跨越式跳高中摆动腿落地瞬间膝关节缓冲受力分析
-----对学生一次意外受伤的思考
江阴市新桥中心小学 李俊丰
摘 要：体育课中跳高是学生非常喜欢运动项目，教学中有时出现运动损伤，运动损伤将会给学生的再次学习和生活带来负面影响。本文采用文献资料法, 课中实例分析法对小学生在跳高课中落地缓冲时膝关节受伤的原因进行了力学分析, 并就如何预防运动损伤提出了一些建议和预防措施。
关键词 膝关节 落地缓冲 受力分析
前言 体育活动都带有一定的危险性，活动中我们采取必要的防范教育和预防措施，可伤害事故有时还是不可避免的发生。在每次的教学前防范教育以是不可缺少的一部分，学生课中都很有秩序，跳高练习中预防措施也是教师在学生落地位置侧面做保护，同时还有大垫子做缓冲，但还是发生了膝关节前韧带严重拉伤事故。膝关节在运动中经常受到不同方向力的作用，学生从事奔跑、跳跃等完成特定动作，膝关节受力更复杂，这是造成膝关节损伤的外因，而膝关节固有的缺乏内在稳定性，需韧带肌肉结构给予加固，是导致膝关节损伤的内因。本文旨在研究学生在跨越式跳高中落地缓冲时首先落地的支撑腿膝关节受力的生物力学特性，为膝关节运动损伤的分析和预防提高一定的理论依据。
一、 跨越式跳高落地缓冲力的过程
跨越式跳高是侧面直线助跑，左侧助跑者右腿为摆动腿（下文阐述中都以左侧助跑为例），左腿为起跳腿，右侧助跑则相反。助跑应逐渐加速，起跳时用起跳脚以脚跟着地滚动支撑，摆动腿稍屈膝积极向前上方摆起，当摆过横杆后，向杆下内转下压，两臂下垂。过杆时，躯干向横方向侧倒并向起跳腿方向扭转，两臂上举，同时起跳腿迅速向上高抬，完成跨越动作（图1）。
落地缓冲动作
图1
过杆后，身体侧对横杆，用摆动腿先落地，接着起跳腿落地，稍有缓冲。在此过程中身体首先形成直线水平速度，通过起跳身体将部分水平速度变成垂直速度，起跳后身体离开地面只受到重力作用形成高弧抛物线运动路线，以左侧助跑为
例，当右腿首先落地缓冲，右腿膝关节在缓冲时身体给膝关节一个在运动方向上向前下的身体重力势能，地面给其一个反方向的作用力; 同时由于身体左转右腿膝关节生理弯曲方向也发生左转变化，人体由于惯性会继续延助跑方向运动，身体平衡和自我保护机制迫使人体会面向运动方向，这时膝关节处身体会带动大腿右转，右脚着地瞬间与接触面摩擦力增大，回转速度必然受阻形成膝关节内转（图
2）。
二、落地瞬间膝关节受力的模型简化分析
1、物理模型的建立：假设右脚为跨越式跳高中首先落地缓冲脚，便于分析将右小腿和足简化为一个刚体。其受力如图3所示；小腿和足环节的受力为着落点支撑力反作用力：F X 为右脚内转后要转回运动方向的摩擦力，F Y 为重力势能引起
的垂直向上的支撑反作用力，F Z 为运动方向上惯性引起的反向摩擦力。f x f y f z 为膝关节受内力。
2、能量守恒：在跨越式跳高中，身体空中下落过程中可视为一个抛物运动，根据冲量和动量原理的定义：冲量与动量(物体的受力与动量的变化）1. 动量：p ＝mv ｛p:动量(kg/s)，m:学生体重(kg)，v:助跑速度(m/s)，方向与速度方向相同｝2. 冲量：i ＝ft ｛i:冲量(nos)，f:恒力(n)，t:力的作用时间(s)，方向由f 决定｝
Z Y
X 图3 3、数学模型的建立：a x 为膝关节处受到阻力时阻力加速度值（a x 为额状轴方向
分量，a y 为矢状轴分量） ，坐标系为动作标系。膝关节内力的大小主要取决于
着落处支撑反作用力与a x a y 状态变化。
4
、膝关节受冲击情况：据研究表面人体落地缓冲时，地面的反作用力对人体有两个力波峰，地面反作用力出现第一、第二波峰的平均时间与垂直落地的高度变化之间不存在相关性，而总的落地缓冲时间与垂直落地的高度的变化呈现高度的正线性相关性。说明在不同的高度垂直落地时，第一、二波峰出现的时间并不随高度的提高而提前，地面反作用力第一波峰出现平均时间为13.11±1.37毫秒，第二波峰出现在的时间为53.53±4.31毫秒。
5、膝关节受力情况及损伤机制的探讨，当跨越式跳高落地中，摆动腿落地支撑开始后，落地点支撑反作用力迫使右腿膝关节角度发生变化，即落地缓冲腿膝关节弯曲以避免由制动构成落点对膝关节的撞击，充分发挥关节肌的作用，避免损伤关节腔。
由于膝关节收到强大的落地冲击，引起膝关节部位上下，左右及前后的晃动。当膝关节屈角为90-100度时出现腱股接触现象，这对保护膝关节软骨，避免压力过高有重要意义，然要落地缓冲中学生很多会出现这一屈角。膝关节在支撑时存在不稳定因素。结合图3、4、5进一步分析
（1） 膝关节部位额状轴分量a x 对落地缓冲腿膝关节外侧有一定破坏力，如果过
大，则稳定性小，其实质是支撑能力难以抵消负荷强度，这足以造成膝关节侧副韧带损伤。在跨越式跳高落地缓冲中，在右腿落地缓冲时，在水平面看膝关节运动的轨迹为向膝关节外侧斜前方运动，固膝外侧副韧带损伤可能性更大。
（2） 膝关节部位矢状轴加速分量a y 值受缓冲支撑开始水平纵向冲量和膝关节
角度在单位时间内变化量的共同影响，固缓冲支撑前的冲量和膝关节角度变化关系密切。在跨越式跳高缓冲支撑时，缓冲支撑腿受接触面的阻挡会突然减速并（突停），膝关节屈角的存在，加上身体向前的冲量，会加大膝关节屈膝过程中的颤动程度。在这一过程中随着跳高高度的增加，学生的速度也会增加，缓冲前的势能也随之增加，就解剖特点来说膝关节收到阻力从屈膝缓冲到蹬伸的过程中，前交叉韧带处于紧张状态。
（3） 膝关节部位垂直分量a z 值的变化影响膝关节髌骨的相对负荷，由于髌骨受
力最大值为体重的7—8倍，所以在跳高缓冲时垂直分量不是造成膝关节损伤的主要原因
综上所述，在跨越式跳高缓冲中由于学生动作的多变性，以及膝关节固有的生理结构特点。避免或减少膝关节运动损伤的有效手段应从以几个方面考虑：1、运动中如何更好符合的膝关节结构的生理屈伸方向和屈伸角度，2、在缓冲时如何避免膝关节的阻力加速度值的突然变大，尤其是在起跳腿落地前摆动腿缓冲阻力
加速度值的突然变大，3、在增加跳高高度后缓冲时如何使助跑起跳产生的较大冲量有效减少或分散。
跨越式跳高中摆动腿落地瞬间膝关节缓冲受力分析
-----对学生一次意外受伤的思考
江阴市新桥中心小学 李俊丰
摘 要：体育课中跳高是学生非常喜欢运动项目，教学中有时出现运动损伤，运动损伤将会给学生的再次学习和生活带来负面影响。本文采用文献资料法, 课中实例分析法对小学生在跳高课中落地缓冲时膝关节受伤的原因进行了力学分析, 并就如何预防运动损伤提出了一些建议和预防措施。
关键词 膝关节 落地缓冲 受力分析
前言 体育活动都带有一定的危险性，活动中我们采取必要的防范教育和预防措施，可伤害事故有时还是不可避免的发生。在每次的教学前防范教育以是不可缺少的一部分，学生课中都很有秩序，跳高练习中预防措施也是教师在学生落地位置侧面做保护，同时还有大垫子做缓冲，但还是发生了膝关节前韧带严重拉伤事故。膝关节在运动中经常受到不同方向力的作用，学生从事奔跑、跳跃等完成特定动作，膝关节受力更复杂，这是造成膝关节损伤的外因，而膝关节固有的缺乏内在稳定性，需韧带肌肉结构给予加固，是导致膝关节损伤的内因。本文旨在研究学生在跨越式跳高中落地缓冲时首先落地的支撑腿膝关节受力的生物力学特性，为膝关节运动损伤的分析和预防提高一定的理论依据。
一、 跨越式跳高落地缓冲力的过程
跨越式跳高是侧面直线助跑，左侧助跑者右腿为摆动腿（下文阐述中都以左侧助跑为例），左腿为起跳腿，右侧助跑则相反。助跑应逐渐加速，起跳时用起跳脚以脚跟着地滚动支撑，摆动腿稍屈膝积极向前上方摆起，当摆过横杆后，向杆下内转下压，两臂下垂。过杆时，躯干向横方向侧倒并向起跳腿方向扭转，两臂上举，同时起跳腿迅速向上高抬，完成跨越动作（图1）。
落地缓冲动作
图1
过杆后，身体侧对横杆，用摆动腿先落地，接着起跳腿落地，稍有缓冲。在此过程中身体首先形成直线水平速度，通过起跳身体将部分水平速度变成垂直速度，起跳后身体离开地面只受到重力作用形成高弧抛物线运动路线，以左侧助跑为
例，当右腿首先落地缓冲，右腿膝关节在缓冲时身体给膝关节一个在运动方向上向前下的身体重力势能，地面给其一个反方向的作用力; 同时由于身体左转右腿膝关节生理弯曲方向也发生左转变化，人体由于惯性会继续延助跑方向运动，身体平衡和自我保护机制迫使人体会面向运动方向，这时膝关节处身体会带动大腿右转，右脚着地瞬间与接触面摩擦力增大，回转速度必然受阻形成膝关节内转（图
2）。
二、落地瞬间膝关节受力的模型简化分析
1、物理模型的建立：假设右脚为跨越式跳高中首先落地缓冲脚，便于分析将右小腿和足简化为一个刚体。其受力如图3所示；小腿和足环节的受力为着落点支撑力反作用力：F X 为右脚内转后要转回运动方向的摩擦力，F Y 为重力势能引起
的垂直向上的支撑反作用力，F Z 为运动方向上惯性引起的反向摩擦力。f x f y f z 为膝关节受内力。
2、能量守恒：在跨越式跳高中，身体空中下落过程中可视为一个抛物运动，根据冲量和动量原理的定义：冲量与动量(物体的受力与动量的变化）1. 动量：p ＝mv ｛p:动量(kg/s)，m:学生体重(kg)，v:助跑速度(m/s)，方向与速度方向相同｝2. 冲量：i ＝ft ｛i:冲量(nos)，f:恒力(n)，t:力的作用时间(s)，方向由f 决定｝
Z Y
X 图3 3、数学模型的建立：a x 为膝关节处受到阻力时阻力加速度值（a x 为额状轴方向
分量，a y 为矢状轴分量） ，坐标系为动作标系。膝关节内力的大小主要取决于
着落处支撑反作用力与a x a y 状态变化。
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、膝关节受冲击情况：据研究表面人体落地缓冲时，地面的反作用力对人体有两个力波峰，地面反作用力出现第一、第二波峰的平均时间与垂直落地的高度变化之间不存在相关性，而总的落地缓冲时间与垂直落地的高度的变化呈现高度的正线性相关性。说明在不同的高度垂直落地时，第一、二波峰出现的时间并不随高度的提高而提前，地面反作用力第一波峰出现平均时间为13.11±1.37毫秒，第二波峰出现在的时间为53.53±4.31毫秒。
5、膝关节受力情况及损伤机制的探讨，当跨越式跳高落地中，摆动腿落地支撑开始后，落地点支撑反作用力迫使右腿膝关节角度发生变化，即落地缓冲腿膝关节弯曲以避免由制动构成落点对膝关节的撞击，充分发挥关节肌的作用，避免损伤关节腔。
由于膝关节收到强大的落地冲击，引起膝关节部位上下，左右及前后的晃动。当膝关节屈角为90-100度时出现腱股接触现象，这对保护膝关节软骨，避免压力过高有重要意义，然要落地缓冲中学生很多会出现这一屈角。膝关节在支撑时存在不稳定因素。结合图3、4、5进一步分析
（1） 膝关节部位额状轴分量a x 对落地缓冲腿膝关节外侧有一定破坏力，如果过
大，则稳定性小，其实质是支撑能力难以抵消负荷强度，这足以造成膝关节侧副韧带损伤。在跨越式跳高落地缓冲中，在右腿落地缓冲时，在水平面看膝关节运动的轨迹为向膝关节外侧斜前方运动，固膝外侧副韧带损伤可能性更大。
（2） 膝关节部位矢状轴加速分量a y 值受缓冲支撑开始水平纵向冲量和膝关节
角度在单位时间内变化量的共同影响，固缓冲支撑前的冲量和膝关节角度变化关系密切。在跨越式跳高缓冲支撑时，缓冲支撑腿受接触面的阻挡会突然减速并（突停），膝关节屈角的存在，加上身体向前的冲量，会加大膝关节屈膝过程中的颤动程度。在这一过程中随着跳高高度的增加，学生的速度也会增加，缓冲前的势能也随之增加，就解剖特点来说膝关节收到阻力从屈膝缓冲到蹬伸的过程中，前交叉韧带处于紧张状态。
（3） 膝关节部位垂直分量a z 值的变化影响膝关节髌骨的相对负荷，由于髌骨受
力最大值为体重的7—8倍，所以在跳高缓冲时垂直分量不是造成膝关节损伤的主要原因
综上所述，在跨越式跳高缓冲中由于学生动作的多变性，以及膝关节固有的生理结构特点。避免或减少膝关节运动损伤的有效手段应从以几个方面考虑：1、运动中如何更好符合的膝关节结构的生理屈伸方向和屈伸角度，2、在缓冲时如何避免膝关节的阻力加速度值的突然变大，尤其是在起跳腿落地前摆动腿缓冲阻力
加速度值的突然变大，3、在增加跳高高度后缓冲时如何使助跑起跳产生的较大冲量有效减少或分散。