跳远起跳腿的受力分析

姜 文，伍 飞

（湖南新化县第二中学，湖南 娄底 417600）

跳远起跳腿的受力分析

姜 文，伍 飞

（湖南新化县第二中学，湖南 娄底 417600）

通过对起跳腿的受力分析和能量转换的研究，得出以下结论：就运动学特征而言，起跳过程是发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞物理现象；膝关节缓冲动作是“冲力矩”对膝关节作用的结果；推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，表明肌肉被拉伸后所储备的能量可能是碰撞发生后能量上传的结果。

跳远；起跳腿；受力；冲力矩；能量转换

伸肌群的退让性收缩能力是体育运动中一切爆发性用力动作获得最佳力学效果的主要因素，这一点在跳跃起跳中表现得尤为显著。伸肌群退让性收缩的结果就表现为腿部缓冲动作，退让性收缩与缓冲动作实际上属于本质与现象的关系。

但退让性收缩的发生机理存在着不同的说法。有教材认为缓冲的发生机制是重力的作用，有些认为是惯性力的作用，还有些其认为是外力矩的作用的结果，也有学者认为是肌肉克服的是冲击惯压外力。可见，缓冲过程的受力非常复杂，下面将从起跳脚的受力变化与能量转换的角度来研究起跳过程。

1 研究方法

1.1 文献资料法

查阅有关起跳机制、运动生物力学和起跳技术分析的研究文献和专著，并对其进行收集、整理、归纳和推导。

1.2 调查法

通过个别调查法，就某些概念和理论的鉴定对有关专家进行访谈。

2 结果与分析

2.1 起跳过程的肌肉工作状态与动作阶段划分

任何一种跳跃的起跳都是受人意识支配的，都是人体肌肉主动收缩（内力），通过运动支撑器官与地面相互作用（产生外力）的必然结果，故我们不能把起跳过程等视为物理学上所描述的理想化的非完全弹性碰撞。但就运动学特征而言，把起跳过程的外部特征视为发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞的物理现象，并将其分为两个阶段。第一阶段为起跳脚与地面开始接触到屈肌退让收缩结束的能量吸收阶段（挤压阶段），第二阶段为能量释放阶段（形变恢复）。在第一阶段，起跳脚与地面冲撞挤压后由于内部应力使二者均发生形变，如地面的凹陷、跳高鞋海绵垫的塑性形变、膝关节的弯曲等。在这一过程中，膝关节肌群为了阻止膝关节的弯曲而发生了退让性收缩，也就是我们通常所说的缓冲。

表1中起跳过程的第一阶段是着地缓冲阶段，肌肉工作类型为退让收缩和等长收缩。教材所说的在着地瞬间肌肉克服的外力（冲力）最大，但并不是说此时的肌肉力量是最大的，根据离体肌肉拉伸过程的力学研究显示，当一块完全激活的肌肉或肌纤维，以适宜的速度从一个恒定长度拉伸到另一长度时，在其末端记录到的力，要大于同样长度的最大等长活动的力，且拉伸结束时肌肉力比同样长度下的最大等长活动力大2倍，即所谓的“拉伸过程的力增强现象”。所以，膝关节肌群的最大肌力可能出现在等长收缩结束和克制收缩开始的一瞬间，之后膝关节肌群力量慢慢减小，脚离地时为零。退让收缩阶段外力矩是始终大于肌力矩的，随着肌肉被拉长和缓冲动作幅度的增大，在等长收缩阶段二者相当。

第二阶段是蹬伸阶段，肌肉工作类型为克制性收缩。随着蹬伸动作的完成，肌肉力量也就随之减小，但蹬伸过程中肌力矩大于外力矩。

2.2 起跳过程中的受力分析

潘慧炬在修正复杠杆模型的研究中认为在蹬伸阶段股四头肌起主要作用，复杠杆只在伸膝后半程起一定作用，但在退让收缩阶段复杠杆可能发挥较大作用。依照“复杠杆模型”对膝关节的外力矩进行模拟设计，图1是起跳过程的各阶段的重力矩和地面支撑力矩的模拟图，N为支撑力，G为重力，d为力臂，O点为膝关节（本模型没有考虑膝关节重心高度的变化和摩擦力在碰撞过程的作用）。从图1中可知，膝关节受重力矩（MG = G×d1）与地面支撑力矩（MN = N×d2）同时作用。据右手法则对力矩的方向和正负做出判断：（1）起跳着地，重力矩和地面支撑力矩方向均向内，为负，所以起跳脚着地时两力矩是重叠作用的；（2）缓冲阶段，当膝关节缓冲超过踝关节时，重力矩方向向内，为负，但支撑力矩向外，为正，所以两力矩有抵消的现象；（3）蹬伸阶段，随着蹬伸动作的进行，两力矩的方向向外，为正，为人体离地提供动力。

表1 起跳过程的肌肉工作状态和动作阶段划分

可见，着地时地面对腿部的冲力实际上是地面支撑力矩和重力矩同时作用的结果。研究显示，地面对人体的冲击力，其值能达到体重的14倍，所以把缓冲动作看作是重力作用的结果的说法是不准确的。冲力随着退让性收缩的结束而随之减小并消失，但其能量发生了转换。至于认为是惯性力作用的说法也不太确切，惯性力是加速运动参照系（非惯性参照系）内物体出现的运动状态的变化，为了应用牛顿定律解释而引进“虚拟力”，称惯性力。它没有施力者，不符合力的三要素，当然也就不能说是惯性力造成了腿部的缓冲动作，但惯性力对肢体摆动和人体补偿运动的研究是很有意义的。王保成教授提出的“冲击惯压外力”的作用，说明了膝关节肌群做退让性收缩所受的是一个复杂的变化的合外力。《体育科学词典》提及外力矩与屈肌力矩的作用，它的力学系统的确立是下肢局部环节，把缓冲作为以膝关节为轴的转动过程，而局部环节的转动一般只提及重力矩和肌力矩，所以认为膝关节被迫缓冲是“冲力矩”对膝关节作用的结果，即重力矩与地面支撑力矩的共同作用。

图1 重力矩与地面支撑力矩的膝关节模拟图

图2 机械能与肌肉做功能量转换模拟图

当物体受外力作用时，其内部会发生不同的应力分布与出现变形形态。应力是物体在外因（如受力、温度等）影响下发生状态和体积改变时，其内部任一截面上所受的力，属内力。应力的传递伴随着能量的转换，应力的特点是往薄弱环节聚集，当人体的某一个面或是某一点的应力超出承受范围就会出现形变形态。在应力的传递过程中，人体关节是应力集中的主要部位，在起跳过程中，膝关节肌群的退让性收缩是为了防止应力过大而使膝关节过分弯曲。因此，加强其肌群的退让工作能力在跳跃项目的训练中是非常有意义的。

2.3 碰撞过程中的功能量转换

有人（周成之，王保成，1985年）认为，人体腾空的动力，来源于运动器官肌肉快速收缩所产生的“爆发能量”，而不是“力”。所以，对起跳过程中的能量转换来探讨是非常有意义的。

2.3.1人体肌肉组织对机械能的吸收和释放肌肉拉伸过程的力增强现象的研究表明，横桥附着物和腱组织构成串联弹性成分（SEC），SEC的力-长度（应力-应变）关系可用快速释放实验确定，肌肉拉伸时肌力增加两陪，激活肌肉最大拉伸后存储于SEC中的应变能量可相应的增加到两倍。拉伸后完全激活的肌肉被立即释放，肌肉做的正功可增加到两陪。在肌肉拉伸过程的能量学研究中显示，激活的离体骨骼肌拉伸过程中的代谢能量消耗（能量释放和ATP水解），比肌肉缩短和等长用力过程中的消耗要低，据报道，肌肉负功（作用于肌肉上的功）的基本部分，并不产生肌肉活动的热产物。

图3 起跳能量的转换图

既然肌肉在拉伸过程中没有热产物，说明肌肉本身没有消耗能量去做负功，但其肌力、SEC的应变能和其做正功的能力却增加了两倍。所以本文推断，肌肉被拉伸后所储备的能量是碰撞发生后能量上传的结果，且碰撞过程中损失的机械能在理论上应等于人体各环节所吸收的机械能、热能和塑性形变能之和，据此，推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，如图 2所示，（1）在 0 ～ t1时段为碰撞后能量上传至SEC存储能量的过程，同时也是肌肉做负功的过程，且存储的能量与肌肉负功的数值相当；（2）在t1～ t2时段是肌肉拉伸后主动收缩做2倍正功过程。由此可见，膝关节的缓冲过程是肌肉传递和转换能量的主要阶段。当然，肌肉做正功的能量不仅仅是来源于SEC存储的能量，肌肉主动收缩也消耗来自体内的能量来做功。起跳腿肌群与离体肌肉不同之处在于，其分布在踝、膝和髋三大关节，长短跨度和收缩的起止时间也不一样，所以能量转换时间也可能不同步，但肌肉的作用时间和能量转换总体集中在上述的两个时间段。

在着地过程，身体所承受的冲击力，使被动解剖组织（韧带、软骨等）和肌肉吸收了碰撞后的机械能，且会给机体带来伤害，这就激活了肌肉消耗机械能的能力，肌肉这种能力可能对保护被动解剖结构非常有利。

2.3.2碰撞后的能量转换与训练指导起跳的能量不仅仅来自于碰撞过程的能量转换，其中一部分也来自于肌肉的主动收缩。据肌肉组织对机械能的吸收与释放来看，碰撞过发生后总机械能的转变方式如下，如图3所示。

碰撞发生后，除接触碰撞区附近的地面发生的塑性变形、屈曲、褶皱、穿透（鞋钉），起跳脚周围流体参与的能量交换与吸收之外，其余能量将转化为被动解剖组织和肌肉吸收的机械能。所以，起跳能量的来源是碰撞发生后被动解剖组织和肌肉所吸收的机械能和肌肉主动收缩产生机械能之和。在起跳技术的训练过程中，我们要尽量提高机械能的合理转换。首先，提高运动员的屈肌力量和退让工作能力，并给予合理的能量吸收和转换时间，并不是起跳时间越短越好；同时，减少塑性形变的发生；再者，提高运动辅助器械的刚性，如钉鞋鞋底的设计即要防止应力给人体带来的伤害，又要减少能量的损失。

3 结 论

通过对起跳腿工作过程中的受力分析和能量转换的研究，得出以下结论。

3.1 起跳不等同于物理学上理想化的碰撞，但就运动学特征而言，起跳过程是发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞物理现象，并将起跳过程分为能量吸收阶段和能量释放阶段。

3.2 膝关节缓冲动作是“冲力矩”对膝关节作用的结果。“冲力矩”实际上是重力矩和地面支撑力矩的共同作用。

3.3 推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，表明肌肉被拉伸后所储备的能量是碰撞发生后能量上传的结果，而起跳能量的来源是碰撞发生后被动解剖组织和肌肉所吸收的机械能和肌肉主动收缩产生机械能之和。

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G823.3

A

1674-151X（2012）02-018-03

10.3969/j.issn.1674-151x.2012.02.010

投稿日期：2011-12-07

姜文（1979 ～），中教一级。研究方向：体育教学。