簡化太極拳練習者高架位與低架位的生物力學分析

石華畢

摘要：太極拳的架位影響膝關節穩定的主要因素，文章以膝關節角為依據，測量了一名中等身高男性太極拳練習者的高低架位，并對其進行不同膝關節角、左腳支撐力的力學分析。研究發現：當太極拳習練者處于小腿與地面垂直的弓步過渡到膝尖與腳尖的垂直狀態，人體的重心自然會補償性前移而降低，同時通過髕腱的股四頭肌力矩也減少。研究提示： （1）當膝關節尖靠近腳尖的垂直狀態，由于通過髕腱的股四頭肌力矩減小，可能導致膝關節穩定性的減小。 （2）簡化太極拳所謂的“無過無不及”的膝尖與腳尖的關系的科學性值得重新思考。

關鍵詞：太極拳膝關節角 弓步

中圖分類號：G85 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1839（2018） 4-0052-04

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引言

太極拳在長期的演變中，形成了五大流派。楊式太極拳為了適應宮廷的需求，在陳式太極拳的基礎上，不但提高了拳架的高度，同時也改變了太極拳的發力。因此，我們所見到的不同流派的太極拳，在外形上有的看似蹲著打的、有的看似站著打的，有的發力短促迅猛、有的則注重綿柔劃弧。但各流派幾乎都十分注重底盤（腿部）的動作，并且有嚴格的要求。簡化太極拳雖然是從楊式太極拳改創而來，但與傳統的楊式太極拳卻有不同的腿部動作要求。如，傳統的楊式太極拳弓步的要求是： “兩腳前后分開，前腿屈，小腿與地面垂直，后腿舒展蹬地，不可繃直。”[1]而從傳統楊式改創而來簡化太極拳則是， “前弓的膝蓋垂直方向下對腳尖，無過無不及。”[2]這就給太極拳練習帶來一個實踐問題：從平衡或穩定性的角度出發，是傳統楊式太極拳的“小腿與地面垂直”有利于穩定，還是簡化太極拳的“無過無不及”的有利于下肢的穩定呢？不論是何種流派的太極拳，弓步是最典型的步形。因此，膝關節角通常被研究者所采用，相關研究已經建立膝關節角與太極拳架位的關系。目前對太極拳的架位定性有兩種方法，第一種是膝關節角度法，第二種是人體重心法。兩種方法將太極拳的架位又分為高架、中架、低架。第一種運用關節運動角度（ROM：rangeof motion）又將太極拳架位分為：高、低、中三種及和高、低兩種架位。陳文鶴、趙釜生認為，太極拳所指的架位，即所提到的太極拳的高勢、低勢和中勢，一般也都可以用膝關節角度來大致劃分。[3]陳文鶴教授在他的研究中將太極拳高架勢時膝關節角度定義為150°，而低架勢則定在120°，把專業太極拳運動員低架勢的臨界膝關節角度135°（中間值）確定為中架勢膝關節角度。[4]也有研究者將太極拳架位分為兩種，高架：膝關節角度為110°-130°；低架：膝關節角度為90°-110°[5]第二種運用人體重心法。研究中規定的高、中、低身體架勢以正常人體站立時重心為標準，然后分別乘以系數0.97、o.89和o.81作為高、中、低架勢的重心高度。要求練習太極拳時重心起伏不能太大，盡量控制在規定的重心高度范圍之內。[6]上述關于下關節角的表述存在錯誤，本研究通過更正后選取膝關節角作為測試指標。

本研究對一名太極拳習練者的高架位和低架位的“小腿垂直地面”以及“膝尖垂直腳尖的狀態”作了膝關節角度和支撐力的測量。通過力學分析，計算各架位通過髕腱的股四頭肌肉力矩的變化，來說明彎曲腿膝關節的穩定性。

2 測量對象與測量設計

2.1 測量對象

Yan，Yu-meng，男，24歲，身高168cm，體重58.lkg（上身穿衣服，下身僅穿內褲）。在讀民族傳統專業研究生，有多年太極拳習練及比賽經歷。

2.2 測量設計

2.2.1測量工具

電子秤一臺，VIGolf（版本1.01.49）◎2016Interactive Frontiers， Inc.PIymouth， Michigan， USA， 米尺一根。

2.2.2參照標準

本文采用楊慧馨，虞定海等將高架：膝關節角度為110°-130°；低架：膝關節角度為90°-110°的標準作為參照并調整。因為研究者對膝關節角表述存在錯誤，因此根據膝關節角的概念，在脛股關節中，運動是發生在三個平面上的，但是在失狀面的運動范圍顯然是最大的。這個平面膝完全伸展到完全屈曲的運動范圍是0°到140°。[7]陳文鶴教授等將太極拳高架勢時膝關節角度定義為150°，顯然是膝關節角難以達到的角度（受傷病例除外）。因此，校正并調整為高架≤80°，低架，80°且小于140°。

2.2.3測量設計

（1）標志關節部位。在左腳踝關節外踝、膝關節中心、股骨上端凸起用膏藥貼上標記。 （2）固定兩腳后跟的距離。目的是：形成一個小腿幾近垂直地面的弓步，就是取傳統楊式太極拳弓步彎曲腿要求；繼而膝關節尖逐漸靠近腳尖，并形成腳尖與膝尖的連線垂直于地面，測試過程選取一垂直的墻面做參照。此時形成的弓步就是簡化太極拳的弓步要求（見圖1）。（3）預測試。選取一個中等身高的男性，進行數次測試，目的在于，編寫記錄單、調整攝像的位置，兩腳確定在統一水平面上，并按要求完成需要測量的動作。（4）實際測量。形成弓步，固定架位，兩腳后跟高架位距離為82cm、108cm，分別測量高架位小腿基本與地面垂直時的彎曲腿支撐力（記為wl）和膝關節角（序號記為1—①），移動膝關節尖幾近垂直腳尖（序號記為1—②）；測量彎曲腿大腿幾近與地面水平，小腿與地面垂直狀態的彎曲腿支撐力和膝關節角（序號記為2—①），移動膝關節尖幾近垂直腳尖（序號記為2—②）

圖片來源：國家體育總局編.簡化太極拳[M].中國體育雜志英文編輯部譯.北京：人民體育出版社，1998.10： 11。

3 結果與分析

3.1 從高架位移動至低架位的力學分析

3.1.1膝關節角度的測量

在任何一平面都可以測量一個關節的運動范圍。粗略的測量用量角儀就可以完成，但更為精確的測量則要求運用諸如電子量角儀、x線片、立體攝影測量或運用骨針的攝影和攝像這些更加精確的方法。在脛股關節中，運動是發生在三個平面上的，但是在失狀面的運動范圍顯然是最大的。[8]

運用VIGolf做標志關節點的連線，并形成如下圖2和圖3所示的角度，根據膝關節角的概念，容易得到不同架位的膝關節角度，如圖2的膝關節角度=180°-136° =44°。

3.1.2重力力矩

弓步的重力力矩是相對力的支點而言的。太極拳的弓步重力的力矩，以右腳為支點做順時針旋轉，就是人體重力與后腳支點的垂直距離，本研究記作b，反之，記作a

如果順時針旋轉（順時針的力矩為正），此時右腳后跟為支點（o），人體處于靜態平衡狀態，膝關節角=44°。假設人體重心投射與兩腳后跟連接的線段點為O，O與左腳腳后跟的長度為a，與右腳的腳后跟長度為b。支撐左腳的力量記為wl，支撐右腳的力量為w2，人體重力為G，重力加速度為g，根據力矩平衡∑M=O，可知，

計算得出b=28.3*0.82/58.1=0.399（米），a=0.82-0.399=0.421（米）

同理依次計算出1—②、2—①、2—②a與b的長度，見表2

從表2可以看出，當膝關節角為44°移動到79°，即由高架的小腿垂直狀態移動到膝尖與腳尖垂直的低架狀態，人體重心與左腳后跟的垂直力矩從0.42lm減小到o.342m。從人體的外在形態來看，這個過程一是，身體重心的下降，二是左腳的支撐力量變大（見表1）。

3.2 分析通過髕腱的股四頭肌肉肌力P和它的杠桿c的乘積

小腿的屈曲力矩是體重（G），因為弓步是兩腿支撐地面，即左腳的地面反作用力）和它的杠桿臂。的乘積。a是wl到脛骨關節運動中心的垂直距離，因為太極拳的弓步是兩腿支撐地面，因此，此時的。就是人體重心投射點與左腳腳后跟的距離。與之抗衡的伸展力矩是通過髕腱的股四頭肌肌力（P）和它的杠桿臂（c）的乘積。wl下肢骨對股骨的支撐力，幾近通過脛骨平臺的支撐點（O），此時大腿要保持平衡狀態，主要來自通過髕腱的股四頭肌的拉力（P）和人體的重力（G）。

大腿處于平衡狀態或膝關節要維持穩定，與重力抗衡時伸展肌肉力矩（通過髕腱的股四頭肌肉肌力P和它的杠桿c的乘積）與重力形成的力矩也必然相等（∑M=O）。股骨髁以脛骨平臺做屈伸運動，因此存在一個關節中心點，我們不需要知道中心點具體的位置，也可以計算通過髕腱股四頭肌肌力P和它的杠桿c的力矩。由于小腿的重量小于體重的10%，在此忽略小腿的重量。

P*c與身體重力抗衡的力矩，c：股骨杠桿力臂

w為向下的重力，由于右腳支撐力向上，因此可初略認為此時向下的重力為：聯立（4）和（5）得出

通過計算得出，髕腱的股四頭肌肉肌力P和它的杠桿。的乘積（力矩）見表3。

從表3來看，股四頭肌的力矩1—①到l—②呈現減少。這種減少，一方面人體重力的代償性分布決定的，即人體要維持一定的平衡狀態，人體的重心必須作出及時的調整。膝關節的受力與脛骨所處的角度關系很大，在一般情況，小腿角度改變1°，即可使膝關節移動近lcm。[9]本研究中被測試者的腳長40cm，在膝尖移動至與腳尖垂直的狀態，實際上移動了腳背到腳尖的長度，腳踝與腳后跟的距離接近8到lOcm。從l—①到l—②的膝關節移動了79-44=35°。可見大體與前人的研究相符合。

結合表2，我們以l—①過渡到1—②的重力力臂變化，和通過髕腱的股四頭肌力矩來看，都是一個減小的過程。力臂的減小是人體維持身體平衡的代償性機能，而力矩的減小則說明，膝關節的穩定性減少。這與我們平時見到的，由于膝關節病變原因或腿力量（主要是股四頭肌）的力量不夠，引起屈膝前跪而摔倒緊密相關。這也許是人體的一種自我保護機制，即保護膝關節不受傷，而做出摔倒的動作。在傳統的楊式太極拳基礎上創編的簡化太極拳，要做到“無過無不及”的膝尖與腳尖的垂直的狀態實際是有難度的，大多簡化太極拳初學者， “過”是常態。我們可以將這種“過”的狀態稱之為“跪膝”，這也是太極拳初學者最容易出現的問題。

4 結論與建議

4.1結論

（1）膝尖靠近腳尖的垂直狀態，通過髕腱的股四頭肌肉肌力P和它的杠桿c的乘積力矩減小；

（2）身體重心投射與左腳的力矩減小，膝關節的穩定性減小，不利于穩定性支撐。

4.2建議

（1）建議太極拳初學者，不要去追求“無過無不及”的狀態，而要注意小腿與地面大體垂直。

（2）本案例僅為一名被測試者，膝關節的力學分析與不同性別、體重、身高、腿長等都有緊密聯系，為提高簡化太極拳的健身的科學性，樣本可增加不同身高。

參考文獻：

[1]國家體育總局武術研究院組編.楊式太極拳[M].北京：高等教育出版社，2009：8-9.

[2]薛安日.簡化太極拳學問不簡——紀念《簡化太極拳》問世50周年[J].中華養生保健，2006（04）：10-11.

[3]陳文鶴，趙釜生.太極拳練習的能量消耗和甲皺微循環變化[J].上海體育學院學報，1984（2）：1-7.

[4]周 雷，王 健，吳 飛，等.太極拳3種高度架勢的確定及控制[J].中國體育科技，2005（3）：103-104.

[5]楊慧馨，虞定海，趙 影.中老年男性太極拳高、低架野馬分鬃、倒卷肱與云手練習中的氣體代謝和能量消耗特征[J].中國運動醫學雜志，2011（04）：323-325.

[6]周 雷，王 健，吳 飛，高、中、低架勢太極拳運動的氣體代謝反應[J].中國運動醫學雜志，2007（02）：211-213.

（7]鄺適存，郭霞主，譯.肌肉骨骼系統基礎生物力學[M].北京：人民衛生出版社.2008：117.

[8]鄺適存，郭霞主，譯.肌肉骨骼系統基礎生物力學[M].北京：人民衛生出版社.2008：117.

[9]戴剋戎.關節的力和力矩[J].國外醫學·創傷與外科基本問題分冊，1981（01）35-39.