手倒立动作掌指分区的力学分析

　　 (1.上海体育学院运动科学系，上海 200438；2.南京体育学院运动人体科 学系，江苏 南京 210014) 　　 　　摘 要： 为了分析专业运动员与非专业运动员掌指分区保持稳定的技术动作特征，得出影响手 倒立动作稳定性的生物力学因素。采用德国Novel Ｚebris平板式足底压力测试系统与南京 伟思16通道Thought表面肌电分析系统对六名体操专业运动员和八名体育教育专业的学生进 行了手倒立动作平衡稳定性的测试。结果发现：非专业运动员指间的力量比较薄弱，如在中 指上专业运动员左右R=0.991，P　　关键词：手倒立；稳定性；掌指分区；压力分布 　　中图分类号：G804.63 献标识码：A 章编 号：1007-3612(2009)03-0119-04 　　A Mechanical Analysis on Metacarpophalangeal Division of Handsta nd ONG Ya�wei 　　WEI Wen�yi YU Lu 　　(1. Shanghai Institution of Physical Education, Shanghai 200438 , China; 　　2.Department of Human Sports Science, Nanjing Institution of Ph ysical Education, Nanjing 210014, Jiangsu China) 　　Abstract: Purpose: to analyze characteristics of technical movement to maintain profession al athletes' and non�professional athletes' metacarpophalangeal division stable , and to find out biomechanical factors that affected the stability of handstand . Methods: The German Novel Zebris Flat plantar pressure testing system and the anjing Visto 16�channel Thought surface electromyography analysis system are u sed to test six professional gymnasts' and eight physical education students' ba lance and stability of handstand. Results: non�professional athletes' finger fo rces are relatively weak, such as professional gymnasts' middle fingers around=0.991, P　　Key words: handstand； stability； metacarpophalangeal division; pressur e distribution 　　 　　 手倒立是一种头向下，脚向上的支撑动作，在竞技体操、跳水等项目中，手倒立是使用率最 高的一个技术动作，手倒立作为一个技术动作，它既是竞技体操的基础动作之一，同时也是 初学者学习时的启蒙动作。 本实验研究，通过测力平板与表面肌电仪来分析得出影响手倒立 动作稳定性的生物力学因素，通过此项研究突破手倒立教学的瓶颈，从而更好地指导在校学 生怎样学好手倒立动作。 　　 　　1 研究对象与方法 　　 　　1.1 研究对象从南京体育学院2006级体育教学班的武术、体操、健美操三个类别的班级中共随机抽取8名 学生，江苏省体工队选取6名体操专业运动员来进行实验研究。总共抽取样本14人， 均为男生，专业运动员体重(55.68±3.72)kg，身高(165.33±3.14)cm；非专业运动员体重( 66.00±4.93)kg，身高(173.00±4.90)cm。体育教学班学生无手部畸形，测试期间手腕关节 活动正常，体操专业运动员无腕部受伤史。

　　1.2 研究方法 　　 1.2.1 测试程序 　　受试者按要求在Novel Ｚebris压力测试平 板上测试，所有受试者均在无外力辅助情况下 进行控手倒立，测量两手掌静态的掌、指部压力。受试者尽量保持身体稳定，每次采样，要 求保持倒立姿态5 s，专业运动员测试与非专业运动员相同，每名测试者共进行3次手倒立平 衡能力测试，选取最稳定的一次，再在此次测试中截取1 s的试验数据来进行分析。 　　1.2.2 测力平板测试 　　采用德国Ｚebris平板式足底压力测试系统(德国Ｎovel公司生产，传感器为４个/cm )测 试。系统在测试前经过动态标定，利用笔记本电脑和配套软件Ｚebris足底压力步态分析系 统、足平衡分析系统，测量并记录手掌接触面压力分布的轮廓和各种数据。将手掌分为图1 所示的九个区域，即1(大拇指)、2～5(食指～小拇指)、6(第2、3掌骨)、7(第4、5掌 骨)、8 (大鱼际)、9(小鱼际)，计算每个区域每次测量的平均峰力值(Max Force，MF)，以及影响平 衡动作稳定性的压力中心、椭圆面积、方向角等参数。 　　图1 手掌分区示意 　　 图2 手掌压力分布3D示意 　　1.2.3 表面肌电测试 　　1) 试验仪器：使用美国16通道Thought表面肌电仪记录分析系统采集前臂屈肌、前臂 伸肌、 肱二头肌、肱三头肌、三角肌、背阔肌、胸大肌和腹外斜肌的表面肌电信号，设定采样频率 为1 024 Hz。电极使用上海市励图医疗器材有限公司生产的LT-301型一次性Ag/AgCI皮肤表 面电极（电极直径为5 mm，交流拮抗≤3 KΩ）。 　　2) 测试肌肉与电极的安放：运动中对受试者前臂屈、伸肌、肱二头肌、肱三头肌、三角肌 、背阔肌、胸大肌和腹外斜肌进行表面肌电图的检测记录。通过12 bit模数转换器（A/D） 将采集的原始表面肌电信号进行整流滤波分析，并组建相关的模块求出相关的指标值。分析 时，选取每名受试者3次手倒立平衡能力测试中最稳定的一次，再在此次测试中截取1 s的实 验数据来进行分析。 　　1.2.4 数理统计法 　　实验所取得的数据首先用Excel软件进行统计，最终实验数据分析均采用SPSS 13.0统计软件 包完成，正态分布变量专业运动员与非运动员组间采用方差分析(ANOVA)，组间显著性标准 为P　　2 结果与分析 　　2.1 手掌分区力值分析由表1显示，专业运动员与非专业运动员前后掌力值分布的相关分析，可以看出专业运动员 与非专业运动员左右手在前掌均值、后掌均值、大鱼际上（近第二、三掌指关节处）、食指 、小拇指与全掌分布上p值均都小于0.05，其相关性具有统计学意义，而在中指上专业运 动员左右R=0.991，P　　如图3所示做手倒立动作时，手掌分区力值均数出现两个最大值，也就是承受身体重量最大 的地方。运动员做手倒立动作时承重主要在大鱼际和小鱼际上方(近第4、5掌骨部位)周围； 而非运动员做手倒立动作时承重主要在大鱼际和小鱼际部位。运动员在手倒立动作时，手掌 接触面积呈拱形，可以很好的控制前后方向与左右方向的身体重心的晃动；而非运动员在手 倒立动作时，只是在手的额状面上承重，不能控制前后方向身体重心的晃动。 　　 通过两者的比较，我们可以看出运动员不光能够通过控制大鱼际周围的肌肉（拇长屈肌、拇 短展肌、拇短屈肌）还能够通过控制指浅屈肌、指深屈肌的作用，来保持身体重心的平衡； 而非运动员却不能控制指浅屈肌、指深屈肌，表现在手掌部位的支撑面较小、稳定角偏小， 造成身体重心的失控。 　　2.2 掌指压力―时间变化曲线分析 　　在手倒立运动中，运动员的运动技术动作和掌指对测力板的压力分布有着密切的关系[ 1]，因而对专业运动员与非专业运动员足底压力随时间变化的分析，选取手倒立平衡阶 段中一个研究对象，时间段为2 s。 　　在完成动作过程中，身体始终处在相对的动态变化中，因为人体运动必定不象刚体一样，由 于肌肉在静力性支撑活动中固有的特征，不会长久地处在同一平衡位置不变，所以微小的晃 动是不可避免的[2]。从力值变化的趋势看，身体总重心向哪个方向偏移，则哪个 方向的下支撑点的支撑反作用力就大，这种支撑反作用力能促使身体重心重新调整而回到原 来的平衡位置。支撑力的大小又是随着重心的移动与某一身体 　　图4 掌指压力―时间变化曲线 环节的运动而变化的，当总重心 向右偏时右手用力必然增大，左手用力减小。 　　 图4是所有受试者典型的掌指力值的变化曲线，从中可以发现，专业运动员倒立的力 值曲线 呈节律性，前掌的峰值压力增大，后掌的谷值就会减小，表明掌指的前部用力的同时，掌指 后部就相应的不用力。而非运动员的力值曲线则没有节律性，前掌力值曲线与后掌没有相 应的变化关系，表明掌指的前后掌用力没有稳定的规律性可言。 　　2.3 手掌平衡参数分析 　　平衡性研究首先以视觉为条件选用压力中心在左右、矢状轴上的位移以及压力中心位移的最 大值等参数来判断身体姿势的稳定性，其中包络面积可以评定人体的稳定能力(表2)。与刚 体的平衡不同，人体姿态的平衡是一种动态的平衡，不仅与身高、体重、接触面积的大小有 关，而且与人的生理因素、心理因素有关[9]，要求受试者具有持久的调节稳定平 衡的能力 ，其呼吸幅度、心跳频率的影响都是不可忽视的。而所有这些因素的综合都可以通过掌指压 力中心的轨迹反映出来。表2 受试者手倒立1 s手掌平衡参数的方差分析 　　由表3可知，专业运动员与非专业运动员手倒立1 s状态下手掌平衡参数的方 差分析，专业运 动员的长轴长要小于非专业运动员，而短轴长又大于非专业运动员，表明了专业运动员的压 力重心晃动区域接近于圆，由于专业运动员的平衡稳定性高于非专业运动员，说明专业运动 员在前后方向上具有平衡控制能力，而非运动员在前后方向上晃动幅度大，那么在前后方向 上的控制能力就明显较弱，进而说明专业运动员的对中心偏离的纠正能力强，压力中心更加 集中。 　　图5是对受试者手倒立1 s状态下平衡手掌平衡参数的单因数方差分析线性方程模型的优合度 的分析，可决系数(R Square)达到0.79，说明模型的拟合优度较高。 　　据此，我们可得到模型的标准化回归方程公式：Y=10.61�0.30* X�1 - 0.20* X�2 　　 　　其中，Y为方向角，X�1为水平偏离， X�2为垂直偏离。由图可知，水平偏离与垂直偏离越 大，对方向角的影响就越小，因此方向角越小越稳定，其中，水平偏离对方向角的影响大于 垂直偏离。 　　 另外，在包括椭圆方向角上的P值小于0.001，其手掌平衡参数具有显著性差异，说明专业运 动员方向角的偏离较少，压力更加中心集中，而非专业运动员则相反。在压力中心水平偏离 中两组受试者的单因数方差分析P值小于0.05，其手掌平衡参数存在差异性。压力中心轨迹 揭示手运动的稳定性，专业运动员的压力中心轨迹具有比较一致的特征，轨迹总长度与轨迹 包络面积的比值则表示身体平衡的调节能力，比值小则调节能力强[2]。由表中得 出，专业 运动员调节能力比值为0.373，非专业运动员为1.003，验证了董汉英的观点。因此，非专业 运动员的平衡稳定性普遍要低于专业运动员，左右、前后方向的晃动幅度增大，晃动面积的 幅度尤其明显。

　　2.4 平衡动作的肌电分析 　　我们认为手倒立平衡动作中肌肉工作主要是做静力性工作等长收缩。在手倒立动作中，腕 关节周围的肌肉主要使腕关节不断离做加固工作，上肢带周围的肌肉主要使肩、肘关节相互 紧靠做固定工作；躯干与腹部的肌肉主要做支持工作，来支持脊柱以上各运动环节保持一定 的姿势[10]。 　　2.4.1 加固、固定工作肌肉的动作分析 　　由表3可知，专业运动员的前臂屈肌和前臂伸肌具有相关性P均小于0.05，说明它们同时 发力 ，是做静力性工作等长收缩，因为它们属于拮抗肌，主要为了加固腕关节，使其不断离不松 动，而非专业运动员的P值相关性无统计学意义，说明对腕关节的加固没有起到相应的控制 。专业运动员的左臂屈肌与左肱二头肌、左臂屈肌与左肱三头肌没有相关性，而非专业运动 员则具有相关性，R=0.865，P　　专业运动员和非专业运动员的左肱三头肌与左三角肌P值小于0.05，具有相关性，说明 它们 同时发力，做静力性等长收缩工作，三角肌的前部纤维收缩使上臂屈而肱三头肌可以使上臂 伸，因此，肱三头肌与三角肌同属于拮抗肌，主要为了加固肩关节，使上肢带的肩肘关节相 互紧靠，形成固定工作，表明手倒立动作中，肱三头肌和三角肌起到控制肩关节平衡稳定性 的作用。 　　2.4.2 支持工作肌肉的动作分析 　　表4显示，非专业运动员在左胸大肌与左腹外斜肌、右三角肌的P值均小于0.05，具有相关 性，而左胸大肌与右三角肌R=0.822，专业运动员的P值相关性无统计学意义 。 　　由上可知，非专业运动员躯干、背部肌肉 RMS有很多的相关，而专业运动员却没有。因为专 业运动员的肌肉都在做加固和固定关节，已经足够保持身体的平衡，不需要其他肌肉如：背 阔肌、腹外斜肌等相关的肌肉来参与调整身体的平衡，可以认为已经形成一种刚体，是更为 经济型的合理用力；而非专业运动员身体处于平衡时背阔肌、腹外斜肌等相关的肌肉在做支 持工作，支持全身脊柱以上各运动环节保持一定的姿势。另外，由于肌肉在静力性支撑活动 中无法达到调节身体平衡的作用，因此存在多块肌肉同时发力的现象，表现为有相关性的肌 肉有很多。 　　3 结论与建议 　　 　　1) 专业运动员可以同时控制指间发力（特别是通过对中指的力值）的改变来稳定其倒立 的平衡，但是非专业运动员则相反，说明指间的力量比较薄弱，因此不能来控制其身体的平 衡。运动员不光能够通过控制大鱼际周围的肌肉（拇长屈肌、拇短展肌、拇短屈肌）还能够 通过控制指浅屈肌、指深屈肌的作用，来保持身体重心的平衡；而非运动员却不能控制指浅 屈肌、指深屈肌，表现在手掌部位的支撑面较小、稳定角偏小，造成身体重心的失控。 　　2) 专业运动员的长轴长要小于非专业运动员，而短轴长又大于非专业运动员，表明了专 业运动员的压力重心晃动区域接近于圆，说明专业运动员在前后方向上具有平衡控制能力， 而非运动员在前后方向上晃动幅度大，进而说明专业运动员的对中心偏离的纠正能力强，压 力中心更加集中。 　　3) 专业运动员的肌肉都在做加固和固定关节，已经足够保持身体的平衡，不需要其他肌肉 如：背阔肌、腹外斜肌等相关的肌肉来参与调整身体的平衡，可以认为已经形成刚体，是更 为经济型的合理用力；而非专业运动员身体处于平衡时背阔肌、腹外斜肌等相关的肌肉在做 支持工作，支持全身脊柱以上各运动环节保持一定的姿势。 　　 　　参考文献： 　　［1］ 马国东.女子速度轮滑双推技术足底压力分布及传递特征分析［J］.天津体 育学院学报， 2007，22(3):225-227. 　　［2］ 董汉英.对技巧女子双人高单臂分腿手倒立稳定性的研究［J］.中国体育科技，1995 ，31(11):56-58,62. 　　［3］ 张秀丽，王向东，刘学贞.国家优秀射击运动员平衡稳定性特点及评价指标［J］.体 育学刊，2007，14(2):99-102. 　　［4］ 崔玉鹏，洪峰.表面肌电图在人体运动研究中的运用［J］.首都体育学院学报,2005, 17(1)：102-104,114.