幼儿跑步能力差异性的生物力学分析

王 新,郑锡明

(沈阳体育学院运动人体科学系,辽宁沈阳 110102)

幼儿跑步能力差异性的生物力学分析

王 新,郑锡明

(沈阳体育学院运动人体科学系,辽宁沈阳 110102)

为了找到幼儿由走向跑的学习过程中不同阶段的步态特征,为指导幼儿形成正确的跑步姿势和运动康复提供依据,以初步具有跑步能力的 2岁左右的幼儿为研究对象,采用影像分析技术,对幼儿的跑步姿态进行平面定点测量。研究发现:幼儿步态特征同成人存在明显区别,支撑阶段所占的比例远大于腾空阶段;从走向跑的学习存在一个过渡阶段,该阶段跑步时没有双脚同时离地的腾空阶段。

幼儿;跑步能力;生物力学

走与跑是幼儿在日常生活中最常见的基本动作,同时也是锻炼幼儿身体的手段之一。走跑运动可以促进幼儿腿部骨骼生长,发展肌肉力量。幼儿通过走跑锻炼可以提高身体的灵敏度和活动速度,锻炼协调性与平衡性,提高耐力与心肺功能[1]。儿童运动能力的发展,至少经历两个明显的稳定性学习阶段。第一阶段与走跑技能的最初发展有关,第二阶段与根据环境要求调节步频的能力增加有关,3岁以前的幼儿还不具备成人的调节步频的能力,这种能力直到 7岁时才初步建立[2-3]。幼儿刚刚学会跑步时,受肌肉力量发展情况、运动的协调性好坏和平衡能力的影响,将表现出不同的步态特征。从运动生物力学角度出发,利用影像分析方法,对刚刚学会跑步的幼儿步态进行技术分析,根据步态特征的差别,分析其影响原因,进而提出改进意见,以促进幼儿体格健康成长。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

受试对象 1活泼好动,家长也经常带孩子到户外运动。受试对象 2不太爱动,户外运动也相对少。

1.2 研究方法

采用 SonyDCR-HC90E摄像机对幼儿 20m快速跑步进行侧面定点拍摄,拍摄频率 50赫兹。利用 DVTracker金牌教练运动训练视频分析系统进行数据解析。所得数据利用 O-ring6.0进行分析整理。

表1 受试对象基本情况

1.3 阶段划分

为了讨论技术动作的方便,把跑步途中一个单步分为三个阶段、三个时相来分析 (图 1和图 2)。缓冲阶段:着地时相 (摆动腿着地瞬间)到蹬伸时相 (人体重心在支撑点垂线时刻)。蹬伸阶段:蹬伸时相到蹬伸结束时相 (支撑腿完全伸展)。腾空阶段:蹬伸结束时相到着地时相。

2 结果与分析

在人的跑动过程中,是通过腿部肌肉的收缩、关节的伸展,并以脚接触地面,地面产生向前上方的支持反力推动人体向前运动。两只脚积极交替地迈出一定的步幅,在地面的反作用力作用下,如同车轮转动的作用,使人体实现向前的运动。幼儿由于肌肉力量的不足,在跑步过程中表现出与成人不同的步态特征。

图1 1号受试者快速跑中一个单步的动作

2.1 步幅与步频特征

2.1.1 缓冲时间、蹬伸时间与腾空时间 从表 2可见,受试对象单步时间分别为 0.14s和 0.12s,其中支撑阶段所占的比例远大于腾空阶段,这与成人的时间分配不同,成人在快速跑时腾空时间要大于支撑时间[4],其原因主要与幼儿腾起高度较低有关。

表2 受试对象各运动阶段时相变化

同时,从图 1、图 2和表 2可见,受试对象 2在跑动中没有双脚同时离地的腾空阶段,一侧腿蹬伸结束时,并没有立刻完全抬起,而是当另一侧腿着地时,才离地收腿。从图像上看这种跑姿还不能成为完全意义上的跑,而是没有脱离走的特点,身体没有完全离地,这是幼儿从走向跑学习的一个过渡特征。这种特征与腿部力量和身体协调性的发育有关,由于幼儿蹬地力量不足,导致离地速度较小,无法使身体获得较大的腾起速度,所以表现为月龄越小的孩子在腾起时间上越短,腾空距离越短。随着月龄的增加,下肢蹬伸力量逐渐加强,产生的蹬地力加大,肢体的协调性也逐渐增强,才逐渐出现腾空阶段,并随着年龄的增长,腾起的高度逐渐增加,进而延长了腾空时间。受试对象 1虽然月龄小,但由于腿部力量和身体协调性较好,跑步能力比较强,腾空时间占总时间的 33.3%,且双脚可以同时离地,步态已经初步具有成人的特征。

2.1.2 着地距离、后蹬距离和腾空距离 从表 3可见幼儿步长较其身高略短,补偿和身高的比值分别为 96.3%和 56.6%。跑步姿势具有走的特征时,这种现象越加明显。两个幼儿单步重心水平移动平均速度分别为 2.075m/s和 1.724m/s。从步幅和步频变化特征看,幼儿在跑动过程中基本是采用短步幅、高步频来维持速度,在运动时要求肢体的加速更加频繁。而幼儿的平衡能力较低,这就增加了其摔倒的几率。

图3 步长的组成

表3 受试对象快速跑步长结构(单位:m)

2.2 缓冲和蹬伸技术

2.2.1 缓冲技术 从图 1和图 2可见,幼儿着地运动学特征与成人存在差异,主要表现在足中部先着地,踝关节在着地瞬间出现一个快速的背屈。踝关节在背屈状态下,很难使踝关节做迅速的伸展,如果踝关节不能做到迅速的屈伸,就会严重影响踝关节在前支撑阶段的缓冲能力。而成人的缓冲技术多是脚尖先着地,由于脚尖先着地,所以支撑腿承受压力主要部位为踝关节和膝关节。为了提高跑速,现在还提倡足跟不着地,从而使支撑腿承受压力的主要部位由膝关节转移到踝关节,而膝关节主要是通过股四头肌退让性工作的加固作用,承担身体的基本重力,并保证支撑腿的刚性支撑,以有利于力的有效传递[6]。而幼儿做不到这一点,这与幼儿肌肉力量发展程度不够和平衡能力不足有关。如果幼儿采用脚尖先着地,使踝关节在缓冲时成为主要承受压力的部位,将增加踝关节损伤几率。

从图 4和图 5可见幼儿着地缓冲过程主要以膝关节屈和踝关节背屈为主,髋关节处于伸展状态。膝伸肌群做退让性工作,膝关节在强大的压力作用下屈曲程度逐渐增大,身体具有一个向下的加速度而产生失重现象。2号受试者膝关节屈曲角度较大 (21.2696°),而 1号受试者膝关节屈曲角度较小 (4.834°),显然 1号受试者与成人膝关节角度变化适当(410°)[4],表现出较好的膝关节承受压力的能力。

图4 1号受试者一个单步支撑腿关节角度变化

图5 2号受试者一个单步支撑腿关节角度变化

2.2.2 蹬伸技术 在腿蹬伸离地时,髋、膝、踝关节依次伸展,1号受试者膝关节伸展程度比较接近成人,目前比较一致的认识是,在完成蹬伸动作时,膝关节不必充分伸直。在蹬伸结束时,膝关节角在 150°～165°之间,其原因是当膝关节从 165°伸展到 180°时,膝关节与髓关节之间的距离非但没有增加,反而缩短了 8mm,这是由于股骨关节面向股骨关节面曲率半径大的那一部分滑动的原因。而 2号受试者后蹬离地时膝关节过分蹬直,直接影响了腾空后的屈膝摆动。

在蹬伸过程中,踝关节的活动幅度与成人一致,在 34°～38°之间,缓冲与蹬伸时,踝关节的活动是由小腿三头肌肌健等的弹性变形与复原完成的,因此,就要求踝关节的肌腱有非常好的弹性和强度。弹性好在缓冲阶段可储存更多的能量,强度大在蹬伸阶段可支撑住髋膝关节肌肉的蹬伸力。

幼儿刚刚从走向跑步过渡时,由于蹬地力量的不足,没有使身体完全离开地面,重心在高度上的变化也较小,见 2号受试者 (重心在蹬伸阶段垂直方向变化 0.0123m);当真正学会跑步时,身体出现腾空状态后,重心在高度上变化才会增加,见 1号受试者 (重心在蹬伸阶段垂直方向变化0.0573m),说明蹬地力的大小开始增加,足以克服本身的重力使人腾起。

2.3 肢体摆动情况

在跑步动作技术原理中,非常重视摆动腿和两臂的摆动、躯干的扭转等的结合。幼儿由于身体协调性的发育不完善,在肢体摆动中会出现各种各样的问题,而摆动动作的方向、幅度和速度直接影响跑步的步幅和步频。2号受试对象其收腿和两臂的摆动动作均存在明显的问题。

2.3.1 下肢摆动情况 蹬伸腿离地后就成为摆动腿,从图 6和图 7可见,在惯性作用下,摆动腿的大腿先做后伸,然后快速前摆。在进入第二个单步离地瞬间,摆动腿达到最大摆幅,两名幼儿的摆动幅度分别为 39.1°和 48.1°。大腿开始前摆后小腿迅速向大腿做屈膝折叠,在蹬伸时相达到最大屈曲程度,两名幼儿的最大屈曲程度差别也很大,分别为 50.9。和 92.9°。由于摆动时膝关节的屈曲能减小腿的转动惯量,更容易使腿摆动,而腿摆动情况会直接影响到蹬地的效果[5]。1号受试对象膝关节的屈曲时间与伸展时间几乎相等,但 2号受试者在蹬伸结束时,摆动腿小腿没有迅速向大腿做屈膝折叠(膝关节最大屈曲角度仅为 92.9°),由于摆动动作不充分,在蹬伸阶段没有增加支撑腿的负荷,降低了蹬地效果,另外,摆动腿的鞭打动作幅度小,在进入缓冲阶段时,不会有效地起到减小着地碰撞力的作用,从而导致身体承受的压力较大,这同样会影响到蹬伸阶段伸膝作用,在动作上表现为着地后膝关节屈曲角度和时间相对较长。

2.3.2 上肢摆动情况 上肢质量虽相对小,但却可以快节奏摆动,这对下肢快速相向运动——蹬伸起到了促进作用。从图 1和图 2可见,1号受试者上肢摆动较为合理,而 2号受试者上肢一直处于上举状态,没有起到摆臂的作用,这也同样影响蹬地效果,使得 2号受试者蹬地力没有充分发挥出来,无法将身体腾空,步态中表现为没有腾空现象,是一种带有走的特征的跑。随着时间的推移,家长应注意纠正孩子的不良姿势,以便顺利地学会跑步,增强孩子的运动能力,促进体格健康发育。

3 结论与建议

3.1 结论

1)幼儿步态中时间分配与成人不同,支撑阶段所占的比例远大于腾空阶段。

2)幼儿由于腿部力量和身体协调性的发育不足,导致从走向跑学习存在一个过渡阶段。该阶段没有双脚同时离地的腾空阶段。这个阶段时间的长短受幼儿身体机能和运动协调性的发育程度影响。随着年龄的增长,腾起的高度逐渐增加,才出现腾空阶段。

3)从步幅和步频变化特征看,幼儿在跑动过程中基本是采用短步幅、高步频来维持速度。在运动时肢体的加速更加频繁,而幼儿的平衡能力较低,这就增加了其摔倒的几率。

4)幼儿着地运动学特征与成人存在差异,主要表现在足中部先着地,踝关节在着地瞬间出现一个快速的背屈,而且幼儿下肢肌肉力量发育不足,导致缓冲时膝关节屈曲角度过大,时间过长。

5)幼儿刚刚学跑,后蹬离地时膝关节过分蹬直,直接影响了腾空后的屈膝摆动,摆动腿小腿不能迅速向大腿做屈膝折叠,在蹬伸阶段没有增加支撑腿的负荷,降低了蹬地效果。3.2 建议

根据幼儿跑步时的步态特征,为了增加蹬地效果,使身体腾起高度增加,家长应注重练习孩子的下肢肌肉力量,如练习跳和单足站立等。并注意身体协调性的锻炼,以便有效地增加肢体摆动的效果,配合下肢的蹬伸。如果家长能注意锻炼孩子的跑动能力培养,幼儿便有可能缩短从走向跑的过渡期,尽快学会跑步,摔倒的几率也会降低。

[1]新 光.跑步可训练孩子的平衡能力[J].妇女生活,2008(2): 58.

[2]周安艳,李 海,黄东锋,等.视频压力式步态分析系统对正常学龄前儿童的步态分析[J].中国临床康复,2005(9):115-117.

[3]弗拉基米尔M.扎齐奥尔斯基运动生物力学[M].北京:人民体育出版杜,2000.

[4]闫红光.体育运动基本动作原理与分析[M].沈阳:沈阳体育学院教务处,2007.

[5]左 莉,邓 红.影响幼儿走跑能力相关因素的分析[J].兰州学刊,2006(6):91.

[6]钱竞光,宋雅伟,叶 强.步行动作的生物力学原理及其步态分析[J].南京体育学院学报(自然科学版),2006(4):1-7.

Biomechan ical Analysis of D ifferences in I nfant’s Runn ing Ability

WANG X in,ZHENG X im ing (D epar tm ent of Hum an Sports Science,Shenyang Sport U niversity,Shenyang110102,L iaoning,China)

By biom echanicalm easurem ent and w ith2-year-old children as the research objects,the authors analyzed running of the infants for the purpose of finding out the features of gaits at different stages w hen infants begin to run and guiding them to form a correct running posture and sports rehabilitation.The results show that an infant’s gaits are obviously different from that of an adult’s gaits.The rate of support phase is larger than that in flight phase.M oreover,running capacity of infants tends to change w ith the increasing age.There is a phase in that both feet don′t leave the ground sim ultaneously.

infant;running ability;biom echanics

G804.6

A

1004-0560(2010)04-0081-04

2009-04-16;

2009-06-28

王新(1974-),女,讲师,博士,主要研究方向为运动生物力学。

责任编辑:乔艳春

体育人文社会学