第五章 运动生物力学应用2.doc

第四节 缓冲动作的生物力学原理（赵焕彬、王海涛）一、动作形式 延长力的作用时间以减小冲力作用，在运动技术中叫缓冲作用。以延长力的作用时间减小冲力作用为目的动作称为缓冲动作。例如，接高速来球，当手接球后屈肘回收，可延长手和球的作用时间，减小球对手的冲力作用，在篮球技术中要领称“迎、引、握”。又如各种落地的缓冲动作，一般要求前脚掌先着地，并迅速过度到全脚掌，同时拌有屈膝、屈髋和伸踝动作，以延长脚与地面相互作用的时间，进而减小冲力可能对人体造成的的伤害。上述动作是靠人体本身的动作来达到缓冲目的的，另外，还可以利用器械设备达到缓冲的目的。如撑竿跳高和跳高用的海绵垫、跳远的沙坑等，都是为了延长着地时力的作用时间以减小冲力。拳击运动员带的手套，可减缓击打时的冲击力值。从缓冲动作的目的分析，有些缓冲动作是作为动作的结束部分，掌握人体平衡是其主要任务，如体操、武术、技巧、舞蹈等结束部分的动作。另外，有相当一部分缓冲动作是为后续动作作准备，如跑及各种跃的缓冲动作只是整个支撑动作中的一步分。支撑腿落地一直到瞪离地面瞬间，一般经历3个阶段即落地、缓冲及蹬伸阶段。缓冲动作是落地的必然又为蹬伸做好准备，使下收各关节处于适宜的发力状态。短跑中蹬伸是产生水平加速度的重要要阶段，缓冲动作就要从这个前提出发而与之相适应，包括缓冲开始的落地方式，最大缓冲角以及在最大缓冲时人体重心与支撑点的互相联系。缓冲动作是体育技术动作的重要组成部分，很多项目中缓冲动作是不可或缺的。有些缓冲动作的作为技术动作的结果部分，但相当一部分缓冲动作是后继动作的准备。图1 落地缓冲动作(一)作为结果部分的缓冲动作这类缓冲动作作为体育动作的结果部分，掌握人体平衡是其主要任务。例如体操各种下法、跳高跳远的落地动作等，如图1。落地缓冲动作分为三种类型，即链型缓冲、弹性缓冲、刚性缓冲。链型缓冲：是指落地阶段前期和中期膝、踝、髋关节彻底放松屈曲，不产生内力，而在后期(各关节屈至极限) 承受冲击，肌肉进行向心收缩，肌肉受力小于肌肉收缩力。冲击力随时间变化曲线如图2a 所示。跳远的落地动作中链型缓冲的缓冲力发生在缓冲阶段后期，水平速度损失大，前冲力小，易出现后坐现象。弹性缓冲：是指落地阶段全过程髋、膝、踝关节肌肉保持一定的紧张程度，有一定内力。肌肉进行离心收缩，肌肉受力大于肌肉收缩力其屈曲过程象一根弹簧受冲击压缩过程。冲击力曲线如图2b 所示。弹性缓冲的缓冲力发生在缓冲阶段全过程，前冲力和后坐力适中。刚性缓冲：是指落地阶段前期各有关关节没有弯曲，肌肉最大限度压缩，人体如同刚体,肌肉进行等长收缩,肌肉受力等于肌肉收缩力。这种情况下，冲击发生在落地阶段前期，冲击力曲线如图2c 所示。刚性缓冲冲击力发生在缓冲阶段前期，垂直速度损失大，前冲力大，后坐力小，易出现前冲。冲击类型与落地前准备姿式有关，根据准备姿式选择缓冲类型既有利于提高成绩，又有利于防止落地受伤。a)链型缓冲b) 弹性缓冲c) 刚性缓冲图2 三种缓冲类型冲力曲线（二）作为中间环节的缓冲动作这类缓冲动作作为体育动作的中间环节，是后继动作的准备，如跑及各种跳跃的缓冲动作只是整个支撑动作中的一部分。支撑腿落地一直到离地瞬间，一般经历3个阶段，即落地、缓冲及蹬伸阶段。缓冲动作是落地的必然又为蹬伸做好准备，使下肢各关节处于适宜的发力状态。例如短跑，短跑中蹬伸是产生水平加速度的重要阶段，缓冲动作就要从这个前提出发而与之相适应，包括缓冲开始的落地方式，最大缓冲角以及在最大缓冲时人体重心与支撑点的互相联系。当重心投影点处于支撑点垂直时，膝关节及踝关节尚未达到最大缓冲，随后膝关节踝关节角度减少至最大缓冲阶段这就为蹬伸取得取得较小的后蹬角及肌肉发力有利获得最大的水平速度打下基础。在跳高起跳时，缓冲是为了蹬伸取得最大垂直速度及适宜的水平速度做准备的，屈膝角变化大（179-140，而短跑由153-135）。膝关节在人体重心与支撑点处在同一垂直面时就达到最大缓冲，随之肌肉爆发式用力，这就为获得最大垂直速度创造了条件。缓冲动作是支撑腿落地及蹬伸动作的中间环节，不同的落地角度及缓冲程度与蹬伸角决定着运动员的起跳时间与施力方向，从这个角度看，缓冲动作的好坏直接影响到完成动作的质量，如跳远，在同样助跑速度下，起跳脚前伸着地（与地面夹角小），跳脚缓冲小会导致制动力增大和作用力时间延长，使起跳时上体过分后仰，过早开始蹬伸使起跳后藤起角大，腾空过高，水平速度损失过大。相反，当起跳脚着地较近（与地面夹角大），缓冲过度时会导致蹬伸晚，较少了力的有效作用，会因腾空高度不够而大大缩短空中飞行距离，影响实际效果。二、力学原理人体的缓冲动作是为了减小冲击力对人体的损伤并保证动作的顺序完成，在人体外力的作用下，使伸展的各关节肌肉作离心收缩完成退让工作的动作形式。人体或环节的动量变化一定，关节肌肉作离心收缩延长力的作用时间，可减缓外力对人体或环节的作用，其理论基础就是动量定理。此外，人作为生物体具有其自身的生物特性，缓冲动作形式除了遵循物理学原理外还应遵循生物学原理，关节肌肉作退让性工作的特点可以说明缓冲动作原理。（一）缓冲动作的减小冲击力原理体育中很多需要减力的情况，如受冲拳打击的一方，就要减小力的大小，以减弱力的作用效果；腾空跳跃动作在落地时，要减小脚与地面的作用力，以减轻脚受地面的撞击，有效地保护运动员，防止受伤事故的发生。以武术运动中的腾空动作为例，经过助跑、踏跳到腾空，在落地前的一刻人体已经获得一定的速度，所以，对于落地动作，人体就有了初速度，动量，假如落地后人体运动的速度变为，就是由于人体与地面碰撞的结果，即受到地面对人体碰撞力的冲量。由此可知，运动物体动量的变化是由力的冲量作用的结果。物理学中又把反映这两个量在数量和方向关系上的客观规律，叫做动量定理。它指出，一个物体在时间t内的动量的改变量，等于作用在这个物体上的力的冲量。其数学表达式为而在落地缓冲时间内，人体所受的力主要有重力和地面支撑反作用力，并且两力的作用点均在落地脚上。如图5，作用于全身的力的大小随时间的变化曲线，脚与地面一接触，身体所受的冲击力在约0.086秒时间内达到高峰，随时间的加长与身体的缓冲作用，冲击力在持续约0.2秒后开始陡降，约0.27秒时，冲击力变为零。由图可知，人体所受的合外力。由动量定理可知，；对每个运动员的某次动作来说，动量的变化量是一定的。即一定，因此，运动员完成落地动作所需地面平均冲力的冲量也是一定。所以与成反比例关系，为了尽量减小地面对人体的平均冲力，防止伤害事故发生，就得尽可能设法延长人体与地面的落地接触时间。具体到动作上就是要屈膝缓冲，下肢肌肉做退让性收缩，以加长力的作用距离，增长力的作用时间，从而达到减小的目的。从动量定理可知，缓冲动作可以减小冲击力，是因为人体与地面相互作用是人体在着地方向上实现动量变化的过程，人体与地面相互作用的动量变化值一定，延长力的作用时间，可减缓外力对人体的作用。必须指出，体育运动落地姿式是多样的，人体是一个有生命的灵活整休，缓冲动作类型不同,人体及各环节受力不同情况下，应注意在落地时四肢、躯体的屈伸的配合，将对延长落地缓冲时间发挥主动作用。熟练、规范的准备动作，快速的反应能力，是减小冲击力，提高运动成绩和避免运动损伤的重要条件。（二）缓冲动作的能量转化原理能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式或者一从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，称为能量守量恒定律。缓冲动作能提高肌肉的弹性势能及肌张力。缓冲时，由于人体重力与地面作用力的相互作用，使即将完成基本动作的肌肉进行离心收缩，从而积累了弹性势能与肌张力。这种弹性势能属非代谢能，在缓冲结束时转化为后继动作（如后蹬）时转化为动能，即同时也增加了肌肉总收缩力。（三）缓冲动作的肌肉退让性工作原理现在的许多研究证明：运动员缓冲技术的好坏，主要是取决于参与完成缓冲的肌肉的退让性工作能力，其次与运动员支撑阶段的缓冲准备、掌握运用缓冲技术的能力有关。下肢肌肉退让性工作能力的强弱直接影响着缓冲质量的高低以及正确缓冲动作的完成。上海交通大学体育系孟长富同志在通过对退让性工作肌电图的研究探讨发展肌肉力量的机理中指出，通过对肌肉退让性工作的研究发现，肌肉作退让性工作时与肌肉所承载的负荷和肌肉作退让性工作的速度有直接关系，“只有在大负荷条件下完成退让工作时原动肌的电活动才非常明显”，因此，在大的外力冲击下，肌肉退让性工作当是缓冲技术的首选。生物力学的研究亦表明，肌肉退让性工作时发挥的力量最大，静力性工作次之，克制性工作最小。据牵张反射机制，退让性工作能更好地使拉长的肌肉进行后继性收缩，将弹性势能转化为动能，在缓冲阶段使关节周围的大机群肌肉发挥最大工作效率。以落地缓冲为例，在缓冲阶段，髋关节积极伸展，伸肌群作克制性工作，膝关节的伸肌群(股前肌群)和踝关节的屈肌群(主要是小腿三头肌)及足底的韧带在巨大的压力作用下被迫拉长，作退让性工作，地面支撑反作用力对人体的作用主要是通过肌肉的退让性工作来加以缓冲和吸收的。肌肉在作退让性工作缓冲地面支撑反作用的同时，将大量的机械能转化为肌肉的弹性势能贮存起来，使整个缓冲阶段成为推动人体继续向前运动的动力储备期。股后肌群在缓冲阶段也参于工作，其作用是积极去拉引小腿，对身体重心、的产生一定的牵引，加速身体重心的前移。由此可以看出，在缓冲阶段，下肢肌群有的作退让性工作，而有的作克制性工作，退让性工作和克制性工作并存，但就其在缓冲过程中所起的作用大小看，肌肉的退让性工作占绝对优势，因此，肌肉在缓冲过程中退让性工作能力的强弱直接决定着缓冲质量的好坏。肌肉退让性工作能力越强，缓冲的效果就越好。三、动作特征缓冲动作的理论基础是动量定理，缓冲过程是物体因受冲量作用而产生动量变化，在动作特征上主要表现为如下几个方面：1在人体动量变化一定情况下，延长力的作用时间，减小对环节及人体的冲击力，减缓外力对人体的作用。如人体由空中的各种落地的缓冲动作。2缓冲动作不仅是一个动量转化过程，还是肌肉主动持续做功致使人体能量转化的过程。如人体各种跑、跳动作的缓冲过程。3缓冲动作与人体解剖特点有关。人体在运动过程中的各种缓冲动作，是依靠人体关节、脊柱、肌肉、肌腱和韧带等合理的工作实现的。人体的解剖特点和机能状态水平，将影响缓冲动作的质量和效果。因此，在运动训练中应结合有运动专项的特点，进行针对性训练，不断提高自身的缓冲能力。4在运动过程中，人体可借助各种缓冲器材，增加缓冲效果。如体操运动场馆使用的海绵垫、海绵包；跳远沙坑、田径场馆的塑胶和煤渣跑道、各种球馆地板的质量和结构；运动鞋的气垫装置、拳击运动员的拳击手套等。这些场馆、器材对增强缓冲效果，防止运动损伤，提高运动成绩具有重要作用。5缓冲动作的实例分析由以上原理可以看出，人体作为有生命的生物体，其缓冲动作不仅仅会遵循物理学原理，还必然蕴含着比器械环更加复杂的生物学原理。下面以落体和途中跑为例对各种原理在缓冲动作中的应用加以分析。（1）作为结束部分的缓冲动作当人体从一定高度下落通过下肢与地面相互作用时，由于惯性和重力的作用，使伸展下肢各关节肌肉做退让性的工作，良好的缓冲动作下肢关节应呈屈曲状态，一般要求前脚掌先着地，并迅速过渡到全脚掌，并同时伴有屈膝、屈髋、伸踝动作，通过下肢三大环节角度的改变延长脚与地面的接触时间，进而减小冲力可能对人体造成的伤害。在缓冲阶段是膝关节周围大肌肉群发挥最大的工作效率，通过下肢肌肉的调节，使膝关节屈曲来减少地面对人的冲击力，保护人体免受损伤。（2）作为中间环节的缓冲动作 跳跃动作的起跳技术是由起跳腿的着地、缓冲和蹬伸三个环节构成。作为准备性动作环节的缓冲动作是完成动作技术的重要环节。人体在快速助跑的条件下，由于快速奔跑的惯性和积极踏跳地面产生的巨大冲力，迫使起跳腿做退让工作。从起跳脚接触地面的瞬间开始，起跳腿的髋、膝、踝关节的弯曲程度均在不断加大，使即将完成基本动作的肌肉进行离心收缩，从而积累了弹性势能与肌张力，为后续的蹬伸动作创造了良好的力学条件。缓冲的幅度和所用的时间是影响起跳技术的关键。踏跳时，如果运动员起跳腿伸肌的退让性收缩能力强，则伸肌群缓冲外界负荷的能力强，肌肉被拉伸的长度小，缓冲与蹬伸“过度”时间短，肌肉由离心收缩快速过度的向心收缩。反之如果如果运动员起跳腿伸肌的退让性收缩能力弱，着地后下肢关节过度弯曲，导致退让性工作向克制式工作的“过度”延缓，会延长起跳时间，减慢起跳速度，降低起跳效果。所以，完成缓冲动作的质量的好坏，直接影响起跳效果。快速完成缓冲并较早地开始蹬伸动作是提高起跳速度和起跳效果的关键。因此，对从事跳跃项目的运动员，在训练过程中应不断提高起跳腿退让工作的能力。第五节 鞭打动作的生物力学原理（李世明）一、动作形式人体在结构上是由关节将身体各环节相连，因此在对人体运动进行研究时可将人体简化为环节链。在体育动作中，当希望环节链末端产生极大的速度和力量时，肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加。人们把这种在克服阻力或自体位移过程中，肢体依次加速与制动，使末端环节产生极大速度的动作形式称为鞭打动作。鞭打动作是许多体育技术动作的重要组成部分，很多项目中肢体动作都被认为是鞭打动作。在体育运动中，运动员完成某一动作时，经常需要两臂（手）或两腿（足）具有尽可能大的运动速度，往往运用鞭打动作原理。首先使身体的躯干部位产生加速获得一定动量，然后通过挥臂或摆腿动作使躯干制动，将躯干的动量传给上肢或下肢，由于四肢（鞭梢）质量比躯干（鞭根）质量小得多，所以四肢就获得了比躯干大得多的运动速度。这种动作形式类似鞭子的鞭打。鞭打动作可分为上肢的鞭打动作、下肢的鞭打动作和全身的鞭打动作。上肢的鞭打动作又可分为投掷性鞭打动作与打击性鞭打动作，打击性鞭打动作根据运动员是否持有器械又可分无器械打击性鞭打动作与有器械打击性鞭打动作。例如投掷标枪、手榴弹及棒、垒球的投球等属于上肢鞭打动作中的投掷性鞭打；排球的扣球、发球等属于上肢打击性鞭打动作的无器械鞭打；乒乓球、羽毛球、网球的某些发球及扣击球等属于上肢打击性鞭打动作的有器械鞭打动作；下肢的大力踢球、散打中的鞭腿等属于下肢鞭打动作；游泳的蝶泳动作，体操的双杠挂臂前摆振浪动作等都属于全身鞭打动作。全身鞭打动作属于鞭打类动作中比较特殊的一类，它是上、下肢鞭打动作的基础。如在投掷标枪过程中，现在人们认为投掷臂（上肢）的鞭打动作只是整个动作过程中比较重要的一部分，实际上鞭打动作从下肢的制动就开始了，表现出了各环节依次加速与制动的环节活动顺序特征，其动量传递给上肢最终传递给末端环节手及标枪；再如排球的扣球动作上肢的鞭打动作只是整个扣球动作中的关键部分，而实际上扣球鞭打是从躯干开始的。而在足球脚背内侧大力踢球过程中，实现下肢各环节动量传递的鞭打动作实际上始于躯干的扭转。因此可以认为，全身鞭打是很多上、下肢鞭打动作的基础。我们下面所讨论的上、下肢鞭打动作形式仅是局部的，狭义的鞭打动作，在实际问题中分析鞭打动作形式时应该考虑鞭打动作的完整性。 （一）上肢鞭打上肢鞭打可以分为投掷与打击两种主要形式。1投掷性鞭打动作图1 对标枪用力曲线类似掷标枪、棒球、垒球等项目中上肢作投掷性的鞭打称为投掷性鞭打动作。如投掷标枪动作中，身体各部分的鞭打是有顺序的，优秀运动员对标枪的用力曲线图呈双峰形（如图1）。在鞭打之前手向鞭打的反方向移动,右腿在左腿强有力的支撑下积极蹬伸，身体形成“满弓”动作致使做鞭打动作的肌群处于被拉长的状态储备弹性势能，紧接着髋关节及躯干屈曲鞭打，曲线图出现第一波峰；肩关节在投掷方向上产生加速度，紧接着肩带及肩关节产生活动，使肘关节产生位移，躯干开始制动，使上臂急速向前上方运动，前臂跟着上臂留在后面，曲线图上出现一个小波谷，在此基础上上臂制动伸肘急剧收缩，使前臂、腕关节挥动将标枪投出去。曲线图上出现了第二个波峰，力量达到最大值。在投掷过程中，投掷臂各关节的速度变化呈一定的规律性（图2），肩关节首先出现速度峰值接着开始减速，肘关节出现速度峰值接着开始减速，最后腕关节出现速度峰值，以上说明鞭打动作的一个特点，即每一个环节最大运动速度是在前一个环节达到最大速度后获得的，近端环节制动的同时远端环节作加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，使远端获得很大的角速度和线速度。当然，动量传递只是肢体鞭打动作快速有力的一个方面，在这一过程中，使远端环节在鞭打方向上加速的原动肌也发挥着较大的作用。肢体各关节依次发力，使各环节的动量逐步积累，末端环节（手或足）的运动速度是由其各近侧环节的运动速度的依次叠加而成，这是另一个重要方面。 速度 图2 投掷臂各关节的速度曲线2打击性鞭打动作打击性鞭打动作可分为无器械打击性鞭打与有器械打击性鞭打两类。（1）无器械打击性鞭打动作排球的扣球、发球等均为上肢打击性鞭打中的无器械鞭打动作形式。如在排球的扣球动作之前，上肢处于明显的屈曲状态（如图3）。这样既可减少上肢的转动惯量，又可使参与挥臂的肌群处于最佳发力状态，便于提高肌肉的收缩速度，最终使各环节的动量以较合理的途径进行传递，最后通过手腕的甩动和加速，用全手掌作用于球体，从而达到增大打击效果的目的。图3无器械打击性鞭打动作（2）有器械打击性鞭打动作乒乓球、羽毛球以及网球的扣杀等为有器械的打击性鞭打动作形式。 如在网球大力发球过程中，下肢足够大的地面反作用力，使身体“蹬离地面”（Elliott&Wood,1983; Van Gheluwe&Hebbelinkck,1986）,同时使躯干转动产生向前、向上的肩关节速度，此速度约为击球时球拍速度的10%20（Elliott et al.1986; Van Gheluwe&Hebbelinkck,1986; Elliott et al.1995）。这些下肢和躯干的运动也使球拍向“后下方”牵引，这样肩关节和肘关节的肌肉和组织被拉长,利于后继的发力动作。在发球过程中，环节运动顺序显示为：上臂屈曲和外展最早，随后是肘关节伸、腕关节尺屈、上臂旋内和腕关节伸，最后是前臂旋内微调拍面，形成了膝关节、髋关节、肩关节、肘关节、腕关节、球拍的依次加速过程（图4），体现出了典型的鞭打动作形式。图4 网球挥拍阶段各环节速度曲线图 （据刘卉，2002）打击性鞭打动作，其运动规律与投掷性鞭打动作相仿。其特点是在做动作之前，各关节的肌肉更加放松被拉长，以保证肢体完成鞭打动作的速度和幅度。（二）下肢鞭打下肢的大力踢球、散打中的鞭腿、游泳中的打水、体操中的两腿鞭打动作等均属于下肢鞭打动作。例如在单杠的下法及摆越动作中，为了获得较高的腾空高度，广泛采用了“鞭打”动作技术。“鞭打”的作用主要是加快远端环节的摆动速度，使两腿产生一个较大的惯性离心力，通过身体传至单杠，加大对单杠的弹性形变，并在恢复形变时利用单杠的弹性势能，使身体获得更大的上升力。如：某运动员做单杠团身后空翻两周下之前的鞭打动作，在过杠下垂直部位的一瞬间，两腿对躯干的摆动产生13.4弧度/秒的相对角速度，该运动员体重为60千克，该瞬间两腿重心距髋轴为0.378米，这时两腿的惯性离心力为： 式中，0.373是两腿的相对重量。该瞬间产生155千克的惯性离心力，是由两腿做鞭打动作产生的，相当于该运动员体重的约2.6倍。这对于提高脱手后的腾空高度起很大作用。当然，在踢腿时躯干的角速度要明显下降，躯干对单杠的惯性离心力将会减小，但因为躯干重心较两腿重心距单杠这个转动轴的距离小得多（即半径小得多），因此躯干惯性离心力下降的幅度小于腿所增长的幅度，所以整体上惯性离心力是增大的。下肢鞭打动作形式类似于上肢鞭打动作，主要表现在动作时序、环节运动速度、动量矩传递形式等方面。下面将以足球大力踢球为例对下肢鞭打动作的动作形式进行阐述。下肢鞭打动作主要是打击性鞭打动作，其主要目的同上肢一样，使末端环节获得极大速度。为了达到这一目的，躯干和下肢各环节要尽力向鞭打方向运动，而且必须配合。因此，运动员在下肢鞭打动作中也必然表现出一定的配合特征。下肢鞭打动作同上肢鞭打动作类似，都遵循由近端至远端环节依次加速的关节活动顺序性原理，如图5所示。图5踢球腿前摆阶段主要关节速度变化图（据部义峰、李世明等，2007）由图5可以看出，摆动腿各关节的速度变化也呈一定的规律性，髋关节首先出现速度峰值接着开始减速，然后膝关节出现速度峰值接着开始减速，最后踝关节出现速度峰值，以上说明下肢鞭打动作各环节速度特征类似于上肢鞭打动作，即每一环节最大运动速度是在前一环节达到最大速度后获得的，近端环节制动的同时远端环节作加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，使远端获得很大的线速度.下肢鞭打动作同上肢鞭打动作动量传递形式也类似，即从近端环节到远端环节的依次传递。摆动腿前摆过程中，先是大腿前摆，然后再是小腿向前以很快的速度踢出（此过程仅0.1秒左右）。在大腿向前踢出后不到0.1秒即开始减速，但小腿则不断加速。从这里可看出角动量由大腿向小腿传递的过程。二、力学原理鞭打是上肢或下肢游离（或上肢持物）作类似鞭子急速抽打的动作形式。鞭子急速抽打的特点可以说明鞭打动作原理。抽鞭子是人体通过发力使较粗的鞭根产生加速运动，然后突然制动，鞭根的动量向游离端鞭梢传递，由于鞭梢的质量比鞭根小得多，鞭梢便产生比鞭根大得多的运动速度。其理论基础就是动量的传递。但是，人作为生物体具有其自身的生物特性，因此，人体的鞭打动作形式除了遵循物理学原理外还应遵循生物学原理，这是人体鞭打动作同实际鞭子抽打根本不同之处。人体鞭打的理论基础则是通过环节间动量矩的传递以实现末端环节最大动量的获得。（一）鞭打动作的角动量传递原理从动量定理可知，物体之间动量传递是通过它们的相互作用力的冲量实现的。人体运动链在鞭打动作中是通过角动量的传递而实现末端环节最大动量的获得。人体在鞭打动作中角动量的传递是通过相邻环节相互作用力产生的冲量矩来实现的。近端肌肉的收缩力F1产生肌力矩，使近端环节产生角加速度1，获得角动量。此时远端环节肌肉主动收缩产生力F2，该力产生的力矩使远端环节获得角加速度2的同时其反作用力-F2使近端环节产生反向的角加速度-3而制动，由于相连的近、远端两环节之间存在的冲量矩使得近端环节获得的角动量传递至远端环节，使远端环节的角速度增大（图6）。在制动过程中，近端环节的角动量传给了远端环节，加之肌肉主动施力过程，使远端环节角速度大大加快。从鞭打过程中可以看出，近端环节的适时制动是近端环节的角动量能够传递给远端环节的关键，那么，近端环节的制动力来自何处呢？人们会想当然地认为可能是使近端环节加速的原动肌的对抗肌用力而使近端环节制动。试想一下，如果近端环节的制动是由其对抗肌实现的，那么该环节的角动量就不会传向远端环节，而主要是转变为对抗肌的弹性势能。因此，在鞭打过程中，近端环节的制动不可能是其对抗肌的收缩阻力产生的，而应是其远端关节的肌肉用力，在其远端环节产生角加速运动的同时，产生的阻力矩造成的。与真实的鞭子抽打相比，由于人的运动有意识的参与，人体运动链的角动量传递就更为积极，且相邻环节间的肌肉收缩力能够使环节的角动量得到进一步增加，因此人体鞭打动作更加有效和复杂。图6 上肢鞭打动作模式图角动量传递只是肢体鞭打动作快速有力的一个方面，而肢体各关节依次发力，使各环节的角动量逐步积累，末端环节的运动速度是由其各近侧环节的运动速度的依次合成叠加而成，这是另一重要方面。由此可见，在人体鞭打动作中，环节加速的原因除了上位环节角动量传递外，还有支配该运动的肌肉主动收缩。而鞭子由于没有主动产生力的结构，其下位环节的速度完全由上位环节的动量传递而来。至于在鞭打动作中，环节加速的原因更加依赖于上位环节的动量传递还是支配该运动的肌肉主动收缩还不得而知，至今尚未解释清楚。总结来看，人体鞭打动作不同于实际鞭子抽打主要表现在：人作为生物体，在鞭打动作过程中是一个有人的意识参与的过程；人体远端环节获得更大速度的原因除了来自近端环节角动量的传递外，还有远端环节肌肉的主动收缩；人体作为生物体其关节结构有其自身的解剖学特点，由于受到人体关节解剖学特点的影响，人体鞭打动作不能像实际鞭子抽打那样随意运动，而表现为一定自由度内的运动。表1为人体上、下肢六大关节的基本运动形式及幅度一览表。由表1可以看出，人体关节由于受到其自身结构解剖学特点限制，各关节表现出一定范围的自由度，而不能像鞭子一样随意运动。如足球运动中的脚背内侧踢球或者脚内侧踢球，触球时需要脚内侧或脚背内侧面向踢球方向，而摆动腿在前摆伸膝过程中，膝关节旋外幅度很小，最大约50，超过这个旋转幅度就会造成韧带的拉伤，因此仅靠膝关节的旋转不能使得踢球脚充分外展，此时只能依靠近端关节髋关节的主动旋外使得脚内侧或脚背内侧更加充分面向踢球方向，利用大关节控制踢球方向就影响了踢球的精确度。上肢关节也是如此，如肘关节只能进行屈伸、旋前旋后，而不能进行外展内收，因此有些动作只能靠与其上位关节肩关节的密切配合得以实现。由上述可知，部分关节自由度数量不足必定会限制鞭打动作的随意性，而且，上、下肢在鞭打动作结构上和活动范围上也会有所不同。表1人体上、下肢六大关节的基本运动形式及幅度一览表关节基本运动形式运动轴运动幅度上肢肩屈伸冠状轴110140外展内收矢状轴90120旋内旋外垂直轴90120环转水平屈伸肘屈伸冠状轴135140旋前旋后垂直轴140180腕屈伸冠状轴约150外展内收矢状轴约60环转下肢髋屈伸冠状轴140外展内收矢状轴45旋内旋外垂直轴4050环转膝屈伸冠状轴130160旋转（屈膝时）垂直轴约50髌骨上下滑动踝屈伸冠状轴5080 改自人体解剖学2001人体鞭打动作是一种复杂的运动形式，人体鞭打运动链开始于近端环节，结束于远端环节。当运动环节的自由度增加时，运动链的协调运动将变得更加复杂。例如上肢鞭打动作的运动链，从肩带到手指包含约17个自由度，显然，许多自由度必须进行控制，以防止不同程度的重复运动（Hore，1994）。人体鞭打动作过程中表现出的对环节自由度的控制，保证了用力方向与运动方向的一致，这也是人体鞭打动作区别于实际鞭打抽打的重要特征之一。例如，在标枪投掷过程中，上臂的水平内收可以减少多余的自由度，以保证用力方向和运动方向一致，有利于近、远端环节角动量的传递方向与运动方向保持一致。需要强调的是在完成鞭打动作时，身体另外一部分的支撑和固定也很重要，只有这样才能提高角动量的传递效率。例如在掷标枪的最后用力过程中，下肢左侧强有力的支撑（右手掷）使身体形成一个强有力的制动，引起了整个身体的减速，同时加快了身体上半部分和标枪绕支撑脚的转动。有人认为，这个过程是从支撑脚开始的一个全身鞭打动作，即脚的制动使得动量从下肢传到躯干，然后再通过躯干的制动传递到投掷臂的过程。如在标枪投掷过程中（以右手运动员4步投掷步为例），第3步右脚着地后，右腿迅速屈膝缓冲，以减小制动和加快身体重心前移。当身体重心前移超过右脚支撑点时，右腿积极蹬地，推送髋部向投掷方向移动和前移，已摆至右腿前方的左腿快速向前下方插去，以脚跟或脚内侧先着地，完成强有力的制动支撑，以完成动量从下到上的依次传递过程。增大远端环节或标枪的线速度，使投掷臂或标枪在上肢鞭打动作前就获得一定速度，为下一步投掷臂的加速用力创造有利条件。因此，稳固的支撑可以提高角动量传递的效率。（二）鞭打动作的肌肉活动顺序性原理鞭打动作的主要目的是使末端环节获得极大速度。为了达到这一目的，躯干和上肢各环节要尽力向鞭打方向运动，而且必须协调配合。因此，运动员在作鞭打动作时，各肢体的运动必然表现出一定的配合特征，即时序性。鞭打动作的各环节运动的时序性的内在肌肉力学原因就是肌肉活动的顺序性原理。鞭打时，一般由大肌群首先活动，这些肌肉通常是梭形肌和羽状肌，前者如半腱肌，收缩力量不是很大，但收缩幅度大，可以形成持续用力；后者如三角肌，这些肌肉的肌纤维较短，收缩幅度多不如梭形肌，但肌纤维数量较多，收缩力量较大，它们收缩产生力克服肢体或器械的惯性，然后肌肉依次活动直至肢体末端的快肌活动结束。肌肉的这些活动不仅增大了运动的幅度和速度，而且由于每一运动神经元支配的肌纤维数量逐渐减少，同时也增加了肢体运动的准确性。近端环节先于远端环节活动的肌肉活动顺序，也保证了远端环节肌肉在收缩前的适度拉长。传统理论认为，上肢关节活动遵循“大环节到小环节的依次加速运动”的运动形式，即表现为“肩-肘-腕”的活动顺序。但近年来，随着运动生物力学实验仪器的不断发展，人们对鞭打动作进行了重新认识，上肢鞭打动作的时序性应是：在超越器械阶段上臂做水平内收工作，这一动作在上臂外展90时使肘关节获得向前运动速度。之后，肘关节开始伸展，使腕关节获得向前的速度。在肘关节尚未完全伸展时上臂开始快速旋前，这一动作同样可以使腕关节获得向前的运动速度。最后，腕关节快速的屈曲动作，使手最终获得了极大的向前速度。上肢鞭打动作各环节的动作时序可以总结为：上臂水平内收-肘关节伸展-上臂旋前-腕关节运动。因此，上肢各环节速度变化形式表现为从上臂到手的依次加速的传统理论是不可否认的。但上肢关节活动顺序并不是“肩-肘-腕”，而是“肩-肘-肩-腕”，上臂作为近端的大环节先后两次参与运动，产生这一运动顺序原因的合理性在于，首先，人体肢体的运动都可以看成绕相应关节的转动，其运动的动力来源于相应肌肉收缩产生的力矩。但产生肌肉力量大其力矩未必大。尽管使上臂内旋的肌肉有胸大肌、三角肌前部肌束、肩胛下肌、大圆肌以及背阔肌等大肌肉，但这些肌肉使上臂内旋的力臂很小，仅仅相当于肱骨的半径，因此肌肉力矩很小，不能使其支配的运动在短时间达到高速。因此，传统认识“大关节带动小关节活动”的运动顺序原理在三维条件下是不准确的。环节运动顺序应该与支配关节运动肌肉力矩大小有关，肌肉力矩大是首先产生运动的原因，而不是肌肉力大是首先产生运动的原因。这是对传统“关节活动顺序性”理论的补充。其次，运动员上肢在躯干向前扭转前处于水平外展、旋外、伸肘姿势，在这种姿势下，躯干向前扭转带动上臂水平内收，与此同时，肘关节的主动“翻肘”动作使得上臂旋外程度更大。当肘关节开始伸展之后，将伴有上臂（肩关节）的旋内动作，这样，肩关节就出现了第二次的运动。研究表明，鞭打动作各不同环节动作之间的时间间隔非常小，通常不到0.1秒，这提示我们鞭打动作各环节的配合需要十分精确。熟练的鞭打动作可在“低意识控制”下完成，即出现动作自动化。动作自动化出现后，中间神经元可引起支配对抗肌-运动神经元的抑制效应，从而使肌肉之间的工作配合更加协调，改变了肌肉间的协调性，一些多余的动作就会逐渐减少，动作连贯。在平均单位肌肉含ATP数量一定的情况下，工作效率就会提高。这就是关于完成专项任务时合理使用代谢能量的原理，也称为“限制肌肉兴奋原理”（Bober，1981）。在对鞭打类项目动作的运动员进行训练时，不仅要重视肌肉的力量训练，还要有专门的方法训练各环节动作的协调配合性。（三）鞭打动作的预先拉长肌肉原理在完成鞭打动作时，人体环节通常先向相反方向运动。反向运动能够使肢体预先拉长肌肉，这一动作有两方面的重要作用：一方面有利于原动肌充分拉长使其处于一个最适的初长度，可提高后续肌肉收缩的爆发式收缩力；另一方面，可延长力的作用距离。这对于完成鞭打动作的肢体获得较大的动能有着十分重要的意义。1. 提高肌肉的爆发式收缩力肌肉先进行离心收缩紧接着转为向心收缩的工作形式称为“拉长-缩短”周期或称超等长收缩。肌肉预先被拉长能够使其处于一个最适的初长度，再经过由离心收缩转为向心收缩的超等长收缩过程，可提高肌肉的爆发式收缩力。超等长收缩之所以能够爆发出强大的力量主要取决于两个重要原因：肌肉离心收缩时弹性能量的产生，储存以及向心收缩时储存弹性势能的再利用程度；运动神经中枢对肌肉的反射性调节作用。肌肉弹性能量的产生是由肌肉牵拉的速度和长度决定的，弹性势能的再利用是由离心-向心收缩的耦联时间决定的。因此，超等长训练的实质就是充分发展肌肉弹性势能产生、储存与转换及再释放能力，并同时提高运动神经中枢对“拉长-收缩”周期的反射性调控作用，建立较高的牵张反射能力，形成在中枢神经系统支配下肌肉的正确有力顺序。因此，在人体要想获得良好的鞭打动作效果应重点抓住3个关键因素：肌肉的牵拉长度；肌肉的牵拉速度；离心-向心收缩的耦联时间。2. 延长肌力的作用距离鞭打动作的反向运动预先拉长肌肉，肌肉的预先拉长可以延长肌力的作用距离。在投掷性的鞭打动作中要求的人体超越器械就是要延长肌力的作用距离。这可从功和冲量两个方面来解释其重要的意义。 从功的角度来讲，功能原理表明了力对空间的累积效应，反映了机械能的变化。这一原理表明较大的机械能可以通过增加力或加大力的作用距离来获得。在鞭打动作中机械能包括势能和动能，如标枪运动员在交叉步中的引枪及最后用力过程中的“背弓”动作使运动员形成了投掷标枪最后用力前的有利身体姿势，为最后用力创造条件。在这个超越器械过程中，运动员一方面预先拉长了肌肉的长度，使其在主动收缩前获得一定的弹性势能，然后再在肌肉进行主动收缩过程中，再转化为动能释放出来，使得肌肉收缩更加有力，提高了肌肉作用力；另一方面，运动员的积极向后引枪动作延长了肌力对标枪的作用距离，因此，在肌力和肌力的作用距离都增大的情况下，就提高了标枪出手时的机械能，有利于运动员取得较好的成绩。从冲量的角度来讲，动量定理表明了力对时间的累积效应。为了使人体末端环节或器械获得较大的速度，通常需增大肌肉作用力并延长肌力的作用时间。在运动过程中，增大肌力和延长肌力的作用时间常常是矛盾的，其原因是在于肌肉收缩的力量和速度呈非线性的反比关系，即力量的增大以速度的减小为代价。因此，在技术上通常采取的方法是：在保证发挥肌肉最大力量的同时，通过延长肌力的工作距离来延长肌力的作用时间。在投掷性鞭打动作中，要求使身体尽可能超越器械则可以实现这一目的。（四）鞭打动作的转动惯量最小化原理鞭打动作的转动惯量最小化原理是指在鞭打过程中使肢体屈曲减小绕关节转动轴的转动惯量以获得较大的转动角速度。鞭打动作的反向运动往往伴随着肢体的屈曲，如排球扣球前的向后屈臂、足球踢球前的向后屈膝等动作，屈曲的肢体容易加速，这符合转动惯量最小化原理。在鞭打动作中肢体的屈曲能够改变肢体绕关节转动轴的质量分布，减小肢体的转动半径，使肢体的转动惯量减小，从而使后续的肢体加速变得较为容易。如排球中的扣球，挥臂前合理的向后屈肘动作，可以缩短挥臂时以肩关节为轴的转动半径，减少转动惯量，提高挥臂的初速度。随之边挥臂边伸肘，加长转动半径，增加挥臂的线速度。在挥臂转动的角速度不变的情况下，上臂甩得越直，挥动半径越大，线速度越快，扣球越有力。足球中的大力踢球、羽毛球的扣杀均遵循转动惯量最小化原理。（五）鞭打动作的实例分析由以上原理可以看出，人体作为有生命的生物体，其鞭打动作原理同真正的鞭子抽打有着本质的不同，仅仅是形式上类似于鞭子抽打，因此，人体鞭打动作不仅仅会遵循物理学原理，还必然蕴含着比鞭子抽打更加复杂的生物学原理。下面以标枪为例对各种原理在鞭打动作中的应用加以分析。根据标枪的运动特征，我们可将标枪投掷运动（以六步投掷步为例）划分为以下几个阶段（图7）：（1）助跑阶段()；（2）投掷步阶段（），其中第1、2步进行引枪（），第3步为第一个交叉步（）、第4步为跨步（），第5步为第二个交叉步（），第6步过渡到最后用力（）。由于采用六步投掷步时有较长时间准备最后用力，便于控制标枪，目前国外优秀运动员常常采用这种投掷步。图7 惠特布雷特的投掷标枪技术（女子标枪77.44米，世界纪录创造者）在上述几个阶段中，交叉步阶段1、2步首先完成引枪动作，引枪动作拉长了使肩关节屈的肌群，主要包括胸大肌、喙肱肌，储存了一定的弹性势能，然后再在投掷臂向前挥动时转化为动能释放出来，同时也延长了肌力的作用距离，体现了鞭打动作预先拉长肌肉原理；第3步为第一个交叉步，当左脚一着地（），右腿自然屈膝以大腿带动小腿积极向前摆动靠近左腿，当身体重心移过左脚支撑点时（），左腿积极蹬地（），并在其配合下，右大腿加速前摆与左腿呈交叉姿势（），同时左臂要自然摆至胸前，帮助左肩内扣和加大躯干向右扭转，使肩轴与髋轴扭紧形成交叉姿势，这样就形成了“右肩在后，右髋在前”的躯干扭转姿势（），这个姿势拉长了运动员的右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌。此时，左肩在右肩之前（），在紧接着的第4步跨步中，左腿顺势向前迈出，进一步加大人体向右的转体（），为在第5步（第二个交叉步）中形成肩轴和髋轴的更大扭紧创造了条件。通过第二个交叉步使右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌拉长更加充分（离心收缩），给原动肌一个最适初长度，以提高爆发式收缩力，并且延长了肌力的工作距离。在第6步过渡到最后用力的过程中，被充分拉长的右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌进行主动收缩（向心收缩），使躯干上部绕身体纵轴向左快速转动，使右肩获得较大的指向投掷方向的运动速度（）。这个过程就是一次预先拉长原动肌原理的超等长收缩过程；进入第6步过渡到最后用力阶段（），右腿着地后应迅速屈膝缓冲，以减小水平方向的制动和速度损失，右腿伸肌被动拉长作退让性工作，此时，运动员应适时减小缓冲时间（但也不能太短，否则会因伸肌拉长不充分造成蹬地时的力量不足），以提高蹬地力量，这又是一个超等长收缩过程。当身体重心前移超过右脚支撑点时（），右腿积极蹬伸，推送髋部向投掷方向转动和前移，已摆至右腿前方的左腿快速向前下方插去，以脚跟或脚内侧着地，完成强有力的制动和支撑，以增大角动量的传递效果。进入第6步最后用力阶段，形成良好的超越器械动作，胸部快速前振，带动投掷臂向前，继而上臂、前臂、手腕、和手指相继完成加速，完成“鞭打动作”。在这个过程中，首先，完成了角动量的依次传递，体现了鞭打动作的角动量传递原理；继而上臂的水平内收（），减少了其活动的自由度，降低了难度，提高了角动量传递的效率；在上臂水平内收的同时，肘关节的主动“翻肘”动作使得上臂旋外程度更大，更大地拉长了胸大肌锁骨部肌束、喙肱肌、三角肌前部肌束、和肱二头肌等肩关节屈肌群，体现了预先拉长肌肉原理；屈肘动作减小了投掷臂半径，提高了前挥速度，体现了转动惯量最小化原理；背肌、胸肌、肩关节肌群、肘关节肌群、腕关节肌群依次发力的顺序体现了肌肉活动顺序性原理；此外，熟练的鞭打动作（肌肉良好的活动顺序性、环节运动的时间间隔等）可以更大程度地利用角动量传递效果，充分利用超等长收缩时的弹性势能。三、动作特征人体的鞭打动作可使运动链末端环节产生极大的运动速度，其动作形式类似于鞭子的急速抽打。但是，人的运动是有意识的参与，肌肉收缩能够产生主动力，人的各关节有其独有的解剖学特点，因此，人的鞭打动作与鞭子的抽打必然表现出不同的动作特征。（一）参与鞭打的关节表现出活动的顺序性人体四肢由近端至远端关节，各关节所配置的肌肉强弱，即肌肉生理横断面逐个减小。所配置的肌肉生理横断面大的称大关节，反之称为小关节。这与人体活动时各关节所遇到的阻力矩，由近端至远端依次减少的情况是一致的，由于大关节肌肉生理横断面大，在活动中产生的肌力矩首先克服阻力矩，而配布较小肌肉群的关节由于产生力量小，只有当阻力矩减小到使它能够产生活动时，肌肉才能产生克制性收缩使环节运动。准确地说，关节活动的顺序是由肌肉力矩的大小决定的。因此，在鞭打动作时，关节的活动顺序必然表现出一定的规律性，即大关节首先产生活动，然后由大到小表现出活动的顺序性。基于此，在鞭打动作过程中应该加强大关节的作用，充分发挥大关节的潜力，如在投掷标枪最后投掷步的超越器械阶段，充分利用躯干及肩带大肌群的作用，克服惯性力使上肢首先活动获得一定的初速度，然后带动肘、腕关节依次达到最大速度，形成良好的鞭打效果。（二）参与鞭打的小关节具有定向的作用在鞭打动作过程中，大关节克服阻力矩后，小关节的配合作用也有非常重要的意义，尤其在动作的结束阶段，每一运动神经元支配的肌纤维数量逐渐减少，增加了肢体运动的准确性,因此，小关节具有定向的作用，它的运动质量直接影响到动作的速度和质量。例如，投掷标枪最后出手瞬间，屈腕、屈指“拨”的动作。除了增加标枪的初速度，还可以加快标枪绕纵轴旋转的速度，保证飞行过程中的稳定性。在铁饼投掷过程中，如果铁饼出手瞬间完成不好“拨饼”动作，这一细微动作也或导致动作失败，铁饼将不能绕铁饼几何中心转动而在空中翻转，直接影响铁饼投掷远度。在脚背内侧大力踢定位球动作过程中，先是躯干摆动带动髋关节发力，继而膝关节发力，最后踝关节内旋发力，使球内旋并呈弧线运行。其中，踝关节的内旋发力除了继续增加摆动腿的前摆速度外，主要的还是使球内旋并呈弧线运行，这是利用脚背内侧踢出高质量定位球的关键所在。（三）鞭打动作不只是一个角动量传递过程，还是一个各关节肌肉主动力产生新的冲量矩的过程由于鞭打动作中，人体各关节配布的肌肉能够产生主动力作用于远端的环节，因此，鞭打动作不只是一个角动量传递过程，还是一个各关节肌肉主动力产生新的冲量矩的过程。这与鞭子的抽打有本质的区别，鞭子的抽打过程中，其内部之间的作用力与反作用力是整个系统的内力，没有新的冲量产生，鞭子抽打的全过程只与作用于鞭根的力有关。而在人体鞭打过程中，环节链系统总动量矩的变化不只与近端环节周围的肌肉力矩有关，还与系统内各关节肌肉的主动肌力矩有关，它们能够在鞭打开始后产生新的冲量矩。例如，在上肢鞭打动作中，上臂加速后的制动可使其动量矩向前臂传递，同时，肘关节肌肉主动收缩产生新的冲量矩作用于前臂，使前臂的角动量在接受上臂传递