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摘要：通过建立以冰刀铰链为转动原点的下肢关节点蹬伸模型，采用3D方法，探讨了clap式冰刀技术下肢关节的蹬伸机制，结果认为： 从开始蹬冰至80%阶段，踝关节以提供稳定的支撑作用为主，仅在80%阶段以后特别是从90%～100%阶段内完成动力蹬伸；由于右侧膝关节点在蹬冰过程中前倾下压动作更为突出，决定了在蹬冰过程中重心沿切线方向上前移程度在左右侧肢体之间的差异；从支点与重心之间的位置关系上看，右单步中重心的移动方向更倾向于切向，而在左单步中重心的移动方向则更倾向于法向。
关键词：伸膝压踝 重心滑角 蹬伸半径 前倾下压
【中图分类号】G40-05【文献标识码】B【文章编号】1009-9646(2009)02-0120-03
1.引言
在国际速度滑冰界，clap式冰刀的使用开创了一个新的纪元。这种新型冰刀的主要特点是在足底轴承部分鞋和刀刃之间安装了一个铰链装置，通过铰链装置允许足在蹬冰结束时刻趾屈，以保证整个刀刃与冰面全接触［1］。研究表明［2］：由于缺少了有力的足趾屈作用，不仅限制了踝关节的跖屈范围，而且对蹬冰阶段膝关节的充分伸展有影响。速滑蹬冰技术的难点在于把侧向蹬伸的动量转化成向前的速度。在传统冰刀技术中由于强而有力的趾屈作用需要被抑制，目的是阻止刀刃前端擦刮冰，引起对冰的摩擦力损失及对身体平衡的影响。再加之躯干和足在蹬冰过程中转动的缺乏，导致速滑蹬冰动作主要是通过大小腿的转动产生的蹬伸。这就意味着对于传统滑冰中合理的蹬冰技术，蹬伸主要是由膝关节的伸展所引起。尽管运动员改用clap式冰刀后已经有了很大的改观，clap式冰刀的益处不容质疑，但是有关clap式冰刀技术下肢关节蹬伸特点和机制的数据却很少，虽然我们在“关于速滑蹬冰中伸膝压踝技术的研究”［3］中对运用clap式冰刀下肢关节蹬伸的特点进行了探讨，但也仅对直道中髋、膝关节点相对于踝关节点的变化进行了分析，却缺乏以转动中心为支点（铰链装置）的下肢关节的相对运动研究。而clap式冰刀与传统冰刀在结构和功能上的主要区别在于：通过铰链装置当身体重心前移，踝关节作跖屈动作时，冰刀仍能保持全刃支撑侧向蹬冰，从而解决了侧蹬冰过程中重心无法沿切向移动的技术不足［4］；通过改善踝关节的灵活性来达到增大下肢各关节协调作用的目的［5］。因此，建立以冰刀铰链为转动原点的下肢关节点蹬伸模型，对揭示clap式冰刀下肢关节蹬伸机制，具有重要的借鉴意义。
2.研究对象与方法
2.1 研究对象。本研究选择参加2007年第六届亚冬会女子1000m比赛的前12名速滑运动员为研究对象。
2.2 研究方法。按照kwon3d三维分析系统的拍摄要求，首先在运动员完成动作范围内的冰面跑道上均匀摆放6根标志杆，每根标志杆选取4个点共计24个点作为基准点，采用经纬仪来测定标志杆上基准点的水平角和垂直角，以此实现空间坐标的定位与转换。
采用4台数码摄像机，从弯道的内侧面，定点拍摄了运动员弯道蹬冰技术动作的一个完整复步动作。摄像机取景的有效范围为15m，拍摄频率为50HZ；采用kwon3d三维分析系统进行数字化处理。数据平滑采用低通滤波方法，截断频率为6HZ。
3.结果与分析
3.1 不同时相下肢各关节角度的变化。图1所示的是蹬伸过程中髋、膝、踝关节角度随时间变化曲线。
从蹬冰腿踝关节的角度变化看，自单支撑蹬冰开始时相就逐渐减小，在相当于整个单步的75%（其中左右单步的缓冲时值分别为：0.32s±0.05和0.34s±0.08）处达到缓冲最小值，此时左右踝角分别为70.8°±9.17和73.9°±8.52，而后转为迅速伸展，在蹬冰结束时相分别达到107.7°±7.50和110.0°±912。从左右踝关节的缓冲幅度上看，左侧（-19.5°±6.93）大于右侧（-14.0°±6.67），但是在此后的蹬伸幅度上两侧却近乎相同（左右踝分别为35.4°±10.24和36.2°±11.81）。它说明在左右腿踝关节缓冲节律相同的条件下，蹬伸技术上的细小差异体现在踝的缓冲，而不是伸展幅度上。由于踝关节的缓冲幅度与运动成绩密切相关（r=0.66，p＜0.05）。因此，可以认为踝背屈幅度指标是评价clap式冰刀蹬冰技术效果的重要参数之一。
以往的研究表明［6］“蹬伸开始时膝关节角度小”是优秀速滑运动员的重要特征。本次测试结果支持这一结论。着冰的初始膝角左右腿分别为94.3°±10.48和91.1°±5.70，而后波动式增大，在双支撑蹬冰结束时相达到最大值，并且左右单步中膝角的最大值具有均衡性（154.1°±5.95；155.1°±7.65）。从蹬伸结束瞬间膝关节的伸展程度上看，并未达到充分伸直的状态。
从髋关节的角度变化上看，蹬伸动作初期左右髋角分别为49.5°±6.40和49.1°±9.07，而后持续增大，至蹬冰结束瞬间可达109.3°±11.81和112.2°±12.69，蹬伸幅度在下肢各关节中最大。由于两侧髋关节在单支撑与双支撑阶段的伸展幅度之比（1:2）近似相同，提示出左右腿髋关节蹬伸技术具有趋同性。
3.2 蹬冰腿各关节点的动态变化。图2是由上式（1）～（6）把实测的θ1、θ2和θ3值代入后所得的用百分比表示的踝、膝、髋关节点的动态变化。
从踝关节点的坐标位置变化来看，两踝在相当于蹬伸的80%阶段内几乎没有发生明显变化；踝关节点的显著变化发生在80%～100%阶段内，表现为足的趾屈和踝关节的跖屈现象，从而引起踝关节点坐标位置的变化，在蹬伸结束时相左踝为（-0.11m；0.10m），右踝为（-0.10m；0.11m）。这种现象揭示出，踝关节从开始至80%阶段是以缓慢背屈的方式完成稳定的支撑，目的是为上位环节的主动蹬伸提供保障，也为随后的快速蹬伸积聚能量，它符合关节活动的顺序性原则。即肌肉力矩大的关节运动形式先于肌肉力矩小的运动形式产生运动［7］；而在80%阶段以后特别是从90%～100%阶段内，踝关节由背屈转为跖屈，从而完成下肢各关节由上至下的顺序发力程序。
膝关节点在蹬伸过程中均存在明显的前下方弧形轨迹，并且前倾下压的位移幅度右膝有别于左膝。比较膝关节点的坐标位置变化看出，从开始至60%阶段，左右膝关节点的运动轨迹趋于一致；但在60%～100%阶段内表现出明显的差异性，其中左膝关节点的坐标位置几乎没有发生明显的改变；而右膝关节点的坐标位置却随着蹬伸动作的延续进一步前倾下压。由于外侧（右腿）肢体的运动幅度和作用时间明显大于内侧（左腿），因此“伸膝压踝”技术的作用效果更为明显。正是由于左右腿蹬伸方式上的不同，决定了在蹬冰过程中重心沿切线方向上前移程度间的差异。
髋关节点在整个蹬伸阶段左右侧的变化近乎相同，仅在蹬伸结束阶段（90%～100%）前移程度更为突出，并且右侧肢体大于左侧。
3.3 重心滑角及其变化。图3为蹬冰过程中支撑腿踝关节点与身体重心点在水平面（X-Y）上的投影夹角及其变化幅度。我们将该夹角定义为“重心滑角”；而将重心相对于支撑腿踝关节点的长度定义为“蹬伸半径”。它们反映出蹬伸过程中支点与重心之间位置关系的动态变化特点。
从左右单步中重心滑角和蹬伸半径的变化特点可以看出：在右单步中，重心滑角除了在蹬伸开始初期（0%）处于82.5°±18.70度以外，随着蹬伸时间的延续，重心滑角渐渐减小，在80%阶段附近出现最小值（34.6°±18.62），而后（80%～100%）重心滑角再度增大（55.2°±22.36）；就蹬伸半径而言，在60%处以前移动幅度变化不大（18cm±0.09～23cm±0.10），大幅度前移出现在80%阶段以后，从80%～100%阶段前移幅度的绝对量分别为46cm±0.12和54cm±0.13，是60%阶段以前移动幅度值的1倍以上。在蹬伸结束阶段由于重心滑角的再度增大，尽管蹬伸半径达到最大值，但移动方向却更倾向于法向。但值得注意的是左单步与右单步表现出明显的不同，从开始至60%阶段以前重心滑角大于90°，并且重心点始终位于支点的侧后方，蹬伸初期（0%）重心滑角为113.5°±25.06，随着蹬伸动作的延续，重心滑角逐渐减小但蹬伸半径却逐渐增大。重心滑角的最小值出现在80%阶段处（61.0°±26.70），而蹬伸半径的最大值出现在蹬伸结束阶段（62cm±0.08）。比较本次测试中左右单步的重心滑角和蹬伸半径及重心点移动轨迹发现，由于蹬伸的初始和结束条件及蹬伸技术上的差异所致，在右单步中重心的移动方向更倾向于侧前方（切向），而在左单步中重心的移动方向则更倾向于侧面（法向）。就蹬伸的初始条件而言，左单步具有重心的后坐性，体重控制在支撑冰刀的中后部；而右单步在蹬伸的初期重心处于支撑点的正侧方。产生上述蹬伸初始条件差异的原因与异侧腿蹬伸的结束条件密切相关。这是弯道蹬冰技术的正确反映。如果假设重心的移动方向与现实情况相反的话，一方面由于左单步中重心的大幅前移将导致滑行的直线性加强，不利于弯道中向心力的获得；另一方面在右单步中如果重心大幅度侧移，将使下肢关节的蹬伸距离减小、缩短蹬冰时间，从而影响滑步长度与滑步宽度之间的比例，改变固有的动作结构。从上述意义上讲，支点与重心之间位置关系的动态变化特点，对人们进一步认识弯道滑行中重心加速机制的适用条件和左右腿关节蹬伸技术原理具有重要的借鉴意义。同时也提示出对产生上述差异因素及其条件的研究是今后应加强的课题。
4.结论
4.1 从开始蹬冰至80%阶段，踝关节以提供稳定的支撑作用为主，仅在80%阶段以后特别是从90%～100%阶段内完成动力蹬伸。
4.2 从膝关节点的运动轨迹看，与左侧肢体相比右侧肢体的前倾下压动作更为突出，正是由于左右腿蹬伸方式上的不同，决定了在蹬冰过程中重心沿切线方向上前移程度之间的差异。
4.3 比较本次测试中左右单步的重心滑角和蹬伸半径及重心点移动轨迹发现，由于蹬伸的初始和结束条件及蹬伸技术上的差异所致，在右单步中重心的移动方向更倾向于侧前方（切向），而在左单步中重心的移动方向则更倾向于侧面（法向）。
参考文献
［1］ Van Ingen schenau,G.J,De Groot,G,Scheurs,A.W.,et al.A new skate allowing powerful plantar flexions improves.performance［J］.Sports.Exerc.1996;28:531～535
［2］ Van Ingen schenau,G.J,De Groot,G,De Boer,R.W.,et al.The control of speed in elite female speed skaters［J］.Biomech.1985;18:91～96
［3］ 陈民盛、覃晓红、刘波.关于速滑蹬冰中伸膝压踝技术的研究［J］.体育科学.2002;22(6):124～126,139
［4］ 陈民盛、覃晓红.从对蹬冰加速理论的质疑点看克莱普冰刀的设计构想［J］.天津体育学院学报.2003;18(2):30～32
［5］ 陈民盛,张云,覃晓红.Clap冰刀蹬冰技术动作原理的探讨［J］.中国体育科技.2003;39(10):26～28
［6］ Van Ingen Schenau,G,J.A power balance applied to speed skating.Amsterdam,Rodopi,1981
［7］ 刘卉.上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究［D］.北京体育大学博士学位论文，2002
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：伸膝压踝 重心滑角 蹬伸半径 前倾下压
【中图分类号】G40-05【文献标识码】B【文章编号】1009-9646(2009)02-0120-03
1.引言
在国际速度滑冰界，clap式冰刀的使用开创了一个新的纪元。这种新型冰刀的主要特点是在足底轴承部分鞋和刀刃之间安装了一个铰链装置，通过铰链装置允许足在蹬冰结束时刻趾屈，以保证整个刀刃与冰面全接触［1］。研究表明［2］：由于缺少了有力的足趾屈作用，不仅限制了踝关节的跖屈范围，而且对蹬冰阶段膝关节的充分伸展有影响。速滑蹬冰技术的难点在于把侧向蹬伸的动量转化成向前的速度。在传统冰刀技术中由于强而有力的趾屈作用需要被抑制，目的是阻止刀刃前端擦刮冰，引起对冰的摩擦力损失及对身体平衡的影响。再加之躯干和足在蹬冰过程中转动的缺乏，导致速滑蹬冰动作主要是通过大小腿的转动产生的蹬伸。这就意味着对于传统滑冰中合理的蹬冰技术，蹬伸主要是由膝关节的伸展所引起。尽管运动员改用clap式冰刀后已经有了很大的改观，clap式冰刀的益处不容质疑，但是有关clap式冰刀技术下肢关节蹬伸特点和机制的数据却很少，虽然我们在“关于速滑蹬冰中伸膝压踝技术的研究”［3］中对运用clap式冰刀下肢关节蹬伸的特点进行了探讨，但也仅对直道中髋、膝关节点相对于踝关节点的变化进行了分析，却缺乏以转动中心为支点（铰链装置）的下肢关节的相对运动研究。而clap式冰刀与传统冰刀在结构和功能上的主要区别在于：通过铰链装置当身体重心前移，踝关节作跖屈动作时，冰刀仍能保持全刃支撑侧向蹬冰，从而解决了侧蹬冰过程中重心无法沿切向移动的技术不足［4］；通过改善踝关节的灵活性来达到增大下肢各关节协调作用的目的［5］。因此，建立以冰刀铰链为转动原点的下肢关节点蹬伸模型，对揭示clap式冰刀下肢关节蹬伸机制，具有重要的借鉴意义。
2.研究对象与方法
2.1 研究对象。本研究选择参加2007年第六届亚冬会女子1000m比赛的前12名速滑运动员为研究对象。
2.2 研究方法。按照kwon3d三维分析系统的拍摄要求，首先在运动员完成动作范围内的冰面跑道上均匀摆放6根标志杆，每根标志杆选取4个点共计24个点作为基准点，采用经纬仪来测定标志杆上基准点的水平角和垂直角，以此实现空间坐标的定位与转换。
采用4台数码摄像机，从弯道的内侧面，定点拍摄了运动员弯道蹬冰技术动作的一个完整复步动作。摄像机取景的有效范围为15m，拍摄频率为50HZ；采用kwon3d三维分析系统进行数字化处理。数据平滑采用低通滤波方法，截断频率为6HZ。
3.结果与分析
3.1 不同时相下肢各关节角度的变化。图1所示的是蹬伸过程中髋、膝、踝关节角度随时间变化曲线。
从蹬冰腿踝关节的角度变化看，自单支撑蹬冰开始时相就逐渐减小，在相当于整个单步的75%（其中左右单步的缓冲时值分别为：0.32s±0.05和0.34s±0.08）处达到缓冲最小值，此时左右踝角分别为70.8°±9.17和73.9°±8.52，而后转为迅速伸展，在蹬冰结束时相分别达到107.7°±7.50和110.0°±912。从左右踝关节的缓冲幅度上看，左侧（-19.5°±6.93）大于右侧（-14.0°±6.67），但是在此后的蹬伸幅度上两侧却近乎相同（左右踝分别为35.4°±10.24和36.2°±11.81）。它说明在左右腿踝关节缓冲节律相同的条件下，蹬伸技术上的细小差异体现在踝的缓冲，而不是伸展幅度上。由于踝关节的缓冲幅度与运动成绩密切相关（r=0.66，p＜0.05）。因此，可以认为踝背屈幅度指标是评价clap式冰刀蹬冰技术效果的重要参数之一。
以往的研究表明［6］“蹬伸开始时膝关节角度小”是优秀速滑运动员的重要特征。本次测试结果支持这一结论。着冰的初始膝角左右腿分别为94.3°±10.48和91.1°±5.70，而后波动式增大，在双支撑蹬冰结束时相达到最大值，并且左右单步中膝角的最大值具有均衡性（154.1°±5.95；155.1°±7.65）。从蹬伸结束瞬间膝关节的伸展程度上看，并未达到充分伸直的状态。
从髋关节的角度变化上看，蹬伸动作初期左右髋角分别为49.5°±6.40和49.1°±9.07，而后持续增大，至蹬冰结束瞬间可达109.3°±11.81和112.2°±12.69，蹬伸幅度在下肢各关节中最大。由于两侧髋关节在单支撑与双支撑阶段的伸展幅度之比（1:2）近似相同，提示出左右腿髋关节蹬伸技术具有趋同性。
3.2 蹬冰腿各关节点的动态变化。图2是由上式（1）～（6）把实测的θ1、θ2和θ3值代入后所得的用百分比表示的踝、膝、髋关节点的动态变化。
从踝关节点的坐标位置变化来看，两踝在相当于蹬伸的80%阶段内几乎没有发生明显变化；踝关节点的显著变化发生在80%～100%阶段内，表现为足的趾屈和踝关节的跖屈现象，从而引起踝关节点坐标位置的变化，在蹬伸结束时相左踝为（-0.11m；0.10m），右踝为（-0.10m；0.11m）。这种现象揭示出，踝关节从开始至80%阶段是以缓慢背屈的方式完成稳定的支撑，目的是为上位环节的主动蹬伸提供保障，也为随后的快速蹬伸积聚能量，它符合关节活动的顺序性原则。即肌肉力矩大的关节运动形式先于肌肉力矩小的运动形式产生运动［7］；而在80%阶段以后特别是从90%～100%阶段内，踝关节由背屈转为跖屈，从而完成下肢各关节由上至下的顺序发力程序。
膝关节点在蹬伸过程中均存在明显的前下方弧形轨迹，并且前倾下压的位移幅度右膝有别于左膝。比较膝关节点的坐标位置变化看出，从开始至60%阶段，左右膝关节点的运动轨迹趋于一致；但在60%～100%阶段内表现出明显的差异性，其中左膝关节点的坐标位置几乎没有发生明显的改变；而右膝关节点的坐标位置却随着蹬伸动作的延续进一步前倾下压。由于外侧（右腿）肢体的运动幅度和作用时间明显大于内侧（左腿），因此“伸膝压踝”技术的作用效果更为明显。正是由于左右腿蹬伸方式上的不同，决定了在蹬冰过程中重心沿切线方向上前移程度间的差异。
髋关节点在整个蹬伸阶段左右侧的变化近乎相同，仅在蹬伸结束阶段（90%～100%）前移程度更为突出，并且右侧肢体大于左侧。
3.3 重心滑角及其变化。图3为蹬冰过程中支撑腿踝关节点与身体重心点在水平面（X-Y）上的投影夹角及其变化幅度。我们将该夹角定义为“重心滑角”；而将重心相对于支撑腿踝关节点的长度定义为“蹬伸半径”。它们反映出蹬伸过程中支点与重心之间位置关系的动态变化特点。
从左右单步中重心滑角和蹬伸半径的变化特点可以看出：在右单步中，重心滑角除了在蹬伸开始初期（0%）处于82.5°±18.70度以外，随着蹬伸时间的延续，重心滑角渐渐减小，在80%阶段附近出现最小值（34.6°±18.62），而后（80%～100%）重心滑角再度增大（55.2°±22.36）；就蹬伸半径而言，在60%处以前移动幅度变化不大（18cm±0.09～23cm±0.10），大幅度前移出现在80%阶段以后，从80%～100%阶段前移幅度的绝对量分别为46cm±0.12和54cm±0.13，是60%阶段以前移动幅度值的1倍以上。在蹬伸结束阶段由于重心滑角的再度增大，尽管蹬伸半径达到最大值，但移动方向却更倾向于法向。但值得注意的是左单步与右单步表现出明显的不同，从开始至60%阶段以前重心滑角大于90°，并且重心点始终位于支点的侧后方，蹬伸初期（0%）重心滑角为113.5°±25.06，随着蹬伸动作的延续，重心滑角逐渐减小但蹬伸半径却逐渐增大。重心滑角的最小值出现在80%阶段处（61.0°±26.70），而蹬伸半径的最大值出现在蹬伸结束阶段（62cm±0.08）。比较本次测试中左右单步的重心滑角和蹬伸半径及重心点移动轨迹发现，由于蹬伸的初始和结束条件及蹬伸技术上的差异所致，在右单步中重心的移动方向更倾向于侧前方（切向），而在左单步中重心的移动方向则更倾向于侧面（法向）。就蹬伸的初始条件而言，左单步具有重心的后坐性，体重控制在支撑冰刀的中后部；而右单步在蹬伸的初期重心处于支撑点的正侧方。产生上述蹬伸初始条件差异的原因与异侧腿蹬伸的结束条件密切相关。这是弯道蹬冰技术的正确反映。如果假设重心的移动方向与现实情况相反的话，一方面由于左单步中重心的大幅前移将导致滑行的直线性加强，不利于弯道中向心力的获得；另一方面在右单步中如果重心大幅度侧移，将使下肢关节的蹬伸距离减小、缩短蹬冰时间，从而影响滑步长度与滑步宽度之间的比例，改变固有的动作结构。从上述意义上讲，支点与重心之间位置关系的动态变化特点，对人们进一步认识弯道滑行中重心加速机制的适用条件和左右腿关节蹬伸技术原理具有重要的借鉴意义。同时也提示出对产生上述差异因素及其条件的研究是今后应加强的课题。
4.结论
4.1 从开始蹬冰至80%阶段，踝关节以提供稳定的支撑作用为主，仅在80%阶段以后特别是从90%～100%阶段内完成动力蹬伸。
4.2 从膝关节点的运动轨迹看，与左侧肢体相比右侧肢体的前倾下压动作更为突出，正是由于左右腿蹬伸方式上的不同，决定了在蹬冰过程中重心沿切线方向上前移程度之间的差异。
4.3 比较本次测试中左右单步的重心滑角和蹬伸半径及重心点移动轨迹发现，由于蹬伸的初始和结束条件及蹬伸技术上的差异所致，在右单步中重心的移动方向更倾向于侧前方（切向），而在左单步中重心的移动方向则更倾向于侧面（法向）。
参考文献
［1］ Van Ingen schenau,G.J,De Groot,G,Scheurs,A.W.,et al.A new skate allowing powerful plantar flexions improves.performance［J］.Sports.Exerc.1996;28:531～535
［2］ Van Ingen schenau,G.J,De Groot,G,De Boer,R.W.,et al.The control of speed in elite female speed skaters［J］.Biomech.1985;18:91～96
［3］ 陈民盛、覃晓红、刘波.关于速滑蹬冰中伸膝压踝技术的研究［J］.体育科学.2002;22(6):124～126,139
［4］ 陈民盛、覃晓红.从对蹬冰加速理论的质疑点看克莱普冰刀的设计构想［J］.天津体育学院学报.2003;18(2):30～32
［5］ 陈民盛,张云,覃晓红.Clap冰刀蹬冰技术动作原理的探讨［J］.中国体育科技.2003;39(10):26～28
［6］ Van Ingen Schenau,G,J.A power balance applied to speed skating.Amsterdam,Rodopi,1981
［7］ 刘卉.上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究［D］.北京体育大学博士学位论文，2002
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文