第三章骨、肌肉的力學(xué)特性及人體基本活動形式

體育運動中引起人體活動的外力，主要是通過肌肉活動使人體與外界相互作用而產(chǎn)生的。因此人體運動器官的力學(xué)性質(zhì)以及人體基本活動形式特征是運動生物力學(xué)的重要組成部分。

第一節(jié)骨的生物力學(xué)

骨骼系統(tǒng)的作用是保護內(nèi)臟器官，為肌肉提供堅強的支撐及附著部位，以利于肌肉及人體運動。所以骨骼系統(tǒng)具有支撐、保護和運動機能。

一、骨的力學(xué)性質(zhì)

(一)骨的應(yīng)力——應(yīng)變曲線

圖3—1表示某一韌性材料的假想載荷—變形曲線。在曲線的彈性范圍(A—B)內(nèi)加載，卸去載荷后結(jié)構(gòu)可以復(fù)原，即不發(fā)生永久性變形。如繼續(xù)加載，材料最外層的纖維在某一點(B)上開始屈服，此點稱為屈服點。載荷繼續(xù)增加超過屈服點而進入曲線的非彈性(塑性)范圍，將造成永久性變形。如在非彈性范圍繼續(xù)加載，則達到結(jié)構(gòu)的極限斷裂點(C)。

載荷——變形曲線顯示出確定結(jié)構(gòu)強度的三個參數(shù)：①結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受載荷；②結(jié)構(gòu)在破壞時發(fā)生的變形；③結(jié)構(gòu)在破壞前所能貯存的能量。在曲線圖上，由載荷與形變所表達的強度，用極限斷裂點來表示。由能量貯存所表達的強度，則以整個曲線下方的面積大小來表示。此外結(jié)構(gòu)的剛度，則用彈性范圍的曲線斜率表示。

圖31某一韌性材料的載荷——變形曲線

圖3—2拉伸試驗時皮質(zhì)骨的應(yīng)力——應(yīng)變曲線

注：(1)強度：材料或構(gòu)件受力時抵抗破壞的能力，用極限應(yīng)力表示。

(2)剛度：物體在受載時抵抗形變的能力。剛度大則形變小。

載荷——變形曲線可用于測定大小不同、形狀和性質(zhì)不同物體的強度和剛度。當檢查某一確定材料的力學(xué)性能，以及比較不同材料的力學(xué)性能時，必須使試件和試驗條件標準化。當測試標準大小和形狀的試樣時，可測定單位面積上的載荷以及用長度來表示形變量。所繪制的曲線稱為應(yīng)力——應(yīng)變曲線。應(yīng)力表示結(jié)構(gòu)內(nèi)某一平面對外部負荷的反應(yīng)，用單位面積上的力表示。測定骨試樣的應(yīng)力最常用的單位是牛頓／平方厘米。結(jié)構(gòu)內(nèi)某一點受載時所發(fā)生的變形稱應(yīng)變。應(yīng)變有兩種基本形式：法向應(yīng)變?yōu)殚L度的改變，剪應(yīng)變?yōu)榻嵌鹊母淖儭?/p>

將一骨組織的標準試件置于夾具中加載至破壞，即可獲得骨的應(yīng)力和應(yīng)變值。所形成的變形可在應(yīng)力——應(yīng)變曲線中表示出來(圖3—2)。應(yīng)力——應(yīng)變曲線各區(qū)與載荷——變形曲線相似，在彈性范圍內(nèi)的載荷不會造成永久性形變。然而一旦超過屈服點，則將發(fā)生永久性變形。骨的剛度以曲線在彈性范圍的斜率表示。若以能量貯存的方式表示強度的話，則以整個曲線下的面積來表達。(二)骨的強度

骨的力學(xué)性質(zhì)受多種因素影響，如種族、性別及年齡等。甚至同一根骨的不同部位，其性質(zhì)也不同。與其它材料相比較，骨的密度比鋼小得多，它的強度雖小于鋼，但比花崗巖、洋松要大得多(表31)。說明骨作為人體的建筑材料是合乎理想的：強度大、重量輕。股骨骨密質(zhì)的強度，在30～40歲時最高，隨著年齡的增長而相應(yīng)減小(表3—2)。

不同骨的抗拉強度差別較大，肱骨的抗拉強度較高(10．5公斤／平方毫米左右)，股骨及脛骨較低(8公斤／平方毫米)。

表3-1

人脛骨試驗結(jié)果與其它材料比較鋼骨花崗石洋松密度(克／厘米)3

沿縱軸的最高張力強度

(千克／厘米2)

沿縱軸的最高壓力強度

(千克／厘米2)

垂商縱軸的切變強度

(千克／厘米2)

平行縱軸的切變強度

(千克／厘米2)7.8424042403510————1.87～1.97930——12001270-—-210011905052.650

1350141——O．6364.5

424106——

表3-2

股肌干骨骨密質(zhì)強度(A·c·OocCOB)年齡組骨的沖擊韌性系數(shù)公斤／厘米2屈曲強度公斤／厘米2壓縮強度公斤／厘米2第一組，30～40歲

第二組，75～82歲

第三組，83歲以上9.5

5.1

2.7384

158

1061435

962

660

但不同骨的抗壓強度差別較小。顯然，這是符合它們的功能的。對骨骼不同部位的強度與密度的研究表明，密度和強度之間不完全一致，約只有40％強度差別可用密度解釋。因此強度的差別還與骨結(jié)構(gòu)形式的不同有關(guān)。

二、骨骼受力形式與表現(xiàn)

(一)不同載荷下骨的表現(xiàn)

力和力矩自不同方向施加于骨上，生生拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)和復(fù)合載荷(圖3—3)。

拉伸：拉伸載荷是自骨的表面向外施加相等而相反的載荷，在骨內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和應(yīng)變。拉應(yīng)力可看做許多自構(gòu)件表面向外的內(nèi)力。骨在拉伸載荷作用下伸長同時變細。骨組織在拉伸載荷下斷裂的機理主要為結(jié)合線的分離和骨單位的脫離。如小腿三頭肌的強力收縮，對跟骨產(chǎn)生異常高的拉伸載荷，可使跟骨出現(xiàn)撕脫性骨折。

圖3—3不同載荷形式示意圖

壓縮：壓縮載荷為加于骨表面的相等而方向相反的作用載荷。在骨內(nèi)部產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和應(yīng)變。壓縮應(yīng)力可看做許多自表面向骨內(nèi)的小應(yīng)力。在壓縮載荷作用下，骨縮短和變粗。

骨組織在壓縮載荷下破壞的機理主要是骨單位的斜行劈裂。關(guān)節(jié)周圍的肌肉異常強力收縮，可造成關(guān)節(jié)的壓縮骨折。人體椎體在高壓縮載荷下可發(fā)生壓縮性骨折。

彎曲：使骨沿其軸線發(fā)生彎曲的載荷稱為彎曲載荷。骨在彎曲時同時受到拉伸和壓縮，拉應(yīng)力和應(yīng)變作用于中性軸的一側(cè)，壓應(yīng)力和應(yīng)變作用于另一側(cè)。而在中性軸上，沒有應(yīng)力和應(yīng)變?；r發(fā)生的“靴口”骨折是一個典型的三點彎曲骨折。當滑雪運動者向前跌倒時，滑雪屐的靴口頂端以上的脛骨受到一個彎曲力矩，而足與滑雪屐造成另一個與之相等的力矩。當脛骨上部向前彎曲時，拉應(yīng)力與應(yīng)變作用于骨的后側(cè)，壓縮應(yīng)力與應(yīng)變作用于前側(cè)。在成人骨骼破裂開始于拉伸側(cè)，因成人骨骼抗拉能力弱于抗壓能力，未成熟骨則首先自壓縮側(cè)破裂，在壓縮側(cè)形成皺曲骨折。

扭轉(zhuǎn)：載荷加于骨上使其沿軸線產(chǎn)生扭曲時，即形成扭轉(zhuǎn)。

剪切：剪切載荷作用時，載荷施加方向與骨表面平行，在骨內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。剪應(yīng)力可看做許多小的內(nèi)力作用于載荷平行的平面上。骨受剪切載荷時在其內(nèi)部發(fā)生角變形，直角變?yōu)殁g角或銳角。

骨的強度大小的排列順序是壓縮0拉伸、彎曲和剪切(圖3—4)。說明骨在承受壓力情況下不易破壞，承受張力及剪切力的情況下容易破壞。

復(fù)合載荷：在體骨的載荷是復(fù)雜的，主要原因有二：骨骼的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，且始終受到多種不定的載荷。近年來，有人在活體上測定行走和小跑時成人脛骨前內(nèi)側(cè)面的應(yīng)變，證明在這種日常生理性活動中載荷的復(fù)雜性(Langon等，1975)。Carrer(1978)按上述應(yīng)變測量結(jié)果計算了應(yīng)力值。正常行走時，足跟著地時為壓應(yīng)力，支撐階段為拉應(yīng)力，足離地時為壓應(yīng)力(圖3—5A)。在步態(tài)周期的后部分出現(xiàn)比較高的剪應(yīng)力，表示有顯著的扭轉(zhuǎn)載荷。這一扭轉(zhuǎn)載荷提示在支

圖3—4

(B)

圖3—5(A)

成人皮質(zhì)骨試樣壓縮、拉伸和剪切試驗時的極限應(yīng)力比較(ReikkY和Burstein的平均值，1975)。暗影區(qū)密度約為O.35的成人松質(zhì)骨拉伸和壓縮試驗時的極限應(yīng)力。(Carter，1979)撐時相和足趾離地時相脛骨外旋。

慢跑時的應(yīng)力方式完全不同(圖3—5B)。在足趾著地一名成人脛骨前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨在行走時的應(yīng)力計算，HS一跟著地，F(xiàn)F一全足放平，HO一跟離地，TO一趾離地，s一擺動。(B)一名成人脛骨前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨小跑時的應(yīng)力計算。TS一趾著地，TO一趾離地。(Lanyon等，1975)時先是壓應(yīng)力，繼而在離地時轉(zhuǎn)為高拉應(yīng)力，而剪應(yīng)力在整個支撐期間一直較小，表明扭轉(zhuǎn)載荷很小。(二)肌肉活動對骨骼應(yīng)力分布的影響

骨骼在體內(nèi)受載時，附著于骨骼的肌肉收縮可改變骨骼的應(yīng)力分布。肌肉收縮所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，與部分或全部拉應(yīng)力相抵，從而降低或消除加于骨骼上的拉應(yīng)力。

髖關(guān)節(jié)活動時，彎矩作用于股骨頸，而在股骨頸的上部骨皮質(zhì)處產(chǎn)生拉應(yīng)力，臀中肌的收縮產(chǎn)生壓縮應(yīng)力以抵消這種拉應(yīng)力，最終使上部骨皮質(zhì)既無壓應(yīng)力也無拉應(yīng)力產(chǎn)生(圖3—6)。因而，肌肉收縮比其他任何方式使股骨有可能承受很高的載荷。

圖3-6股骨頸受到彎曲時的應(yīng)力分布

A拉張載荷B壓縮載荷c彎曲載荷D扭轉(zhuǎn)載荷

圖3—7骨骼受力形式當臀中肌松弛時(A)，拉應(yīng)力作用于上部骨皮質(zhì)而壓縮應(yīng)力作用于下部骨皮質(zhì)。臀中肌收縮時(B)，拉應(yīng)力被抵消

(三)體育活動中骨骼的受力形式及其強度

在體育活動中，人體骨骼的受力形式是多樣的(圖3—7)，這使得骨本身對外力的抵抗能力也各不相同(表3—3)。

壓縮載荷：常見于身體處于垂直姿勢中，作用力從骨的端端作用于骨，一端是人體的重力和外加載荷的力，另一端是支撐反作用力(圖3—7B)，骨骼承受壓縮載荷的能力最強。

表3-3

人體骨骼紡度

單位：公斤屈曲強度支持強度骨名男女男女扭轉(zhuǎn)強度鎖骨10062192126?8肱骨27617460040橈骨1226833422012尺骨12588180——2901328股骨40026375689脛骨815506脛骨作用于側(cè)面27519048脛骨作用于前緣240～500腓骨453161496*骨骼強度：骨骼破碎時受力的大小

彎曲載荷：通常是在骨骼起杠桿作用時出現(xiàn)的。常見于肌肉力以及關(guān)節(jié)的壓力作用于骨上，使骨產(chǎn)生彎曲載荷．通常這種載荷骨骼都能承受，但突然非正常載荷或外來較大的沖力作用下骨骼易損傷。所以足球比賽中，規(guī)則上禁止踏蹬踢法。因為這種動作使對方運動員的脛骨受到彎曲載荷，容易產(chǎn)生彎曲性骨折；摔倒時用直臂撐地易造成骨折，其原因也在于此。

拉伸載荷：常見于身體懸垂姿勢中，骨的兩端受到反向的拉力(圖3—6A)。

扭轉(zhuǎn)載荷：常見于人體或局部肢體做旋轉(zhuǎn)動作時骨骼承受繞縱軸的兩個反向力矩的作用。骨骼的扭轉(zhuǎn)強度最小，因而過大的扭轉(zhuǎn)載荷容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)性骨折。如投擲標槍時，投擲臂的肘關(guān)節(jié)部位過低，遠離肩的外側(cè)經(jīng)過。因此三角肌前份的肌力與標槍的慣性力對肱骨縱軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，此力矩如果過大，則容易造成肱骨的螺旋形骨折。

載荷分靜力載荷與動力載荷。當身體處于靜止狀態(tài)時，骨骼承受靜態(tài)載荷，其載荷量值不變化，只要不超過骨的安全強度骨不會受傷。在運動過程中骨骼承受動態(tài)載荷。如從高處下落著地時的載荷往往是很大的。有時會超過骨的安全強度，使運動器系受傷。

連接各骨的軟組織(肌肉、關(guān)節(jié)囊、韌帶)以及軟骨在發(fā)生形變時，都會減小載荷的作用。如果沒有肌肉的緩沖作用，那么軟骨及韌帶就很容易受傷。三、機械應(yīng)力對骨結(jié)構(gòu)的影響

機械應(yīng)力與骨組織之間存在著一種生理平衡，在平衡狀態(tài)，骨組織的成骨細胞和破骨細胞的活性是相同的。當應(yīng)力增大時成骨細胞活躍，引起骨質(zhì)增生，承載面增大，使應(yīng)力下降，達到新的平衡。當應(yīng)力下降時破骨細胞再吸收加強，骨組織量下降，使應(yīng)力增加。因此骨能通過改變它的大小、形狀和結(jié)構(gòu)以適應(yīng)力學(xué)需要的功能進行重建。這種適應(yīng)性是按Wolff定律進行的，即骨骼在需要處多生長，而在不需要處多吸收。因此使骨組織量與應(yīng)力成正比。

如果活動減少或固定時，骨骼不再承受通常的應(yīng)力，骨膜和骨膜下發(fā)生再吸收(Jenkins和Coehran，1969)，強度和剛度減小。用全身石膏使獼猴制動60天。固定組與對照組獼猴椎體體外壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，固定組椎體的破壞載荷量和能量貯存能力減低3倍，剛度亦顯著下降。如骨骼反復(fù)受到正常生理范圍內(nèi)的高機械應(yīng)力，骨膜與骨膜下骨將發(fā)生肥大和骨密度的增加。波韋爾斯指出，機械應(yīng)力對成熟骨和有多個骨化中心的骨(即尚處在生長發(fā)育中的骨)的作用是截然不同的。拉希并進一步指出，外傷和過度訓(xùn)練會引起骺軟骨的過早愈合.第二節(jié)肌肉生物力學(xué)

肌肉是由蛋白質(zhì)組成的活機器，其功能是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。這一轉(zhuǎn)變過程是通過肌肉的收縮力做功實現(xiàn)的。完成動作技術(shù)的質(zhì)量與效果取決于肌肉的收縮力及收縮速度。因此下面將從力學(xué)觀點著重研究肌肉收縮力及速度等性能。

一、離體肌生物力學(xué)基礎(chǔ)

肌肉的力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，它跟組成肌肉各成分的力學(xué)

特性，以及肌肉的興奮狀態(tài)和疲勞有關(guān)。

運動生物力學(xué)是通過模型來研究人體結(jié)構(gòu)和機能特性的。肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型是建立于已有的對肌肉力學(xué)性質(zhì)的研究基礎(chǔ)之上的，我們用這樣一個模型來探討人體肌肉活動規(guī)律。

(一)肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型由三個元件組成，又稱三元素模型(圖3—8)。

這三個元件是以肌肉各組成部分對肌肉活動的作用為依據(jù)，對肌肉結(jié)構(gòu)進行簡化得到的。并聯(lián)彈性元

圖3—8骨骼肌的三元素模型

收縮元：它代表肌節(jié)中的肌動蛋白微絲及肌球蛋白微絲。興奮時可產(chǎn)生張力，稱主動張力。

并聯(lián)彈性元：代表肌束膜及肌纖維膜等結(jié)締組織。當被牽拉時產(chǎn)生彈力，稱被動張力。

串聯(lián)彈性元：代表肌微絲、橫橋及閏盤的固有彈性。當收縮元興奮后，使肌肉具有彈性。

整塊肌肉可認為是由許多這樣的模型混聯(lián)在一起構(gòu)成的。模型的串聯(lián)構(gòu)成肌肉的長度，模型的并聯(lián)構(gòu)成肌肉的厚度。整塊肌肉的力學(xué)性質(zhì)，就由這些模型組成的系統(tǒng)來描述。因此可把肌肉看成由多個模型的串聯(lián)與并聯(lián)而成。多個模型串聯(lián)而成的肌肉，當各個收縮元產(chǎn)生相同的收縮力時，每個模型受到的外力相等，也等于整塊肌肉兩端的外力。而肌肉的伸長或縮短的總長度卻等于各個模型伸長或縮短之和。由此可見，肌肉長度的增加，對其收縮速度有良好影響，但不影響它的收縮力。肌肉縮短時，如果各個模型產(chǎn)生同樣的變形，那么肌肉兩端的作用力是各個模型對其兩端作用力之和，而肌肉的變形與模型的變形相同。肌肉的圍度由模型的并聯(lián)成分構(gòu)成，因此，肌肉生理橫斷面的增加會導(dǎo)致肌肉收縮力的增加，但不會影響肌肉收縮速度。

(二)肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的性質(zhì)

肌肉將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槿梭w活動的機械能，是通過肌肉收縮做功實現(xiàn)的，并且肌肉收縮速度(其伸長或縮短值與時間的比值)對機械能產(chǎn)生重要影響。因此肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的性質(zhì)，將由肌肉張力——長度特性與肌肉收縮力——速度特性中表現(xiàn)出來。

1．肌肉張力——長度特性

依據(jù)肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的性質(zhì)，肌肉收縮時的總張力是由收縮元產(chǎn)生的主動張力和并聯(lián)彈性元、串聯(lián)彈性元產(chǎn)生的被動張力迭加而成的。因此肌肉力——長度特性是肌肉三元素力——長度特性的綜合表現(xiàn)。

(1)收縮元張力——長度曲線該曲線是通過將離體肌肉固定在若干個長度上，施加同樣的強度電刺激得出的(圖3—9)。

收縮元的張力隨長度變化，表現(xiàn)最大張力時的長度稱肌肉的靜息長度(圖3一lO)，約為平衡長度的125％。A——平衡長度B——靜息長度

圖3-9等長收縮過程中的張力——長度曲線。

圖3—10不同肌肉的長度同受力的關(guān)系因為此試樣為完整的蛙縫匠肌纖維，無載時肌纖維節(jié)長度為2．1μ，左側(cè)(OA，AB)為上升支，中央(BC)平坦，右側(cè)(cD)為下降支。下面給出了不同肌纖維節(jié)長度下，肌漿球蛋白絲和肌動蛋白絲的相對位置。(引自Gordon等，1966)

時肌微絲之間的橫橋聯(lián)系數(shù)目最多，因而收縮元可產(chǎn)生最大的張力。在大于肌肉的靜息長度時，隨著肌肉長度的增加肌微絲被拉開，橫橋聯(lián)系數(shù)目減小，張力跟著下降。達到極限時，橫橋無聯(lián)系，主動張力下降為零。當肌肉短于靜息長度時，橫橋重疊使其聯(lián)系數(shù)目減少，導(dǎo)致張力下降(圖3—9)。

(2)并聯(lián)彈性元被動張力——長度曲線這條曲線是通過對離體肌做不加電刺激的拉伸實驗得出的(圖3—10)。肌肉的平衡長度是指肌肉被動張力為零時，肌肉所能達到的最大長度。

并聯(lián)彈性元代表結(jié)締組織中的彈性纖維，因此它具有彈性，當受拉伸時產(chǎn)生彈力(被動張力)。由于結(jié)締組織類似粘彈性體，因此其被動張力與長度變化呈非線性關(guān)系。

(3)肌肉總張力——長度曲線?由肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的性質(zhì)，人們可以推斷，在體肌活動時其主動張力和被動張力是同時存在的。因此在體肌的張力是主動張力和被動張力之和，并稱之為肌肉的總張力。所以把主動張力——長度曲線和被動張力——長度曲線迭加起來，成為肌肉總張力——長度曲線，并用這條曲線來描述在體肌的張力隨長度的變化情況(圖3一l0)。

肌肉的平衡長度的大小，對肌肉總張力曲線形狀的影響較大。如果肌肉結(jié)構(gòu)中結(jié)締組織較多(如羽狀肌)，則肌肉被拉伸時，并聯(lián)彈性元的被動張力能較早地出現(xiàn)，因此此類肌肉的平衡長度較短。因而被動張力能較早地出現(xiàn)，對肌肉結(jié)張力的貢獻較大。如下肢肌大多為羽狀肌，其總張力曲線如圖3—10a所示。而上肢肌中羽狀肌較少，其總張力——長度曲線如圖3—10b所示。

下肢肌中羽狀肌較多，由于其經(jīng)常抵抗重力作用，亦稱抗重力肌。由于該類肌肉有較多的被動張力參與肌肉的總張力，因此肌肉的這種結(jié)構(gòu)特點，在人體活動時節(jié)省了能量。

2．肌肉收縮力——速度特性芬恩·馬奇(1935)首次提出了肌肉收縮力與速度之間關(guān)系曲線的明確形狀。但是著名的還是希爾(Hill，1938)方程。希爾的經(jīng)典性工作奠定了骨骼肌的力學(xué)基礎(chǔ)。他取青蛙的縫匠肌為試樣，兩端夾緊，保持其長度為以足夠高的頻率和電壓加刺激，使之攣縮產(chǎn)生張力。然后將肌肉一端松開，使其張力下降為T(T<)，則肌肉以速度V縮短。希爾不僅測定了T、V與的聯(lián)系，還測定了肌肉縮短時產(chǎn)生的熱量，以及維持攣縮狀態(tài)所需的熱量。

希爾依據(jù)熱力學(xué)第一定律對實驗結(jié)果進行分析得方程

這就是著名的希爾方程，并因此得諾貝爾獎。

從力學(xué)觀點來看，希爾方程描述了骨骼肌收縮時的力——速度關(guān)系。顯然，張力愈大，縮短速度越小。反之亦然。因此希爾方程亦可寫成如下形式：

若T=O，則V達其最大值。

攣縮狀態(tài)的蛙縫匠肌快速釋放實驗中測得的等張收縮時T，V數(shù)據(jù)與Hill方程相比較。(引自Hill，1938)

雖然以后希爾(1964)發(fā)現(xiàn)，參數(shù)a在上述方程中并非常量(比較準確的表示式是a=O.16T0+0.18T)。但這并沒有根本改變大阻力狀態(tài)下能量釋放速度取決于肌力的這種關(guān)系。

肌力隨肌肉收縮速度的增加而下降的原因是由于收縮元中的橫橋斷開與聯(lián)系時損失肌力，以及收縮元和結(jié)締組織中的流體粘滯性。因此隨著收縮速度的增加，需要更大的內(nèi)力克服這些粘滯阻力，并造成肌肉張力更明顯的下降。

二、在體肌收縮生物力學(xué)

(一)肌肉的激活狀態(tài)

在神經(jīng)脈沖的影響下，肌肉的收縮成分出現(xiàn)激活狀態(tài)。因此把肌肉興奮時其收縮成分力學(xué)狀態(tài)的變化稱肌肉的激活狀態(tài)。

由肌肉激活狀態(tài)過程示意圖說明，興奮后肌肉能迅速地達到激活狀態(tài)的高峰，但整塊肌肉張力的發(fā)展過程要慢得多(圖3一12)。依據(jù)肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的原理可知，這是由于肌肉進入激活狀態(tài)后，收縮元興奮產(chǎn)生的張力，起初被其串聯(lián)的串聯(lián)彈性元的形變所緩沖。當串聯(lián)彈性元的形變及張力進一步發(fā)展，整塊肌肉的張力達到一定程度后，收縮元的主動張力才能直接對肌肉起止點施力，表現(xiàn)出肌肉收縮力(圖3—13)．

圖3-11

圖

3-12肌肉激活狀態(tài)同張圖3-13肌肉受激發(fā)時的力學(xué)效

力發(fā)展的順序

應(yīng)的順序性

加塞·希爾(1924)最早對肌肉激活狀態(tài)進行研究。他們的實驗方法是在肌肉受到刺激后的不同時間使肌肉受到突然拉伸。此時肌肉產(chǎn)生的拉力，明顯地超過了肌肉未被激活時的張力。這是因為處于激活狀態(tài)的肌肉，其收縮元的主動張力在此瞬時可以直接向外部表現(xiàn)出來。因此，激活狀態(tài)對完成動作起積極作用。實驗資料說明，跳遠運動員在做起跳動作前15～25毫秒，做起跳動作的肌肉已產(chǎn)生肌電活動，說明已處于激活狀態(tài)(但此時還沒有表現(xiàn)出肌肉活動)。這樣做可產(chǎn)生較大的起跳力。

(二)肌肉松弛

被拉長的肌肉，其張力有隨著時間的延長而下降的特性，這一特性稱肌肉松弛。這是肌肉中串聯(lián)及并聯(lián)彈性元屬粘彈性體的特性所決定的。

在完成動作過程中，當肌肉出現(xiàn)松弛現(xiàn)象時，會使肌肉的彈性力下降。如在做縱跳練習時，當下蹲到最低點停頓時間過長，由于出現(xiàn)肌肉松弛而使肌肉總張力下降。

下蹲之后有停頓和無停頓(不加擺臂)的縱跑實驗(其結(jié)果見表3—4)表明，有停頓的縱跳高度下降。其原因是停頓時肌肉及肌腱中的彈性成分產(chǎn)生了松弛。如果停頓時間大于肌肉松弛的出現(xiàn)時間，則肌肉所產(chǎn)生的彈性勢能，就會完全耗散掉，后繼動作就只能單純依靠肌肉收縮力來完成。

表3—4

停頓時間對原地起跳高度的影響

受試者體重

(千克)身長(厘米)停頓后的跳起高度(厘米)不停頓跳起高度(厘米)68.37±6.64176.39±5.0549.491±5.8653.23±6.47

(據(jù)B．M．扎齊奧爾斯基，受試者31人)(三)載荷對肌肉收縮力學(xué)特性的影響

在肌肉收縮時總會遇到一定的阻力，如肢體的慣性阻力，或者是肢體與加上外界載荷的阻力。

威爾基的實驗說明當載荷增大時肌肉收縮力學(xué)特性的變化如下(圖3—14)：

1．動作潛伏期延長。肌肉激活后收縮元的張力首先使串聯(lián)彈性元形變張力發(fā)生變化，因此肌肉張力的發(fā)展需要一個過程，只有當肌肉張力發(fā)展到大于其起止點的阻力時，肌肉才開始進行向心收縮產(chǎn)生動作使載荷產(chǎn)生位移。所以上述肌肉張力的發(fā)展過程的長短與載荷大小有關(guān)。載荷增大時張力發(fā)展所經(jīng)歷的時間長，肌肉收縮產(chǎn)生動作的潛伏期隨著載荷的增大而延長。

依據(jù)肌肉這一特性，在完成需要快速反應(yīng)和位移動作時，如100米的起跑，在“預(yù)備”時使伸下肢的各肌群產(chǎn)生“預(yù)張力”，這樣可以提高反應(yīng)速度和起跑能力。其原因?qū)嶋H上是在起跑前使肌肉處于活化狀態(tài)，預(yù)先提高了串聯(lián)彈性元及肌肉的張力。因而當運動員聽到“跑”的信號時，收縮元的主動張力“不再”被緩沖，而直接用于克服外界阻力了。因此提高肌肉的預(yù)張力可以縮短動作潛伏期。

2．收縮幅度減小。舉起輕載荷時比較容易，動作幅度也大。當載荷增加時幅度減小，直至增加到一定分量時，動作不能完成，肌肉不能縮短。

3．收縮速度下降。由實驗得出在零載荷時收縮速度最大，隨著載荷的增加收縮速度跟著下降，加至肌肉恰好不能舉起的重量時，收縮速度為零。希爾方程可定量地說明這一關(guān)系。

(四)肌肉收縮功·功率

肌肉可以把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。人體肌肉收縮是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變力熱和機械能的過程。在能量轉(zhuǎn)變過程中肌肉克服了阻力。使物體位移。因此肌肉做了功。肌肉在做等長收縮的過程中，物體不產(chǎn)生位移，沒有做功。但消耗了能量。做了工作。因此說肌肉做了“生理功”。

1．肌肉做功。通常講肌肉做功，是指肌肉做的機械功。肌肉做功與載荷及速度大小有關(guān)。載荷大時做功大．載荷小時做功小(圖3—15)。希爾方程說明，肌力與速度以及人體活動時，關(guān)節(jié)活動幅度及肌肉收縮幅度有一定的關(guān)系。

2．肌肉功率。人體活動能力的大小，體育成績的高低及動作技術(shù)質(zhì)量的優(yōu)劣，往往取決于完成動作過程中肌肉功率的大小。也就是說取決于肌肉的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的速度。

由功率的定義：

p=F·V

圖3-15不同載荷肌肉做功與

圖3-14外部阻力增大時肌收縮的基

圖3-16肌肉收縮速度及功率與肌肉拉力的關(guān)系

速度的關(guān)系(金子)

本特征的變化(據(jù)威爾基)

可知肌肉功率等于力與速度的乘積。所以功率大小可依據(jù)“力與速度”關(guān)系曲線計算。在此曲線每一點上的功率等于以該點和坐標原點為兩頂點的矩形面積(圖3-16)。假定肌肉收縮時力和速度同時達到最大值，這時功率應(yīng)是最大。但這是不可能，依據(jù)希爾方程可知，實際上功率最大值大約只有這種假想值的十分之一。即肌肉最大等長收縮力的三分之一與最大收縮速度三分之一的乘積。

功率曲線圖反映了功率與肌肉收縮力及速度的關(guān)系。當載荷為零時，肌肉表現(xiàn)出最大收縮速度，此時功效很小。隨著載荷的增加，肌肉收縮速度隨之減少，當處于三分之一最大收縮力與速度位置時，功率值最大(圖3-16)。然而隨著力與速度的進一步變化，功率開始減小。當阻力增大到肌肉不能縮短時，速度為零。不做功，所以功率為零。如果載荷繼續(xù)增加，肌肉由等長性收縮變?yōu)橥俗屝允湛s。此時肌肉做負功。但肌肉的負功率隨著退讓性收縮速度的增加而加大。這是由于退讓或收縮時，肌力與速度的變化趨勢是一致的。

3．肌肉功率的性別、項目差異男女在形態(tài)及機能方面存在著差異，如形態(tài)方面女子比男子低3％～10％，機能方面低20％～50％，因此在肌肉功率方面亦存在性別差異(表3—6，圖3-17)。另外，由于從事不同專項的運動員，因其先天因素的不同，以及不同項目運動訓(xùn)練的適當性結(jié)果，因此在肌肉功率方面也表現(xiàn)出專項特點。下面引用金子(日)的實驗結(jié)果加以具體說明。(1)性別差異：在最大瞬時功率方面，男子約大于女子50％。產(chǎn)生差別的原因一方面是女子產(chǎn)生肌力比男子低40％～50％，另一方面肌肉收縮速度女子也比男子低(表3—5)。在阻抗載荷大時，這種差別愈顯著。相反阻抗載荷越輕時，其差異也愈明顯縮小。如由力——速度曲線圖可見，在接近零載荷時，幾乎不存在性別差異。(2)專項差異：由不同距離賽跑運動員的測試材料說明，短跑選手的伸膝功率最優(yōu)。若以短跑選手的最大功率為100，則中距離選手為80，而長距離選手為70。

圖3-18F—V，F(xiàn)—P曲線的專項差異

由力一一速度曲線看出，曲線由高到低的排列順序是短跑、中距離及長距離跑。他們的最大肌力比為100：80：70，最大速度比為100：75：70。

由短跑與跳高選手的實驗材料說明，兩組受試者的最大功率相接近，但其最大瞬時肌力和速度則有差異。短跑組的特點以發(fā)揮速度占優(yōu)勢，而跳高組則以發(fā)揮力量占優(yōu)勢。

以上功率指標的專項性差異進一步說明，運動員進行專項運動素質(zhì)練習(用于提高運動技術(shù)和基本動作的運動素質(zhì)的練習叫專項運動素質(zhì)練習)時，如果這一類練習的生物力學(xué)特征同比賽動作相接近，就能較好地起到它們的作用。從運動生物力學(xué)觀點來看，這些練習必須遵循所謂動態(tài)適應(yīng)性原則(據(jù)維爾霍山斯基)。在以下方面都必須與比賽動作相適應(yīng)。

①動作的幅度與方向；

②運動的有效幅度及重點區(qū)；

③作用力(或肌力)的大??；

④最大作用力的發(fā)揮速率(或叫力的梯度)；

⑤肌肉工作形式。

例如，在田徑運動訓(xùn)練中，假如采用站立姿勢用抬腿舉杠鈴片發(fā)展屈大腿肌力，那么在這種練習中無論動作幅度，還是動作重點區(qū)，都不符合跑、跳項目的技術(shù)要求。實際上跑、跳當中大腿屈肌的工作重點區(qū)在大腿前擺的開始階段，此時的髖關(guān)節(jié)角度為2100角。但在站姿做抬杠鈴片練習時屈髖重點區(qū)在1000左右。因此采用仰臥抬腿練習，更加適應(yīng)上述要求(圖3—19)。（五)肌肉與腱的生物力學(xué)性能對運動的影響

完成體育動作時的力、速度和動作的經(jīng)濟性，因運動員成功地運用自身運動器官的生物力學(xué)性能而得以改善。動作的力和速度因利用肌肉彈力而得以提高，而動作的經(jīng)濟性則依靠機械能的再利用和減少耗散性損失來達到。

圖3—19運動素質(zhì)動態(tài)適應(yīng)性原則示意圖(依維爾霍山斯基)

圖3—20立定向上跳起(不準擺臂)的高度同跳下

左圖為跑、跳屈大腿的有效范圍

高度之間的關(guān)系

右圖為動作重點區(qū)選擇得比較合理的練習

在肌肉和肌腱中，可以儲存足夠多的形變勢能(表3—6)。但在做動作之前，必須給予附加外力拉伸肌肉，因此肌肉在完成基本動作之前給予“預(yù)張力”，這樣就使肌肉及肌腱中的彈性勢能達到足夠大的值。因為給予肌肉一個最佳拉伸力和拉伸速度，后繼動作才能達到理想結(jié)果，現(xiàn)以從不同高度跳下后作立即向上跳起(跳深練習)所測得的高度作例子來加以說明(圖3—20)。從不同作者的實驗結(jié)果來看，在60厘米

作

者研究對象運動項目例

數(shù)儲積的能量(焦耳)肌肉肌腱總計卡瓦納1970腓腸肌和跟腱直

腿足尖腿545亞歷山大等，1977下肢肌和跟腱3.9米／秒定速跑14.1～8.34246～50泰斯等，

1975腓腸肌

和跟腱向上腿1162.744.1阿魯因

等，1970下肢肌負重下蹲

不負重下蹲5

5730

394

小三角為科米，博司科(1978)的材料(n一16)

1．增加動作的力和速度?眾所周知，作縱跳時若下蹲到最低點稍事停頓，跳起的高度要低于不停頓立即起跳所達到的高度(表3—4)。這是因為第二種做法運用了肌肉預(yù)拉伸和預(yù)加載荷所產(chǎn)生的形變勢能(阿斯穆先等，1974)。第一種做法是由于稍事停頓，使肌肉產(chǎn)生松弛的結(jié)果。

2．提高動作的經(jīng)濟性在周期性運動中，肌肉及腱形變勢能的再利用，大大地節(jié)省了能量消耗(泰斯，1972；A．C．阿魯因等，1977)。如運動員在做基本動作之前，往往有一個反向動作作為前導(dǎo)(向上跳之前做下蹲，向前投擲前的向后預(yù)擺等)。前導(dǎo)動作使得即將完成的基本動作的肌肉被拉伸，從而積累了形變勢能(圖3—21)。這份能量在后繼的基本動作中轉(zhuǎn)化為動能。這種非代謝能對于保證基本動作所需的總能量貢獻愈大，代謝能的需要量愈少，因而完成這一動作的經(jīng)濟性越高。有充分的根據(jù)認為，人類的跑動和袋鼠的跳躍具有高度經(jīng)濟性的原因，是彈性能的再利用(道森等，1973)。丘巴(蘇聯(lián))

圖3—21

蹬地時肌肉的彈性形變(據(jù)埃爾福特曼，1966)

一腿著地時比目魚肌被拉長(A)，儲積彈性形變能

(B)，并將此能量轉(zhuǎn)移到蹬地的第二時相(C)

的實測材料說明，在蹬地過程中踝關(guān)節(jié)的活動幅度雖然很大(340～380角)，但小腿三頭肌的收縮幅度卻很小，在緩沖階段只被拉長3～4厘米，而在蹬伸階段其長度幾乎不變。因此跑步的蹬伸與緩沖時，踝關(guān)節(jié)的活動是由小腿三頭肌腱的彈性形變與復(fù)原進行的。它可以在跑的制動階段，通過肌腱的形變而儲存能量，它能儲存制動階段人體能量損失的75％～90％。

怎樣證實在肌肉的拉伸(退讓式收縮)及后繼動作中發(fā)生了彈性勢能的儲存和再利用呢?如果能測得肌肉工作時的耗能，那就可以回答這個問題。實驗是這樣進行的：令受試者以不同形式做4分鐘連續(xù)跳。一種是下蹲到最低點后立即做蹬伸動作。另一種是下蹲后稍事停頓再做蹬伸動作。測定了這兩種情況下的能耗。實驗結(jié)果說明第二種連續(xù)跳的肌肉工作效率(做機械功對能耗之比)為13.75％。而第一種連續(xù)跳的肌肉工作效率為31.45％(A．c．阿魯因素，1977)。瑪格麗特(1963)的實驗也曾得出類似結(jié)果。

3．對沖擊載荷和振動載荷的緩沖：山地滑雪運動員身體各部位垂直于山坡方向的加速度，在足部可達100G(重力加速度)，而在頭部要小得多。原因之一是由于肌肉及肌腱的彈性形變起緩沖作用的結(jié)果。

(六)肌肉收縮形式與其性質(zhì)

道斯及卡伯奇等人對肘關(guān)節(jié)的屈伸活動進行肌肉力量的測定實驗，用以研究肌肉的不同收縮形式時其發(fā)揮力量的大小。實驗結(jié)果表明，在全運動幅度(50～1400角)中，屈前臂肌群的退讓式收縮力，顯著大于等長收縮力，等長收縮力又顯著大于向心收縮力(圖3—22)。

在屈肘關(guān)節(jié)成角時，退讓收縮力和等長收縮力都達到最大值，而向心收縮力的最大值是在角時出現(xiàn)的。這就是說，當肘關(guān)節(jié)屈成1000角時，前臂屈肌群可以表現(xiàn)出最大的阻力(退讓性收縮)，或保持最大的載荷(等長性收縮)。但只有當肘關(guān)節(jié)屈成角時，才能提起最大重量(向心收縮)。

圖3—22前臂屈、伸肌群各種收縮最大力量曲線

(道斯及卡伯奇，金季春提供)

肘關(guān)節(jié)的伸肌群的實驗結(jié)果，與屈肌群有較大差別。

體育活動中肌肉收縮形式是經(jīng)常變換的。如跳遠的起跳動作，在起跳腿著地后的緩沖階段，由于人體重力及慣性力等載荷力矩作用大于伸肌群的拉力矩，因此伸肌群被拉伸作退讓收縮；當膝關(guān)節(jié)達到最大緩沖時刻，上述兩力矩平衡，肌肉由退讓式收縮轉(zhuǎn)換為等長收縮；隨著動作的進行，當膝關(guān)節(jié)的伸展力矩大于阻力矩時，肌肉才由等長收縮轉(zhuǎn)為克制性收縮(圖3—23)。

由于肌肉在不同收縮形式時，其力量大小不同的特性，在做跳躍動作的緩沖階段，人們利用此動作階段中肌肉因作退讓式收縮，能發(fā)揮更大肌力的特性，可以在做起跳前及起跳的緩沖階段，借助增加助跑速度和做強烈的大幅度的肢體擺動動作，增大起跳力，提高起跳效果。

圖3—23踏跳時伸膝肌群的收縮形式A—B退讓收縮，B等長收縮，Bc克制收縮第三節(jié)人體基本運動形式

從運動生物力學(xué)觀點來看，可把人體看成是由上肢、頭、軀干及下肢組成的多環(huán)節(jié)鏈狀系統(tǒng)。它們的基本運動形式如圖3—24所示。

圖3—24人體基本運動形式

圖3—25上肢推(鉛球)動作

一、基本運動形式

(一)上肢基本運動形式

上肢的各種基本運動形式，是由上肢各環(huán)節(jié)共同參與下完成的，可歸納為三種。

1．推

在克服阻力時，由屈曲狀態(tài)變?yōu)樯煺箲B(tài)的動作過程稱為上肢推的基本運動形式。

如舉重、推鉛球、籃球的胸前傳球都屬于推的運動形式(圖3—25)。

2．拉

在克服阻力時上肢由伸展狀態(tài)變?yōu)榍鸂顟B(tài)的動作過程稱為拉的基本運動形式。

爬繩、劃船、游泳的劃臂動作為拉的動作形式。

某些體育動作技術(shù)中，往往包含了上肢的拉與推相結(jié)合的運動形式。如舉重的提鈴與上挺、撐竿跳高的引體與倒立推起等(圖3-26)。

某些動作是上肢處于伸直狀態(tài)完成推與拉的，如提鈴與體操的推馬動作，在完成動作過程中主要由肩帶及腕關(guān)節(jié)參

圖3—26拉與推相結(jié)合動作與活動。

圖3—27投球時身體各環(huán)節(jié)加速度變化(按E．H．Matbeeb)

(球重150克，成績95.20米。鏡頭3及4肩關(guān)節(jié)的加

速度迅速地由正變?yōu)樨撝?

3．鞭打

在克服阻力或自體位移的過程中，上肢諸環(huán)節(jié)依次加速和制動，使末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生極大速度的動作形式稱鞭打動作(圖3—27)。

在鞭打動作時，上肢首先向鞭打動作的反方向揮動，并處于較為屈曲狀態(tài)，然后上肢運動鏈的近端環(huán)節(jié)首先加速(轉(zhuǎn)動)，帶動上肢各環(huán)節(jié)依次加速與制動，形成類似于鞭打動作形式，并使末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生極大的運動速度。

(二)下肢基本運動形式

1．緩沖動作

在抵抗外力作用的過程中，下肢由伸展的狀態(tài)轉(zhuǎn)為較為屈曲狀態(tài)的動作過程稱下肢的緩沖動作(圖3—37，①一⑩)。

2．蹬伸動作

在克服阻力過程中，下肢由屈曲狀態(tài)，進行積極伸展的動作過程稱為下肢的蹬伸動作(圖3—37，⑩一⑩)。

3．鞭打動作

在完成體操擺動的振浪動作、自由泳的兩腿打水動作時，下肢各環(huán)節(jié)有類似于上肢的鞭打動作形式稱為鞭打動作。

(三)全身基本運動形式

在完成體育動作時，大都是由人體各部分，即上肢、下肢及軀干等各部分相互協(xié)作共同完成的，但身體不同部分所起的作用及活動方式不同，即有工作部分與配合部分，有主、有次之分。如跳高的起跳動作，主要由起跳腿完成，但同時身體的其他部分，如兩臂及擺動腿則以擺動動作配合及協(xié)助起跳動作的完成。起跳腿是完成動作的“工作”部分和“主要”部分，而兩臂及擺動腿則是動作的“配合”部分和“次要”部分。實際上“次要”部分并不次要，它對動作的完成起重要作用。因此全身基本運動形式，主要研究“工作”部分及“主要”部分活動時，其余環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合活動的形式及作用。

1．擺動

身體某一部分完成“主要”動作(如起跳動作)時，身體的另一部分(如兩臂及擺動腿)配合“主要”動作進行加速擺動動作形式稱擺動(圖3-37B)。

2．軀干扭轉(zhuǎn)

在身體各部分完成動作時，軀干上下兩肢同時繞軀干縱軸的反向轉(zhuǎn)動的運動形式稱軀干的扭轉(zhuǎn)(圖3—28)。

3．相向運動

人體處于無支撐的騰空狀態(tài)完成動作時，由于人體兩端均無約束，因此身體某一部分向某一方向活動(轉(zhuǎn)動)時，身體的另一部分會同時產(chǎn)生相反方向的活動(轉(zhuǎn)動)。因此，依據(jù)運動形式，把身體兩部分相互接近(或遠離)的運動形式稱相向運動(圖3—29)。

圖3—28跑步時軀干的扭轉(zhuǎn)

圖3—29仰臥起坐(表示相向運動)

二、人體基本運動原理

(一)杠桿原理

單個環(huán)節(jié)活動時，可用杠桿模型說明其活動規(guī)律與原理(圖3—30)。

圖3—30人體內(nèi)三類典型杠桿示意圖

圖3—31下肢復(fù)杠桿圖解

(二)復(fù)杠桿原理

當兩環(huán)節(jié)的夾角很大時，可用末端載荷復(fù)杠桿模型說明其活動(伸)原理(斯達西R．W．Stacy)。如大、小腿及上、前臂兩個環(huán)節(jié)，當膝關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)角很大時，其伸展活動符合末端載荷復(fù)杠桿原理(圖3—31)。

設(shè)蹬伸活動時，力p(由髖、踝雙關(guān)節(jié)肌產(chǎn)生)使膝關(guān)節(jié)向右移動時，促使股骨上端產(chǎn)生向上的舉力F。設(shè)AB=BC=L，膝關(guān)節(jié)角為2θ，當膝關(guān)節(jié)向右移動ds時，e增加為θ+dθ，則股骨上端位移為2dy。經(jīng)分析得：

上式說明，伸膝關(guān)節(jié)活動產(chǎn)生的舉力F，與力及膝關(guān)節(jié)角θ的關(guān)系。說明當膝關(guān)節(jié)接近伸直時tgθ值相當大，因此用很小的力，就可以產(chǎn)生很大的舉力F，所以復(fù)杠桿的機

(三)關(guān)節(jié)活動順序性原理

人體四肢由近端至遠端，各關(guān)節(jié)所配置的肌肉由強變?nèi)酰醇∪馍頇M斷面逐個減少(表3—7)。因此把所配置的肌肉生理橫斷面大的關(guān)節(jié)稱大關(guān)節(jié)，反之稱小關(guān)節(jié)。這與人體活動時各關(guān)節(jié)所遇到的阻力矩，由近端至遠端依次減少的情況是一致的。

表3-7上下肢各關(guān)節(jié)的肌肉生理橫斷面(厘米)

關(guān)節(jié)上肢下肢性別肩帶及

肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)男左右139.75139.6971.7976.3742.4346.58261.49213.42160.73161.44157.92155.48女左右89.3592.9750.7953.7531.1333.02142.26149.6292.3197.1394.1292.84

此表數(shù)據(jù)是根據(jù)北京體育學(xué)院解剖教研組于1960年在《北京體育學(xué)院》上發(fā)表的“人體肌肉生理橫斷面”論文資料經(jīng)統(tǒng)計而得。

由于上述結(jié)構(gòu)與功能條件，當人體活動時，在關(guān)節(jié)的活動順序方面表現(xiàn)出一定的規(guī)律。

1．大關(guān)節(jié)首先產(chǎn)生活動原理

當需要克服大阻力，或需要表現(xiàn)出大的運動速度時，運動鏈中各關(guān)節(jié)的肌肉雖然同時用力，但其中大關(guān)節(jié)總是首先產(chǎn)生活動，并依據(jù)關(guān)節(jié)的大小，表現(xiàn)出一定的先后順序。因此依據(jù)關(guān)節(jié)大小表現(xiàn)出大關(guān)節(jié)首先產(chǎn)生活動的順序性原理。

如由原地縱跳實驗中各關(guān)節(jié)角度變化曲線說明，在作縱跳時關(guān)節(jié)活動(伸展)的時間順序是：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)，最后是踝關(guān)節(jié)(圖3—32)。

圖3—32原地向上跳時關(guān)節(jié)活動順序(李亞茹)

圖3—33推(雙杠倒立屈體推起)

由于大關(guān)節(jié)的肌肉生理橫斷面大，產(chǎn)生的肌力矩也大。因此，在人體運動過程中，它能首先克服阻力矩，使環(huán)節(jié)產(chǎn)生角加速度運動，由轉(zhuǎn)動定律得到說明。

2．活動順序性原理的實際意義

在完成運動技術(shù)過程中，主動加強大關(guān)節(jié)用力，充分發(fā)揮大關(guān)節(jié)的潛力，有利于動作技術(shù)的完成。

如踝關(guān)節(jié)的力量為膝關(guān)節(jié)的80%，那么在跳遠起跳過程中，踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生蹬伸活動的時刻，必須晚于膝關(guān)節(jié)，在膝關(guān)節(jié)的活動基礎(chǔ)上進行。否則如果出現(xiàn)所謂的“提踵過早”，即踝關(guān)節(jié)先于膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展活動，說明膝關(guān)節(jié)肌力未能充分發(fā)揮，使起跳力減少，降低起跳效果。又如在做雙杠倒立推起練習時，動作的失敗往往是沒有充分發(fā)揮大關(guān)節(jié)(肩帶)肌肉力量。因此當進行到動作②時(圖3—33)，主動加強肩帶活動，充分發(fā)揮大關(guān)節(jié)肌力，容易完成動作。

3．小關(guān)節(jié)活動的重要性

在人體運動中，小關(guān)節(jié)具有重要作用。例如起跳、投擲等項目的結(jié)束動作，都是在小關(guān)節(jié)的參與下完成的。因此小關(guān)節(jié)活動直接影響動作質(zhì)量。如丘巴等人揭示出，在跳遠的起跳動作中，膝、踝兩關(guān)節(jié)輪流起主要作用。在起跳的緩沖階段，膝關(guān)節(jié)肌力矩大于踝關(guān)節(jié)。而在蹬伸階段，則踝關(guān)節(jié)肌力矩大于膝關(guān)節(jié)，此時膝關(guān)節(jié)的肌力矩為155牛頓米，而踝關(guān)節(jié)為228牛頓米。小關(guān)節(jié)的重要作用歸納如下：

(1)小關(guān)節(jié)是人體支撐點：小關(guān)節(jié)的強弱直接決定完成動作時支撐的穩(wěn)固性，決定人體上位環(huán)節(jié)作用力的效率。

(2)影響動作時間：小關(guān)節(jié)的強弱，決定它參與“工作”的早晚。如果其肌力矩強大，它可“提前”參與“工作”。從而縮短完成動作的時間，提高動作的速度。

4．關(guān)節(jié)活動順序性的專項特點

有些動作并不需要克服大的阻力，或產(chǎn)生極大的運動速度。因此依據(jù)不同運動項目需要，關(guān)節(jié)活動順序性，并非總是以大關(guān)節(jié)帶動小關(guān)節(jié)的原理進行，可以有多種配合方式。如游泳劃臂動作，先是肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)產(chǎn)生活動，做入水、抱水動作，然后才是大關(guān)節(jié)(肩帶)進行活動。

(四)鞭打動作原理

鞭打動作可使運動鏈末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生極大的運動速度和打擊力量。

人體四肢結(jié)構(gòu)類似于鞭子，它們近端環(huán)節(jié)質(zhì)量大，末端環(huán)節(jié)質(zhì)量小。因此在做鞭打動作時，鞭根(近端環(huán)節(jié))先加速揮動，獲得角動量。然后制動，在制動過程中，角動量向鞭梢(末端環(huán)節(jié))傳遞。由于鞭梢質(zhì)量較小，因此獲得較大的運動速度。

如正投球及投擲標槍時(圖3—34)，身體的軀干、上臂、前臂及手等環(huán)節(jié)依次加速與制動。當近端環(huán)節(jié)制動時，其角動量向鄰近的遠端環(huán)節(jié)傳遞。由于末端環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量很小，角動量的不斷傳遞結(jié)果，可使末端環(huán)節(jié)(如手)獲得很大的角速度及線速度。

在角動量的傳遞過程中，中間環(huán)節(jié)肌力矩(角沖量)的作用，使其遠端環(huán)節(jié)角動量的增加起重要作用。

圖3—34投擲標槍時身體各環(huán)節(jié)相對角速度變化曲線

須注意，在鞭打動作中近端環(huán)節(jié)的制動，并非以使該環(huán)節(jié)加速的主動肌群的對抗肌用力實現(xiàn)的，而是其遠端關(guān)節(jié)的肌肉用力，在其遠端環(huán)節(jié)產(chǎn)生角加速度運動時，所產(chǎn)生的阻力矩造成的(圖3—35)。

鞭打動作的力學(xué)原理如下：

近端環(huán)節(jié)用力，則：

則

圖3—36蹬地動作時各關(guān)節(jié)角度的變化

遠端環(huán)節(jié)加速度，對近端環(huán)節(jié)制動，

設(shè)角動量守恒

則

顯然ω>ω0，角速度增加的值為I1ω0/I2。

(五)緩沖與蹬伸動作原理

1．緩沖動作

在外力作用下，由伸展下肢的肌群作退讓式收縮完成的。人體運動器官的變形也是緩沖運作的一部分。緩沖動作的意義如下：

(1)減少外力作用在著地等動作的碰撞過程中，由于動作技術(shù)的規(guī)格化，因此人體動量變化往往是一定的。而緩沖動作的實質(zhì)是增加碰撞動作的作用時間，由動量定理可知，當動量變化一定時，力的作用時間延長，可減小外力對人體的作用。

當ΔmV=C

則Ft=ΔmV

(2)緩沖動作是完成動作技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，在完成起跳動作時，人們往往把緩沖動作作為準備性動作環(huán)節(jié)，從消極方面看待它。其實不然，在助跑速度一定時，跳遠、跳高成績?nèi)Q于起跳力中垂直分力的沖量大小。由跳遠起跳力中垂直分力沖量圖(圖5—4)說明，緩沖階段的沖量占總沖量的87％。其他動作技術(shù)也有類似情況，說明緩沖階段在完成動作技術(shù)中起重要的作用。

在動作技術(shù)的運動學(xué)特征方面，往往把膝關(guān)節(jié)緩沖角度的大小及緩沖階段的時間作為技術(shù)診斷的重要內(nèi)容。

(3)準備性動作蹬伸動作是緩沖動作的繼續(xù)，因此緩沖動作的作用還包括為后繼動作提供適宜的空間和時間以及各關(guān)節(jié)肌肉適宜的發(fā)力條件。如短跑運動員最大緩沖角，我國高水平運動員為角，美國4名高水平運動員為角。背越式跳高為角，俯臥式為角。

(4)非代謝能的利用

在緩沖階段人體運動的機械能，對完成緩沖動作的肌群做功(使上述肌肉拉伸或增加肌肉張力)，提高了肌肉及肌腱的彈性勢能。當緩沖動作結(jié)束轉(zhuǎn)為蹬伸時，由于肌肉的總收縮力增大，增大了肌肉所做的功。從而使人體獲得較大的動能。人體動量的獲得，并非完全是通過肌肉消耗能量物質(zhì)由肌肉的收縮元的收縮產(chǎn)生的，其中一部分是通過肌肉及肌腱中積蓄的勢能的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。如在短跑比賽時，腓腸肌被拉長3～4厘米，此時踝關(guān)節(jié)減小(緩沖)。在蹬伸階段小腿三頭肌的肌腹幾乎不變，以等長性收縮提高肌張力，而主要由肌腿及肌肉中彈性成分的復(fù)原進行蹬伸動作。

2．蹬伸動作

蹬伸動作原理遵循關(guān)節(jié)活動順序性原理。

蹬伸動作往往是緩沖動作的繼續(xù)，具有“跟隨”動作的性質(zhì)。

因此蹬伸動作是前一階段的動作的自然發(fā)展的表現(xiàn)，如跳高、跳遠蹬伸動作的肌肉用力，實質(zhì)上是緩沖階段肌肉用力的繼續(xù)，雖然肌肉收縮形式發(fā)生了變化，但運動員