跳遠(yuǎn)起跳腿受力分析 摘要：通過對(duì)起跳腿受力分析及能量轉(zhuǎn)化的研究，得出以下結(jié)論：從運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)上看，起跳過程是類似于起跳腳與地面非完全彈性碰撞的物理現(xiàn)象；膝關(guān)節(jié)的緩沖作用是膝關(guān)節(jié)受到“沖擊力矩”作用的結(jié)果；推導(dǎo)出的機(jī)械能與肌肉做功能轉(zhuǎn)化模擬圖表明，肌肉伸長后儲(chǔ)存的能量可能是碰撞發(fā)生后能量上傳的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：碰撞緩沖 沖擊力矩 起跳過程中的能量轉(zhuǎn)化：從起跳腿受力分析可以看出：從起跳腿受力分析，起跳腿與地面呈非完全彈性碰撞；膝關(guān)節(jié)受力分析；本文通過對(duì) 和 的計(jì)算，得出當(dāng) 為 時(shí)， 為 之后 的 。關(guān)鍵詞：起跳力 引言：伸肌的屈服收縮能力是運(yùn)動(dòng)中一切爆發(fā)力動(dòng)作取得最佳力學(xué)效果的主要因素，這在跳躍起跳中尤為明顯[1]。
伸肌群屈從收縮的結(jié)果就是腿部的緩沖動(dòng)作，屈從收縮與緩沖動(dòng)作其實(shí)是本質(zhì)與現(xiàn)象的關(guān)系，但對(duì)屈從收縮的機(jī)理卻眾說紛紜，有的教科書認(rèn)為緩沖的機(jī)理是重力的作用[4]；有的認(rèn)為是慣性的作用[5]；有的認(rèn)為是外界扭矩作用的結(jié)果[2]；還有的學(xué)者認(rèn)為是肌肉克服沖擊慣性力的作用[1]。可見緩沖過程中的受力十分復(fù)雜。下面將從起跳腳的受力變化和能量轉(zhuǎn)換的角度對(duì)起跳過程進(jìn)行研究。 1 研究方法 1.1 文獻(xiàn)法 查閱關(guān)于起跳機(jī)制、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、起跳技術(shù)分析等方面的研究文獻(xiàn)、專著，進(jìn)行收集、整理、歸納和推導(dǎo)。 1.2 調(diào)查法 通過個(gè)別調(diào)查法，對(duì)有關(guān)專家就某些概念、理論的認(rèn)定進(jìn)行訪談。 2 結(jié)果與分析 2.1 起跳過程肌肉工作狀態(tài)及動(dòng)作階段劃分 任何一種跳躍動(dòng)作的起跳都是由人的意識(shí)所控制的，是人體肌肉主動(dòng)收縮(內(nèi)力)和運(yùn)動(dòng)支持器官與地面相互作用(產(chǎn)生外力)的必然結(jié)果[6]。因此，我們不能把起跳過程看作是物理學(xué)中描述的理想化的非完全彈性碰撞。但是，從運(yùn)動(dòng)學(xué)特性上看，起跳過程的外特性看作是類似于起跳腳與地面發(fā)生的非完全彈性碰撞的物理現(xiàn)象，并分為兩個(gè)階段:第一階段，從起跳腳接觸地面開始到屈肌收縮結(jié)束，為能量吸收階段(擠壓階段);第二階段為能量釋放階段(變形恢復(fù))。
第一階段，起跳腳碰撞、擠壓地面后，均因內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形，如地面的凹陷、跳高鞋海綿墊的塑性變形、膝關(guān)節(jié)的彎曲等。在此過程中，膝關(guān)節(jié)肌肉為了阻止膝關(guān)節(jié)的彎曲，進(jìn)行屈服性收縮，這就是我們通常所說的緩沖。表1 起跳過程中肌肉工作狀態(tài)及動(dòng)作階段劃分外力矩及外力矩與肌肉力矩力關(guān)系大于等于碰撞起跳階段劃分能量吸收階段能量釋放階段肌肉收縮形式屈服性收縮等長收縮限制性收縮技術(shù)表現(xiàn)落地緩沖推伸肌肉力量逐漸增大到最大后依次減小表1起跳過程第一階段為落地緩沖階段，肌肉工作類型為屈服性收縮和等長收縮。教科書上說落地瞬間肌肉克服的外力（沖擊力）最大，但這并不意味著此時(shí)肌肉力量最大。根據(jù)體外肌肉拉伸過程的力學(xué)研究，當(dāng)充分激活的肌肉或肌纖維以適當(dāng)?shù)乃俣葟囊粋€(gè)恒定長度拉伸到另一個(gè)長度時(shí)，其末端記錄到的力量大于相同長度的最大等長力量，拉伸結(jié)束時(shí)肌肉力量是相同長度最大等長力量的兩倍，這就是所謂的“拉伸過程中的力量增強(qiáng)現(xiàn)象”[3]。因此，膝關(guān)節(jié)肌群的最大肌力可能出現(xiàn)在等長收縮結(jié)束、約束收縮開始的瞬間，此后膝關(guān)節(jié)肌群的力量緩慢減小，在足部離地時(shí)達(dá)到零。
在后縮階段，外力矩始終大于肌肉力矩，隨著肌肉被拉伸，緩沖動(dòng)作幅度的增大，在等長收縮階段，二者相等。第二階段為伸展階段，肌肉做功類型為抑制收縮，隨著伸展動(dòng)作完成，肌肉受力情況逐漸好轉(zhuǎn)，肌肉受力情況逐漸好轉(zhuǎn)。圖1 圖1 膝關(guān)節(jié)重力力矩與地面支撐力矩模擬 圖2 緩沖階段 1 起跳腿觸地 3 伸展階段 d2d1 髖關(guān)節(jié)觸地 x2.2 起跳時(shí)受力分析 潘會(huì)聚在改進(jìn)的復(fù)合杠桿模型研究中認(rèn)為，在伸展階段股四頭肌起主要作用，復(fù)合杠桿只在膝伸展的后半段起一定作用，但在后縮階段，復(fù)合杠桿可能起更大的作用[8]。根據(jù)“復(fù)合杠桿模型”，對(duì)膝關(guān)節(jié)外力矩進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。圖1為起跳過程各階段重力力矩與地面支撐力矩仿真圖，其中N為支撐力，G為重力，d為杠桿臂，點(diǎn)O為膝關(guān)節(jié)（該模型不考慮碰撞過程中膝關(guān)節(jié)重心高度的變化和摩擦力的作用）。如圖1所示，膝關(guān)節(jié)同時(shí)作用于重力力矩（MG=G×d1）和地面支撐力矩（MN=N×d2），力矩的方向和正負(fù)按右手定則確定：1.起跳和落地階段：重力力矩和地面支撐力矩均為向內(nèi)且為負(fù)，因此起跳腳落地時(shí)兩個(gè)力矩重疊；2.緩沖階段：當(dāng)膝關(guān)節(jié)緩沖大于踝關(guān)節(jié)時(shí)，重力力矩為向內(nèi)且為負(fù)，但支撐力矩為向外且為正，因此兩個(gè)力矩相互抵消； 3、伸展階段：隨著伸展動(dòng)作的進(jìn)行，兩個(gè)力矩向外、向正，為人體離開地面提供動(dòng)力。
可見，落地時(shí)地面對(duì)腿部的沖擊物理學(xué)家張文明，實(shí)際上是地面支撐力矩和重力力矩同時(shí)作用的結(jié)果。研究表明，地面對(duì)人體的沖擊力可達(dá)體重的14倍[3]，所以把緩沖作用看作重力作用的結(jié)果，是不準(zhǔn)確的。沖擊力隨著屈服收縮的結(jié)束而減小、消失，但其能量被轉(zhuǎn)化了。至于說它是慣性力，也不十分準(zhǔn)確。慣性力是物體在加速運(yùn)動(dòng)參考系（非慣性參考系）中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。為了應(yīng)用牛頓定律來解釋它，引入了一種叫做慣性力的“虛擬力”[2]。它沒有施力者，也不符合力的三要素。當(dāng)然不能說慣性力造成了腿部的緩沖作用，但研究慣性力對(duì)肢體擺動(dòng)和人體代償運(yùn)動(dòng)的影響，是很有意義的。王寶成教授提出的“沖擊慣性壓力外力”作用表明膝關(guān)節(jié)肌群在做屈曲收縮時(shí)，受到復(fù)雜變化的綜合外力。《體育科學(xué)辭典》中提到外力矩和屈肌力矩的作用。其力學(xué)體系建立在下肢局部環(huán)節(jié)上，將緩沖看作以膝關(guān)節(jié)為軸的旋轉(zhuǎn)過程。局部環(huán)節(jié)的旋轉(zhuǎn)一般只提到重力力矩和肌肉力矩。因此認(rèn)為膝關(guān)節(jié)受迫緩沖是膝關(guān)節(jié)受到“沖擊力矩”作用的結(jié)果，即重力力矩和地面支撐力矩的綜合作用。物體在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布和變形形式。應(yīng)力是物體在外界因素（如力、溫度等）作用下，狀態(tài)和體積發(fā)生變化時(shí)，物體任意截面上受到的力，是內(nèi)力。
應(yīng)力的傳遞伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，應(yīng)力的特點(diǎn)是聚集在薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)人體某一面或某一點(diǎn)的應(yīng)力超過承受范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變形。在應(yīng)力傳遞過程中，人體關(guān)節(jié)是應(yīng)力集中的主要部位。在起跳過程中，膝關(guān)節(jié)肌肉的讓步收縮是為了防止應(yīng)力過大造成膝關(guān)節(jié)過度彎曲，因此，在跳躍項(xiàng)目訓(xùn)練中，加強(qiáng)肌肉的讓步做功能力是非常有意義的。2.3 碰撞時(shí)的功能性能量轉(zhuǎn)換有人（周承志、王寶成，1985）認(rèn)為，人體飛行的動(dòng)力來自于運(yùn)動(dòng)器官肌肉快速收縮產(chǎn)生的“爆發(fā)能”，而非“力”[6]。因此，探究起跳過程中的能量轉(zhuǎn)換是非常有意義的。 3.3.1人體肌肉組織對(duì)機(jī)械能的吸收與釋放圖2機(jī)械能與肌肉功能量轉(zhuǎn)換模擬圖碰撞吸收總能量肌肉負(fù)功肌肉正功T圖2機(jī)械能與肌肉功能量轉(zhuǎn)換模擬圖碰撞吸收總能量肌肉負(fù)功肌肉正功T2(s)Wt10由于拉伸時(shí)肌肉內(nèi)沒有熱產(chǎn)物，意味著肌肉本身不消耗能量做負(fù)功，但其肌肉力量、SEC應(yīng)變能及做正功的能力增加了2倍。因此本文推斷肌肉被拉伸后儲(chǔ)存的能量是碰撞后能量上傳的結(jié)果，而碰撞過程中損失的機(jī)械能理論上應(yīng)該等于人體各環(huán)節(jié)吸收的機(jī)械能、熱能和塑性變形能之和。據(jù)此推導(dǎo)出機(jī)械能與肌肉功能量轉(zhuǎn)換的仿真圖，如圖2所示：1、0~t1時(shí)段，是碰撞后上傳能量給SEC儲(chǔ)存能量的過程，也是肌肉做負(fù)功的過程，儲(chǔ)存的能量相當(dāng)于肌肉負(fù)功的值；2、t1~t2時(shí)段，是肌肉拉伸后主動(dòng)收縮做2倍正功的過程。
可見膝關(guān)節(jié)的緩沖過程是肌肉能量傳遞轉(zhuǎn)換的主要階段，當(dāng)然肌肉做正功的能量不僅僅來源于SEC儲(chǔ)存的能量，肌肉的主動(dòng)收縮也是消耗身體能量做功的，起跳腿肌群與孤立肌肉的區(qū)別在于分布在踝、膝、髖三大關(guān)節(jié)，長度跨度、收縮起止時(shí)間也不同，因此能量轉(zhuǎn)換時(shí)間可能不同步，但肌肉動(dòng)作時(shí)間和能量轉(zhuǎn)換一般集中在上述兩個(gè)時(shí)間段。落地過程中，身體承受的沖擊力使碰撞后的被動(dòng)解剖組織（韌帶、軟骨等）和肌肉吸收機(jī)械能，會(huì)對(duì)身體造成損傷，從而激活肌肉消耗機(jī)械能的能力，肌肉的這種能力可能對(duì)保護(hù)被動(dòng)解剖結(jié)構(gòu)非常有益。 3.3.2 碰撞后能量轉(zhuǎn)化及訓(xùn)練指導(dǎo) 起跳所需的能量除了來自于碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化外，還有一部分來自于肌肉的主動(dòng)收縮，根據(jù)肌肉組織對(duì)機(jī)械能的吸收與釋放物理學(xué)家張文明，碰撞后總機(jī)械能的轉(zhuǎn)化如下，如圖3所示： 碰撞前總機(jī)械能 碰撞前總機(jī)械能 熱能 被動(dòng)解剖組織和肌肉吸收的機(jī)械能 塑性變形能 起跳能量 肌肉主動(dòng)收縮能量 圖3 起跳能量轉(zhuǎn)化圖 流體交換 碰撞發(fā)生后，除了碰撞區(qū)附近地面的塑性變形、屈曲、起皺、穿透(鞋釘)以及涉及起跳腳周圍流體的能量交換與吸收外，其余能量都會(huì)轉(zhuǎn)化為被動(dòng)解剖組織和肌肉吸收的機(jī)械能。
因此，起跳能量的來源是碰撞后解剖組織和肌肉被動(dòng)吸收的機(jī)械能與肌肉主動(dòng)收縮產(chǎn)生的機(jī)械能之和。在起跳技術(shù)訓(xùn)練過程中，應(yīng)盡力提高機(jī)械能的合理轉(zhuǎn)化。首先應(yīng)提高運(yùn)動(dòng)員的屈肌力量和退讓做功能力，給予合理的能量吸收與轉(zhuǎn)換時(shí)間，并不是起跳時(shí)間越短越好；同時(shí)應(yīng)減少塑性變形的發(fā)生；再者應(yīng)提高運(yùn)動(dòng)輔助器材的剛性，如釘鞋的鞋底設(shè)計(jì)，應(yīng)防止應(yīng)力對(duì)人體的損傷，減少能量的損失。 3 結(jié)論通過對(duì)起跳腿做功過程中受力分析及能量轉(zhuǎn)換的研究，得出以下結(jié)論：3.1 起跳并不等同于物理學(xué)上理想化的碰撞，但從運(yùn)動(dòng)學(xué)特性上看，起跳過程是類似于起跳腳與地面非完全彈性碰撞的物理現(xiàn)象，起跳過程分為能量吸收階段和能量釋放階段。3.2 膝關(guān)節(jié)的緩沖作用是“沖擊力矩”作用于膝關(guān)節(jié)的結(jié)果，“沖擊力矩”實(shí)際上是重力力矩和地面支撐力矩的綜合作用。3.3 推導(dǎo)出機(jī)械能與肌肉做功能相互轉(zhuǎn)換的仿真圖，表明拉伸肌肉中儲(chǔ)存的能量是碰撞后能量上傳的結(jié)果，起跳能量的來源是碰撞后解剖組織和肌肉被動(dòng)吸收的機(jī)械能與肌肉主動(dòng)收縮產(chǎn)生的機(jī)械能之和。參考文獻(xiàn) [1]王寶成.王川.田徑運(yùn)動(dòng)理論創(chuàng)新探索.[M]北京體育大學(xué)出版社.2021:50-70。 [2]中華體育學(xué)會(huì).香港體育學(xué)院.體育科學(xué)詞典[M]高等教育出版社.2021:102-115。 [3] M..運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).[M]人民體育出版社.2021:56-68。 [4]運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)編輯組.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).[M]高等教育出版社.2021:303-307。 [5]全國體育院校教材委員會(huì).田徑運(yùn)動(dòng)高級(jí)教程.[M]人民體育出版社.1994:36-37。 [6]周承志.王寶成.人體起跳機(jī)制與起跳效應(yīng)研究.[J]西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)。 1985, 04: 1-3 [7]張文明等.基于ANSYS/LS-DYNA的橋梁碰撞分析.[J]中國水運(yùn).2021, 6(11): 21-23。 [8]潘會(huì)菊.人體膝關(guān)節(jié)復(fù)雜杠桿模型的修正.[J]體育科學(xué).2021, 20(2): 88-90。 論大學(xué)生的寫作能力 寫作能力是對(duì)自身積累的信息進(jìn)行選擇、提取、加工、變換并形成書面文字的能力。
積累是寫作的基礎(chǔ)，積累越扎實(shí)，寫作的基礎(chǔ)就越牢固，文章才能根深蒂固、生機(jī)勃勃。沒有積累，就永遠(yuǎn)寫不出文章來。寫作能力是每個(gè)大學(xué)生必須具備的能力，從高校整體情況看，大學(xué)生的寫作能力是比較欠缺的。 1、大學(xué)生應(yīng)用寫作能力的定義 那么，大學(xué)生的寫作能力到底是什么意思呢？葉圣陶先生曾說過：“大學(xué)畢業(yè)生不一定能寫小說、寫詩，但一定要寫工作、生活中實(shí)用的文章，而且要寫得通順、寫得扎實(shí)。”對(duì)于大學(xué)生的寫作能力應(yīng)該包括哪些內(nèi)容，可能有很多種理解，但從葉圣陶先生的談話中，我認(rèn)為：大學(xué)生的寫作能力應(yīng)該包括應(yīng)用寫作能力和文學(xué)寫作能力，前者是必備的，后者是“不一定”需要的，有則更好。眾所周知，對(duì)于大學(xué)生來說，畢業(yè)論文是必須寫的。我認(rèn)為論文寫作能力可以納入應(yīng)用文寫作能力之中。大學(xué)生寫作能力的體現(xiàn)往往集中在畢業(yè)論文的寫作上。本科畢業(yè)論文無論對(duì)學(xué)生個(gè)人，還是對(duì)院系、學(xué)院來說都非常重要。如何提高本科畢業(yè)論文的質(zhì)量和水平，已經(jīng)成為教育行政部門和高校都十分重視的重要課題。如何提高大學(xué)生寫作能力的問題必須引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，提出對(duì)策，落實(shí)解決。2、大學(xué)生應(yīng)用文寫作困難的原因：（一）高校寫作課程結(jié)構(gòu)不合理。
從我國大多數(shù)高校的學(xué)科設(shè)置來看，除了中文專業(yè)有系列寫作課程外，其他專業(yè)的學(xué)生只有熱門的《大學(xué)語文》課程。提高學(xué)生的寫作能力是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的任務(wù)，而我們的課程設(shè)置只把這個(gè)任務(wù)交給了大學(xué)語文教師。但大學(xué)語文教師要在有限的課時(shí)內(nèi)普及相關(guān)經(jīng)典知識(shí)，適度提高學(xué)生的鑒賞能力，并教會(huì)學(xué)生寫作的規(guī)律，提高寫作能力，完成這項(xiàng)任務(wù)確實(shí)很難。（二）應(yīng)用寫作的普及性不受重視。《大學(xué)語文》教育被嚴(yán)重“邊緣化”。目前，對(duì)語文的態(tài)度是冷漠的，但全民學(xué)英語的風(fēng)氣卻很好。中小學(xué)如此，大學(xué)更是如此。我們的母語——漢語在大學(xué)里被忽視，沒有相關(guān)的課程設(shè)置，沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，這其實(shí)是國人的一種偏見。應(yīng)用寫作有自己的規(guī)律和方法。一個(gè)人學(xué)識(shí)淵博，可以寫小說、詩歌、戲劇等，但如果不了解應(yīng)用文寫作的特點(diǎn)和方法，就寫不出好的應(yīng)用文。（三）一些大學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不正確。許多非中文專業(yè)的大學(xué)生，把寫作學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的重點(diǎn)放在《大學(xué)語文》這門課上，大多數(shù)學(xué)生只愿意被動(dòng)接受大學(xué)語文老師講授的經(jīng)典文學(xué)故事，而對(duì)于需要?jiǎng)邮帧?dòng)腦的作文，則盡量應(yīng)付，這當(dāng)然不會(huì)提高大學(xué)生的寫作水平。
（四）教師實(shí)踐教學(xué)不強(qiáng)。提高學(xué)生的寫作能力是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的工作貝語網(wǎng)校，但在教學(xué)中，許多教師過于重視理論知識(shí)，而往往忽視實(shí)踐教學(xué)。理論講得很多，但實(shí)踐幾乎沒有，訓(xùn)練少得可憐。閱讀和寫作都需要很強(qiáng)的實(shí)踐操作性。學(xué)習(xí)理論必不可少，但閱讀方法和寫作技巧的掌握才是最重要的。由于以上原因，我們大學(xué)生的寫作水平實(shí)在令人堪憂。那么如何走出這種困境呢？筆者提出幾點(diǎn)建議，希望對(duì)提高大學(xué)生的寫作水平有所幫助。三、提高大學(xué)生應(yīng)用寫作能力的對(duì)策（一）把“應(yīng)用寫作”課程作為大學(xué)生的必修課。在我國的每一所大學(xué)，“應(yīng)用寫作”都應(yīng)該是大學(xué)生的必修課。因?yàn)樵谶@個(gè)被一些人形容為實(shí)用主義和功利主義的時(shí)代，也是個(gè)人生存競爭最激烈的時(shí)代。人們比任何一個(gè)時(shí)代都更需要學(xué)會(huì)寫實(shí)用的文章，比如職場競爭中的求職信，生活中的財(cái)務(wù)文件、法律文件等等，以提高個(gè)人的生存競爭力。（二）端正大學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。首先，大學(xué)生要充分認(rèn)識(shí)到應(yīng)用文寫作的重要性，應(yīng)用文寫作關(guān)系到我們生活的方方面面，比如就業(yè)、談戀愛、理財(cái)、人際交往等等，是一些需要終生運(yùn)用的基本知識(shí)，也是必備的生存技能。其次，應(yīng)用文寫作有自己的規(guī)律和方法。
寫文章不是想寫就能寫的，它有嚴(yán)格的格式要求，需要系統(tǒng)的研究和學(xué)習(xí)。最后，應(yīng)用文課程實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)生不能只學(xué)不練，要克服懶惰的壞習(xí)慣，認(rèn)真學(xué)習(xí)，刻苦練習(xí)，為以后的工作和生活打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（3）重視實(shí)踐訓(xùn)練。提高大學(xué)生的應(yīng)用文寫作能力，應(yīng)用文寫作必不可少。要想讓學(xué)生真正具備應(yīng)用文寫作能力，必須重視應(yīng)用文寫作訓(xùn)練，努力把理論教學(xué)與寫作訓(xùn)練緊密結(jié)合起來。在教學(xué)過程中，教師要適當(dāng)壓縮理論教學(xué)部分，更多地注重應(yīng)用文寫作。