不同运动表面跑步对人体下肢运动学特征的影响

【作者】 韩锐； 易名农； 赵典；

【机构】 武汉体育学院； 国家体育总局体育工程重点实验室； 湖北省运动装备工程技术研究中心； 武汉体育学院研究生院；

【摘要】 研究目的:本研究目的在于通过Wave Track惯性测量单元(意大利Cometa公司)在真实运动场景下重复采集不同地面(跑步机、水泥路面、人造草地、塑胶跑道)和不同跑速(8km/h、12km/h、14km/h)下人体下肢三维运动学数据。通过分析和讨论,揭示在不同运动表面跑步过程中下肢关节活动特点和跑步姿态变化规律。从运动生物力学角度全面评价不同运动表面的差异,便于跑步爱好者更直观的了解在不同场地跑步的姿态特征,期望以新的角度为跑步运动提供科学与合理的参考建议,增强跑步训练与健身效果的同时减少或避免运动损伤的产生。研究方法:本研究共招募普通在校男性大学生20名,用惯性测量单元(Wave Track,200Hz)采集受试者在水泥路面、塑胶跑道、人造草地、跑步机四种不同的运动表面以慢速(8km/h)、常速(12km/h)、快速(14km/h)速度跑步过程中的下肢运动学数据。用节拍器来控制不同运动表面的跑步速度。选用EMG and Motion Tools software软件处理和获取跑步时的髋关节、膝关节和踝关节的三维关节角度。采用SPSS 20.0统计软件进行统计学分析,全部数据以平均数和标准差表现。采用单因素方差分析受试者髋关节、膝关节、踝关节的三维角度进行统计学分析,用LSD检验实现不同运动表面的多重比较,显著性水平确定为P<0.05。研究结果:1)触地时刻。在矢状面下,路面上跑步髋关节屈曲有增大的变化趋势而跑步机为常速增大快速则相反。跑步机的膝关节的屈曲角度在三个速度下均小于路面,膝关节三种跑速下跑步机与三种地面之间均存在显著性差异(P<0.05)。在慢速与常速时三种地面踝关节背屈与跑步机间均有显著性差异(P<0.05)。在冠状面下,随着跑速的增加,髋关节的内翻较小。跑步机的髋关节内翻角度大于路面且塑胶跑道与跑步机在慢速与快速时髋关节间存在显著性差异(P<0.05)。随着跑速增加,踝关节外翻角度差异不大但总体呈增加趋势。在快速时跑步机与水泥路面的踝关节外翻角度存在显著性差异(P<0.05)。在水平面下,髋关节外旋在四种表面随跑速增加而增加。在路面随着运动表面的硬度增加髋关节外旋角度减小。常速时,人造草地与跑步机髋关节外旋角度存在显著差异(P<0.05)。跑步机的踝关节外旋角度小于路面,在慢速时慢速下塑胶跑道与跑步机踝关节外旋角度存在显著性差异(P<0.05)。从整体上看,总体支撑期踝关节外翻幅度的平均值随着配速的加快呈现出增大的趋势。2)支撑期三维角度峰值。在水泥路面、塑胶跑道、人造草地三种地面跑步时在矢状面、冠状面、水平面上,支撑期髋、膝、踝关节的三维峰值角度在慢速、常速、快速下均无显著性差异。在慢速、常速、快速三种跑速下跑步机与三种路面的膝关节屈曲角度都存在显著性差异(P<0.05),跑步机的膝关节的屈曲峰值角度明显小于路面。髋关节最屈曲与踝关节跖屈峰值角度随着配速的加快而逐步增大,除跑步机外,在其它三种运动表面髋关节内收角,髋关节内旋角随速度增加而增大。跑步机的髋关节屈角的峰值三种速度下都大于路面。3)支撑期下肢三维关节活动幅度。在矢状面四种运动表面的髋关节活动幅度间无显著性差异,跑步机的膝关节活动幅度与水泥路面、塑胶跑道、人造草地间在慢速、常速、快速下均有显著性差异(P<0.05),跑步机的膝关节活动幅度明显小于三种地面。受试者在快速跑步时水泥路面与人造草地,塑胶跑道与跑步机的踝关节活动幅度有显著性差异(P<0.05)。随着跑步速度的增加,除跑步机髋关节活动范围呈现常速减少快速增加外,其它三种地面关节活动幅度随速度增加而增大。在冠状面跑步机与三种地面慢速时的膝关节在冠状面运动幅度均有显著性差异(P<0.05),跑步机的膝关节内收外展幅度明显小于地面。水泥路面与人造草地的膝关节内收外展幅度在慢速时间也存在着显著性差异,图表显示,三种速度均反映出随着地面硬度越大膝关节在冠状面的活动幅度越大。在快速跑动时,跑步机的踝关节活动角度大于三种地面,且与塑胶跑道与人造草地分别存在显著性差异(P<0.05)。研究结论:1)运动表面冲击吸收指数为:水泥地面<塑胶跑道<人造草<跑步机,与之对应的运动表面的维氏硬度则为:水泥地面>塑胶跑道>人造草>跑步机。2)跑步机跑步和地面跑步在关节角度存在明显差异。相对于在地面上跑步,在三种速度下膝关节屈曲和踝关节背屈幅度均小于地面,故跑步机跑步更省力且能减给膝关节减轻一定的压力。3)在快速时跑步机踝关节的外翻高于地面。说明达到一定速度时,在跑步机跑步时踝关节的稳定性比地面差,故如果长时间在跑步机跑步应注意避免对踝关节带来的损伤。4)不同运动表面对人体运动状态的影响有一定的差别,所以如果跑步量大且有长期跑步习惯,建议选择在跑步机和硬度较小的路面上奔跑。更多还原