24式太極拳動作的時空特征

最近，一些科學(xué)家研究了隨著年齡的增加和平衡能力的降低。但是,關(guān)于何種體育項目或怎樣的身體運動可以改善、提高、保持高齡者平衡機能方面的研究卻很少。Moller以一般的健康高齡者30名為對象,各組15名分為實驗組和對照組,提供改善平衡機能的運動程序,1次1h,共進行18次(9周)訓(xùn)練,實驗組的動態(tài)平衡能力有了顯著的改善。木村等認為,為防止平衡機能的低下,要做一些能夠動員體能要素的運動,中老年人應(yīng)多進行太極拳、交際舞等運動。近年來,太極拳愛好者在日本大幅度增加,并且期待著通過太極拳運動能夠改善平衡等身體機能。但是,從身體運動學(xué)角度探索太極拳運動特征及影響平衡機能的研究鮮見報道。本文擬分析太極拳動作特征,揭示太極拳動作特征的某些要素有助于提高或保持人體平衡能力。陳崢等曾進行過太極拳運動的生物力學(xué)研究,主要是二維平面圖像分析。表面上看,太極拳的回轉(zhuǎn)運動、旋轉(zhuǎn)動作及動作慢是其主要特征,想弄清腳步移動的方向和角度以及重心移動方向等,只靠二維圖像分析是不充分的,還需要三維圖像分析。因此,本文擬進行二維圖像分析的同時進行三維圖像分析,對太極拳動作特征進行定量研究,探討太極拳動作特征及影響平衡機能的要素。1研究對象和方法1.1全國比賽前3名的高水平練習(xí)者選取從事多年太極拳運動的2名健康青年人。其中一名為在全國比賽中曾進入前3名的高水平練習(xí)者(被試者A:年齡28歲,身高172cm);另一名是業(yè)余練習(xí)太極拳7年的一般熟練者(被試者B:年齡26歲,身高171cm)。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1圖像分析系統(tǒng)及實驗步驟各關(guān)節(jié)點反光標記貼付位置:根據(jù)分析軟件規(guī)定,各關(guān)節(jié)點反光標記貼付在身體各個部位。即被試者的左右手腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大腿大轉(zhuǎn)子、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳跟、腳尖及頭部的3個部位(頭頂部、兩側(cè)的耳珠點),共計19個點。攝影器材:2臺攝像機(peak公司制),系統(tǒng)控制器(ESU),2臺錄像機(peak公司制),2臺模擬機(日本大宇電子公司制)。圖像分析系統(tǒng):采用錄像輸入儀器(GVR-S955),分析軟件peakmotus3.1,把畫面輸入后采用DLT方法進行分析。實驗地點:H大學(xué)教育系內(nèi)。實驗順序:首先確定被試者所移動范圍,設(shè)定攝像機的位置,以60fps攝影速度2臺攝像機同步攝影。攝影結(jié)束后,用DLT方法計算分析點的三維坐標,在現(xiàn)場設(shè)置帶有25個控制點的標尺裝置進行攝影。1.2.2非周期性運動動作結(jié)構(gòu)二維圖像分析主要以簡易太極拳24式的每一個動作作為對象進行時間分析,三維分析對動作畫面的19個點進行點位作業(yè)。動作、時相劃分:對每一個動作進行詳細分析,根據(jù)Myner有關(guān)非周期性運動動作結(jié)構(gòu)的理論,把每一個動作分為3個階段,即連接動作時相(從前一個動作結(jié)束姿勢開始,要邁出的腳離地為止),單腳支撐時相(從單腳離地開始邁出后接地為止),雙腳支撐時相(從邁出的腳接地開始,完成該動作造型為止)。通過畫面顯示的時間和圖像,精確算出每一個動作的動作時相時間。三維圖像分析:從24式太極拳中選出幾個動作進行分析。它們分別是“野馬分鬃”、“單鞭”、“云手”動作。為了對動作詳細分析,最后處理數(shù)據(jù)時,也采用與時相劃分同樣的方法,對各個動作劃分3個動作時相。2研究結(jié)果2.1各動作所占時間和信噪比圖1表示24式太極拳各式動作的各個動作時相所用的時間(以百分比表示,被試者A)。表1顯示,被試者A、B在各個動作時相中所占的時間和百分比。被試者A、B練習(xí)24式太極拳所用時間雖然不同,但各個動作時相所用時間的比例基本上趨向一致。2.2圖像解析結(jié)果圖2是以“野馬分鬃”為例表示的連續(xù)動作,并分為3個動作時相。圖2上部第1張畫面至第80張畫面的1s33為止是連接動作時相,圖2的中部第81張畫面至第160張畫面的1s33為止是單腳支撐時相,圖2的下部第161張畫面至320張畫面2s67為止是雙腳支撐時相。從中可以看出,邁一步需要較長的時間。圖3表示的是有關(guān)“野馬分鬃”動作中的身體重心位置及足部(足跟)的移動軌跡分別在3個動作時相條件下動作解析的結(jié)果(被試者A)。圖3的3-1、3-1-a、3-1-b分別表示正面(XY平面)、上面(XZ平面)、側(cè)面(平面軸)。其中X軸是左右軸,Z軸是前后軸,Y軸是上下軸。圖3的3-1、3-2、3-3是分別表示連接、單腳支撐、雙腳支撐動作時相的最后一個簡圖。圖3的3-1、3-1-a、3-1-b分別表示“野馬分鬃”動作的開始要邁出去的腳離地之前的三維圖像。軀干部的黑圓點表示身體重心,連接在一起的黑線表示身體重心移動軌跡。圖3-2、3-2-a、3-2-b表示單腳支撐動作結(jié)束時相,即表示左足離地至足跟著地為止。圖3的與足跟連接在一起的黑線是足跟的移動軌跡。圖3的3-3、3-3-a、3-3-b表示雙腳支撐時相的結(jié)束。從三維圖像解析的結(jié)果中可看出,太極拳邁出腳步的方法和腳步移動時身體重心位置的特征。左足跟的移動軌跡沒有任何變化,但軀干部的身體重心軌跡卻有變化。將此現(xiàn)象跟單腳支撐時相連貫觀察,不難看出身體重心是左足跟著地以后開始移動的,這是進行圖像解析的2名被試者共同的動作特點。從圖像解析中可見,邁出的步法具有明顯特征。圖3的3-2-a表示邁出的腳的足跟著地時的俯視圖,腳是向斜方向邁出的。圖3的3-3-a表示雙腳支撐時相結(jié)束時的俯視圖,從右腳開始移動的身體重心軌跡是向斜方向的。2.3a型“云手”動作太極拳特征之一是帶有回轉(zhuǎn)運動動作。圖4表示通過解析所獲得的回轉(zhuǎn)運動特征的三維圖像。圖4的4-1、4-2、4-3是被試者A的“云手”動作,表示在XY平面、XZ平面、YZ平面上的左右肩部的移動。相對大的黑圓點表示右肩,則小的黑圓點表示左肩,直線表示左右肩的連線。4-2、4-3表示動作伴隨左右回轉(zhuǎn)。圖4的4-1-a、4-2-a、4-3-a分別表示被試者A做“云手”動作時,在XY、XZ、YZ平面上的身體各部位的移動軌跡特征,表示身體各部位圓滑的畫弧。2.4重心移動速度特征表2表示對2名被試者進行解析的3個動作在X(左右)軸、Y(上下)軸、Z(前后)軸上的身體重心移動的平均速度和各動作3個時相中的平均速度。解析的結(jié)果顯示,被試者A、B同樣在X軸上的速度為最快,其次是Z軸上,再次是Y軸上。X軸上最快的速度兩者同樣出現(xiàn)在雙腳支撐時相上,Y軸上最快的速度出現(xiàn)在單腳支撐時相上,Z軸上最快的速度出現(xiàn)在雙腳支撐時相上。3個動作趨于同樣的傾向。重心移動速度是在各個動作的各個時相X、Z軸上為最快,其次是連接動作時相,再次是單腳支撐時相。在Y軸上重心移動速度的快慢順序是“野馬分鬃”、“云手”、“單鞭”。3個動作同樣為單腳支撐時相,連結(jié)動作時相,雙腳動作時相。被試者A、B在3個動作中趨向一致。2.5縱軸的位置表現(xiàn)圖5表示“野馬分鬃”動作中身體重心在三維上的位置變化。橫軸表示時間,縱軸表示身體重心位置的變化。在X軸(左右)上的位置變化最大(0.512m),其次是Z軸(前后)上的位置變化(0.256m),Y軸(上下)上的位置變化最小(0.091m)。被試者A、B在3個動作中趨向一致。2.6身體重心位置圖6表示“野馬分鬃”動作中膝關(guān)節(jié)角度變化狀況(被試者A)。膝關(guān)節(jié)角度是直立姿勢視為180°。被試者A在“野馬分鬃”動作中,以左膝右膝順序,膝關(guān)節(jié)的平均角度130±23°和136±15°,“云手”動作中146±15°和125±19°,“單鞭”動作中131±21°和134±18°,被試者B分別為144±19°和128±16°,125±19°和134±21°,147±25°和129±19°。被試者A、B在3個動作中的身體重心位置的變化:被試者A直立姿勢時身體重心高為0.97m,在“野馬分鬃”動作中身體重心高為0.81±0.03m,“云手”動作中為0.84±0.02m,“單鞭”動作中為0.85±0.01m;被試者B直立姿勢時身體重心高為0.95m,在實際動作中同上次序分別為0.87±0.03m,0.87±0.02m,0.90±0.01m。3分析與討論3.1單腳支撐時相特征圖1(被試者A)表示完成24式太極拳的各個動作及各個動作時相的時間分布,表1表示被試者A、B在各個動作時相所用總時間和所占比例及完成24式太極拳所用的總時間。從完成24式太極拳所要時間和3個動作時相的時間比例看,雙腳支撐時相所占時間最長,其次是連接動作時相,最后為單腳支撐時相。從表1中可以看出,被試者A、B的單腳支撐時相所占時間比例分別為28.0%和25.9%。但是,如將雙腳支撐時相中的虛步部分看成為單腳支撐時間相加,被試者A的單腳支撐時間的和為87.7s,占整個時間的32.2%;被試者B是127.9s,占整個時間的31.7%。這就是單腳支撐身體重量的總時間。這一現(xiàn)象意味著太極拳幾乎1/3的時間是在單腳支撐姿勢條件下完成的。從物理學(xué)的角度看,人體的直立姿勢支撐面積小,身體重心位置高而處于很不穩(wěn)定的狀態(tài)。太極拳動作1/3的時間是在身體姿勢很不穩(wěn)定的狀態(tài)下進行的,這是太極拳的動作特征之一。3.2腳和腳運動軌跡圖3的3-1、3-1-a、3-1-b表示要邁出去的左腳離地以前,把身體重心移動到右腳,并以右腳支撐身體重心的時相;圖3的3-2、3-2-a、3-2-b表示單腳支撐時相結(jié)束,即左腳離地、邁出、著地的時相。從三維角度觀察單腳支撐時相的軀干部分的身體重心軌跡,很容易看出腳跟的移動軌跡。這一現(xiàn)象表明,在右腳支撐身體保持身體重心平衡的狀態(tài)下邁出了左腳,體現(xiàn)在2名被試者分別在“野馬分鬃”、“云手”、“單鞭”3個動作中。這樣的腳步移動形式可認為是太極拳特有的特征。通過圖3的3-3、3-3-a、3-3-b表示的身體重心軌跡和腳跟軌跡的結(jié)果,可見身體重心是單腳支撐時相結(jié)束后開始移動的。如圖3-3-a所示,腳是向斜方向邁出的。這一現(xiàn)象可理解為腳著地后擴大重心的支撐面,提高前后左右穩(wěn)定性的步法,可認為是太極拳動作步法的特征之一。圖4的4-1、4-2、4-3表示“野馬分鬃”動作中兩肩部的正面、上面、側(cè)面運動變化過程。表明太極拳動作過程伴隨著軀干部的回轉(zhuǎn)動作。圖4的4-1、4-1-a、4-1-b表示“野馬分鬃”動作中身體各部分的正面、上面、側(cè)面上的運動軌跡。表明太極拳是一個身體各部位移動協(xié)調(diào)配合的全身運動。特別是上下運動幅度小,上肢的運動范圍大,并且運動軌跡呈圓弧型。3.3重心速度的變化從表面上看,太極拳運動身體各部分相對運動比較緩慢是其特征之一。競技太極拳的演技時間在規(guī)則上有規(guī)定,少或多于規(guī)定時間都會被減分。為健康、休閑而進行的太極拳卻沒有時間的限制,而且在時間的問題上,根據(jù)具體情況有一定的爭議,一般認為練習(xí)24式太極拳,4-8min最為合適。從表2可以看出,連接動作、單腳支撐、雙腳支撐時相中的身體重心移動速度在3個動作中基本一致。把這個速度與成年人的普通步行速度1.39±0.23m/s相比,只有其1/7。被試者A、B在3個動作的各個動作時相中的重心移動速度,雙腳支撐時相最快,其次是連接動作時相,最后為單腳支撐時相。連接動作時相的重心移動速度相對慢于雙腳支撐時相的主要原因,可以認為該時相是要邁出腳離地前的準備階段,即從雙腳支撐重心變?yōu)閱文_支撐過程階段,邊保持穩(wěn)定性、邊移動重心階段。單腳支撐時相中重心移動速度慢的原因,可以認為該時相是以單腳支撐重心并保持動態(tài)平衡的前提下,把另一腳緩慢邁出著地階段。雙腳支撐時相平均速度雖然相對較快,但不是自始至終都是快的。邁出的腳著地以后,前一半速度較快,后一半緩慢地做出該動作的造型而速度減慢。總之,被試者A、B在3個動作的各個動作時相中重心速度變化類型趨向一致。從圖5可以看出,身體重心移動變化是在X軸上最大,其次是Z軸,在Y軸上的變化最小。Y軸上移動變化小表示在保持一定的重心高度的狀態(tài)下進行動作。要保持一定的重心高度(圖6),需要兩腳膝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合。陳凈等研究認為,能否保持一定的重心高度,可以作為衡量太極拳練習(xí)者水平高低的主要因素之一。3.4神經(jīng)肌肉制約機制成熟后表現(xiàn)為單腳運動和直線姿態(tài)通過動作解析獲得的太極拳動作特征,與平衡機能有關(guān)的要素中太極拳動作的緩慢性和單腳支撐時間長的特征具有重要的意義(圖1,表1,表2)?！叭说纳眢w運動中,有兩種運動狀態(tài)。其一是動的運動(DynamicMovement),其二是靜的運動(StaticMovement)。動的運動的極限之中有著快速運動,則靜的運動極限之中有著慢速運動”。一般來講,人做移動運動時,相對快速運動中容易保持一定的平衡,而在慢速運動中相對難以保持平衡。人在發(fā)育過程中,緩慢的運動是神經(jīng)肌肉制約機制成熟后才能表現(xiàn)。幼兒出生后,12個月左右開始從坐位姿勢到可以站立,從用手扶墻走路到不用手扶物走路,進行很不定型的步行。中樞神經(jīng)系統(tǒng)感覺綜合控制機能尚未成熟,幼兒的步行特征表現(xiàn)為單腳支撐期短、步頻快、兩腳間的距離寬。因為在單腳支撐控制機能未成熟的情況下,擴大兩腳之間的距離,相對快速地移動腳步保持動態(tài)平衡。中村、齋藤研究認為,幼兒到3歲可單腳站立,到了6歲步態(tài)變成成人步型。換言之,人必須要等到神經(jīng)肌肉控制機制成熟后,才可以控制緩慢的動作?？梢酝普?提高緩慢的動作控制能力,能夠提高保持直立姿勢的控制能力,同時緩慢的移動運動可以改善神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的控制機能。人的直立姿勢是在各種各樣的反射和感覺器官的參與下維持的,維持直立姿勢的抗重力肌肉的作用很重要。特別是控制肌肉的收縮和伸展以及感覺肌肉緊張度變化的本體感覺機能非常重要。渡部曾經(jīng)論述過有關(guān)維持直立姿勢中的“α-γ聯(lián)合”神經(jīng)機制的作用,并提出要對參與本體感覺器活動的γ神經(jīng)作用引起重視。即γ運動神經(jīng)是調(diào)節(jié)本體感覺器的緊張程度,在肌肉收縮的情況下,不