摆臂对纵跳影响的生物力学机制研究

摘要

研究目的:纵跳是人体的基本动作，现代竞技体育项目中，跳跃性项目占有重要的地位。国内外专家应用动作捕捉系统对受试者进行大量的研究，一致的观点认为肢体摆动对提高纵跳的高度有着明显的影响。然而，手臂在摆动过程中究竟如何增加纵跳的高度，摆臂在不同形式纵跳中的贡献率是否一致等基础问题至今尚无明确定论。目前关于摆臂增加纵跳高度的机制主要有四种理论:(1)摆臂增加地面反作用力;(2)摆臂增加下肢关节蹬伸过程中的峰值力矩;(3)摆臂向上带动身体运动，减少了蹬伸过程中的体重;(4)摆臂增加了人体离地前的重心高度。本文运用运动学和动力学的分析，配合下肢表面肌电的分析，探讨不同形式纵跳（下蹲跳，半蹲跳，跳深）中，摆臂对上述理论及其生物力学参数的影响，并应用人体模型和数学方法对摆臂贡献率进行计算，试图说明摆臂提高纵跳高度的机制，为完善纵跳的生物力学理论和指导运动训练实践提供依据。
　　 研究方法:随机选取苏州大学40名大学生受试者，无下肢损伤史。这些受试者自愿参加实验，实验过程中，受试者完成跳深、下蹲跳和半蹲跳三个纵跳动作。其中每种动作有三种形式，包括无摆臂纵跳，有摆臂纵跳，手握负重纵跳。手握负重的质量为500g*2，跳深下落高度为30cm。
　　 运动学数据用VICON中NEXSUS采集，动力学数据由KISTLER三维测力台采集，肌电数据由Biovision的Daysilab8.0收集，MVC采用瑞士CONTREX等速肌力测试分析仪。实验结果以ASCⅡ的格式以数字矩阵的形式输出，实验指标的计算及其画图应用Matlab数学编程软件，采用重复测量方差分析对不同摆臂条件和不同形式的纵跳的数据进行比较。
　　 研究结果:研究结果表明:(1)摆臂会增加纵跳高度，提高重心起跳峰值速度，增加纵跳蹬伸时间，延长纵跳蹬伸距离。(2)摆臂增加地面峰值反作用力，增加蹬伸冲量，增加下肢关节的做功。(3)摆臂使小腿在纵跳过程中积分肌电减少，手臂在纵跳过程中带动身体向上运动，减少纵跳过程中的有效质量。(4)在不同形式的摆臂纵跳中，摆臂对纵跳高度的贡献率在9％-12％之间。
　　 结论:(1)摆臂增加纵跳高度是因为摆臂纵跳减少身体起跳时的有效质量，增加人体离地前的重心高度，增加地面蹬伸冲量三种因素作用的结果。(2)摆臂纵跳的下肢蹬伸力矩增加，是地面反作用力峰值增加的原因。摆臂纵跳的蹬伸冲量增加，是人体在纵跳过程中的重心峰值速度增加的原因。因此重心峰值速度和地面反作用力峰值的增加不能作为摆臂增加纵跳高度的机制。

目录

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1 序言

1．1 选题依据

1．2 文献综述

1．2．1 跳跃的一般生物力学原理

1．2．2 纵跳的生物力学研究

1．2．3 表面肌电在纵跳中的应用研究

1．2．4 摆臂对纵跳影响的生物力学研究

1．2．5 纵跳过程中的摆臂生物力学计算

1．2．6 手臂和摆动腿摆动对跳远和跳高增加的理论机制

2 研究对象与方法

2．1 研究对象

2．2 研究方法

2．2．1 文献资料法

2．2．2 实验法

2．2．3 摆臂贡献率的计算方法

2．2．4 力矩的计算

2．2．5 末端肢体摆动功率和做功的计算

2．2．6 纵跳蹬伸冲量的计算

2．3 数据统计与处理方法

3 研究结果

3．1 不同条件纵跳的整体运动学参数

3．1．1 摆臂对纵跳高度的影响

3．1．2 纵跳的整体运动学特征差异

3．2 不同形式纵跳的动力学特征差异

3．2．1 摆臂对纵跳的地面峰值反作用力的影响

3．2．2 不同形式纵跳整体动力学特征

3．3 不同形式纵跳下肢肌电的差异

3．3．1 下蹲与蹬伸过程中下肢肌肉标准积分肌电变化

3．3．2 半蹲跳的下肢肌肉标准积分肌电变化

3．3．3 跳深过程中下肢肌肉标准积分肌电变化

4 讨论与分析

4．1 摆臂对下蹲跳，半蹲跳，跳深的运动学影响

4．1．1 摆臂对纵跳高度的影响

4．1．2 摆臂对纵跳蹬伸和缓冲时间的影响

4．1．3 摆臂对离地瞬间重心高度和下肢弯曲角度的影响

4．1．4 摆臂对离地瞬间重心高度和重心最大垂直速度的影响

4．1．5 摆臂对下肢关节峰值角速度和平均角速度的影响

4．2 摆臂对下蹲跳，半蹲跳，跳深的动力学影响

4．2．1 摆臂对地面蹬伸反作用力峰值、蹬伸冲量影响

4．2．2 摆臂对下肢关节垂直方向作用力、蹬伸力矩和做功变化的影响

4．2．3 摆臂在纵跳中的贡献率

4．3 摆臂对下肢积分肌电的影响

5 结论

6 参考文献

7 攻读硕士学位期间公开发表的论文

8 致谢