林奕貫,潘 旭,鄭 哲
跳深(drop jump,DJ)是典型的快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練手段,對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員的下肢爆發(fā)力具有良好的效果,因此備受推崇,現(xiàn)已廣泛地運(yùn)用在各個(gè)項(xiàng)目的日常訓(xùn)練中,成為不可或缺的訓(xùn)練動(dòng)作之一[1]。然而,由于跳深訓(xùn)練需要在一定的高度落下,在觸地瞬間肢體會(huì)受到極大的沖擊力,易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生,因此越來(lái)越多的訓(xùn)練者都在積極地尋找方法以降低跳深訓(xùn)練的損傷風(fēng)險(xiǎn),如對(duì)跳深跳下的高度進(jìn)行限定[2],對(duì)不同跳深方式的強(qiáng)度進(jìn)行量化[3],對(duì)跳深訓(xùn)練安排的次序進(jìn)行優(yōu)化[4]等。
近年來(lái),不同材質(zhì)地面或表面訓(xùn)練逐漸受到訓(xùn)練者們的關(guān)注。已知柔軟地面有良好的緩沖作用,大量的研究證實(shí)了落于柔軟地面能夠有效降低損傷風(fēng)險(xiǎn)[5,6],然而跳深不但有落地動(dòng)作,還有蹬伸跳躍過(guò)程,并非常強(qiáng)調(diào)短促地踏跳時(shí)間,因此對(duì)地面材質(zhì)的柔軟度的要求更為特殊。為追求損傷預(yù)防與訓(xùn)練效益的最大化,現(xiàn)階段水中[7]、沙地[8,9]、體操墊[10]、平衡墊[11,12]、蹦床[13]等都被做為跳深運(yùn)動(dòng)落地的接觸表面,一些研究顯示,在這些地面跳深能夠顯著降低訓(xùn)練者的延遲性肌肉酸痛癥狀,減少肢體與地面碰撞產(chǎn)生的沖擊力,有助于運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防[14,15]。然而,也有研究認(rèn)為高柔軟地面會(huì)提高膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)[16,17]??梢?jiàn)不同材質(zhì)地面對(duì)跳深損傷風(fēng)險(xiǎn)影響是不一致的,對(duì)比不同材質(zhì)地面跳深的力學(xué)特征對(duì)訓(xùn)練時(shí)合理的選擇地面材質(zhì)有重要的作用。
不同材質(zhì)地面具有共性也有其特性,現(xiàn)階段研究更多的是對(duì)比硬地與單一材質(zhì)地面的力學(xué)特征,而對(duì)不同材質(zhì)地面跳深之間下肢的發(fā)力與受力差異卻很少有研究進(jìn)行比較。為此,本研究通過(guò)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)手段對(duì)硬地(測(cè)力臺(tái))、沙地、體操墊、平衡墊四種訓(xùn)練中常見(jiàn)的地面跳深進(jìn)行對(duì)比,并明確不同材質(zhì)地面的恢復(fù)系數(shù),深入分析在不同材質(zhì)地面進(jìn)行跳深的力學(xué)差異,為跳深及快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練選擇提供新的思路和理論依據(jù)。
本次研究招募的受試者為浙江師范大學(xué)體育學(xué)院學(xué)生(男生),共招募受試者25名,所有受試者近半年內(nèi)無(wú)下肢和腰部受傷史,身體狀況以及運(yùn)動(dòng)能力良好,并均已在訓(xùn)練或練習(xí)中熟練掌握跳深動(dòng)作,在實(shí)驗(yàn)前24小時(shí)沒(méi)有從事劇烈運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)前清楚地告知受試者本實(shí)驗(yàn)的目的、過(guò)程,在受試者能理解實(shí)驗(yàn)意圖的情況下簽署知情同意書(shū)。
1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器
測(cè)力臺(tái):瑞士奇石樂(lè)公司生產(chǎn)三維測(cè)力臺(tái)1塊(長(zhǎng)×寬×高:90×60×10cm)以及相配套BioWare軟件,型號(hào)為2812A,內(nèi)置信號(hào)放大器,最大側(cè)向力和垂直力分別可達(dá)10kN和20kN。本研究的采樣頻率為1000Hz,采樣時(shí)間為4秒。
高速攝像機(jī):在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地使用2臺(tái)SONY DCRHC52E數(shù)碼攝像機(jī),按照三維攝像測(cè)量的要求架設(shè)攝像機(jī),兩臺(tái)攝像機(jī)通過(guò)測(cè)力臺(tái)中心,兩機(jī)主光軸之間的夾角約為90度,攝像機(jī)架設(shè)完畢后,用PEAK三維標(biāo)定框架(框架坐標(biāo)x代表左右方向,y代表前后方向,z代表垂直方向)對(duì)受試者運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定完成后維持兩臺(tái)攝像機(jī)的位置及各種拍攝條件不變,每次測(cè)試都暫停進(jìn)行區(qū)分,拍攝頻率為50幀/秒。
SIMI-Motion三維運(yùn)動(dòng)解析系統(tǒng):使用德國(guó)的SIMI-Motion三維運(yùn)動(dòng)解析系統(tǒng)對(duì)受試者動(dòng)作進(jìn)行影像解析分析,解析采樣頻率為50Hz,使用DLT方法計(jì)算解析點(diǎn)的三維空間坐標(biāo),運(yùn)用截?cái)囝l率為6Hz的低通濾波方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。
1.2.2 地面材質(zhì)
平衡墊:TPE材質(zhì),產(chǎn)地金華,單塊長(zhǎng)50cm,寬40cm,高6cm,用兩塊平衡軟墊拼接,中間用強(qiáng)力雙面膠固定。
沙地:采用木頭制成一個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為90cm、60cm、6cm上下鏤空的筐,底面以及四個(gè)側(cè)面用布包裹,將沙倒入自制的筐中填滿。
體操墊:內(nèi)置為珍珠棉,外部包裹為PU材質(zhì)的對(duì)折型體操墊,長(zhǎng)120cm、寬60cm和高3 cm,對(duì)折后長(zhǎng)60cm、寬60cm和高6 cm,對(duì)折后的重疊部分以雙面膠固定,減小空隙。
四種材質(zhì)地面恢復(fù)系數(shù):根據(jù)Anthony[18]的研究,網(wǎng)球從1.83米處垂直下落,通過(guò)高速攝像機(jī)獲得網(wǎng)球的彈起高度,由公式獲得恢復(fù)系數(shù):
hb為球彈起高度,hd為球下落高度。最終測(cè)得測(cè)力臺(tái)恢復(fù)系數(shù)為e=0.82,平衡墊e=0.75,體操墊e=0.63,沙地e=0.1。
實(shí)驗(yàn)期間受試者共到訪實(shí)驗(yàn)室三次,每次間隔1-2天,前兩次為適應(yīng)性練習(xí),以熟練測(cè)試流程,提前感受不同材質(zhì)地面跳躍的狀態(tài),并掌握本研究需要的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作,最后一次為正式測(cè)試。
正式測(cè)試時(shí),首先由2名實(shí)驗(yàn)員對(duì)其身高和體重進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量完畢后讓受試者進(jìn)行15分鐘的熱身,包括慢跑、動(dòng)態(tài)拉伸以及準(zhǔn)備活動(dòng)(跑跳性活動(dòng)以及跳深動(dòng)作適應(yīng)性練習(xí)),每個(gè)階段都為5分鐘。熱身結(jié)束后讓運(yùn)動(dòng)員換上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的短褲與膠鞋,以保證緩沖條件一致。換裝后根據(jù)三維運(yùn)動(dòng)解析模型建立的需要,在人體建立15個(gè)身體關(guān)節(jié)點(diǎn)貼上標(biāo)記點(diǎn),建立三維運(yùn)動(dòng)解析模型。
采用50cm高度跳深,受試者兩手叉腰,雙腳開(kāi)立與肩同寬,聽(tīng)到指令后向前邁步,然后后腳前腳并攏向下落地,要求受試者雙腳同時(shí)落地,并且在落地后快速向上垂直跳起。每種地面都重復(fù)3次,每次間歇時(shí)間30秒,每種地面間隔3分鐘,四種地面測(cè)試在同一天內(nèi)完成,最終受試者將在20分鐘內(nèi)完成12次跳深動(dòng)作。在受試者跳深的過(guò)程中如果中間出現(xiàn)失誤則重新測(cè)試,每個(gè)受試者最多可進(jìn)行5次跳躍。四種地面的先后順序?yàn)闇y(cè)力臺(tái)→平衡墊→體操墊→沙地,平衡墊與體操墊底面用雙面膠與測(cè)力臺(tái)固定,減少跳躍過(guò)程中產(chǎn)生的滑動(dòng)。
地面反作用力峰值:垂直力(Fz)取垂直向上地面反作用力最大值,水平力(Fy)取水平向后地面反作用力最大值,橫向力(Fx)取左或右地面反作用力最大值的絕對(duì)值。
力-時(shí)間曲線變化:四種表面跳深觸地階段Fz、Fy力值與時(shí)間變化的曲線。
著地時(shí)間:包括了觸地時(shí)間、緩沖時(shí)間以及蹬伸時(shí)間。觸地時(shí)間為在跳深過(guò)程中,足間觸地至離地時(shí)刻所經(jīng)過(guò)的時(shí)間;緩沖時(shí)間為足尖觸地至膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時(shí)刻經(jīng)過(guò)的時(shí)間;蹬伸時(shí)間為膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時(shí)刻至離地時(shí)刻經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量:選取髖、膝、踝關(guān)節(jié)落地與起跳階段矢狀面的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(°),即通過(guò)計(jì)算跳深過(guò)程中落地和起跳階段下肢3關(guān)節(jié)最大角度與最小角度之差而得。
緩沖階段關(guān)節(jié)角速度峰值:在跳深過(guò)程中緩沖階段髖、膝、踝關(guān)節(jié)屈曲角速度的最大值。
將解析后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel電子表格,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)后運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所獲的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,文表中數(shù)值無(wú)特殊說(shuō)明均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。將整理后多組間數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,再對(duì)其方差齊性進(jìn)行檢驗(yàn),若Levene檢驗(yàn)方差齊,采用單因素方差分析進(jìn)行總均值比較,然后采用LSD法進(jìn)行兩兩比較;若Levene檢驗(yàn)方差不齊,則采用Dunnett T3檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較,當(dāng)p<0.05為具有顯著差異,p<0.01為非常顯著差異。最后將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果用Excel繪制成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格和圖片。
2.1.1 緩沖階段地面反作用力峰值對(duì)比
表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段Fz、Fx以及Fy都有顯著差異(p<0.05),其中Fy表現(xiàn)出非常顯著差異(p<0.01)。通過(guò)多重對(duì)比顯示(圖一),F(xiàn)x上,測(cè)力臺(tái)跳深與體操墊對(duì)比有顯著差異(p<0.05),與平衡墊跳深對(duì)比有非常顯著差異(p<0.05),平衡墊跳深與沙地跳深具有非常顯著差異(p<0.01);Fy上,測(cè)力臺(tái)跳深與體操墊、平衡墊、沙地跳深對(duì)比都有非常顯著差異(p<0.01),沙地與體操墊、平衡墊跳深對(duì)比具有非常顯著差異(p<0.01);Fz上,體操墊跳深顯著高于測(cè)力臺(tái)跳深(p<0.05)。
表1 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段地面反作用力峰值對(duì)比(M±SD)
圖一 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段地面反作用力多重對(duì)比結(jié)果
圖注:“*”表示兩組之間對(duì)比具有顯著差異(p<0.05),“**”表示兩組之間對(duì)比具有非常顯著差異(p<0.01),下同。
2.1.2 力-時(shí)間曲線變化對(duì)
從圖二中可以看到,測(cè)力臺(tái)跳深有兩個(gè)波峰,并且第一個(gè)波峰斜率較大;平衡墊與體操墊跳深僅有一個(gè)波峰,地面反作用力上升的也較為平緩;沙地跳深有三個(gè)波峰,第一個(gè)波峰較低,第二個(gè)波峰垂直力值最高并且上升斜率較大,第三個(gè)波峰較為平緩??傮w上看,在體操墊與平衡墊上跳深踏跳較為流暢。
圖二 四種材質(zhì)地面跳深垂直地面反作用力-時(shí)間曲線
圖三的四種地面跳深前后向地面反作用力變化顯示,僅有測(cè)力臺(tái)第一波谷低于第二波谷,其主要發(fā)生在著地瞬間;相對(duì)于測(cè)力臺(tái),其他三種材質(zhì)地面跳深第二個(gè)波谷力值較高,可見(jiàn)在蹬伸階段,沙地、平衡墊以及體操墊需要更多的使用前后向力維持跳躍的穩(wěn)定性。
圖三 四種材質(zhì)地面跳深前后向地面反作用力-時(shí)間曲線
2.2.1 著地時(shí)間對(duì)比
表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,四種材質(zhì)地面跳觸地時(shí)間與蹬伸時(shí)間都具有非常顯著差異(p<0.01)。通過(guò)多重對(duì)比顯示(圖四),沙地跳深觸地時(shí)間顯著長(zhǎng)于測(cè)力臺(tái)(p<0.01)、體操墊跳深(p<0.01);沙地跳深蹬伸時(shí)間長(zhǎng)于測(cè)力臺(tái)、體操墊、平衡墊,都具有非常顯著差異(P<0.01)。
表2 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量對(duì)比(M±SD)
圖四 四種材質(zhì)地面跳深著地時(shí)間多重對(duì)比結(jié)果
2.2.2 關(guān)節(jié)角度變化量對(duì)比
表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段髖、膝關(guān)節(jié)角度變化量具有顯著差異(p<0.05);踝關(guān)節(jié)角度變化量沒(méi)有顯著差異(p>0.05)。通過(guò)多重對(duì)比顯示(圖五),髖關(guān)節(jié)角度變化量上,平衡墊跳深與測(cè)力臺(tái)跳深相比具有顯著差異(p<0.05),與體操墊跳深相比有非常顯著差異(p<0.01),沙地跳深髖關(guān)節(jié)角度變化量顯著高于體操墊跳深(p<0.05);膝關(guān)節(jié)角度變化量上,體操墊跳深低于測(cè)力臺(tái)與沙地跳深,并具有非常顯著的差異(p<0.01)。
表3 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量對(duì)比(M±SD)
圖五 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量多重對(duì)比結(jié)果
2.2.3 關(guān)節(jié)角速度峰值對(duì)比
表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,四種材質(zhì)地面跳深在緩沖階段膝關(guān)節(jié)角速度具有顯著差異(p<0.05),髖、踝關(guān)節(jié)無(wú)顯著差異(p>0.05)。通過(guò)多重對(duì)比顯示(圖六),體操墊跳深膝關(guān)節(jié)角速度低于測(cè)力臺(tái)與平衡墊跳深,且具有非常顯著差異(p<0.01),沙地跳深膝關(guān)節(jié)角速度顯著低于測(cè)力臺(tái)跳深(p<0.05)。
表4 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角速度峰值對(duì)比(M±SD)
圖六 四種材質(zhì)地面跳深緩沖階段關(guān)節(jié)角度變化量多重對(duì)比結(jié)果
在跳深訓(xùn)練中,損傷往往出現(xiàn)在落地緩沖階段,其主要是由于在跳深訓(xùn)練中人體與地面具有一定高度,在重力作用下,落地瞬間會(huì)產(chǎn)生高沖擊力,導(dǎo)致肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)的損傷,尤其是膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶(anterior cruciate ligaments,ACL)的損傷[19,20]。緩沖階段地面反作用力越大,則越容易造成下肢的損傷發(fā)生。一些進(jìn)行長(zhǎng)期干預(yù)的實(shí)驗(yàn)顯示,在草地、平衡軟墊、沙地等較為柔軟的地面上進(jìn)行快速伸縮復(fù)合訓(xùn)練能夠有效降低損傷風(fēng)險(xiǎn)[14,21],他們認(rèn)為這得益于地面反作用力的降低[15]。
本研究結(jié)果顯示,在四種材質(zhì)的地面跳深時(shí)測(cè)力臺(tái)Fz最低,其次是平衡墊,而地面的恢復(fù)系數(shù)較低的體操墊和沙地Fz較高,此結(jié)果與Miyama等[22]和Prieske等[16]的研究一致。Prieske等[16]推測(cè),柔軟地面跳深Fz的增加可能與膝關(guān)節(jié)在緩沖階段的屈曲角度較小有關(guān),在本研究中也觀察到,體操墊與沙地跳深在緩沖階段膝關(guān)節(jié)屈曲角度變化量較小、角速度較低,這可能與本研究的跳深動(dòng)作要求受試者快速跳起有關(guān)。人體作為活性機(jī)體,在地面硬度改變的情況下,會(huì)通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)來(lái)調(diào)整與適應(yīng)地面的硬度,在體操墊和沙地上跳深時(shí)關(guān)節(jié)屈曲角度減小能夠顯著減少關(guān)節(jié)活動(dòng)的距離和時(shí)間,從而最大程度縮短觸地時(shí)間。
緩沖階段Fz的大小主要依賴(lài)有效質(zhì)量(Effective Mass),所謂有效質(zhì)量就是完成動(dòng)作時(shí)能夠產(chǎn)生碰撞力量效果的身體質(zhì)量[23]。在肢體與地面的碰撞中,假如關(guān)節(jié)不產(chǎn)生任何彎曲,那么碰撞的有效質(zhì)量將等于體重;若關(guān)節(jié)在碰撞中產(chǎn)生了彎曲,那么人體將不是一個(gè)單一的剛體,會(huì)因各個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲而導(dǎo)致力的分散,降低產(chǎn)生碰撞力量效果的身體質(zhì)量。有研究發(fā)現(xiàn)體重為65公斤的受試者,膝關(guān)節(jié)屈曲從5°增加到20°后,身體的有效質(zhì)量從11公斤減少到5公斤,并且在這個(gè)范圍內(nèi),膝關(guān)節(jié)屈曲和有效質(zhì)量之間幾乎呈線性關(guān)系[24]。Fz增加、膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小被認(rèn)為是跳躍動(dòng)作中增加損傷風(fēng)險(xiǎn)的重要因素[25,26],依此指標(biāo)從本研究測(cè)得的結(jié)果上看恢復(fù)系數(shù)較低的地面對(duì)下肢損傷似乎具有不利的影響,與長(zhǎng)期訓(xùn)練的相關(guān)研究結(jié)果不一致。
為此本研究進(jìn)一步對(duì)比了四種地面跳深的水平向后的地面反作用力(Fy),結(jié)果顯示緩沖階段測(cè)力臺(tái)Fy峰值顯著高于其他三種地面,其中沙地的Fy峰值最低。通過(guò)四種材質(zhì)地面反作用力變化曲線的對(duì)比發(fā)現(xiàn),測(cè)力臺(tái)在觸地瞬間水平向后地面反作用力急劇上升,地面反作用力的急劇變化預(yù)示著測(cè)力臺(tái)跳深在觸地瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力,可能會(huì)增加膝關(guān)節(jié)周?chē)M織損傷的風(fēng)險(xiǎn)[27]。劉宇等[23]的研究中提到,著地瞬間水平向后的地面反作用力是引發(fā)非接觸式損傷的主要危險(xiǎn)因素。在跳深練習(xí)中,膝關(guān)節(jié)作為主要的受力關(guān)節(jié),水平向后地面反作用力作用與人體足部會(huì)產(chǎn)生較大的外部膝屈力矩促使膝關(guān)節(jié)屈曲,此時(shí)人體需要通過(guò)神經(jīng)肌肉控制增大內(nèi)部的膝伸力矩來(lái)對(duì)抗外部力矩,在兩個(gè)力相互對(duì)抗中增加了膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷,提高損傷風(fēng)險(xiǎn)[28]。另一方面,在對(duì)Fz的曲線變化對(duì)比中也發(fā)現(xiàn),測(cè)力臺(tái)跳深在觸地瞬間垂直力也有一個(gè)快速上升的階段,那么在觸地瞬間垂直力、水平向后力的共同作用下,膝關(guān)節(jié)受到的剪切力增加,也會(huì)進(jìn)一步提高損傷風(fēng)險(xiǎn)。
在橫向力(Fx)上,本研究結(jié)果顯示測(cè)力臺(tái)跳深緩沖階段Fx的峰值最大,沙地次之,再是體操墊,平衡墊的橫向力最小,這一定程度上說(shuō)明測(cè)力臺(tái)跳深緩沖階段膝關(guān)節(jié)受到了更大的內(nèi)收外展或內(nèi)旋外旋的力,提高損傷風(fēng)險(xiǎn)[29,30],而體操墊、平衡墊則具有良好的保護(hù)作用。
相對(duì)于測(cè)力臺(tái)跳深,平衡墊、體操墊以及沙地雖增加了緩沖階段的垂直地面反作用力、減小了膝關(guān)節(jié)屈曲角度,但同時(shí)也大幅度降低了著地瞬間Fy與Fx,體操墊與沙地在膝關(guān)節(jié)角速度峰值上也有顯著下降??傮w而言,平衡墊、體操墊與沙地都有助于降低跳深運(yùn)動(dòng)潛在的非接觸性損傷風(fēng)險(xiǎn),其中沙地的效果最佳,而平衡墊與體操墊跳深的踏跳流暢性較高。建議在訓(xùn)練過(guò)程中僅需落地以及不強(qiáng)調(diào)觸地時(shí)間的動(dòng)作,如立定跳遠(yuǎn)、弓箭步跳等在沙地中進(jìn)行,而跳深、快速跳等強(qiáng)調(diào)肌肉離心-向心快速轉(zhuǎn)換的動(dòng)作則采用體操墊或平衡墊訓(xùn)練較為合適。