跳台滑雪着陆阶段生物力学研究进展

王 聪，李 媛，张晁赫，王栋梁

(河北省体育科学研究所，河北 石家庄 050011)

跳台滑雪分为助滑、起跳、飞行和着陆4个阶段，任意一个阶段的执行情况都会影响到后续阶段的完成质量，进而影响整体运动效果.需要特别关注的是，着陆准备及落地冲击的过程在提升运动表现和降低运动损伤方面起着决定性作用[1-2].据统计，青年运动员中52.4%的事故发生在着陆阶段[3-4].尽管着陆阶段对跳台滑雪运动员的运动表现和安全至关重要，但针对跳台滑雪着陆阶段生物力学分析的相关研究却较少，这主要是受到技术条件限制，如连接力垫和接收器的电缆限制了运动员的动作，而无线力板又必须在起飞时调试，由于着陆距离过远，导致早期的无线连接无法满足数据传输要求等.国际滑雪联合会(International Ski Federation，FIS)规定跳台滑雪运动员在落地时应遵守以下规则：从一个稳定的飞行姿势抬起头和上身，移动两侧手臂；
把滑雪板置于一个平行位置；
在触地时两腿分开，膝盖屈曲；
通过肌肉力量减少冲击力，增加两腿之间的距离并弯曲后腿，保持滑雪板平行和双腿压力均等.运动员需要流畅地完成各运动阶段间的动作连接，以达到最佳运动表现.事实上，屈膝旋转(Telemark)着陆技术的执行情况由5名裁判员进行评价，相比其他着陆方式，可获得更高的姿态分值，从而影响最终得分[3].除Telemark着陆外，运动员还可以采用平行腿着陆方式(两脚在相同高度下以深蹲姿势落地)，但这对裁判给出的姿态分值会有负面影响.SCHWAMEDER H[1]的研究证实，通过优化着陆准备阶段的动作姿势会延长约3 m的飞行距离，且不管采用Telemark还是平行腿着陆，着陆瞬间运动员受到地面的高冲击力均可以达到自身体质量的4倍.与此同时，较大的攻角(滑雪板和气流之间的角度)会增加着陆时的气动升力，进而提高着陆冲击过程的缓冲效果，减少运动员肌肉、骨骼负荷，从而降低受伤风险[5-6].目前，跳台滑雪着陆生物力学的研究主要采用户外数据采集、风洞测试、计算机模拟等手段.为了不影响运动员的成绩、保证人身安全，户外数据采集几乎全部是在夏季和冬季训练期间进行，主要运用运动力学原理、方法，结合解剖学、生理学描述、分析运动员着陆阶段动作，从人体运动学、动力学、肌电活动、空气动力学等角度进行研究.

跳台滑雪的动作较为复杂，除受机体生理内在因素影响外，风力、风向等外界因素也会影响技术动作的执行情况.跳台滑雪的成绩由距离得分和姿态得分构成，飞行距离由起飞阶段和飞行阶段决定，飞行阶段后期采用合适的着陆准备技术可以实现更远地跳跃.与此同时，如果能够执行FIS国际比赛规则要求的Telemark着陆，还可以获得更高的姿态分值[7-8].因此，开展着陆阶段的生物力学研究不仅能够指导运动员增加跳跃距离，还可以提高姿态分值和防止跌倒.本文从生物力学角度，综述着陆准备及落地冲击过程中的运动学、动力学、肌电活动、空气动力学研究进展，提出跳台滑雪着陆阶段生物力学研究建议，为跳台滑雪训练和损伤预防提供技术指导和理论参考.

1.1 着陆准备开始时间及攻角对跳跃距离和速度的影响

为了增加跳跃距离，运动员会尽量推迟着陆准备开始时间，保持更久的飞行姿势，并借助着陆时的气动升力进一步延长飞行时间，从而实现更远地跳跃.文献[2]证实，高水平跳台滑雪运动员保持飞行时间及最佳飞行姿势的时间更长.此外，跳跃距离也与起飞速度[2]、体质量[9]和动能[10]有关.统计显示，较大攻角、有效起飞、高初始速度、优化的飞行技巧以及延迟着陆准备开始时间可以增加跳跃距离，但这种延迟也会影响着陆准备动作，可能导致技术上的着陆不稳定，给着陆平衡性和安全性造成负面影响[11].另外，刹车动作与攻角有关，攻角越大，滑雪板底对坡面的压力也就越大，停止距离就越短，着陆速度会显著降低[6，12-13].准备着陆阶段，在扩大滑雪板与着陆区域角度的同时向后旋转的刹车动作可延长着陆时间.研究证明：推迟着陆准备开始时间、保持较大攻角、延长飞行时间是实现更远跳跃、降低撞击地面时的着陆速度、延长着陆时间、减少着陆瞬间肌肉骨骼系统承受载荷的有效途径.

1.2 着陆动作对膝关节的影响

如果着陆准备不充分，运动员就不能很好地执行Telemark着陆，难以获得较高的技术分，同时还会增加受伤风险.研究表明，Telemark着陆的不对称被证明是造成前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤的危险因素[14]，而ACL损伤通常也与Telemark的僵硬着陆有关[15].当滑雪者在失去平衡状态下着陆时，由于雪板尾部先着地，使得雪板直接接触雪面，而僵硬的雪板后部为胫骨提供了被动的前抽屉载荷，进而导致ACL损伤.从功能结构看，ACL的主要功能首先是约束胫骨前移，其次是限制胫骨内旋.JORDAN M等[16]在研究滑雪着陆过程发生ACL断裂的51例患者时发现，41%的损伤与膝关节屈曲-内旋有关.在着陆过程中，股四头肌负荷过大会导致胫骨前移达2 cm，进而导致ACL失效[17-18].与胫骨前移位一样，胫骨的旋转同样会导致ACL损伤[19-20].此外，在滑雪-着陆碰撞过程中，施加在屈曲膝关节上的过度轴向冲击压缩力与胫骨前力、胫骨内侧力、胫骨前平移、胫骨内旋转和外翻关节旋转的程度呈正相关，可诱发胫骨前移位、胫骨内旋转和外翻关节旋转等运动学反应，这些关节力和运动学反应的协同作用可以增加ACL损伤的风险，而失效机制可能主要由胫骨前力、胫骨前平移和胫骨内旋转主导[19，21-22].BLACKBURN J T等[23]研究发现，着陆时躯干屈曲可以减少着陆冲击力和股四头肌活动，同时，膝盖和臀部屈曲可以减少传递给ACL的力，由此提出着陆时躯干屈曲可作为ACL损伤预防策略的一部分.BESSONE V等[12]还发现，撞击过程中，运动员大多是在滑雪板内旋情况下着陆，由于滑雪靴捆绑限制了脚踝活动范围，给膝关节带来了更大风险.综上可知，预防跳台滑雪损伤应力求减少着陆冲击力，加强髋关节外展、外旋力量以对抗ACL损伤屈曲-内旋的力学影响.此外，躯干、膝关节、髋关节同时屈曲也是减少膝关节损伤的策略之一，但各关节最优的屈曲角度还需进一步探讨.

1.3 着陆准备及落地冲击过程中关节角度、角速度变化

运动学分析显示，在稳定飞行阶段的最后(撞击前1.00～0.50 s)，左、右两侧髋和膝关节的屈伸角度相当，而躯干近乎完全伸展，增加了人体与气流接触的横截面积，从而可以更好地利用气流作用降低着陆速度[13].关于着陆准备的开始时间，多数研究认为是在着陆冲击前0.40～0.50 s.在此之前的稳定飞行阶段，运动员两侧踝和髋关节角度基本一致，着陆冲击前0.40～0.50 s，踝和髋关节角度开始出现差异，臀部、膝、躯干、踝和髋关节逐渐弯曲；
在冲击前0.16～0.36 s开始滑行，并伸展脚踝，以达到FIS国际比赛规则中规定的Telemark着陆要求；
着陆前0.14～0.16 s，膝关节角度出现变化，此后躯干、臀部和膝关节屈曲角度稳定，运动员准备吸收地面反作用力[12-13].Telemark着陆要求不对称地弯曲躯干和下肢关节，以保持冲击后的平衡.一般来说，与前腿相比，后腿髋关节需要更多地伸展，后腿膝关节屈曲角度也更大[24].部分运动员会采用平行腿落地的着陆姿势，着陆时，优势侧踝关节背屈和外展的角速度峰值较高，而非优势下肢在落地过程中会提供大于5°的踝关节屈曲动作，以有效控制踝关节活动，因此，优势侧踝关节在着陆时损伤风险更高[25].

2.1 着陆冲击瞬间的地面反作用力

近年来，无线传输技术发展迅速，特别是蓝牙技术在实时数据传输中的应用，可以显著减少对受试者运动的干扰，在不影响运动技术和安全的情况下可实现对跳台滑雪进行动力学分析.评估着陆动力学的第一目标是测量着陆冲击的地面反作用力(ground reaction force，GRF).以往研究[26]证实，跳台滑雪运动员着陆瞬间承受的GRF可达自身体质量的1.5～3.0倍.BESSONE V团队[13，27]以夏季训练中的优秀运动员为研究对象，利用可穿戴式传感器进行研究时发现，运动员无论是使用Telemark技术着陆还是平行腿着陆，受到的最大GRF均为自身体质量的1.1～5.3倍，最大GRF和脉冲在两足之间呈不对称分布，与着陆技术无关，两种着陆执行姿势无显著性差异，且最大地面反作用力和脉冲与脉冲时间显著相关(P<0.001).在跳跃过程中，除了与着陆高度和脚跟着陆方式有关外，高GRF已被证明还与踝关节、膝关节、髋关节和躯干屈曲角度有关，可导致膝关节损伤，特别是非接触式ACL损伤[28-30].例如，ACL损伤受试者在着陆冲击时髋部屈曲角度更高，约为50.1°(其他无损伤受试者为25.8°)[29].一般情况下，髋部运动吸收上身重力，踝关节和膝关节吸收GRF[30].除了造成膝关节损伤外，高GRF还会影响落地过程中运动员的身体平衡，进而导致摔倒.另外，跳跃距离与飞行时间显著相关，且更长的飞行时间对应更高的最大GRF脉冲，因为飞行时间越长，着陆瞬间速度越大，着陆坡度也更趋于平缓[27].此外，滑雪板弹性特性作用于运动员的时间越长，越有助于降低GRF[31].

2.2 两种着陆姿势的双足GRF差异

着陆时，运动员两侧踝关节运动出现差异，其程度与Telemark前、后足位置不对称和雪板偏移有关.研究[27]表明，前足落地可以减少腿部冲击力，为机体吸收和分配冲击力提供更多时间；
平行腿着陆时双足力学分布也不一致，一般来说，相对靠后的足部受到的冲击力更大.文献[27]显示，采用平行着陆时，出现双足最大GRF不对称的概率为81%，双足脉冲的不对称概率为50%；
而采用Telemark着陆时，出现双足最大GRF不对称的概率为62%，双足脉冲的不对称概率为68%，这些动力学数据均与FIS跳台滑雪竞赛规则中保持双腿压力均等是不一致的.目前，对FIS国际比赛规则中规定的Telemark技术是否比平行腿着陆更安全尚没有确切结论.总的来说，目前的研究结果更倾向于认为Telemark着陆在生物力学上比平行腿着陆方式更安全，可为Telemark前后弓步站位提供更好的平衡；
另一方面，经验不足的运动员会由于技术问题出现错误动作，从而造成运动损伤.

最早利用肌电图研究跳台滑雪过程的VIRMAVIRTA M[32]在1991年分析了跳台滑雪运动中的肌肉肌电活动，通过对4名世界级运动员在整个跳台滑雪过程中的臀大肌(GL)、股后肌(VL)、股内侧肌(VM)、胫骨前肌(TA)和腓肠肌(GA)的肌电活动进行远程测量发现，TA和GA在整个运动过程中交替激活，说明飞行状态的保持需要连续主动的过程控制.VL和VM在起飞阶段均有参与，而GA在起飞的最后4 m内变得异常活跃，TA和VM的肌电信号减少，GA和GL的肌电信号增加等肌肉预激活为着陆做了早期准备.GA在助滑阶段肌电活动较少，但持续活跃，起飞过程中少量增加.TA的激活情况表明，快速抬起滑雪板似乎不允许在起飞结束时有效地使用GA.在飞行中段，VM和TA的持续强烈活动占主导地位，而GL和GA的激活在飞行结束时增加.

BLACKBURN J T等[33]通过研究高处跳跃着地时躯干屈曲对地面反作用力和股四头肌激活的影响发现，躯干屈曲可降低垂直地面反作用力和股四头肌肌电振幅.推断认为，着陆过程中躯干屈曲会导致更大的髋关节和膝关节屈曲，减少股四头肌负荷；
躯干屈曲对着陆冲击力和股四头肌肌电活动的影响与性别无关.关于平行腿着陆时肌电生理情况尚不清晰，借鉴类似研究[39]可为跳台滑雪平行腿落地的研究提供参考.该研究针对16名健康成人，从3个不同高度(0.32、0.52、0.72 m)平台上跳下，测量双下肢TA和腓肠肌外侧肌(LG)表面肌电，采用双向方差分析法分析、评估肢体偏侧优势对落地过程中踝关节运动学、动力学和肌电的影响，结果发现，非优势的TA着陆前后的肌电振幅显著高于优势侧.在着陆过程中，防止摔倒和保持站立姿势稳定是一项重要任务.踝关节的过度活动可以通过较大的踝关节屈肌活动来抑制，而胫骨前肌作为踝关节的主要屈肌之一，在踝关节背屈时起着重要作用，TA肌电活动的不对称性必然与背屈峰值速度的显著不对称性有关[34]，SADEGHI H团队[35]也得出了类似结论.对于大多数健康成年人来说，右脚用于活动，而左脚用于保持姿势稳定.在大多数关于着陆运动的生物力学研究中，通常只测量、分析下肢的优势侧[36]，而目前尚无关于双侧踝关节在落地过程中受伤率差异的相关报道.

WARD-SMITH A J等[37-38]最早借助风洞模拟研究跳台滑雪着陆阶段的空气动力学问题，认为选用Telemark技术着陆不仅可以在姿态分值方面优于平行腿着陆，而且从空气动力学的角度来看，当运动员接近地面时，作用于运动员的气动升力对跳跃距离和着力稳定性产生积极影响.而通过风洞模拟运动员接近着陆前受到的气动升力这一地面效应的影响时却发现，运动员未承受任何气动升力.与此结果不同的是，SEO K团队[2]借助假人进行风洞试验，证明了这种气动升力的存在，并认为WARD-SMITH A J的研究中使用的雷诺数小于实际雷诺数，而采用“V”形飞行方式时地面效应的空气动力学数据在实际雷诺数范围以内.此外，SEO K[2]还研究了运动员在整个滑雪阶段所受的俯仰力矩、升力和阻力，认为保持“V”形飞行的时间更长，可以增加气动升力、降低速度，将跳跃距离延长3 m.

5.1 模拟跳跃

由于跳台滑雪运动的复杂性及受场地面积的限制，实际测试中需要多部摄像机采集图像，后期还要进一步校准，不仅会增加工作难度，也影响了数据的准确性.因此，除了现场对着陆阶段的动作进行分析外，研究人员也会根据不同的研究目的，选用不同的模拟项目进一步分析跳台滑雪着陆阶段的动作，以获得更高的可靠性，如山丘跳跃或模仿跳跃等.这些项目可以模拟着陆阶段的动作过程，同时在特定的环境中分析动作也更容易(也可以在风洞中进行)[39-40].如采用运动学分析山丘跳跃模拟着陆阶段的动作，以获得着陆阶段肢体和关节随时间的变化规律；
与运动学分析不同，目前对GRF的研究更多地使用模仿跳跃，在实验室中借助测力板开展研究.山丘跳跃和模仿跳跃对于训练、诊断和研究来说是极其重要的手段[6，41-43]，特别是对于优秀跳台滑雪运动员，实际跳跃与模仿跳跃能够呈现高度的一致性和重现性[41].但由于不可能做到完全模拟影响跳台滑雪的所有外界因素，特别是空气动力因素，因此，结果的可靠性和真实性还有待通过更多的研究去证实.

5.2 计算机模拟技术

基于生物力学模型的计算机模拟可以为跳台滑雪提供更直观的结果，不仅运动员没有参与风险，而且设备简单、成本低廉，还可以模拟运动员飞行动作、户外环境、滑雪板参数等的影响.WARD-SMITH A J等[37]也是最早使用计算机模拟、评估跳台滑雪着陆生物力学的学者.MÜLLER E团队[44]借助计算机模拟着陆高度随升力、阻力、起飞速度、运动员自身体质量或风阻的变化情况，实现了改变一个参数自动影响其他参数的效果，执行大量迭代.在研究着陆冲击力和离地高度的关系时发现，危险着陆冲击不是由着陆速度决定的，而是由滑行路径与山体轮廓不匹配引起的，一般在山坡上部着陆比山坡下部着陆更危险，因此，要特别注意保证K点前、后的山坡曲率设计要符合规定[44].也有研究[45]发现，在飞行早期阶段，风对跳跃有反向作用：顺风增加跳跃距离，而逆风减少跳跃距离，但顺风和逆风对跳跃距离的影响不是线性的，只适用于有限范围的跳跃距离，因为在跳跃过程中，着陆坡的坡度减缓了跳跃距离的变化率[46].综上可知：通过对跳台滑雪着陆前准备高度、时间、地面冲击力、跳跃长度、风力等的计算机模拟，可为运动员着陆姿态动作提供客观的数据优化指导，在成绩及损伤风险预测方面也发挥着越来重要的作用.

6.1 结 论

本文综述了跳台滑雪着陆阶段的生物力学研究进展.结果发现，国内外学者的研究更多地关注着陆阶段增加跳跃距离，以及按照FIS要求的姿态安全着陆以得到更高的姿态分值.从着陆阶段的生物力学研究最新进展来看，延迟着陆准备开始时间，保持较大攻角，扩大滑雪板与着陆区域之间的角度并向后旋转刹车，增加滑雪板弹性，预激活腓肠肌和臀大肌，着陆时躯干、膝以及髋关节同时屈曲，采用脚尖着陆方式，“V”型飞行等对着陆都是有利的，可以增加跳跃距离、减少损伤风险、提高姿态分值.这些成果都可以指导跳台滑雪技术训练，同时还有助于跳台滑雪装备优化升级.

为了得到更多、更可靠性的数据，研究者也会采用山丘跳跃或者模仿跳跃进一步分析跳台滑雪着陆阶段的动作，同时基于现有生物力学模型的计算机模拟也为运动员优化空中及着陆姿态提供了部分参考.但无论模拟跳跃还是计算机模拟等均是对目前着陆阶段生物力学数据展开的进一步验证分析或数据推测.虽然随着研究的深入，会考虑到多种可能影响整个跳台滑雪动作的外部因素(如风力、风向、滑雪板参数等)，但依旧很难做到完全模拟真实环境，数据的真实性、可靠性还有待进一步研究验证.此外，针对着陆阶段的生物力学研究，多数学者只是采用了1种或两种生物力学方法对部分项目进行研究(如利用惯性传感器检测跳台滑雪中飞行和着陆准备阶段的滑雪板位置，利用惯性传感器和力垫分析跳台滑雪落地，模拟滑雪着陆过程中轴向冲击力与膝关节力和运动学的相关性等)，而对整个跳台滑雪阶段(助滑、起跳、飞行)对着陆阶段的影响研究尚属空白.同时，研究者从运动学和动力学等角度分析了着陆阶段的动作，关注更多的是关节角度、受力情况、肌肉参与度等，而对身体速度、加速度、重心位置变化涉及不多，这些都是未来研究需要考虑的内容.

6.2 展 望

结合近些年国内外对跳台滑雪着陆生物力学研究现状，建议针对Telemark和平行腿着陆技术开展室内模拟数据采集，特别是从运动学方面重点分析上、下肢和滑雪板速度、加速度，身体重心位置，滑雪板切入角度等对停止距离和着陆安全性的影响，比较在相同高度和跳跃距离下，最值得推荐的姿势，尤其是从生物力学角度考虑更安全的姿势.此外，双侧肢体力量、结构或步态力学方面的不平衡对着陆生物力学的影响也应考虑在内.

开发更优的滑雪装备，以适应跳台滑雪着陆的需要.目前跳台滑雪绑带、衬垫和靴子设计考虑更多的是在飞行阶段能够更好地控制滑雪板，但限制了很多踝关节的屈伸活动，因此，在着陆过程中，为了防止身体摔倒和保持站立姿势的稳定性，膝关节过度参与，增加了膝盖损伤的风险[47-48]，应重点改良滑雪靴，在保证能够控制飞行的前提下给予滑雪者更大的踝关节运动范围，特别是在着陆阶段增加踝关节和足底的参与度，以更好地执行着陆技术.当然，滑雪板的弹性特性对着陆冲击的影响也是未来研究的方向之一.

利用风洞测试可以更好地了解着陆前的空气动力作用，研究着陆前准备姿势对空气动力的影响，可以帮助找到最优的着陆前准备姿势及攻角，减少错误动作，增加跳跃距离.因此，智能化风洞测试必将是未来研究跳台滑雪着陆阶段空气动力的重要工具.

目前，女子跳台滑雪运动员的着陆生物力学研究尚未涉及.FIS的调查显示，由于身体结构、激素水平不同，女性跳台滑雪运动员面临更高的受伤风险[49-51].因此，建议开展针对女性的跳台滑雪着陆阶段生物力学研究，了解损伤特点，给出相应的预防对策.

模拟跳跃不仅可以提供更多的着陆生物力学信息，还可以提高跳台滑雪运动员的运动表现力.因此，建议设计更贴近真实运动状态的模拟跳跃动作，实现多次着陆过程的再现，为运动员熟练掌握Telemark技术提供更多可能，降低运动损伤风险.

此外，还应进一步开展环境因素(如风力、风向、滑雪板与坡面摩擦力等)对着陆阶段的生物力学影响以及相应的对策研究.