2024年3月7日发(作者：夫天慧)

竞走动作的生物力学分析

作者：时娜，王银行，时应强

来源：《山东体育学院学报》 2017年第1期

摘要：竞走作为一项流行运动与人类其他行走方式有着根本的区别。研究的目的是描述竞走过程中的动力学和运动学指标与正常走各指标的差异，探讨受限于竞走规则的动作是否会造成对竞走运动员的潜在伤害。研究选取14名优秀竞走运动员作为测试对象，使用Rs-scan测力板和3台SONY摄像机采集竞走和正常走的动力学和运动学指标，采用配对T检验的统计学方法来比较两种行走方式的指标差异。在竞走中，足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压力峰值、压力中心曲线在前后方向和左右方向的位移等指标都显著大于正常走。支撑腿着地时伸直的膝关节引起了足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压强峰值的增大；竞走时较大的足跟部位压力峰值和较大的踝关节外翻角度以及大脚趾肌群的过度利用可能是由竞走规则导致的潜在伤病因素。

关键词：压力中心曲线；地面反作用力；压强峰值；竞走；伤病因素

1前言

近几年来，竞走运动已经在世界范围内越来越流行，其中5公里和10公里项目已经在欧美国家成为热门休闲健身运动。一些徒步行走运动热衷者们已经将他们的健身兴趣从慢跑运动逐渐转变为竞走运动。有研究认为这种转变趋势的原因是人们普遍认为竞走运动在健身的同时能够提供一定的竞争性，并且这项运动对人体的伤害非常小。然而，并非所有人都如此乐观，一些研究者们认为竞走是一项高损伤率的运动；Palamarchuk 等人对31名竞走运动员做了统计，他们认为足跟、足趾处水泡、跟腱损伤和踝关节内侧伤痛是竞走运动的常发病。Francis等人做了682名竞走运动员参与的大样本测试，发现2/3的运动员在职业生涯中发生过一次或者多次伤病，他们同时发现膝关节和足部位置最容易受到伤害，此外，跟腱扭伤、骨膜炎和韧带扭伤是竞走的常见病症。 Payne等人发现竞走时足底左右方向的受力明显大于正常走，其可能是造成伤病的潜在原因；他们分析足底左右方向受力较大的原因可能是运动员要补偿异侧

髋关节和同侧肩关节位置的降低，这样的受力会增大支撑腿的紧张程度因而可能会造成损伤，而这一系列动作产生的原因都是竞走规则规定运动员在支撑状态不能有屈膝动作。此外，有的研究者甚至建议修改竞走规则，使运动员在支撑腿着地初期能够有屈膝动作从而产生一定的缓冲。

竞走作为一项得到研究较少的运动，与正常走和跑步具有显著不同。只有很少的研究者曾对竞走运动足底压力峰值、压力中心曲线(COP) 以及一些时间指标做过分析，这些时间指标多为支撑时间和达到压强峰值时刻等。

竞走与正常走和跑步在步态方面有着本质的区别。相对于人们对正常走和跑步所作的大量运动学或动力学方面的研究，只有很少的研究者曾经测试过竞走时的压强峰值、压力中心曲线(COP)和支撑时间、到达压力峰值时刻等各类时间指标。因而，我们对于竞走运动运动学和动力学方面的理解非常有限。

由于目前对竞走生物力学分析和运动损伤方面的研究较为缺乏，研究者意欲对竞走和正常走步态的区别做一次系统对比，以便于我们更好得理解竞走运动和竞走潜在的伤病因素。

2研究方法

2.1研究对象: 本文研究对象为14名中国优秀竞走选手(9名男选手，5名女选手；年龄：20.4±3.3岁，身高173.1±7.8 cm，体重59.8±9.6 kg)。研究对象在测试前6各月至测试开始时无任何腿部疼痛或疾病，所有测试对象在测试前均已签署测试协议并得知了测试的全部步骤及意义。

2.2测试仪器: 本研究采用足底压力测力板(Rs-scan公司，比利时，尺寸为2m×0.4m×0.02m，共包含16,384个传感器，每cm2包含2个传感器，采样频率126Hz)测试运动员足底压力数据。测试时，在测力板左前、右前及右侧各15m处放置摄像机(Sony 9800，拍摄频率50Hz，曝光时间1/250s)3台，使用这3台相机来拍摄测试对象的下肢运动。

2.3测试方式: 竞走运动员采用竞走训练速度和平时步行速度分别进行竞走和正常走测试。有研究已经指出，正常成年人的步态，如步长、支撑和摆动时间等，在正常速度下是具有对称性的。

2.4数据分析: 使用APAS运动学分析软件(Aerial 美国)对运动学指标进行提取，使用Rs-scan测力板软件对动力学指标进行提取。在进行动力学数据提取时，使用半自动的方法将足底分成8个区(如图1)，其分别为足跟内侧 (Hm)，足跟外侧(Hl), 1-5趾骨 (M1, M2, M3, M4,

M5) 和大脚趾(T1)。在足跟部位采用大分区面积(3.4 cm2)而在其他部位采用小分区面积(1.5

cm2)。这种差别分区的方法曾被前人所广泛采用并被给予了充分说明，他们认为在足跟部位，小分区面积不能够全面包裹足跟受力面因而可能会对测试结果造成影响。

本测试定义X轴方向为足底压力中心在内外侧位移移动的方向，它与Y轴垂直。Y轴为足部前后侧方向，其为足跟中心至第二趾骨的连接线。足底压力中心在前后方向的位移被认为是其沿Y轴方向移动的位移(图 2, a)。为了便于分析，前后测的压力中心位移使用脚长做标准化，内外侧的压力中心位移使用脚宽做标准化，地面反作用力数值使用体重做标准化。

采用独立T检验来比较男女运动员之间的数据差异，采用配对T检验来比较竞走和正常走压强峰值、地面反作用力峰值、谷值和其他运动学指标上的差异。所有数据都使用SPSS13.0进行分析，当P＜0.05时，差异具有显著性。

3研究结果

不同性别运动员之间的所有数据指标均无显著性差异(P>0.05)，因而本研究将男女运动员的数据指标混合作为一组进行统计分析。

压强峰值指标的ICC测试显示，所有足底分区的ICC数值均在0.75-0.90之间(如表1所示)。ICC系数在M2分区最高，而在Hm部位最低。

表2所示为竞走和正常走下肢运动学指标的比较。竞走在踝关节背伸角度(P=0.003)、踝关节角速度(P=0.000)、膝关节伸展角度(P=0.000)、髋关节内收角度(P=0.038)和足部外翻角度(P=0.000)均等指标上均显著大于正常走。

如图3所示，竞走中压强峰值最大的足底分区为足跟内侧(Hm)和外侧(Hl)

(Hm=51.27±10.80; Hl= 47.76±8.74)，而在正常走中，压强峰值最大的区域为第二趾骨M2和大姆趾T1区域(M2=44.83±5.02; T1=38.06±4.24)。配对T检验显示，竞走时足跟内侧(Hm)和外侧(Hl)区域的压强峰值显著大于正常走(P=0.001; P=0.003)。

图2b所示为竞走和正常走时足底压力中心曲线，竞走时压力中心曲线前后侧位移( 86.75±1.59 %脚长)和内外侧位移(28.76±7.30 %脚宽)显著大于(P=0.024, P=0.001)正常走(76.75±3.77% 脚长; 21.82±4.54 %脚宽)。

4讨论

前人的研究曾经比较过竞走和正常走在步长、水平速度、支撑时间和膝关节角度等指标的差异。本研究想在前人研究的基础上进一步揭示两种运动在运动学和动力学方面的区别。其意义在于：1) 定量描述竞走和正常走在运动学和动力学指标上的差异；2) 从解剖学和竞走技术角度揭示产生指标差异的原因；3) 探讨竞走规则能否导致潜在受伤因素的产生。

4.1压强峰值的组间相关系数 (ICC)

有研究者曾对步态中压强峰值指标进行研究，但很少有人论证过压强峰值指标的重测信度。重测信度高的统计学表现为每次测试之间的组间相关系数(ICC)较高。Wearing 等认为当ICC>0.75时，测试的重测信度较高，而当ICC>0.9时，测试的重测信度非常高。在本研究中，87.8%的压强峰值指标重测信度较高而12.5%的压强峰值指标重测信度非常高(见表1)。本研究较高的ICC系数意味着测试有很好的重复性。

4.2压强峰值

竞走时压强峰值最高值出现在足跟部位，并且其峰值数值显著大于正常走数值(见图3)。有研究指出当足部和地面开始接触后，足部对地面的最大冲力出现在足跟开始接触地面后，这种冲力会引起下肢的颤动。然而，竞走规则规定支撑腿在支撑过程中膝关节必须是伸直的，这就限制了竞走时膝关节的缓冲作用。我们认为最初接触地面时伸直的膝关节是造成竞走足跟部位压强峰值较高的主要原因。

在脚前掌，竞走和正常走最大压强峰值出现的部位都是第二趾骨(M2)，这与前人研究的结果相吻合，这可能是相对于屈伸角度范围较大的大脚趾而言，第二趾骨在跖趾关节中活动范围较小所致。

5结论

在竞走中，足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压力峰值、地面反作用力第一、第二压力峰值和谷值大小、压力中心曲线在前后方向和左右方向的位移等指标都显著大于正常走。支撑腿着地时伸直的膝关节引起了足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压强峰值的增大；竞走中较大的水平速度、较大的水平冲力和较快的踝关节背伸速度分别造成了地面反作用力第一、第二峰值和谷值的增大；更多的大脚趾肌肉用力和较大的髋关节内收动作造成了竞走时足底压力中心曲线在前后方

向和内外方向的位移增大。竞走时较大的足跟部位压力峰值和较大的踝关节外翻角度以及大脚趾肌群的过度利用可能是由竞走规则导致的潜在伤病因素。

参考文献：

［1］ Francis P.R,Richman son es in the Sport of Race walking［J］ .Journal of Athletic Training ,1998, 33(2):122-129.

［2］ Kummant lking gains new popularity［J］ .Physical Sportsmed,1981,

9(1):19-20.

［3］ Palamarchuk R. Racewalking: a not so injury free sport. In:Rinaldi RR,

Sabia ML, eds. Sports medicine ’80. Mt. Kisco ［M］ .NY: Futura publishing Co;

1980:19-20.

［4］ Payne AH. A comparison of the ground reaction forces in racewalking with

those in normal walking and running. In:Asmussen E, Jorgensen K, eds. Biomechanics

VI-A. Baltmore ［M］ . MD: University Park Press,1978:293-302.

［5］ Knicker A, Loch M. Racewalking technique and judging: the final report of

the international athletic foundation research project ［J］ . New Stud Athl，1990:

25-38.

［6］ Martin P.E and Morgan D.M, (1987) The interaction of stride length,

stride rate, and velocity in race walking Arizona Journal of health ［J］ .physical

education and receation，28 (2): 4-7.

2024年3月7日发(作者：夫天慧)

竞走动作的生物力学分析

作者：时娜，王银行，时应强

来源：《山东体育学院学报》 2017年第1期

摘要：竞走作为一项流行运动与人类其他行走方式有着根本的区别。研究的目的是描述竞走过程中的动力学和运动学指标与正常走各指标的差异，探讨受限于竞走规则的动作是否会造成对竞走运动员的潜在伤害。研究选取14名优秀竞走运动员作为测试对象，使用Rs-scan测力板和3台SONY摄像机采集竞走和正常走的动力学和运动学指标，采用配对T检验的统计学方法来比较两种行走方式的指标差异。在竞走中，足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压力峰值、压力中心曲线在前后方向和左右方向的位移等指标都显著大于正常走。支撑腿着地时伸直的膝关节引起了足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压强峰值的增大；竞走时较大的足跟部位压力峰值和较大的踝关节外翻角度以及大脚趾肌群的过度利用可能是由竞走规则导致的潜在伤病因素。

关键词：压力中心曲线；地面反作用力；压强峰值；竞走；伤病因素

1前言

近几年来，竞走运动已经在世界范围内越来越流行，其中5公里和10公里项目已经在欧美国家成为热门休闲健身运动。一些徒步行走运动热衷者们已经将他们的健身兴趣从慢跑运动逐渐转变为竞走运动。有研究认为这种转变趋势的原因是人们普遍认为竞走运动在健身的同时能够提供一定的竞争性，并且这项运动对人体的伤害非常小。然而，并非所有人都如此乐观，一些研究者们认为竞走是一项高损伤率的运动；Palamarchuk 等人对31名竞走运动员做了统计，他们认为足跟、足趾处水泡、跟腱损伤和踝关节内侧伤痛是竞走运动的常发病。Francis等人做了682名竞走运动员参与的大样本测试，发现2/3的运动员在职业生涯中发生过一次或者多次伤病，他们同时发现膝关节和足部位置最容易受到伤害，此外，跟腱扭伤、骨膜炎和韧带扭伤是竞走的常见病症。 Payne等人发现竞走时足底左右方向的受力明显大于正常走，其可能是造成伤病的潜在原因；他们分析足底左右方向受力较大的原因可能是运动员要补偿异侧

髋关节和同侧肩关节位置的降低，这样的受力会增大支撑腿的紧张程度因而可能会造成损伤，而这一系列动作产生的原因都是竞走规则规定运动员在支撑状态不能有屈膝动作。此外，有的研究者甚至建议修改竞走规则，使运动员在支撑腿着地初期能够有屈膝动作从而产生一定的缓冲。

竞走作为一项得到研究较少的运动，与正常走和跑步具有显著不同。只有很少的研究者曾对竞走运动足底压力峰值、压力中心曲线(COP) 以及一些时间指标做过分析，这些时间指标多为支撑时间和达到压强峰值时刻等。

竞走与正常走和跑步在步态方面有着本质的区别。相对于人们对正常走和跑步所作的大量运动学或动力学方面的研究，只有很少的研究者曾经测试过竞走时的压强峰值、压力中心曲线(COP)和支撑时间、到达压力峰值时刻等各类时间指标。因而，我们对于竞走运动运动学和动力学方面的理解非常有限。

由于目前对竞走生物力学分析和运动损伤方面的研究较为缺乏，研究者意欲对竞走和正常走步态的区别做一次系统对比，以便于我们更好得理解竞走运动和竞走潜在的伤病因素。

2研究方法

2.1研究对象: 本文研究对象为14名中国优秀竞走选手(9名男选手，5名女选手；年龄：20.4±3.3岁，身高173.1±7.8 cm，体重59.8±9.6 kg)。研究对象在测试前6各月至测试开始时无任何腿部疼痛或疾病，所有测试对象在测试前均已签署测试协议并得知了测试的全部步骤及意义。

2.2测试仪器: 本研究采用足底压力测力板(Rs-scan公司，比利时，尺寸为2m×0.4m×0.02m，共包含16,384个传感器，每cm2包含2个传感器，采样频率126Hz)测试运动员足底压力数据。测试时，在测力板左前、右前及右侧各15m处放置摄像机(Sony 9800，拍摄频率50Hz，曝光时间1/250s)3台，使用这3台相机来拍摄测试对象的下肢运动。

2.3测试方式: 竞走运动员采用竞走训练速度和平时步行速度分别进行竞走和正常走测试。有研究已经指出，正常成年人的步态，如步长、支撑和摆动时间等，在正常速度下是具有对称性的。

2.4数据分析: 使用APAS运动学分析软件(Aerial 美国)对运动学指标进行提取，使用Rs-scan测力板软件对动力学指标进行提取。在进行动力学数据提取时，使用半自动的方法将足底分成8个区(如图1)，其分别为足跟内侧 (Hm)，足跟外侧(Hl), 1-5趾骨 (M1, M2, M3, M4,

M5) 和大脚趾(T1)。在足跟部位采用大分区面积(3.4 cm2)而在其他部位采用小分区面积(1.5

cm2)。这种差别分区的方法曾被前人所广泛采用并被给予了充分说明，他们认为在足跟部位，小分区面积不能够全面包裹足跟受力面因而可能会对测试结果造成影响。

本测试定义X轴方向为足底压力中心在内外侧位移移动的方向，它与Y轴垂直。Y轴为足部前后侧方向，其为足跟中心至第二趾骨的连接线。足底压力中心在前后方向的位移被认为是其沿Y轴方向移动的位移(图 2, a)。为了便于分析，前后测的压力中心位移使用脚长做标准化，内外侧的压力中心位移使用脚宽做标准化，地面反作用力数值使用体重做标准化。

采用独立T检验来比较男女运动员之间的数据差异，采用配对T检验来比较竞走和正常走压强峰值、地面反作用力峰值、谷值和其他运动学指标上的差异。所有数据都使用SPSS13.0进行分析，当P＜0.05时，差异具有显著性。

3研究结果

不同性别运动员之间的所有数据指标均无显著性差异(P>0.05)，因而本研究将男女运动员的数据指标混合作为一组进行统计分析。

压强峰值指标的ICC测试显示，所有足底分区的ICC数值均在0.75-0.90之间(如表1所示)。ICC系数在M2分区最高，而在Hm部位最低。

表2所示为竞走和正常走下肢运动学指标的比较。竞走在踝关节背伸角度(P=0.003)、踝关节角速度(P=0.000)、膝关节伸展角度(P=0.000)、髋关节内收角度(P=0.038)和足部外翻角度(P=0.000)均等指标上均显著大于正常走。

如图3所示，竞走中压强峰值最大的足底分区为足跟内侧(Hm)和外侧(Hl)

(Hm=51.27±10.80; Hl= 47.76±8.74)，而在正常走中，压强峰值最大的区域为第二趾骨M2和大姆趾T1区域(M2=44.83±5.02; T1=38.06±4.24)。配对T检验显示，竞走时足跟内侧(Hm)和外侧(Hl)区域的压强峰值显著大于正常走(P=0.001; P=0.003)。

图2b所示为竞走和正常走时足底压力中心曲线，竞走时压力中心曲线前后侧位移( 86.75±1.59 %脚长)和内外侧位移(28.76±7.30 %脚宽)显著大于(P=0.024, P=0.001)正常走(76.75±3.77% 脚长; 21.82±4.54 %脚宽)。

4讨论

前人的研究曾经比较过竞走和正常走在步长、水平速度、支撑时间和膝关节角度等指标的差异。本研究想在前人研究的基础上进一步揭示两种运动在运动学和动力学方面的区别。其意义在于：1) 定量描述竞走和正常走在运动学和动力学指标上的差异；2) 从解剖学和竞走技术角度揭示产生指标差异的原因；3) 探讨竞走规则能否导致潜在受伤因素的产生。

4.1压强峰值的组间相关系数 (ICC)

有研究者曾对步态中压强峰值指标进行研究，但很少有人论证过压强峰值指标的重测信度。重测信度高的统计学表现为每次测试之间的组间相关系数(ICC)较高。Wearing 等认为当ICC>0.75时，测试的重测信度较高，而当ICC>0.9时，测试的重测信度非常高。在本研究中，87.8%的压强峰值指标重测信度较高而12.5%的压强峰值指标重测信度非常高(见表1)。本研究较高的ICC系数意味着测试有很好的重复性。

4.2压强峰值

竞走时压强峰值最高值出现在足跟部位，并且其峰值数值显著大于正常走数值(见图3)。有研究指出当足部和地面开始接触后，足部对地面的最大冲力出现在足跟开始接触地面后，这种冲力会引起下肢的颤动。然而，竞走规则规定支撑腿在支撑过程中膝关节必须是伸直的，这就限制了竞走时膝关节的缓冲作用。我们认为最初接触地面时伸直的膝关节是造成竞走足跟部位压强峰值较高的主要原因。

在脚前掌，竞走和正常走最大压强峰值出现的部位都是第二趾骨(M2)，这与前人研究的结果相吻合，这可能是相对于屈伸角度范围较大的大脚趾而言，第二趾骨在跖趾关节中活动范围较小所致。

5结论

在竞走中，足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压力峰值、地面反作用力第一、第二压力峰值和谷值大小、压力中心曲线在前后方向和左右方向的位移等指标都显著大于正常走。支撑腿着地时伸直的膝关节引起了足跟外侧(Hl)和足跟内侧(Hm)压强峰值的增大；竞走中较大的水平速度、较大的水平冲力和较快的踝关节背伸速度分别造成了地面反作用力第一、第二峰值和谷值的增大；更多的大脚趾肌肉用力和较大的髋关节内收动作造成了竞走时足底压力中心曲线在前后方

向和内外方向的位移增大。竞走时较大的足跟部位压力峰值和较大的踝关节外翻角度以及大脚趾肌群的过度利用可能是由竞走规则导致的潜在伤病因素。

参考文献：

［1］ Francis P.R,Richman son es in the Sport of Race walking［J］ .Journal of Athletic Training ,1998, 33(2):122-129.

［2］ Kummant lking gains new popularity［J］ .Physical Sportsmed,1981,

9(1):19-20.

［3］ Palamarchuk R. Racewalking: a not so injury free sport. In:Rinaldi RR,

Sabia ML, eds. Sports medicine ’80. Mt. Kisco ［M］ .NY: Futura publishing Co;

1980:19-20.

［4］ Payne AH. A comparison of the ground reaction forces in racewalking with

those in normal walking and running. In:Asmussen E, Jorgensen K, eds. Biomechanics

VI-A. Baltmore ［M］ . MD: University Park Press,1978:293-302.

［5］ Knicker A, Loch M. Racewalking technique and judging: the final report of

the international athletic foundation research project ［J］ . New Stud Athl，1990:

25-38.

［6］ Martin P.E and Morgan D.M, (1987) The interaction of stride length,

stride rate, and velocity in race walking Arizona Journal of health ［J］ .physical

education and receation，28 (2): 4-7.