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运动中的生物力学分析 运动中的生物力学分析 授课时间 2007 年 6 月 19 日 9:3012:00 授课地点：南加利福尼亚大学 授课专家 Guillermo J.Noffal 博士,CSCS Guillermo J.Noffal 博士在进行生物力学分析的演示 一、生物力学分析（一）生物力学分析的几个问题（一）生物力学分析的几个问题 1、室内拍摄分析和室外拍摄分析的比较 室外：优点是拍摄得到的图象是在自然状况下进行的运动，所以动作分析的结果更为可靠。缺点是必须手工对拍摄数据进行处理，工作量很大。例如网球发球进行拍摄和分析，需要 4 个摄像机，拍摄频率为 250hz，速度为 250 帧/秒，如果人工点点和处理，数据非常庞大，工作量也非常庞大。室内：优点是可以控制摄像的环境及运动员动作。2、摄像机数量 完全取决于运动的本身。动作旋转（内旋、外旋）越多，则需要越多的摄像机。3、摄像速度 1 取决于所拍摄的动作的速度。动作速度越快，则需要拍摄速度越快的摄像机。例如网球发球速度很快，就需要高速摄像机。4、标记 在室内拍摄时，可以采用主动的拍摄标记；而在室外拍摄时，则只能采用被动的拍摄标记。5、技术动作的运动学分析-kinematics 技术动作的角度和速度分析。6、技术动作的动力学分析-kinetics 技术动作的力量分析。为什么说动力学重要性呢？一个重要的原因是，如果我们通过动力学分析知道各个关节在运动中的力量大小，我们就可以判断机体是否能够承受这样的力量负荷。还可以了解不同的动作对不同的关节产生的不同影响。（二）室内生物力学分析的研究与应用（二）室内生物力学分析的研究与应用 1、核心力量训练对投球速度的影响 实践中理疗师发现许多年轻运动员试图通过发展上肢力量而不是核心力量来提高投球的速度，结果导致肩关节受伤。Guillermo 教授研制出一种特殊的装置，能够将肘关节固定住。将运动员肘关节固定住后，进行投球练习。一开始运动员扔出去的球几乎都是垂直掉在地板上，没有速度。经过 4-6 周的训练，投球速度明显增加。理疗师发现经过训练后，这些伤病运动员能够更好地控制和使用躯干和下肢的力量。所以，核心力量训练可以提高投球的速度。另一项研究中，研究对象为 16 名大学的棒球运动员，采用 8 台摄像机进行拍摄和分析。经过 4 周核心力量训练后，运动员前后投球速度发生显著变化，由 76.3 英里/小时上升到 78.9 英里/小时。投球速度增加并非躯干转体速度增加所致，而有可能是下肢力量的使用或者投球点掌握得更好。2、其他一些研究内容 包括对一些运动器械有效性的评价和研究，例如利用二维技术和三维技术分析结合肌电分析（EMG）对跑步机跑步性能的分析研究。研究表明第一代的跑步机与行走时各关节点的轨迹有较大的差异。这些研究为改进健身器材的设计提供了依据。2 改进前设备 改进以后的设备（三）室外生物力学分析的研究与应用 （三）室外生物力学分析的研究与应用 如棒球击球角度如何决定球出去角度的研究，投球手投球时肘关节的受力分析，投球手投球出手时手的动作分析，网球发球时肩关节和肘关节的受力分析等等。二、肩关节周运动的研究 肌肉在收缩（向心收缩）时会产生力量，在拉伸（离心收缩）时同样会产生力量，而且拉伸（离心收缩）时产生的力量往往大于收缩时产生的力量。但是离心收缩时引起的肌肉酸疼是这种收缩方式最不利的地方。人体在做减速的时候，经常在进行离心收缩，如跑动中脚着地的时候，就是通过腓肠肌离心收缩来减速的。发球、投球、击球都需要肩关节快速内旋内收，肩关节周围许多大肌肉来支持这些动作。投球、击球之后，肩关节许多肌肉需要做离心收缩来降低上肢速度，比如肩袖内两块负责外旋外收肌肉作离心收缩来减速。Sits：肩袖周围相关 4 块肌肉，it 负责内收外旋减速，ss 负责内收内旋加速。肩关节运动特征 肩关节运动特征 在做击球、投球等练习时，需要了解负责这些动作的肌肉运动的特征。通过生物力学分析，我们可以测量运动中所需的速度。在掌握运动中的速度后，就可以针对速度需求来设计训练计划来帮助运动员进行训练。设计的计划必须与实际动作很接近，并以接近的速度来训练。3 常见动作中上肢外旋的角度 外旋角度 外旋角度 动作 动作 50 网球发球(Kibler&Chandler,1994)60 网球发球(Noffal et al.,1995)74 四分卫大力传球(Rash&Shapiro,1995)75 棒球投球(Fleisig et al.,1995)80 棒球投球(Feltner&Dapena,1986)常见动作中上肢内旋的角度范围 角度范围 角度范围 动作 动作 120-180 棒球投球(Lee,1995)80 网球发球(Kibler&Chandler,1994)75 网球发球(Noffal et al.,1995)内旋收缩的速度非常快，因此其收缩所用时间也非常快，如投手投球动作内旋收缩只需 30 毫秒(Dillman et al.,1993)，网球发球内旋收缩只需 51 毫秒(Noffal et al.,1995)。虽然网球运动员发球、棒球投手投球、橄榄球四分卫传球和水球运动员罚球时肩关节的外旋位置都相似，但是其内旋速度却是不同的。网球运动员发球时肩关节内旋速度大约 1700deg/s(Kibler&Chandler,1994;Noffal et al.,1995)，棒球投手投球时肩关节内旋速度为 4500-7500deg/s(Feltner&Dapena,1986;Dillman et al.,1993;Escamilla et al.,1994)，橄榄球四分卫传球时肩关节内旋速度约为 3000 deg/s(Rash&Shapiro,1995)。对球出手速度的相关影响因素 对球出手速度的相关影响因素 无论是投球、发球还是传球，在影响球出手角度的相关因素中，肩关节的内旋贡献最大。另外，蹬腿用力、躯干的弯曲、手腕的弯曲、肩关节在水平方向的内收，以及肩关节的伸展对球拍位置的保持，都会影响球的出手速度。肩关节肌肉力量发展 肩关节肌肉力量发展 投球、发球、传球时肩关节并非独立工作，动作的完成还要依赖肱骨和肩袖等各个部位的协调工作。要达到完成动作的最后位置，肱骨必须进行旋转，而肱骨的旋转必须要有肩袖及相关肌肉和韧带的参与，必须重视肩关节周围相关肌肉力量的发展。肩关节内收肌和外展肌力量的平衡非常重要。内收肌和外展肌力量保持怎样的一个比例才能健康平衡的发展呢？4 可以利用 Cybex、Biodex、KinCom 等设备通过等动练习来测量肩关节肌肉内收和外展的力量。关于肩关节内收和外展肌力量的平衡，Guillermo 做了以下相关研究 关于肩关节内收和外展肌力量的平衡，Guillermo 做了以下相关研究 研究目的：投球、发球时内收是胸大肌等肌肉作向心收缩加速，出手后肩袖相关肌肉作离心减速收缩，利用 Biodex 测力系统，测量向心收缩和离心收缩力量的大小。向心收缩研究对象：250 名大学生，包括男、女，棒球和垒球运动员。离心收缩研究对象：89 名健康男性和女性。研究结果显示不论是普通人群还是棒球垒球运动员，离心力/向心力的比值均大于 1，说明离心收缩力量均大于向心收缩力量。而普通人群和运动员的离心收缩力量并没有明显的差别。说明普通人群与运动员力量不平衡来自于向心收缩肌肉力量的差异。力量的不平衡 力量的不平衡 一开始人为离心收缩肌肉比较弱，实际上离心肌肉产生的力量是差不多。肌肉力量的不平衡，源自于向心肌肉力量不平衡。向心肌肉力量训练多，而忽视了离心肌肉的训练。肩关节肌肉疲劳的研究 肩关节肌肉疲劳的研究 研究发现，肌肉做离心收缩疲劳更快，如果离心收缩疲劳很快，导致肩关节不稳定，且离心收缩肌肉很容易产生酸疼感。郑伟涛、刘勇等观看 Guillermo J.Noffal 博士演示 记录人：刘勇、郑伟涛 5