空间运动维度下运动性疲劳对跆拳道横踢技术运动学特征的影响研究

谢明正　雷涛　孙健　周澳　苏健蛟

关键词：运动性疲劳；跆拳道；横踢技术；运动学特征

文章编号：1001-747X（2023）05-0607-08 文献标志码：A 中图分类号：G866.980.421

DOI：10.16063/j.cnki.issnl001-747x.2023.05.010

世界跆拳道联盟实施新的竞赛规则以来，跆拳道比赛的竞技程度更加激烈，以直击直打为主的横踢技术，具有速度快、力量大、难度小、动作幅度短、缓冲较小等优势，且在实战中使用频率较高。有研究统计，横踢技术的使用频率高达90%。然而，长时间、高强度的实战对抗使运动员身体产生的运动性疲劳，影响了身体姿势控制能力和关节稳定性，成为降低横踢技术使用频率和击打效果的重要因素。随着运动力学理论体系的逐步完善和高精端测量仪器与设备的使用，对跆拳道技术动作的研究不再局限于单一学科。为解决横踢技术使用频率和击打效果的下降问题，有学者通过横踢技术运动学特征的变化，来判断运动员在实战中身体出现的疲劳状态与非疲劳状态。有研究发现，运动性疲劳能够对横踢技术动作的速度及运动轨迹产生影响，其原因在于支撑腿与进攻腿的关节活动度产生了变化。长时间、高强度的运动使身体中的代谢产物增多，导致肌纤维的收缩力和收缩速度下降，从而降低肌肉的工作能力；运动疲劳受中枢运动神经调控，当身体产生运动性疲劳时，中枢神经将抑制大脑皮层运动区兴奋性，神经系统产生的信号减少使肌肉收缩力降低，导致机体运动能力下降，从而对横踢技术动作运动学特征产生影响。近年来，在运动性疲劳的研究中，通常以测量运动学或动力学特征进行诊断肌肉的疲劳，认为疲劳状态下的时间特征与空间特征变化更为明显，成为影响关节活动度、重心位移的指标。也有学者在三维空间下对横踢技术时髋、膝、踝关节的变化情况进行分析。三维空间呈立体性，具有三向性，是指点的位置由3个坐标决定的空间，具有长度、宽度和高度。

为此，厘清跆拳道运动员在高强度训练和实战过程中，机体产生运动性疲劳之后对横踢技术在三维运动空间下运动学参数的影响程度，不仅对客观精准预防急性运动损伤十分重要，而且对提升运动员横踢技术动作的击打效率以及竞技能力提升都具有重要意义。基于此，本研究从跆拳道横踢技术动作的“直线速度与位移”二维空间研究，提升到“空间速度与轨迹”三维空间研究，以中立位自然临肢角为始点建立三维直角坐标系，结合横踢技术的运动原理，通过疲劳诱导的方式来比较正常和疲劳状态下横踢技术动作的运动学特征差异，以及探寻运动性疲劳产生后对运动轨迹形变和运动速度减缓的微观现象与客观规律，为我国跆拳道运动员在实战中出现运动性疲劳之后，如何科学、规范使用横踢技术动作，提高击打效率提供理论借鉴具有重要的实践意义。

1研究对象与方法

1.1研究对象

研究选取20名韩国国家跆拳道队男子精英运动员为测试对象（精英运动员相等于我国的一级及以上运动员），年龄（20.2±0.5）岁，身高（178.4±2.5）cm，体质量（66.6±3.2）kg。测试时间为2018年7月，测试地点在韩国龙仁大学国际运动与健康研究中心。所有被试者身体状况和运动能力均为良好，过去的3个月内下肢关节无运动损伤的现象发生，且在测试前24 h内未进行高强度训练。

1.2研究方法

1.2.1测定仪器与设备

三维运动捕捉系统采用Vicon Nexusl.85（10个T40s摄像头），采样频率为100Hz；地面测力系统采用AMTI OR6-7（测力台BP400900*1、BP400600*2），采样频率为1000 Hz；功率自行车采用Excali-bur sport cycle ergometer，最大功率为1500W；血乳酸分析仪采用YSI1500sport等仪器和设备。

1.2.2疲劳诱导方案与设定

通过功率自行车进行60 s的疲劳诱导，前30 s匀速60 km/h，后30 s全速蹬车，自行车功率设置为1500 W。正常状态下完成横踢技术动作测试后进行疲劳诱导测试，对被试者在蹬车前，蹬车后0min、3 min、5 min、7 min、10 min、15 min等时间节点，分别采集手指尖部50μL血液样本。观察各时间节点血乳酸浓度的变化情况，最终设定踏车后5～10min内血乳酸值上升至12.52mmol/L及以上的时间区间作为下肢肌肉疲劳时段（见图1）。平均无氧功率为（640.1±81.0）W，最大无氧功率为（1113.0±199.7）W，疲劳指数为（8.7±0.7）W/s。运动性疲劳的诱导与控制过程是本研究的核心部分，对提取可靠性的运动学参数至关重要，为使在测试过程中较好控制和维持疲劳状态，采用闭锁链动作（CKC）诱导运动疲劳。

1.2.3测试流程

（1）测试前准备：首先打开三维运动捕捉系统、地面测力系统、功率自行车、血乳酸检测仪等设备，将其进行预热和标定；其次要求被试者按顺序填写被试知情同意书及对个人信息和健康状况进行调查，告知注意事项和测试流程；最后要求运动员更换服装，测量身体基本特征。

（2）疲劳前测试：首先在安静状态下完成正常状态的血样采集，进行15 min左右的热身活动，开始粘贴Marker球。其次按照测试流程，根据操作员发出的口令完成疲劳前使用后横踢技术击打目标靶的动作测试（见图2）。动作完成后，根据研究人员主观视觉判断和被试者自我感觉评价，每名被试者选取5个有效动作为本研究的分析动作。

（3）疲劳后测试：使用功率自行车进行疲劳诱导后（见图3），按照所设定的运动性疲劳时段，进行采集疲劳状态下后横踢技术击打目标靶的运动学参数，确保每次采集时间在5 min以内完成。疲劳后的动作选取条件与疲劳前测试保持一致。

1.2.4 Marker球粘贴、坐标及建模流程

根据被试者身体表面粘贴的39个Marker点的位置和前期测量的身体环节参数，使用Vicon Poly-gon 3.5.1软件中的Plugin Gait Full Body 3D模块构建本研究的动作模型（见图4）。

1.2.5时刻和时段的划分

时刻划分根据测试时捕捉系统采集到的后横踢技术动作信号源，结合跆拳道训练和比赛中技术动作的运动特点，通过观察支撑脚和进攻腿接触测力台面时反力瞬间、目标靶Marker球出现晃动、进攻腿膝关节角度的最小屈曲和最大伸展瞬间而设定。前一时刻结束到后一时刻开始所用的时间间隔设定为时段。

1.2.6数据处理与统计方法

通过Vicon Nexus l.85系统内置的Low-pass Filter函数对采集到的原始信号源进行滤波、删补轨迹等技术处理，Vicon Polygon 3.5软件计算下肢关节角度、身体重心、动作时间和动作速度等运动学参数。定义踝关节跖屈、外翻、旋外和髋关节过伸展、外展、旋外参数值为负（－）。原始数据用Excel 2013进行分析处理，正常和疲劳2组间的运动学数据使用Graph Pad Prism 9.4.1进行配对样本t检验，结果用平均值和标准差（x±s）表示，显著性水平设为a=0.05。

2研究结果与分析

根据跆拳道运动员使用横踢技术时左右腿的前后站位，将其划分为前横踢技术动作与后横踢技术动作，本文是对后（右）横踢技术动作进行分析。由于横踢技术是典型的鞭打动作，在运动过程中是以躯干和前支撑腿为鞭杆、后进攻腿为鞭身、脚背为鞭梢，进行动力距向末端传递的一个运动过程。因此，本文对横踢技术动作时支撑腿和进攻腿的运动轨迹进行采集及对其运动学参数进行分析。

2.1支撑腿关节活动度t-test分析结果

支撑腿关节活动度t-test结果见表1，髋关节活动度呈现为疲劳状态大于正常状态，准备时刻的外展角、启动时刻和击打时刻的旋内角t- test结果存在显著性差异（P<0.05）；膝关节屈伸活动度呈现为疲劳状态小于正常状态，膝关节活动度在3个时段t-test结果虽然出现了差异（P>0.05），但是不存在显著性；踝关节活动度呈现为多样化现象，其中，正常状态在回收时段为外翻现象，疲劳状态在回收时段为内翻现象，2组间的t-test结果出现了显著性差异（P<0.05）。

2.2进攻腿关节活动度分析结果

进攻腿关节活动度t-test结果见表2，髋关节活动度呈现为疲劳状态小于正常状态，启动时刻和回收时刻的旋内角t-test结果出现了显著性差异（P<0.05）；2组间膝关节活动度在3个时段t-test结果虽然出现了差异，但是不存在显著性（P>0.05）；踝关节活动度呈现为多样化现象，正常状态在启动时刻伸展较大，疲劳状态在回收时段的外翻较大，2组间t-test结果出现了显著性差异（P<0.05）。

2.3身体重心轨迹分析结果

被试者身体重心轨迹t-test结果见表3，正常和疲劳2种状态下重心移动距离差异较大，其中，疲劳状态在准备时刻和3个运动轴上的移动距离均小于正常状态，启动时刻的身体重心向前和向下移动距离较小，击打时刻的身体重心向前和向上移动距离较大。整体来看被试者在疲劳状态时的身体重心较高，2组间的t-test结果出现了显著性差异（P<0.05）。

2.4动作轨迹、时间和速度分析结果

动作轨迹、时间和速度t-test结果见表4，其中，动作轨迹以测力台的三维坐标“0”点位置为起点，正常和疲劳状态下呈现的差异较大，疲劳状态时进攻脚在启动时段偏后于起点，击打目标物瞬间略远离于中线距离，击打距离较近且低于正常状态及回收距离略远于正常状态，2组间的t-test结果均出现了显著性差异（P<0.05）；疲劳状态在3个时段的动作时间大于正常状态且动作速度较慢，击打时段t-test结果出现了显著性差异（P<0.05）。

3讨论

本研究结合受试者在疲劳状态下使用横踢技术动作时，根据下肢关节活动度和动作速度等运动学参数，在划分的3个时段上所表现出来的运动轨迹形变和运动速度减缓的运动现象，从运动性疲劳与关节活动度变化的生理机制、身体重心变化的运动机理、动作速度减缓的神经机制等3个维度进行探讨，从而深入揭示运动性疲劳对横踢技术运动学参数的影响。

3.1运动性疲劳导致关节活动度变化的生理机制

运动性疲劳的产生会降低大脑对“神经一肌肉”的控制，影响身体姿势控制能力和关节稳定性，对横踢技术动作的速度及运动轨迹产生影响。通过观察正常和疲劳2种状态下横踢技术的运动轨迹发现，2种状态下下肢关节运动方向虽然相一致，但是关节活动度却出现了较大差异。其中，支撑腿髋关节活动度的差异较大，外展角和旋内角存在显著差异性（P<0.05）。“衰竭”学说认为长时间运动后身体内ATP等能源物质大量消耗，导致肌肉能源物质短缺，从而降低肌肉工作能力。有研究发现乳酸堆积过多会导致机体酸中毒，同时会使Ca²⁺释放受损、抑制关键代谢酶的活性以及抑制肌球蛋白ATP酶水平，进而影响肌肉收缩力和速度。然而，持续长时间运动后，肌肉中的ATP-CP等高能磷酸物含量降低与血糖水平和骨骼肌糖原的减少，阻碍了肌球蛋白和肌动蛋白之间的联系，导致肌肉无法维持正常功率的输出，从而降低肌肉收缩能力。当运动性疲劳发生后，能量代谢活动的增强使快肌纤维中有大量乳酸堆积，乳酸解离生成的H⁺降低身体PH值，干扰肌浆网Ca²⁺的释放、肌钙蛋白对Ca²⁺的敏感性，降低神经与肌肉之间的“兴奋-收缩”偶联，导致运动能力下降，降低关节稳定性，诱发动作轨迹形变。因此，出现运动性疲劳后，使用横踢技术时关节稳定性较差，在启动时段和击打时段支撑腿髋关节外展角，运动3～5min时体内会有乳酸的堆积，随着乳酸浓度的升高，速度逐渐减小、旋内角度逐渐增大的运动现象更加明显，成为导致技术动作的运动轨迹形变及运动能力下降的重要因素。本研究进行疲劳诱导后5～7min的时间区间，运动员机体内的血乳酸浓度达到峰值且不能消除，致使肌肉的收缩力和收缩速度下降，导致下肢关节活动度的变化与运动轨迹的形变，进而降低了横踢技术的动作速度。

3.2运动性疲劳导致身体重心变化的运动机理

在运动过程中，保持身体重心的平衡与稳定是动力距向末端快速传递的基础，也是保证技术动作发动最有效进攻速度的关键。为了保持运动中身体重心的平衡，需要通过下肢关节的屈伸或回旋运动进行协同调节。有研究认为，横踢技术启动时身体重心受支撑腿的影响，首先要将身体重心移至支撑腿并形成稳固的支撑点，支撑腿髋、膝、踝关节活动度增大，为使身体达到平衡，身体重心需在额状轴和矢状轴发生变化。有学者发现肢体质量分布离转轴越近，转动半径越小，转动惯性就小，力矩就大，动作速度也就越快。人体纵轴和额状轴的相对转动惯量与肌肉对人体骨杠杆的动力矩是影响鞭击动作的重要因素，支撑腿的外展角和旋内角是影响鞭打技术动作的重要因素。然而运动中随着运动性疲劳的出现和疲劳程度的增大，跆拳道运动员在使用横踢技术动作时支撑腿关节的稳定性越来越差，横踢技术的动作速度也就越慢。本研究发现，运动性疲劳发生后被试者支撑腿关节的外展角和旋内角逐渐变小，进攻腿髋关节的旋内角和踝关节屈曲角增大、动作速度减缓以及身体重心轨迹增大的研究结果，也进一步证实了上述研究结论。因此，当髋关节旋内角较小时，运动员为了发力使躯干运动先于大腿运动，导致身体重心发生变化与动作轨迹出现形变，同时也会增大身体重心位移。横踢过程中身体重心提升受支撑腿膝关节屈伸和提踵的影响，运动性疲劳发生后支撑腿膝关节屈曲角度变小，身体重心提升的研究结果也与此相吻合。综合来看，支撑腿各关节的活动度影响着身体重心的变化，影响着进攻腿髋、膝、踝关节绕冠状轴作屈伸运动，这一过程也完全符合空间运动力学原理。

3.3运动性疲劳导致动作速度减缓的神经机制

动作速度取决于运动中枢神经对肌肉的协调控制能力，随着疲劳程度的不断增加，肌纤维最大收缩力和收缩速度受到的抑制也随之增大。跆拳道横踢技术是典型的鞭打技术，支撑腿髋关节的外展角度直接影响进攻腿的动作速度，进攻腿下肢关节角度也直接影响击打速度。当机体发生运动性疲劳时，中枢神经系统的兴奋、抑制过程平衡将会被破坏，基底神经节功能调控不足，导致机体运动能力下降。有学者发现运动性疲劳对神经中枢系统具有抑制效果，导致大脑的调节运动、协调椎体系调节空间知觉、条件反射、注意转换等的功能降低。有研究认为，技术动作的规范程度主要受神经肌肉控制，运动性疲劳导致中枢神经系统的紊乱，使肌肉缺乏正常的兴奋与舒张交替，造成肌肉收缩力下降，导致在完成技术动作时身体重心发生偏移的现象。由此可以看出，运动性疲劳的产生与中枢神经系统紊乱有着密不可分的关系，当中枢神经系统出现疲劳后产生的神经激活信号减少，导致肌肉收缩能力下降，使动作发生变形，进而影响动作速度，肌纤维的收缩力和收缩速度将被抑制。从本研究测量的动作速度结果来看，疲劳状态较慢于正常状态也进一步证实上述研究结论。由此来看，动作速度的快慢与技术动作的规范程度受神经肌肉的控制，长时间、高强度的运动诱发神经肌肉疲劳，使肌肉缺乏正常的兴奋舒张交替，同时抑制肌纤维的收缩力和收缩速度，引起下肢肌肉-骨骼控制能力下降，成为影响横踢技术使用效果的重要因素。因此，在运动性疲劳发生前后，被试者横踢技术所表现出来的动作速度差异与体内乳酸含量水平和神经中的紊乱存在直接联系，也是肌肉最大收缩力和收缩速度下降的综合反映。

4结论与建议

从三维空间视角分析受试者在疲劳状态时，横踢技术运动轨迹形变与动作速度减缓的运动现象，不仅能够客观地诊断横踢技术动作的完成质量，而且为后续优化技术动作提供了实证数据支撑。对于稳定疲劳状态时运动员支撑腿关节活动度和身体重心位移，减小横踢技术动作轨迹形变，提升动作速度等具有针对性指导作用。对于运动员在实战中结合自身无氧和有氧供能系统转换的特点，合理设计运动负荷强度，避免因血乳酸过多堆积而造成肌群肌力下降，为提升横踢技术动作的击打效率提供了理论参考。

建议教练员参照本文的测试结果，首先，结合运动员在实战中疲劳出现的时间节点，依据个体差异制定相应的技战术方案进行针对性训练，储备与国外优秀运动员对抗时的技战术应变能力。其次，在训练负荷强度的设置方面，教练员可结合受试者乳酸峰值出现的时间节点，比较乳酸峰值的变化曲线，通过调整或优化训练内容来调控负荷强度进行抗乳酸训练，储备与国外优秀运动员对抗时的体能和心肺耐力。最后，在训练方法方面，教练员应结合跆拳道比赛的总时长和单局时长，设计与比赛同等的负荷强度，使运动员形成技术动作记忆和负荷强度记忆，来稳定比赛中运动员的兴奋点与疲劳点，从而保障技术动作应用效果的最大化。

作者贡献声明：

谢明正：梳理基本思路，撰写论文。

雷涛：负责收集文献、数据处理。

孙健，周澳：负责收集文献、校对文字。

苏健蛟：负责数据采集、主体框架设计。