跳階段膝關節屈角小不利于產生較大的騰空高度[17]，向下加速擺臂可帶動膝關節屈角并且增加地面對人體的加速沖量值，能夠較明顯地提高起跳效果，當緩沖時起跳腿膝關節角度低于130°時，肌肉的彈性也會下降10%～20%[18-19]，30°～45°之間的膝關節充分緩沖角度能為后續蹬伸動作儲備較大彈性勢能[20]。騰空階段做科薩克或屈體是以人體繞髖關節上體與下肢做相向運動，人體角動量守恒[21]，蹬伸轉體過程中重心速率快與身高較高也存在一定關系，隨著轉體度數上升應及時夾臂抱胸以減少轉動慣量，增加角速度[22]；落成俯撐階段最佳緩沖角度為肘關節90°～110°、踝關節25°～40°，腰腹肌力量不足將導致在落地緩沖時身體控制能力較差、緩沖時間過長，而不利于后續動作的連接和對節奏的把握[23]。根據當前研究結果不難發現，跳躍轉體落地成俯撐動作是競技健美操難度動作的研究熱點，但由于個體差異，如何找到既有共性又有個性的標準成為訓練跳躍轉體落地成俯撐動作的困惑，有廣泛的研究前景。

3）跳躍轉體。在跳躍轉體動作方面，研究認為起跳階段低水平運動員較高水平運動員相比主要差在蹬伸技術上，包括蹬伸動作伸膝和伸髖的連續性以及蹬伸時Y軸發力方向的正確性[24]，保證較大蹬伸角的基礎上提高腿部爆發力能夠提高蹬伸效果[25]。起跳階段上下肢高度協同配合是完成跳躍轉體類難度動作的關鍵，起跳技術表現將直接影響難度動作完成的整體質量[26]。在保證起跳階段較大蹬伸角的基礎上，左右髖、膝關節角度均衡能夠提高蹬伸效果；騰空階段要求踝關節充分伸展、軀干與雙腿間的夾角較小，髖關節的較小角度和膝、踝關節的較大角度有助于提高騰空動作的準確性與優美性，已有研究表明擺臂能顯著提高跳躍高度[27]；轉體過程中身體跟進不足將導致軀干向原擺動腿方向傾斜并且落地重心不穩；積極控制轉動慣性并采用由前腳掌過渡到全腳掌的落地方式能夠減少落地時的沖擊，減少損傷[28]。規則規定跳躍轉體類難度動作可以以雙腳或單腳起跳，邱珍艷[25]提示雙腳同時落地的起跳方式可能存在起動較慢的情況，而單步上步起跳方式能夠獲得較快的起動速度。但是，根據生物力學原理，單腳上步的起跳方式對運動員腿部力量的穩定性要求更高，穩定性不如雙腳同時起跳。運動員應根據自己的特點多進行嘗試，以選擇適宜的起跳方式，提高緩沖效果。

2.1.4 平衡與柔韌類難度動作的運動學分析 D組平衡與柔韌類難度動作要求運動員具有較好的柔韌素質和平衡能力，更要在較好柔韌的前提下有一定的爆發力。D組難度容易出現劈腿角度不夠和用力方向錯誤造成動作完不成或減分，運動學分析能夠針對劈腿角度和用力方向得出更精確的結論?，F有運動學研究較多關注了平衡與柔韌類的依柳辛組動作。楊芳[28]使用Areil三維動作解析系統對國際健將壽旻超完成無支撐依柳辛成無支撐垂地劈腿動作進行解析，數據表明壽旻超在無支撐垂地階段，兩腿夾角雖然達到規則要求，但動作過程中對關節控制意識不夠，表現在擺動腿偏離縱軸度數大和踝關節缺乏控制；結束階段運動員頭部速度高于擺動腿速度，表明運動員上身主動用力，后半程腿速度加大說明主動夾腿積極。陸曉煒[29]使用SIMI-Motion三維動作解析系統解析了江西師范大學3名健美操優秀運動員完成依柳辛成垂地劈腿動作錄像，提取運動學參數后得出，難度動作完成過程中運動員的力量、柔韌、速度都不可能發揮到極致，所以運動員在訓練中不應一味要求爆發力而導致健美操的體操化傾向，應在訓練過程中形成有控制的快速力量、有力量的柔韌以及動態中的平衡這種富有競技健美操特色的專項素質。

2.2 動力學分析 力是人體運動狀態變化的根本原因，動力學測試也越來越受到動作技術研究人員的重視。由于三維測力臺采集頻率、分辨率、靈敏度較高，載荷范圍適宜。目前，應用于健美操難度動作的動力學參數測量較多使用三維測力臺測量系統。

吳升扣[30]使用KISTLER三維測力臺，測試了26名競技健美操一級運動員完成屈體分腿跳動作的垂直起跳沖量，結果表明性別的確是運動表現差異的顯著指標[31]——男運動員垂直起跳沖量顯著高于女運動員。垂直起跳沖量是對騰空高度和騰空時間的合理解釋，主要影響男女運動員垂直起跳沖量差別的是蹬伸階段收縮力（F）[9]，男運動員下肢蹬伸力量遠大于女運動員，所以垂直起跳沖量優于女運動員。這也證明男運動員能在相同起跳時間內，獲得更好的起跳高度，從而更好地完成動作。影響動作結束速度的因素與力的加速距離密切相關[32]。力的加速距離越短，動作結束速度更多取決于“啟動力”或“爆發力”；加速距離越長，則更多取決于后繼力量發揮。

2.3 表面肌電分析 表面肌電信號sEMG（Surface Electromyography）是從皮膚表面通過電極引導、記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號，與肌肉的活動狀態和功能狀態之間存在不同程度的關聯性，能在一定的程度上反映神經肌肉的活動，從而對肌肉功能進行量化評定。隨著對表面肌電信號的深入研究，肌電測試系統也逐漸被使用到競技健美操項目的生物力學研究中，用于測量運動員完成難度動作時的用力情況和身體內部機制參數[33]。由肌電圖儀記錄下的肌肉電變化圖形，稱為原始EMG。對原始EMG處理獲得平均功率頻率（MPF）、積分肌電圖（IEMG）、中心頻率（CF）、均方根振幅（RMS）等定量指標，從EMG的時域和頻域2個方面特性對肌肉活動情況進行分析與評價，從而形成內外兼顧的可量化的測量數據，可以得出所需動作的肌肉作用情況和作用大小，以及難度動作用力的合理性。

支撐轉體類難度動作的主要問題在于如何用力能使運動中的身體保持靜力性平衡，支撐轉體動作屬于靜力學的范疇，表現為等長收縮，等長肌力測試需要當某些關節保持在一定位置時，測定選定關節下的力矩或力[34]，但是由于需要肌肉瞬間發力的參數，表面肌電測試不能直接識別作為啟動力的肌肉在運動中階段的狀況[35]。韓春英[35]韓春英[10]等使用芬蘭ME3000P4肌電測試儀采集了國家健將級女子單人項目運動員別蓁蓁完成B組直角支撐轉體720°動作的肌電活動信號，并用MEGAWIN2.0軟件對原始肌電信號進行處理，研究結果認為提高直角支撐轉體動作首先應加強腹直肌力量訓練；支撐轉體動作應左右肢均衡用力完成動作，但肌電圖表現出明顯的左右側不對稱現象，可能由于左右側肌肉力量訓練不均衡造成，應及時糾正?，F有研究多集中于對力量類難度動作的肌電表現分析，未來研究者可針對跳躍和柔韌類難度動作的肌肉用力情況進行深入探析。

3 結論與建議

3.1 結論 1）多年來，學者們對生物力學的研究方法進行各種嘗試，研究手段不斷被改善，研究參數趨于多樣化并且愈加精準。但前人對競技健美操的研究大多著重難度動作的運動學分析，動力學和肌電指標的測試甚少，來自比賽場上的參數分析幾乎沒有。

2）由于競技健美操比賽是在運動員身體處于不斷變化的不穩定狀態下完成的，如何進一步改進動力學測試手段并應用于比賽實踐中？在彈性地板和人體上固定超微傳感器，通過遙控遠距離獲取賽場動力學參數數字信息可能會成為競技健美操動力學研究方法的新突破口。計算機模擬仿真是動作創新研究的一種趨勢，但目前還未應用到競技健美操項目的科學研究中。

3）近年來競技健美操規則逐漸引進了一些競技體操和其他項目的難度動作，但尚未發現對新引進的難度動作在健美操訓練、比賽環境下的探索和研究。

3.2 建議 1）在不干擾運動員比賽的前提下，獲取有效的賽場數據，將有利于更精確地揭示健美操運動員的能量和力的變化規律。

2）隨著多體系統動力學的發展和計算機的普及，人體動態模型方法越來越多地應用于體操、蹦床等項目訓練實踐，對一個創新難度動作由研究人員在計算機中先進行模擬分析，判斷可行性，這樣可以減少運動員損傷并提高研究效率。

3）競技健美操與跳水、體操這些項目同屬技能主導類表現難美性項群，而跳水、體操等項目的科研已經發展到較高的層次，其研究方法可以借鑒到競技健美操中，繼而指導我們的科研，推動競技健美操運動的快速發展。

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Research Progress of Difficulties of Aerobics Gymnastics in Sports Biomechanics

ZHANG Mei-qi，MA Hong-tao
（Department of Sports Arts, Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Taking difficulties of Aerobic gymnastics as the research objects, aiming at making a systematic review on summarizing sport biomechanics research advancement of aerobics gymnastics in recent years.The purpose of this study is to provide athletes and coaches with the components of Difficult elements as well as to clear up the skeleton of previous studies about Aerobic gymnastics for further researches. It reveals that: 1) Kinematic analysis studies on competitive aerobics are emphatically difficulty, kinetics and EMG testing is very little, from the analysis of the game almost no parameters. 2) How to further improve the dynamic testing methods and applied to the competitions might become a new breakthrough in research methods of Aerobic Gymnastics dynamics. 3) Has not been found to introduce new difficulties in Aerobics training and competition environment exploration and research. The researchers in the future: 1)Without interference of athletes, competitions gets effective data. 2) To new difficulties by researchers in the computer for simulation analysis, in order to reduce the damage and improve the efficiency of athletes.3) Research methods of Diving, Artistic Gymnastics and other disciplines can be reference to Aerobic Gymnastics to promote the development of scientific research in Aerobic Gymnastics.

aerobics gymnastics; difficulties movement; sports biomechanics; research progress

2016-11-22

張美琪，碩士研究生，研究方向：健美操訓練理論與實踐、體育藝術。通信作者：馬鴻韜。

G831.3

A

1004 - 7662(2016 )12- 0080- 06