跨栏运动生物力学研究进展分析

张莎莎

摘 要：运动生物力学是体育科学中一门重点学科，它广泛地应用于竞技体育技术分析，对提高运动员竞技水平和运动成绩起着重要的作用。本文从运动生物力学角度切入，简要地总结目跨栏运动生物力学研究的进展。

关键词：运动生物力学；跨栏；运动学；动力学

前言

跨栏是一项技术复杂、身体素质要求较高的短跨项目，其特点是跑跨相结合，不仅要求速度快，且运动技术复杂。有研究表明，体育比赛的竞技水平与运动科学密切相关，其中运动生物力学是与其联系最紧密的学科。随着比赛条件的改善，训练的科学化和竞技体育的商业化，跨栏技术从跳跃式发展到摆动式、下潜式技术和跑栏技术。其研究也从运动学的描述逐渐深入到运动学、动力学和表面肌电等生物技术的全方位研究。虽然，以刘翔、谢文骏等优秀运动员推动了我国跨栏技术的快速发展，但是近年来，有关跨栏技术的理论研究正在逐渐减少。本研究主要从运动生物力学角度对近年来跨栏运动技术进行概述，以其为跨栏训练提供参考价值。

1.跨栏生物力学分析

运动生物力学是一种研究运动与身体受力关系的学科，存在于运动员的每一个动作之中，而这些动作可通过牛顿力的数值和方向来进行定量分析。将运动生物力学应用到体育教学和运动训练中可以促进运动员竞技水平的提高。

虎攀等通过生物力学角度研究，认为旋提和直接提拉起跨腿提拉技术在其目的上具有相同性，但是在提拉完成的效果上具有明显的差异性。诸文兵采用运动生物力学技术诊断方法，对我国优秀跨栏运动员谢文骏110 m栏的各阶段速度、各环节动作技术进行解析探究发现，与刘翔相比较，谢文骏的起跑速度及加速能力有一定的优势，但保持快速栏间步频及冲刺能力是其薄弱环节。

1.1跨栏技术肌电特征分析

肌肉是人体运动系统重要的组成部分，是人体主动运动的动力来源。肌电图（EMG）测量与分析作为肌肉生物力学研究的主要方法与手段之一，在运动领域得到深入研究和广泛应用。在运动生物力学研究中，肌肉的EMG测量主要是为了获得肌肉活动的信息和收缩特征，包括肌肉活动的时程、肌肉收缩强度和肌肉疲劳。从而，进一步探究和揭示运动的本质特征。朱志强等通过对上海部分优秀男子跨栏运动员第三栏跨栏步摆动腿技术进行研究，从而分析跨栏步技术环节摆动腿表面肌电的变化特征及表面肌电与运动学参数之间的关系。在跨栏步技术环节摆动腿所测肌肉贡献百分比中，阔筋膜张肌和股二头肌贡献率最大，半腱肌、股直肌、臀大肌贡献率相对较小；跨栏步技术环节摆动腿所测肌肉激活参与度不同。

1.2跨栏技术步态分析

客观、定量地分析描述人体步态，称为步态分析。目前，步态分析已进入到临床应用阶段，有许多的研究方法和技术专门研究。其中三维拍摄技术能够分析跨栏运动员爆发力、瞬间能量和肌电。宋倩等人对8名男性专业跨栏运动员采用步态和下肢表面肌电进行测试。实验表明，在完整步态周期中，跨栏运动员步态参数差异不显著，下肢同名侧肌肉表面肌电信号随步态的周期性运动呈左右交替的肌电活动，各肌群攻栏腿和摆动腿表面肌电频域和时域具有不同程度的差异，且攻栏腿肌肉力量小于摆动腿。

2跨栏技术运动学分析

运动学分析是利用各种先进仪器、科学方法、测量技术对运动员的身体或其在运动状态下的身体机能进行记录，并通过分析数据得出运动状态下的初速度、角速度、加速度等各项运动学参数。跨栏作技术的运动学特征参数和动力学参数分别是通过影片解析、测力台等设备测量得到，并对所得数据和测试结果进行处理分析与整理，得出规律性数据材料，最后作为动作技术的生物力学研究结果。

吴正等人采用智能控制和运动学建模方法，基于解耦控制的跨栏跑步点轨迹跟踪方法，采用人体位姿的自适应调节方法进行跨栏跑步的优化控制，在载荷转移约束下求得跨栏跑步运动员点轨迹跟踪的误差矫正向量，并笛卡儿空间中进行跨栏跑步点轨迹的位置纠偏补偿，采用结构控制方法，进行的跨栏跑步点轨迹的实时跟踪和偏差调节进行调节。研究结果发现，进行跨栏跑步点轨迹跟踪的收敛性较好，误差较低，能够有效指导跨栏跑步训练。

2.1跨栏技术运动捕捉和仿真分析

运动捕捉技术是指在运动生物体的关节部位设置安装一个追踪的芯片，将生物体的运动信号采集传输到计算机上面，然后对这些信号进行高效处理，转化为坐标数据，得出生物体的三维运动图的一项技术。而体育系统仿真是在运动捕捉等虚拟现实技术的基础上产生的，其中运动捕捉系统是体育系统仿真的一个关键设备。这个系统可以对学生进行体育训练时进行针对性的分析解释以及预测评价。此外，体育仿真系统具有构建虚拟的训练场景、运动数据的捕获、采集生理生化和心理数据、动作展现和重演等功能。

李琳杰等利用结合运动追踪技术和肌肉骨骼模型的Open Sim生物力学仿真方法，建立下肢肌肉——骨骼模型，并采用基于动态优化的方法计算下肢肌肉的即时受力，对跟腱负荷和肌肉跟腱单位的拉伸进行生物力学分析。研究显示：比目鱼肌和腓肠肌的肌肉——跟腱单位在跨栏和短跑运动时产生拉伸形变。徐树礼等人采用运动捕捉系统和表面肌电仪测量栏侧提拉式过栏系列动作模式，分析各模式运动效果的差异性。研究证实了，与常规栏侧提拉过栏相比较，上肢悬吊栏侧提拉过栏快速组对股四头肌和腰肌的训练效果显著增强，且最符合跨栏起跨腿大幅度快速提拉的要求。

3研究展望

现代科学技术的进步增加了运动生物力学研究的广度与深度，为研究更复杂的动作提供了更精准的计算机分析、更实时的信息反馈，可以在未来的研究工作中，着眼于髋关节、躯干核心力量，运动损伤等方面研究。另一方面，生物力学研究的发展在一定程度上取决于测量手段的进步。因此，研发适合不同研究环境及条件的测量仪器，包括硬件及软件，才能够使学者根据实验目的不同，自行修改软件或硬件设施，使实验过程能够顺利进行。

4小结

综上所述，目前在跨栏动作技术的上肢生物力学研究中，已经讨论了不同生物力学的研究方法在跨栏中的应用。大量研究正式，通过下肢的实验性生物力学研究往往集中在栏间步、摆动腿、起跨腿。但是初学者在技术学习过程中可能出现的运动损伤讨论不多，跨栏专项的测量设备的研发上也尚有不足，这是在今后的研究工作中值得关注的。

参考文献

[1]吴正,李凤芝. 基于解耦控制的跨栏跑步点轨迹跟踪方法研究[J]. 赤峰学院学报(自然科学版),2019,35(08):8-10.

[2]虎攀. 对跨栏跑中起跨腿提拉技术特点分析[J]. 湖北体育科技,2018,37(08):714-716.

[3诸文兵. 我国优秀110m栏运动员谢文骏跨栏技术分析[J]. 上海体育学院学报,2015,39(03):68-70.

[4]朱志强. 上海部分优秀110米栏运动员跨栏步摆动腿技术的生物力学特征分析[D].上海体育学院,2011.

[5]宋倩,彭莉,秦渝珂 & 裴希俊.(2017).基于步态周期下跨栏运动员步态及下肢表面肌电特征分析. 中国组织工程研究(24),3851-3857.

[6]李琳杰. 跨栏起跨腿跟腱生物力学仿真分析[D].上海体育学院,2014.

作者姓名：张莎莎，（1996-4），女，汉族，职位：在读研究生，研究方向：体育教学。