運動生物力學研究方法在武術套路中的應用現狀研究

陳盼盼

關鍵字：運動生物力學；理論原理；測量方法；研究結論導向

武術文化，博大精深，蘊含著中國幾千年來的文化精髓，有著悠久的歷史和廣泛的群眾基礎。同時，武術作為中華民族的傳統文化項目，沉淀了中國幾千年來的歷史，形成了各具特色的流派,建立了科學的理論和技術體系，為華夏文化的傳承和發展起了不可磨滅的作用。運動生物力學作為體育運動訓練的重要理論基礎，對提高武術技術動作和改善武術傳統訓練方法起著重要的推動作用。同時運用生物力學基本理論和生物力學研究方法進行定性與定量相結合分析，對于競技武術的發展具有重要意義。

九運會以后，國家體育總局管理中心為了適應我國競技武術發展的需要提出了“難度動作”和“連接難度”得新概念，2003年在試行的新的武術競技規則中，競技武術套路規定了指定動作內容、扣分標準以及競技規格要求，我國的競技武術進入了一個嶄新的歷史階段。競技武術動作中的難度動作以及動作之間的銜接難度直接影響到參賽運動員的比賽成績，在新的競技規則導向下，運用新的研究方法和手段對難度動作的研究不斷出現，運動生物力學研究就是其中之一。

1.運動生物力學理論原理在武術項目中的應用

1.1 轉動慣量原理

物體的轉動慣量是描述物體轉動時保持原來轉動狀態不變的物理量，轉動慣量越大使物體保持原有運動狀態的能力越強，轉動慣量越小使物體保持原有運動狀態的能力越差[1]。從力學條件出發人體轉動的條件是：作用在人體上的外力對某一轉軸的力矩的矢量和不為零，即ΣM≠0。動量矩定理就是指動量矩的改變量，等于作用于剛體上的沖量矩。沖量矩是力矩和時間的乘積，它表示外力矩對轉動物體的作用在時間上的積累效應。動量矩是轉動慣量和角速度的乘積，它反映了剛體的轉動狀態。兩個不同時刻動量矩之差表示的是在這段時間內剛體的轉動狀態的變化情況，物體轉動狀態的變化是外力沖量矩作用的結果，外力矩越大，作用時間越長，物體轉動狀態(動量矩)的變化越大[2]。根據公式I=mr2，對于質量為m的質點，其半徑越大，轉動慣量越大，半徑越小，轉動慣量越小。以旋子轉體為例，人體在轉動過程中要盡量減小人體轉動半徑，首先頭部要保持梗直，如果低頭或后仰就會造成半徑加大，相應的轉動慣量就會增大，旋轉角速度相應減小，不利于空中旋轉動作的完成。其次人的手臂和左右腿在騰空的過程中要盡量貼近身體或夾住，根據動量矩守恒定理可知，兩手臂打開或是騰空過程中兩腿夾角過大則會增大身體繞縱軸的轉動慣量。另外，人體的肌肉在騰空過程中也要保持緊張狀態，腰部和腹部的肌肉起關鍵作用。

1.2 肌肉激活順序原理

肌肉的激活順序是運動員完成動作節奏的重要體現，而動作節奏直接影響運動員的動作是否協調一致，進而決定運動成績的好壞[3]。

肌肉激活順序原理指出了人體如何在適當的時機動員身體各環節參與運動。人體在運動時。一般先是由大肌肉群參與活動，由大肌肉群帶動小肌肉群參與，也就是由整體逐漸帶動局部的過程。這樣一來，不僅增大了運動的范圍和速度，而且每個運動神經元所支配的肌纖維參與數量也會相應減少，更增加了運動的準確性。近端環節先于遠端環節的活動順序也保證了遠端環節肌肉的收縮前的適度拉長。在旋子轉體動作的起跳階段，上肢向順時針擰轉，使軀干向左回旋的肌肉群(包括左側三角肌外側、左側腹外斜肌、右側腹外斜肌等)預先拉伸，腰部肌肉群首先活動，以依次帶動肩關節，肘關節以及腕關節。

2.運動生物力學診斷測量方法在武術項目中的應用

運動技術的診斷可以從3個方面入手，既運動學，動力學和肌肉力學，這三個方面從三種不同層次上反映出人體運動狀況，運動技術診斷的發展主要是以測量技術的進步為標志的，目前采用先進的體育科研儀器，同時結合運動訓練學、運動解剖學、運動生理學、運動生物力學等學科知識對動作技術進行測試和分析，客觀地反映出有利于武術動作技術的運動學指標、動力學指標及肌肉力學指標，從而從中找出技術動作的一般規律，為以后的科學訓練提供參考和依據。

2.1 運動學診斷測量

人體運動學是研究人體或是器械在空間的位置隨時間變化的規律性。從運動學層面上看，可以確定運動過程中動作技術的空間特征(技術動作的運動軌跡)，時間特征(技術動作的開始、結束，運動持續的時間，運動頻率，運動節奏等)以及時空特征(角速度，角加速度)。運動拍攝及其解析技術是進行技術動作診斷的重要手段，運動這一手段可以獲取運動員在運動過程中的運動學參數，為運動員的科學的訓練提供有效依據和及時反饋。

隨著科學技術的發展，電影拍攝，錄像拍攝和紅外拍攝逐漸運用到運動生物力學的研究中。

黃強等人對我國2000年全國武術錦標賽自選拳比賽前3名運動員完成旋子轉體720°接跌叉的動作進行了高速攝影的測試分析，通過生物力學實驗,獲得了相關運動學指標與數據，制作出了該動作各關鍵時相的運動學三維立體動感圖。

郭明明應用DLT法分別對第十屆全國運動會女子長拳冠軍梅寒完成的旋子轉體720°的起跳技術和旋子轉體720°接豎叉的落地技術進行了運動學分析，分別指出了完成兩個技術動作的完美身體特征和姿態[4][5]。

樊藝杰對3名全國武英級優秀運動員所做的高難度353C+4(旋子轉體720°接跌叉)動作進行了高速攝像的測試分析，同時提出了相應的訓練方法[6]。

甘雷[7]和習開磊[8]都運用高速攝像技術對C級跳躍難度旋子轉體720°接跌叉動作進行了測量，并將整個技術動作分為助跑踏跳、騰空、落地三個階段進行運動學分析，通過三名運動員的運動學參數的比對，選出優秀運動員的運動學參數和指標，為以后的運動訓練提供理論數據。

2.2 動力學診斷測量

人體運動狀態的變化都是因為力的作用而產生的，因此，對于力量的測試有助于客觀深入的分析人體的運動規律。在進行運動診斷時，除運動學測量診斷之外，動力學診斷也是必不可少的一部分，運動學測量診斷主要討論人體運動狀態的規律，動力學診斷測量主要討論人體運動狀態變化的內在原因。從動力學層面上看，主要討論人體運動力矩、沖量以及能量的特征。常用動力學測量儀器為力傳感器，三維測力臺，足底壓力分布測量平臺，足底壓力分布測量鞋墊，等動肌力測試系統。

2004年，北京體育大學的研究生谷楓運用紅外遠射測量系統和足底壓力測量系統，對兩組不同水平的楊氏太極拳練習者摟膝拗步下肢動作進行了測量與比較分析。同時對受試者的動作技術的合理性做出了診斷與評價，為太極拳技術評價與訓練以及全民健身指導提供了理論參考依據[9]。

2010年，郭孝君運用三維影像測量和三維測力的方法，以東北師范大學體育學院武術專業一級運動員為研究對象，對太極拳旋風腳360°動作進行了運動學和動力學的研究與分析，指出了完成該動作的的運動生物力學參數，為運動員完成完整動作提供了參考依據[10]。

2.3 肌肉力學診斷測量

斷討論的主要是運動狀態的一般規律，動力學診斷討論的主要是運動狀態變化的原因，既力的作用引起的機體的活動變化，而肌肉力學主要討論的是動力變化作用下人體內部的肌肉力學特征。從肌肉力學的層面上講，肌肉力學主要是確定人體運動時骨骼肌的運動生物力學特征，區分在運動過程中的原動肌和對抗肌，固定肌和中和肌，并清楚各自的發力特點以及參與肌群的發力時序、大小等。肌肉力學特征主要通過人體活動時肌電信號體現，對于肌電信號的分析方法可分為時域和頻域兩種，時域的主要指標有積分肌電(IEMS)，均方根振幅(RMS)，時序(參與運動的肌肉激活順序)等，頻域主要是分析肌肉肌電信號的頻率特征，主要包括信號的帶寬，平均功率頻率，中位頻率等。在體育科學研究中，通過肌肉肌電圖，可以判定肌肉所處的狀態，肌肉之間的協同，肌肉的收縮類型及強度，肌肉的運動損傷以及疲勞程度等。

2010年，牛建華運用肌電測試系統對太極推手初學者和優秀武術運動員之間肌電圖的變化進行了比較，研究結果顯示，在太極推手過程中初學者技術動作不協調，主要表現為上肢肌肉、軀干肌肉和下肢肌肉同時放電，而且發力肌群主要以上肢肌群為主，而優秀的武術運動員為部分下肢肌肉和腰腹肌肉率先放電，技術動作協調、連貫。通過兩組的比較分析，得出優秀的武術運動員的太極推手表現為力由下肢來生，傳遞到腰腹，最后到達上肢。

2011年，晁燕麗運用三維高速攝影和表面肌電兩種測量方法對經濟太極拳旋風腳360°接提膝獨立動作技術進行了運動學和表面肌電力學的分析，找出了影響競技太極拳旋風腳360°接提膝獨立動作技術的主要因素，確立了正確的技術概念。為運動員進行科學合理的訓練，減少不必要的運動損傷提供了理論依據和數據支撐，具有很大的進步意義。

3.運動生物力學研究結論導向及意義

3.1 為改進技術動作提供數據參考和理論依據

運用先進的體育科研儀器，同時結合運動生理學，運動解剖學，體育訓練學以及生物力學等知識進行綜合分析和測量，通過對高難度動作的分析和數據解析，有利于動作之間的銜接和靈活轉換運用，找出技術動作的內在的一般規律。為豐富技術理論和人指導體育訓練、教學提供有價值的生物力學參數。

3.2 建立武術技術動作訓練模式，提高比賽成績

任何實驗的測量以及動作的分析都是為提高比賽成績服務的，針對比賽的動作細節以及不足之處進行生物力學的分析和實驗，通過對大量數據的收集和統計，同時針對運動員自身的運動素質特點，建立個人檔案。對運動員比賽動作中出現的不穩定因素進行強化，模擬比賽強度和環境進行訓練，建立專屬個人訓練模式，提高比賽成績。

3.3 為預防運動損傷和康復提供科學依據

隨著武術的不斷發展，中國的傳統文化逐漸走出國門，走向世界，武術的文化精髓以及武術的博大精深也逐漸被世界所關注，世界級武術比賽也如雨后春筍般涌出，更多高、難、美的武術動作逐步呈現，但是隨著技術動作高要求的發展，運動損傷再所難免。運用運動生物力學對運動損傷的部位特點進行研究和原因分析，能夠更準確的定位運動損傷的程度以及確定更好的康復措施。

3.4 為運動選材提供依據

隨著武術的不斷發展，武術套路的運動員選材方面也是教練員關注的重要的一方面，科學有效的制定運動員選材指標體系以及運動員的各項指標對于運動員后期的發展以及比賽成績的獲取具有重要的意義。根據力學原理數據分析，運動員的身體形態跟運動員選材具有密切的聯系。