不同速度正向單搖跳繩地面反作用力與下肢關節角度的變化特征關系

宗學凱，井蘭香

（燕山大學 體育學院，河北 秦皇島 066000）

跳繩運動操作簡單，方便易學、內容豐富、形式多樣，是一項極佳的健身運動。跳繩可作為人們日常提高體能的一項運動，可對人體器官產生較好的影響，鍛煉人的心、肺、胃功能，神經系統和腦功能。經常進行跳繩運動還可提高人的跳躍能力，使下肢肌肉彈性增加［1］。通過科學合理的跳繩練習可對羽毛球運動員力量、速度、靈敏和耐力等素質有著較好的促進作用［2］。作為部分專項練習的輔助手段，跳繩運動還可以用來評價青少年籃球運動員動態平衡能力和運動過程中所表現的協調性［3］。同時，中等強度的有氧跳繩運動后能使大學生的睡眠質量明顯提高，并可有效的改善和預防大學生焦慮和抑郁癥狀，對大學生的心理健康起到了積極的作用［4］。然而，在連續的跳躍運動中下肢兩側肌力不平衡或是在正確動作掌握不嚴謹的狀況下，不排除有使下肢出現損傷的可能性［5］。

跳躍運動可分為蹬地、騰空、落地階段3個階段，每當騰空階段結束足部觸地開始，人體便會受到地面反作用力的沖擊，為了防止在跳躍運動的落地緩沖階段出現損傷，人體最先通過調節下肢剛度來完成這種反應［6］，即通過增加膝關節和髖關節的垂直位移來完成緩沖。進行高頻率的跳繩運動過程中，由于垂直地面反作用力峰值、被動沖量、及關節負荷率較高，作為緩沖工具的下肢關節屈曲范圍也較小，長期下來可能會使下肢造成受傷的隱患升高［7］。國際跳繩聯盟（Internatinal Rope Skipping Federation “IRSF”）建議將跳繩運動 60±10次/min定義為慢速跳繩、將90±10次/min定義為中速跳繩、將120±10次/min為快速跳繩。已有相關研究表明，中速跳繩產生的VGRF峰值和爆發力相對慢速和快速跳繩產生的VGRF峰值和爆發力最大，快速跳繩的支撐期腿剛度較慢速和中速跳繩最大［8］。那么在此提出疑問，中速跳繩對人起到的作用是對下肢力量的練習還是較高的垂直地面反作用力對人體的沖擊？快速跳繩運動是否適合作為專項運動的輔助練習以及是否適合作為跳繩業余愛好者日常活動的一項？

跳繩運動的成功普及不僅體現在跳繩群眾的增加，更是體現在許多學者對這項運動產生的濃厚興趣，此外跳繩運動相關的文獻也不斷增加，然而相關文獻多數都是以運動訓練的角度來分析跳繩運動對人體素質有怎樣的促進作用，少有文獻從動力學和運動學角度對跳繩運動進行分析。因此，運本研究運用生物力學研究方法，對不同速度正向單搖跳繩技術進行動力學和運動學分析，探究隨著跳繩頻率的增加，地面反作用力與下肢關節角度的變化有何關系，以期普及規范動作，提升跳繩技術，使跳繩運動在保持原有特色的基礎上，建立跳繩運動的科學參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

河北省燕山大學跳繩隊隊員中隨機挑選10人作為受試者，年齡 21±3.5 歲，身高 175±15.24 cm，體重 71.26±18.79 kg。10名受試者均具有完成不同速度類型單搖跳繩的能力，半年內下肢無任何傷病，自愿參加本次實驗，測試前熟知本次實驗流程。并能按照要求完成全部測試項目。

1.2 試驗儀器及工具

KISTLER三維測力臺（瑞士KISTLER公司）用于采集不同速度跳繩動作過程中的垂直地面反作用力 （vertical ground reaction force， VGRF），采樣頻率 1 000Hz。

便攜式機械節拍器用于測試者跟隨節拍器發出的快中慢節奏（慢速60次/min、中速80次/min、快速120/min）進行單搖跳繩動作。

高速攝影裝置，用于采集本研究中跳繩落地支撐階段下肢運動學數據，采用頻率為100 Hz。

筆記本電腦、全國跳繩推廣中心指定跳繩專用竹節繩（繩的長度隨測試者適宜長度而定）等用作本研究中輔助工具。

1.3 測試方法

在實驗前進行10min慢跑熱身，后完成3組每組10s的高抬腿活動。實驗過程要求受試者穿著無束身效果的短褲和輕便的運動鞋，熟悉節拍器節奏后，受試者如圖1雙腳站在測力臺中部，工作人員啟動節拍器，隨即受試者跟隨節拍器發出的節奏進行10s單搖跳繩，節拍器每打一拍，受試者需完成一次跳繩起落動作。以慢速跳繩-中速跳繩-快速跳繩為標準測試順序（節拍器節奏為慢速60次/min，中速80次/min、快速120次/min），每種速度類型跳繩測試之間間歇10min以保證跳繩力學數據采集不受受試者體力因素影響。3種速度類型跳繩測試每人需測試2次。選取每位受試者每3種速度跳繩技術各進5次進行分析。

圖1 動力學數據采集

將高速攝影裝置置于受試者右側，與下肢動作運動方向相垂直，與測力臺系統同步采集跳繩動作下肢動態視頻影像。

判斷受試者完成技術是否成功的標準時參照2008年中國跳繩運動競賽規則進行。本次實驗中凡出現以下情況之一均視為失敗：雙腳起跳騰空一次，繩未經頭部至雙腳下環繞一周（即360°）；起落動作不在測力臺范圍內；不符合節拍器打出的節拍標準的。

1.4 數據處理

將三維測力臺測得的力學數據導入EXCEL表格進行后期處理獲得不同速度正向單搖跳繩動作動力學數據。將VGRF≧1N范圍內測力臺數據計為支撐期。

根據KISTLER三維測力臺所測得動力學數據可推得：跳繩運動支撐期地面反作用力峰值、支撐期動作時間、起跳高度、克服重力做功、人體質心瞬時加速度、人體質心瞬時速度、落地速度、爆發力等指標。騰空高度計算方法為：h=1/2gt2，g（m/s2）表示重力加速度。克服重力做功計算方法為：W=mgh，m（kg）表示體重。人體質心瞬時加速度計算方法為：a=F/m-g。人體瞬時速度計算方法為：Vn=Vn-0.001+an·0.001，Vn為第 n（s）時刻人體質心的瞬時速度，Vn-0.001表示第n-0.001（s）時刻人體質心的瞬時速度。落地速度計算方法為V=gt。某爆一時刻爆發力的方法為：Wn=Fn·Vn。 人體質心瞬時位置（position）的計算方法為 Pn=Pn-0.001+Vn·t+0.5·an·t2n，以落地時刻為“0”，質心向下位移時計為“—”。下肢剛度計算方法為：FZ/△Z，其中FZ指著地緩沖期峰值VGRF，△Z指人體質量中心在支撐緩沖期內的最大垂直位移。

通過simi motion二維運動圖像解析系統對視頻影像數據進行后期處理獲得跳繩動作下肢關節角度數據。將髂前上棘—大轉子—股骨外上髁定義為髖關節角、大轉子—股骨外上髁—外踝定義為膝關節角、股骨外上髁—外踝—第五跖趾關節定義為踝關節角。通過計算蹬地階段和落地緩沖階段下肢各關節最大角度與最小角度之差得到髖、膝、踝關節矢狀面的關節活動范圍（range of motion， ROM，°）。

2 數據統計

利用Excel 2010軟件對本研究獲得的支撐期地面反作用力數據進行分析處理獲得與本次實驗相關的指標，并用SPSS24.0統計軟件對所獲得的指標的數據進行單因素重復測量方差，分析跳繩速度因素對不同速度跳繩運動學和動力學相關指標的影響，所得數據結果以M±S表示，顯著性水平為0.05。

3 實驗結果

圖2為慢速跳繩、中速跳繩、快速跳繩支撐期瞬時速度、爆發力、VGRF等動力學參數隨著時間比例變化特征。

速度-時間比例曲線：下圖為3種速度跳運動支撐期人體質心垂直速度隨時間的變化曲線。落地之后的肢關節的緩沖作用使得落地后人體質心的垂直速度逐漸變小，隨后進入下次動作的蹬地階段下肢的主動向上發力，人體質心垂直速度便又迅速上升。以人體質心位置向下位移為“-”向上為“+”。慢速跳繩前一次跳繩動作結束后和下次動作的蹬地階段之前有極長時間的停滯導致速度--時間比例曲線中慢速跳繩的人體質心垂直速度變化不穩定，中速和快速跳繩落地階段和蹬地階段之間不存在長時間緩沖，所以曲線較慢速跳繩曲線較為緩和。慢速跳繩落地速度（m/s）為-1.27±0.09；中速跳繩落地速度（m/s）為-1.19±0.11；快速跳繩落地速度（m/s）為-0.65±0.04。 慢速跳繩離地速度（m/s）為 1.46±0.02；中速跳繩離地速度（m/s）為 1.21±0.03；快速跳繩離地速度（m/s）為 0.84±0.01。結合圖 2和表 1比較3種跳繩落地和離地階段人體質心垂直速度可知，落地時人體質心速度以快速跳繩最小，慢速和中速落地速度接近，離地時人體質心速度慢速跳繩＞中速跳繩＞快速跳繩。

爆發力-時間比例曲線:爆發力在形式上表現是速度與力量的結合，即為在越短的時間發揮出更大的力，其特點是在肌肉收縮之前先做離心式拉長，造成肌肉拉長預應力，使肌肉增大收縮幅度，再做向心式收縮。人體質心爆發力計算方法人體質心所受合外力乘以運動速度。圖中可以看出支撐期人體質心爆發力峰值以慢速跳繩＞中速跳繩＞快速跳繩。慢速跳繩爆發力（W/kg）峰值為 34.71±13.66；中速跳繩爆發力（W/kg）峰值為 43.24±17.68；快速跳繩的爆發力 （W/kg）峰值為 22.02±11.53。

VGRF-時間比例曲線：圖為3種速度跳繩支撐期地面反作用力隨時間變化特征，為減小由受試者體重因素帶來的誤差，將所采集VGRF值標準化。慢速跳繩時間占比15%后人體質心產生向上的加速度，時間占比60%后進入下次動作的蹬地階段，人體質心產生向下加速度。慢、中、快速跳繩運動VGRF（N/kg）峰值由大到小為中速＞慢速＞快速。慢速、中速、快速跳繩運動支撐期 VGRF（N/kg）峰值分別是 34.92±2.03，44.43±0.86，37.31±1.08。

圖2 慢、中、快速跳繩支撐期動力學參數-時間曲線特征

經統計學分析，中速跳繩支撐期的VGRF峰值顯著大于慢速跳繩和快速跳繩支撐期產生的VGRF峰值 （p＜0.05），慢速跳繩和快速跳繩支撐期產生的VGRF峰值間的差異不具有統計學意義（p＞0.05）；慢速跳繩支撐期的動作時間顯著大于中速跳繩和快速跳繩支撐期動作時間（p＜0.05），中速跳繩和快速跳繩的動作時間不具有統計學意義（p＞0.05）；慢速、中速、快速跳繩支撐期爆發力兩兩相比均具有顯著差異（p＜0.05）；快速跳繩落地速度較慢速跳繩和中速跳繩落地速度具有顯著性差異（p＜0.05），慢速跳繩和快速跳繩落地時刻的速度不具有統計學意義（p＞0.05）。

由表2可知，快速跳繩過程中質心垂直位移與慢速跳繩和快速跳繩質心垂直位移具有顯著性差異（p＜0.05）；快速跳繩騰空高度與慢速跳繩和中速跳繩的騰空高度具有顯著性差異（p＜0.05），中速跳繩和慢速跳繩騰空高度不具備統計學意義 （p＞0.05）；中速跳繩支撐期人體質心加速度峰值相比慢速跳繩和快速跳繩較大，具有顯著性差異（p＜0.05），慢速跳繩支撐期加速度峰值較快速跳繩不具備統計學意義（p＞0.05）；中速跳繩支撐期下肢剛度值最小，慢、中、快速跳繩運動支撐期下肢剛度（N/m·kg）分別為：308.75±98.27、172.19±67.87、850.14±124.32。快速跳繩的支撐期下肢剛度（N/m·kg）顯著大于慢速、快速跳繩支撐期下肢剛度（p＜0.01）。

表1 慢速、中速、快速跳繩支撐期動力學參數

表2 慢速、中速、快速跳繩支撐期動力學參數

表3 慢速、中速、快速跳繩蹬地階段下肢關節角度變化范圍

對采集的下肢動力學數據進行處理后經統計學分析得到蹬地階段3種速度跳繩的下肢關節角度變化范圍，其中慢速、中速、快速跳繩蹬地階段髖關節變化范圍（°）依次為23.05±5.62、16.58±8.56、2.04±1.07；慢速、中速、快速跳繩蹬地階段膝關節變化范圍（°）依次為 45.44±3.91、28.39±2.03、2.61±1.56；慢速、中速、快速跳繩蹬地階段踝關節變化范圍（°）依次為56.11±6.41、42.71±5.71、20.69±3.43。快速跳繩蹬地階段髖關節變化范圍遠小于慢速跳繩和中速跳繩髖關節變化范圍 （p＜0.01），慢速跳繩蹬地階段髖關節活動范圍較中速跳繩髖關節活動范圍不具有統計學意義（p＞0.05）；快速跳繩蹬地階段膝關節活動范圍明顯小于慢速、中速跳繩蹬地階段膝關節變化范圍（p＜0.01），中速跳繩膝關節變化范圍與慢速跳繩膝關節變化范圍有顯著性差異（p＜0.05）；快速跳繩蹬地階段踝關節活動范圍明顯小于慢速、中速跳繩蹬地階段膝關節變化范圍（p＜0.01），慢速跳繩蹬地階段踝關節活動范圍較中速跳繩踝關節活動范圍不具有統計學意義（p＞0.05）。

表4 慢速、中速、快速跳繩落地階段下肢關節角度變化范圍

表4為慢速、中速、快速跳繩落地階段下肢關節角度變化范圍，其中慢速、中速、快速跳繩落地階段髖關節變化范圍（°）依次為 11.43±3.47、6.33±2.54、1.65±1.07；膝關節變化范圍（°）依次為 27.42±4.47、41.58±3.43、1.05±0.51； 踝關節變化范圍（°）依次為 40.46±6.24、50.33±4.69、12.52±4.01。 快速跳繩落地階段髖關節活動范圍明顯小于慢速和中速跳繩落地階段髖關節活動范圍（p＜0.01）；慢速和中速跳繩落地階段膝關節活動范圍遠大于快速跳繩落地階段髖關節活動范圍 （p＜0.01）；快速跳繩落地階段踝關節活動范圍明顯小于慢速和中速跳繩落地階段踝關節活動范圍（p＜0.01）。

4 討論

本研究結果顯示在不同速度跳繩支撐期下肢動力學和運動學特征存在明顯不同。慢速跳繩落地后VGRF先增加后減小是由于慢速跳繩落地階段結束后有較長一段時間的緩沖才進入下次動作的蹬地階段，故慢速跳繩VGRF曲線兩個峰之間存在較緩和的一段VGRF曲線，且該曲線VGRF值趨近體重值。中速跳繩和快速跳繩緩沖時間短，故中、快速跳繩的支撐期中不會出現兩次VGRF峰值。

垂直跳躍運動落地后的緩沖階段主要依靠下肢關節屈曲來完成緩沖動作，根據本研究結果顯示，下肢關節角度屈曲角度范圍越大，下肢剛度越小，人體質心垂直位移越大。人體質心垂直位移可通過KISTLER三維測力臺所測得的力時曲線進行推測，通過落地階段VGRF峰值除以人體質心垂直位移可推導出落地階段下肢的垂直剛度。剛度作為研究下肢生物特征的重要參數，下肢剛度的提高可以增加快速跳繩過程中髖關節和膝關節的穩定性，以保證快速跳繩過程中能夠順利完成動作，但這不代表下肢剛度值越高就對跳繩人群越有利，剛度應維持在一定范圍內，長時間進行高剛度的運動容易造成骨損傷［9］。根據表4可知，在進行快速跳繩過程中只有踝關節變化范圍相對膝關節和髖關節變化范圍較大，由于膝關節變化范圍太小關節剛度高，可以認為在快速跳繩落地緩沖以踝關節為主。由騰空進入落地后的緩沖階段，下肢各肌肉會產生離心收縮，離心收縮做負功，此過程為下肢肌肉或關節對落地造成的垂直地面反作用力的能量吸收。如果過程中下肢關節能量吸收不均衡且關節剛度較高，易造成關節運動損傷［10］。

跳繩運動起跳前的蹬伸動作是通過下肢肌的超等長收縮來完成，但快速跳繩過程中，膝關節活動范圍極小，不利于大腿前側肌群在蹬地階段的離心收縮，而相對于膝關節和髖關節的活動范圍，踝關節的活動范圍相對較大，故在快速跳繩的蹬地階段踝關節為主要發力者。郭守靖在“不同跳繩頻率運動訓練”一文中曾指出跳繩的下蹲及蹬伸期的動作時間不超過500ms，也就是下肢肌肉伸展與收縮的時間周期少于500ms時，下蹲產生的彈性能不會轉換為熱能而消失，相反，下蹲時間較少且下蹲較深時可產生更多的彈性能以便產生更大的爆發力。快速跳繩雖然動作時間短，但其在動作過程中人體質心垂直位移小下蹲較淺，不會儲存較多的彈性能以及產生大強度爆發力。中速跳繩VGRF值、爆發力值、都大于慢速跳繩和快速跳繩，那么人體在運動中是否會面對較大的沖擊力？通過對以上數據觀察可知，中速跳繩的落地緩沖階段膝關節、踝關節變化范圍明顯大于慢速跳繩和快速跳繩，且垂直位移也顯著大于慢速跳繩和快速跳繩，可見中速跳繩緩沖效果較好。

5 結論

快速跳繩可以作為專項練習的輔助手段發展踝關節力量；在進行快速跳繩運動時要注意高頻率跳繩對膝關節帶來的地面反作用力沖擊；快速跳繩可以鍛煉膝關節和髖關節穩定性。中速跳繩可以練習踝關節、膝關節周圍肌肉力量和爆發力且出現損傷的風險小。