不同坡度跑对下肢关节生物力学影响的研究进展.pdf

当代体育科技(Contemporary Sports Technology)2023年(第13卷)第20期运动人体科学不同坡度跑对下肢关节生物力学影响的研究进展赵亚萍 陈卓 刘世超(西北师范大学体育学院 甘肃兰州 730070)摘 要：随着 全民健身计划 的持续推进，人们的健身需求也在不断优化，通过设置不同坡度训练模式来满足不同锻炼需求的目的也逐渐被重视。该研究基于比较不同坡度上坡、下坡与水平跑时人体下肢生物力学差异对各个关节的做功及运动损伤的影响，从而为锻炼者在最优坡度的选择及科学进行体育锻炼等方面提供理论参考。结果发现，不同坡度跑时空参数的影响主要体现在上坡、下坡跑时步频的增加和步长的缩短，重心垂直位移在较陡峭的上坡及下坡跑时显著减小；在关节刚度、做功模式、关节承载负荷及着地模式等方面，不同坡度跑都与水平跑有显著差异，且在下坡跑时因下肢关节在触地瞬间所承受的载荷远大于自身体重，所以发生运动损伤的概率大于水平跑与上坡跑。关键词：跑步 上坡跑 下坡跑 运动生物力学 运动损伤中图分类号：G8 文献标识码：A 文章编号：2095-2813(2023)20-0028-05Research Progress on the Influence of Different-Slope Running on the Biomechanics of the Joints of Lower LimbsZHAO Yaping CHEN Zhuo LIU Shichao(College of Physical Education,Northwest Normal University,Lanzhou,Gansu Province,730070 China)Abstract:With the continuous promotion of the national fitness program,peoples fitness needs are also constantly optimized,and the purpose of meeting different exercise needs is gradually paid attention to by setting the different-slope training mode.This study provides theoretical reference for exercisers in the selection of optimal slopes and scientific physical exercise based on comparing the influences of the biomechanical differences of human lower limbs on joint work and motor injuries of each joint during different-slope uphill and downhill running and horizontal running.Results show that the influence of spatiotemporal parameters during different-slope running is mainly reflected in the increase of stride frequency and decreasing of step length during uphill and downhill running,and the vertical displacement of the center decreases significantly during steep uphill and downhill running,and that in terms of the joint stiffness,working mode,joint bearing load and landing mode,different-slope running is significantly different from horizontal running,and during downhill running,the load of lower limb joints at the moment of touching the ground is much greater than their own weight,so the probability of sports injuries is greater than that of horizontal running and uphill running.Key Words:Running;Uphill running;Downhill running;Sports biomechanics;Sports injury不同坡度跑对下肢关节做功及损伤程度不同，坡度是影响关节承受负荷的重要因素1。据统计，2019年在我国共举办马拉松及相关路跑赛事1 828场，累计参赛712.56万人次2。目前关于该领域的研究主要聚DOI：10.16655/ki.2095-2813.2210-1579-4345作者简介：赵亚萍（1998），女，硕士在读，研究方向为运动训练。28当代体育科技(Contemporary Sports Technology)运动人体科学2023年(第13卷)第20期焦于水平路面，究其原因可能是当下主流的跑步项目大多为公路赛。短距离10km跑、山地越野跑、马拉松等项目对跑者的心理和生理都提出极高的要求，但这也正是其魅力所在3。跑步期间下肢关节承受的垂直力可能高达自身体重的3倍左右4。异常外力对人体器官和组织的力学负荷会增加跑者骨骼变形的概率和运动损伤状况的发生，特别是膝关节和踝关节处较为多见。坡度的改变，会显著改变跑步过程中的生物力学参数和做功模式，人体对跑步坡度改变的生物力学适应主要体现在下肢三关节协调控制策略的改变。在训练实践中，能否对特定下肢关节进行专项强化训练，优化下肢关节肌肉能量输出占比，进而提高特定坡度条件下的运动表现，对于提高运动员比赛成绩至关重要（见图1）。1 不同坡度跑对下肢关节的运动学影响 不同坡度跑的运动学差异主要体现在步态的时空参数、下肢关节角度和重心垂直位移方面。Okudaira等人5-6比较了13名短跑运动员在水平和上坡条件下的下肢关节运动学和重心能量学。研究发现，支撑期不受坡度的影响，与水平跑相比，上坡跑期间下肢步态参数的腾空期和步长明显缩短；减少了重心负功，并增加了重心正功；且上坡跑时踝关节屈曲程度更大、膝关节和髋关节角度及伸展角度更大；在上坡跑支撑期结束时，髋关节外展角度更大，骨盆摆动腿一侧抬高更多4。此外，还发现上坡跑更倾向于使用前脚掌脚着地模式，以此来增加上坡跑的速度。1.1 上坡跑对下肢关节运动学影响不同坡度条件下，步频和步长的改变是为了更好地应对环境变化后的生物力学适应。上坡跑时步频的增加和步长的缩短，可减少跑步过程中髋、膝关节的工作 负 担，并 有 可 能 预 防 常 见 的 跑 步 相 关 伤 害。GianLuca等人7通过对跑步机坡度进行调节，对19名有跑步机使用经验的受试者在0、5、10 的坡面上对时空参数进行研究，发现随跑步机坡度的增加，步频逐渐增加，步长缩短，着地指数增加；张支梅等人8在对不同高度的研究中，也得出了相同的结论。控制步长和步频会对下肢关节能量吸收和冲击衰减产生显著影响9。Heiderscheit等人10研究了在水平跑过程中，下肢踝、膝、髋关节因步频变化对下肢关节负荷承载和受伤风险的影响，发现步频增加时膝关节和髋关节机械能吸收较少，步频减少时，下肢三关节能量吸收会显著增加，而且制动力、重心垂直位移、步长和膝关节屈曲角度峰值会随步频增加而减少。此外，Snyder等人11研究了步频变化对下肢关节能量消耗产生的影响，发现缩短步长会减少膝关节在所有坡度上的吸收能量，增加步长会导致膝关节更大的能量吸收。因此，可以发现步长和步频的变化对膝关节的能量吸收影响较为显著，缩短步长可以降低所有坡度的膝关节吸收能量，在一定程度上也可降低损伤风险。上坡跑期间通过增加踝、膝、髋关节的屈曲角度，活动范围及身体前倾角度和矢状面活动度，对提高身体稳定性和最大跑速有积极影响。Swanson等人12研究并记录了12名男性运动员在跑步机上以3 为倾斜角的上坡关节运动学，发现与水平跑相比，上坡跑双支图1 不同坡度跑对下肢生物力学参数的影响29当代体育科技(Contemporary Sports Technology)2023年(第13卷)第20期运动人体科学撑阶段的下肢三关节屈曲角度显著增大，踝关节着地初期背屈增加。此外，上坡跑时推动力大于制动力，且跖屈角度增大。在对膝关节伸展范围的比较中，发现上坡跑时膝关节的伸展活动范围比水平跑时更大。因此，调整身体重心，增加关节活动度，可以作为上坡跑期间提升最大跑速的有效方式。在对最优坡度的探寻中，结果存在一定争议。罗炯等人13研究了36名北京体育大学大一体育教育专业男生在0、3、4 等坡度上的运动学特征，表明3 坡角是运动训练的最佳阈值。而Dewolf14在对10名健康休闲跑者在0、3、6、9 等坡度的能量消耗研究中，发现6 下坡跑碰撞能量损失较小，且在这个坡度阈值时，跑步的代谢能消耗较少。因此，在对此问题的研究中，结果存在分歧，仍需进一步地系统研究。1.2 下坡跑对下肢关节运动学影响下坡跑时腾空期增加，支撑期、着地指数减少，能量吸收与膝关节屈曲角度也会随坡度的下降而增加。Vincent等人15研究了下坡跑过程中步频对下肢关节生物力学负荷能量做功的最优状态，发现步频在5%范围时，可将能量消耗、关节载荷及冲击衰减降到最低。Baggaley等人16在对步长与不同坡度跑过程中能量吸收与冲击力关系的研究中，发现缩短步长可以降低膝关节在各个坡度上的能量吸收，而增加步长会吸收更大的能量。冲击衰减会在步长较长时最大，在步长较短时较小。因此，下坡跑时由于坡度下降和惯性的作用，身体会通过增加步长和减少步频的方式适应坡度的变化，与此同时，膝关节处能量吸收和载荷率的增加也预示着损伤风险的增加。下坡跑过程中，下肢关节角度变化表现为踝关节跖屈、膝关节、髋关节均出现更大的伸展角度。Mizrahi等人17在对14名男性受试者水平跑、4 下坡跑运动学的研究中发现，下坡跑膝关节的伸展角度比水平跑大很多，且在下坡跑时，膝关节的缓冲屈曲角度明显增大。Gianluca等人18研究也得出了相同的结论。探究因坡度改变对下肢关节影响较小的最优坡度，结果仍存在争议。Snyder等人11对15名运动员在7个坡度上下坡跑的机械能的研究中，发现9 下坡跑时，下肢各关节的能量吸收与生成达到最佳坡度阈值。罗炯等人发现，不论是上坡跑，还是下坡跑，3 倾斜角是最佳跑步坡度阈值。Panulo等人19指出，在6 下坡跑时，各关节的能量吸收和生成碰撞角能量损失较小，此时能量代谢也最少。下坡跑能显著提升最大跑速，这种提升是通过增加步长实现的。相较于水平跑，下坡跑的运动学参数表现为步长增大、步频减小、腾空期增加，下肢关节伸展角度增大且制动力增加。以此来缓解因坡度变化对下肢产生冲击力的影响，并对提升最大跑速有积极意义。2 不同坡度跑对下肢关节的动力学影响 相较于水平跑，上坡跑、下坡跑期间会改变垂直地面反作用力、下肢关节力矩、功率、关节做功以及足着地模式等下肢动力学参数。Park等人20在对15名男性跑者在0、-6、-9 3个坡度上的连续10个完整步态进行研究后，表明随坡度增加，下肢各关节均做负功，且膝关节做负功显著大于踝关节与髋关节，这将有助于髋关节最大限度地伸展。Wells等人21对18名男性马拉松运动员在0、2、7 3个坡度的下肢三关节动力学参数研究中，发现上坡跑期间，地面