3-5岁幼儿纵跳动作的生物力学研究

【作者】 李嘉慧； 赵盼超； 文蕊香； 纪仲秋；

【机构】 北京师范大学；

【摘要】 研究目的:学龄前期是幼儿基本动作形成发展的关键时期,这一阶段的动作发展水平将会影响他们日后的健康生活水平,关乎个体全面发展的质量。儿童在学龄前期就应该掌握一些基本运动技能,低水平的基本运动技能能力阻碍了日后积极锻炼的生活方式,同时也会影响他们的认知和社会性发展。纵跳动作属于3-6岁幼儿在日常活动中最常用和喜欢的运动方式之一,但其也是不易掌握的一项运动技能,同时该动作还被用于评价儿童粗大动作发展水平,因而幼儿纵跳动作发展十分重要。目前国内对幼儿纵跳的研究相对较少,且以定性研究为主,不能准确评估该技能的发展过程,国外则更多选用运动生物力学研究方法,进行定量分析,分析其表面特征,但并没有深入内部研究分析动作完成过程中的肌肉用力情况。随着科技的发展,人体建模与仿真技术在运动生物力学研究中被广泛应用,用以分析关节肌肉的用力情况。本文采用运动生物力学研究方法采集并分析3-5岁幼儿纵跳动作的运动学、动力学数据,同时进行仿真建模,分析其下肢关节角度、角速度、地面反作用力峰值以及肌肉力量特征,探讨纵跳动作的年龄差异性,旨在了解3-5岁幼儿纵跳动作的发展特征,为幼儿园教师及家长指导幼儿合理运动提供理论依据。研究方法:随机选取北京市某幼儿园51名3-5岁幼儿进行纵跳动作测试,将他们按照年龄分为3组。使用红外三维动作捕捉系统采集运动学数据,将将红外反光点(Marker)贴在身体上,本文采用Any BodyProtocol模型,将Marker点贴在头部、躯干部、髋关节、膝关节、踝关节的关节处,以及大腿、小腿和足环节处;通过Kistler三维测力台采集动力学数据,原始数据采用低通滤波法,取40Hz频率进行平滑,X、Y、Z分别代表前后方向、垂直方向和左右方向;采用AnyBody7.1.2进行逆向动力学计算,首先将采集到的红外数据以C3D格式导出,之后将C3D文件导入到Input文件中,更改C3D文件名。在Any Body仿真软件的Standing Model这一文件中修改人体个性化参数,建立每个受试者的个性化模型。在此之后进行运动与参数的优化运算,使C3D文件中的点与模型中的标识点进行拟合,最后进行逆向动力学仿真运算,得到下肢肌肉力指标。研究结果:1)3-5岁幼儿纵跳动作的整体特征:纵跳高度随年龄逐年增高,5岁组纵跳高度非常显著大于3岁组(P<0.01)和4岁组(P<0.01),4岁组显著大于3岁组(P<0.05)。2)3-5岁幼儿纵跳动作的阶段特征:(1)下蹲阶段:3岁组下蹲时间显著长于5岁组(P<0.05)。(2)蹬伸阶段:蹬伸时三个年龄组膝关节屈曲角度3岁组大于4岁组大于5岁组,最大垂直地面反作用力4岁组大于5岁组大于3岁组;起跳时髋关节最大角速度5岁组非常显著大于3岁组(P<0.01),膝关节最大角速度5岁组显著大于3岁组(P<0.05),踝关节则是5岁组非常显著大于3岁组(P<0.01),5岁组显著大于4岁组(P<0.05);蹬伸时肌肉用力,比目鱼肌外侧头,是5岁组非常显著小于4岁组(P<0.01),腓骨短肌和腓骨长肌,都是5岁组非常显著小于3岁组和4岁组(P<0.01),股外侧肌上束,是5岁组显著小于4岁组(P<0.05),臀大肌上束,是5岁组显著大于4岁组(P<0.05),臀大肌下束和梨状肌,都是3岁组非常显著小于4岁组和5岁组(P<0.01)。(3)腾空阶段:腾空时间随年龄逐年增长,5岁组显著大于3岁组和4岁组(P<0.05)。(4)落地阶段:4岁组膝关节落地缓冲角度非常显著大于3岁组(P<0.01);5岁组垂直地面反作用力、前后地面反作用力非常显著大于3岁组(P<0.01)和4岁组(P<0.01),5岁组左右地面反作用力显著大于3岁组(P<0.05);落地时肌肉用力,比目鱼肌外侧头和腓骨短肌,都是4岁组显著大于3岁组(P<0.05),腓肠肌外侧头,是4岁组显著大于5岁组(P<0.05),腓骨长肌,是4岁组非常显著大于5岁组(P<0.01);股外侧肌上束,是4岁组非常显著大于3岁组和5岁组(P<0.01),臀中肌后束和闭孔内肌,都是5岁组显著大于4岁组(P<0.05),臀大肌上束,是5岁组非常显著大于4岁组(P<0.01),臀大肌下束和梨状肌,是5岁组显著大于3岁组(P<0.05)。研究结论:1)3-5岁幼儿纵跳高度受年龄因素的影响,随年龄逐年增高,5岁组膝关节蹬伸角度更加接近最佳起跳角度。2)膝关节的缓冲能力在3-4岁之间增长明显,同时还发现起跳时下肢三关节最大角速度具有顺序性,三个年龄组均是踝关节>膝关节>髋关节,髋关节最大角速度在3-4岁这一阶段增长明显,而膝关节和踝关节则在4-5岁这一阶段增长明显。3)落地缓冲阶段幼儿主要调整前后方向保持身体平衡,完成纵跳动作时主要发力肌肉是小腿三头肌、小腿外侧肌群、股四头肌、臀肌和大收肌。更多还原