李樹屏

下肢打水在水中游進(jìn)中的推力和控制機(jī)制

李樹屏

下肢擊水的核心目標(biāo)是增大游進(jìn)的推力。從能量的角度分析，動力（推力）和阻力都來自于渦旋。高效率的推進(jìn)依賴游進(jìn)者的身體與流體流動環(huán)境相互作用的優(yōu)化，即渦旋強(qiáng)度的平衡。高水平的打水模式是：下肢各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動向足部方向產(chǎn)生正弦波動，振動速度不發(fā)生衰減。人體系統(tǒng)無論對熟悉（如：腳蹼）還是不熟悉的任務(wù)型約束（如：腿蹼），在相應(yīng)的運(yùn)動模式未建立起來之前，都可以迅速地在訓(xùn)練前期加以調(diào)節(jié)。當(dāng)任務(wù)型約束為非熟悉形式時，整合過程會延長。說明運(yùn)動練習(xí)手段和輔助訓(xùn)練器材的時效性是一個值得關(guān)注的既有理論價值又有實踐意義的課題。

下肢打水；推進(jìn)力；動態(tài)系統(tǒng)理論；約束；動作協(xié)調(diào)

競技游泳中對下肢的作用關(guān)注較少，人們的注意力常常放在身體姿勢和上肢功能上[1]，這是因為需要依靠上肢劃水增大推進(jìn)力和身體運(yùn)動減小游進(jìn)的阻力[2-4]。實際上，有研究早已證實，下肢的打水對游泳推進(jìn)力的貢獻(xiàn)不容忽視[2，5]。下肢的打水為全身擺動提供了一個穩(wěn)定的平臺，使游泳者得以減少阻力、優(yōu)化推進(jìn)力以及旋轉(zhuǎn)的效率[6]。

下肢打水動作不僅在競賽中有重要作用，而且無論對高水平游泳運(yùn)動員還是初學(xué)者都是常用的訓(xùn)練和練習(xí)手段。對無上肢動作的下肢打水的研究主要集中在打水效率的運(yùn)動學(xué)，如打水幅度的高低[7]，打水時足的迎水面積大小[8]等。有研究利用電子量角器比較了自由泳、仰泳和蝶泳打水的下肢角度[9]，發(fā)現(xiàn)，海豚式打水的膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度和屈伸幅度都明顯高于交叉式打水，而踝關(guān)節(jié)角度則無顯著性差異。在25 m泳池中，0.5 m的水下比較從1.6～3.1 m/s間5種游速下的3種打水方式（自由式打水、海豚式打水和側(cè)位海豚式打水，軀干和上肢成流線型姿勢）的阻力，結(jié)果表明，在2.2 m/s游速，3種打水方式的阻力并無差別[10]。回歸分析表明，自然幅度的海豚式打水的游速明顯高于交叉式打水以及小幅和大幅度的海豚式打水，而踝關(guān)節(jié)和足的大幅度縱向運(yùn)動加上較寬的足的面積有利于海豚式打水獲得高的游速[11]。

研究下肢打水技術(shù)的目的主要在于如何提高打水的效果，其關(guān)鍵在于下肢動作與環(huán)境（水）之間相互作用的最佳化，這涉及到下肢打水推進(jìn)的生物力學(xué)特征以及動作協(xié)調(diào)與優(yōu)化的機(jī)制。

1 下肢打水推進(jìn)的生物力學(xué)

1.1 推進(jìn)模式

NEUHAUS等[12]提出，人體游泳時腿部的運(yùn)動模式可分為2種：（1）海豚式，即2腿并攏擊水；（2）交叉式，即2腿反相運(yùn)動，如爬泳，類似于魚類的尾部擺振。WEBB[13]根據(jù)魚類的身體形狀和運(yùn)動方式將魚類的推進(jìn)模式分為3種類型，即全身加尾鰭周期性擺動型（BCF-p型）、全身加尾鰭快變（出發(fā)和轉(zhuǎn)向）型（BCF-t型）和半身加腹鰭擺動型（MPF型）。相對于人體的運(yùn)動，BCF和MPF型分別對應(yīng)游泳時下肢和上肢的動作（見圖1）。BCF模式是從身體的前部開始擺動一直到尾部，其中，從頭頂部就開始擺動直至全身，稱為全身波動，如鰻鱺科的游動，這種游進(jìn)方式的加速性和機(jī)動性好，但能耗很高。半身波動從身體的下半部開始，速度、效率和機(jī)動性較高，如anguilliform（見圖2）。尾部波動或圍繞某支點(diǎn)的擺振，這是速度最快且效率最高的推進(jìn)模式，為金槍魚、海豚和鯊魚等采用。

MPF模式是從身體擺動方式（如rajiform）到完全依靠鰭的擺動（如labriform）。labriform模式中還可分為2類，阻力型（搖櫓型）推進(jìn)和升力型（拍振型）推進(jìn)，采用哪種形式，取決于游進(jìn)的速度。阻力型（搖櫓型）推進(jìn)在低速游進(jìn)時效率較高，而升力型（拍振型）推進(jìn)在高速游進(jìn)時效率較高，人體游泳時上肢的運(yùn)動方式類似于labriform模式[14-15]。

圖1 魚類推進(jìn)器（鰭）類型與推進(jìn)模式關(guān)系[13]

圖2 BCF模式漸進(jìn)圖[16]注：（a）為 anguilliform，（b）為 subcarangiform，（c）為 carangiform，（d）為thunniform mode。

1.2 推力產(chǎn)生機(jī)制

對水生生物運(yùn)動的數(shù)學(xué)和流體動力學(xué)研究始于LIGHTHILL[17]和WU[18]，研究焦點(diǎn)主要圍繞在水生生物的身體或鰭運(yùn)動時是否產(chǎn)生逆卡門渦列作為推進(jìn)力的渦旋的特性。盡管對水生生物2種運(yùn)動模式（subcarangiform和carangiform型（下半身波動），thunniform和ostraciiform型（主要由尾部擺振））的數(shù)學(xué)處理上有所不同，但從渦旋的特性入手的思路主導(dǎo)了對水生生物推進(jìn)力的研究。

LIGHTHILL的細(xì)長體理論是廣泛應(yīng)用于波動式游進(jìn)分析的方法。根據(jù)細(xì)長體理論，身體的每一個波動運(yùn)動產(chǎn)生向后的動量，依次在兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)律的渦旋傳遞到尾波，形成渦列。LIGHTHILL首先提出逆卡門渦列為推進(jìn)力源的觀點(diǎn)，并被應(yīng)用到單個或成群的魚類和水生哺乳動物的游進(jìn)分析[19-21]，以及人體的蹼泳運(yùn)動分析中[22-25]。波動的推力可根據(jù)細(xì)長體理論由身體環(huán)節(jié)波動產(chǎn)生的側(cè)向力計算（見圖3）。

圖3 反向卡門渦列圖

對擺振式游進(jìn)（如海豚、鯊魚等）的研究還包括尾翼的翼型（高展弦比，如新月狀尾翼）[27-28]，從硬板式尾翼到三維可變形尾翼，以及不同形狀下大幅度運(yùn)動或小幅度運(yùn)動的分析[21]。

近10多年來，基于對非定常流控制受到關(guān)注[29-31]，研究證明，許多魚類可以借助非定常流的能量加強(qiáng)推力和機(jī)動性。通過自身的動力學(xué)調(diào)節(jié)，魚類可以做到高效地游進(jìn)，可以產(chǎn)生大的推力和調(diào)節(jié)力，以及使用最小的能耗順滑地游過流體[31]。

自從LIGHTHILL早期提出概念化的“細(xì)長體理論”以來，數(shù)學(xué)力學(xué)模型得到了明顯的改進(jìn)，以適應(yīng)大幅度的波動分析[32-33]，中心線以及尾翼與腹鰭產(chǎn)生的渦列的相互作用[34-36]。WU[18]提出了二維波面理論，將魚類作為彈性板處理。身體的厚度對推力和阻力的影響也有研究[37-38]。KATZ和WEITHS[39]研究了身體彈性的影響。波動板理論的線性和非線性擴(kuò)展分析也有研究[40-43]。

1.3 推力和效率的平衡

水生生物運(yùn)動的研究結(jié)果可以為人體游泳所借鑒，特別是逆卡門渦列以及能量的再利用。一些研究者研究了卡門渦列在水下打水和腳蹼游進(jìn)[22-24，44-47]。當(dāng)尾鰭在最高點(diǎn)開始向下打水時，產(chǎn)生逆時針方向的渦旋，形成對后方的水的沖量，從而水對腳蹼（人體）產(chǎn)生向前的反作用力沖量；當(dāng)腳蹼在最低點(diǎn)開始向上打水時，產(chǎn)生順時針方向的渦旋，同樣形成對后方的水的沖量，水仍然對腳蹼（人體）產(chǎn)生向前的反作用力沖量（見圖3（a））。

尾渦的產(chǎn)生必須受到控制，一方面，需要產(chǎn)生足夠多的渦旋以獲得推進(jìn)力；另一方面，人們需要避免過多的渦旋消耗過多的不能再利用的能量，在推力和能耗中取得平衡。這種平衡部分取決于渦旋與人體相應(yīng)部位的相互作用。由此可見，打水在運(yùn)動模式優(yōu)化中的重要作用。

由此得出的關(guān)鍵概念是，游進(jìn)者必須發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生適量的分布渦旋（卡門渦列），無論是波動還擺振型游進(jìn)。平衡點(diǎn)能產(chǎn)生足夠“有用的”渦旋去克服前進(jìn)的阻力，同時避免產(chǎn)生多余的渦旋以致耗費(fèi)不能再利用的能量。高效率的推進(jìn)依賴游進(jìn)者的身體和腳蹼與流體流動環(huán)境相互作用的優(yōu)化。

近年來，有關(guān)尾翼諧波擺振產(chǎn)生推力原理的研究取得了顯著的進(jìn)展，連同下肢打水運(yùn)動學(xué)的研究，以及數(shù)字模擬單蹼游進(jìn)的研究結(jié)果表明，優(yōu)化的腳蹼擊水模式是身體各部依次波浪形運(yùn)動傳遞到末端的腳蹼從而形成卡門渦列并加以有效的利用，產(chǎn)生推進(jìn)力。

2 下肢打水動作協(xié)調(diào)與優(yōu)化

2.1 打水訓(xùn)練與動態(tài)系統(tǒng)理論

下肢打水動作不僅在競賽中有重要作用，而且無論對高水平游泳運(yùn)動員還是初學(xué)者都是常用的訓(xùn)練和練習(xí)手段。動作練習(xí)、訓(xùn)練的目的是優(yōu)化動作模式，動作練習(xí)應(yīng)該在動作學(xué)習(xí)的初期盡早進(jìn)行，因為不恰當(dāng)?shù)牧?xí)慣性的動作模式一旦形成，就很難改變。

根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)理論的觀點(diǎn)，作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，人體運(yùn)動系統(tǒng)的行為由大量相互聯(lián)系和相互作用的子系統(tǒng)通過系統(tǒng)的“自組織”（self-organization）功能來實現(xiàn)，這種由各類不同人體運(yùn)動系統(tǒng)部分組合而成的功能單位被稱為“協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)”（coordinative structures）或“協(xié)同”（synergies）。這種臨時的功能組合是有選擇性的，有特定動作目標(biāo)的，不受人體生物結(jié)構(gòu)限制的系統(tǒng)組織狀態(tài)，這種協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的可變性是運(yùn)動動作可塑性的重要理論基礎(chǔ)[48]。

動力系統(tǒng)理論被較多的應(yīng)用于考察人體運(yùn)動系統(tǒng)的動作模式，其主要特點(diǎn)有以下2點(diǎn)。（1）多環(huán)節(jié)系統(tǒng)協(xié)調(diào)分析。WICKELGREN[49]曾在《Science》雜志報道，小腦受損的病人對單關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制尚屬正常，但對多關(guān)節(jié)運(yùn)動的神經(jīng)肌肉控制則存在動作協(xié)調(diào)的功能障礙。這從生物力學(xué)的角度說明了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對單環(huán)節(jié)（關(guān)節(jié)）運(yùn)動的控制與協(xié)調(diào)是有別于多環(huán)節(jié)（關(guān)節(jié)）的。鑒于人體運(yùn)動是多環(huán)節(jié)參與的特性，多環(huán)節(jié)系統(tǒng)的分析有助于更深入地了解人體系統(tǒng)的動作控制和演變的規(guī)律。動力系統(tǒng)理論在系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上采用相位分析等非線性方法，最常用的是從計算環(huán)節(jié)（或關(guān)節(jié)）的相位角入手，分析環(huán)節(jié)相位角位移—角速度關(guān)系（相平面），和對任意2個環(huán)節(jié)連續(xù)相對的相位關(guān)系（即2個環(huán)節(jié)相位角位移—角速度參數(shù)的差）。連續(xù)相位關(guān)系的優(yōu)勢則在于同時體現(xiàn)2個環(huán)節(jié)的4個位移和速度關(guān)系來研究多環(huán)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制功能。（2）長程觀測和重復(fù)測量。動力系統(tǒng)理論的一個關(guān)鍵概念是“約束”，即人體內(nèi)外環(huán)境對運(yùn)動的限制。一個熟練的動作形式作為神經(jīng)—肌肉協(xié)調(diào)和控制的優(yōu)化模式，是由身體結(jié)構(gòu)型約束（如身高、體重）、環(huán)境型約束（如溫度、重力）和任務(wù)型約束（如運(yùn)動的目的、運(yùn)動時所用運(yùn)動裝備）的相互作用決定的[50]。如穿戴不同的蹼（穿在腳上的腳蹼和穿在腿上的腿蹼），人體環(huán)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)模式是不同的，即約束條件決定了動作的形式[51]。但多數(shù)研究往往只關(guān)注了人體運(yùn)動系統(tǒng)對約束條件的最初的反應(yīng)，這并不能保證所得到的系統(tǒng)對約束的反應(yīng)和適應(yīng)的真實性[52]。

2.2 打水動作模式的優(yōu)化

有研究報道，通過比較不同水平游泳練習(xí)者打水動作模式的橫向研究，分析游泳初學(xué)者在“學(xué)習(xí)游泳”（打水）過程中與高水平游泳運(yùn)動員動作模式的不同之處[1]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著訓(xùn)練任務(wù)的完成，各水平游泳初學(xué)者在打水訓(xùn)練中下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動趨向于采取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動幅度，從而產(chǎn)生簡單的正弦運(yùn)動。對髖、膝、踝關(guān)節(jié)豎直運(yùn)動的傅里葉分析計算出身體波動的傳遞速度以及生物學(xué)噪聲和變異度。髖-膝和膝-踝波動速度比指數(shù)表明，多數(shù)低水平的游泳練習(xí)者下肢關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)程度沒有達(dá)到高打水效率的要求。而有明顯的證據(jù)顯示，高水平的打水動作特征是：各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動向足部方向產(chǎn)生正弦波動，振動速度不減小甚至增大，生物學(xué)噪聲低和變異度小。

通過熟悉任務(wù)型約束的不同組合形式，運(yùn)動員學(xué)習(xí)快速適應(yīng)競賽中約束條件的各種變化，這種適應(yīng)約束條件變化的能力（速度）取決于2個因素。（1）運(yùn)動員是否“熟悉”該任務(wù)約束。熟悉的任務(wù)約束定義為在訓(xùn)練中經(jīng)常出現(xiàn)的約束，非熟悉的任務(wù)約束則是訓(xùn)練中從未出現(xiàn)過的約束形式。（2）任務(wù)約束變化的引入是否會使得動作模式需要優(yōu)化。因此，當(dāng)任務(wù)型約束發(fā)生變化時，會有4種情況出現(xiàn)：（1）形成新的動作模式以適應(yīng)非熟悉的任務(wù)型約束；（2）形成新的動作模式以適應(yīng)熟悉的任務(wù)型約束；（3）以不變的運(yùn)動模式，通過肌肉的協(xié)同作用應(yīng)對不同的任務(wù)約束條件以適應(yīng)非熟悉的任務(wù)型約束[53]；（4）以不變的運(yùn)動模式，通過肌肉的協(xié)同作用應(yīng)對不同的任務(wù)約束條件以適應(yīng)熟悉的任務(wù)型約束。

2.3 打水動作模式形成和演變的機(jī)制

有關(guān)訓(xùn)練的次數(shù)（時間與頻率）與適應(yīng)任務(wù)型約束變化的研究少見報道。目前的研究有2個值得注意的問題：（1）多數(shù)研究沒有涉及在不同約束條件之間，優(yōu)化的動作模式在什么程度上是不同的；（2）多數(shù)研究往往只關(guān)注了人體運(yùn)動系統(tǒng)對約束條件的最初反應(yīng)，這并不能保證所得到的系統(tǒng)對約束的反應(yīng)和適應(yīng)的真實性[53]。

根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)理論，肌肉系統(tǒng)會自組織協(xié)同以適應(yīng)給定的約束條件下的運(yùn)動，適應(yīng)約束條件形成動作模式的速度取決于系統(tǒng)尋找“顯現(xiàn)因子”所需的時間。因此，當(dāng)需要形成新的動作模式但缺乏對特定約束條件的體驗（經(jīng)驗）時，系統(tǒng)的適應(yīng)（調(diào)節(jié)）過程就會較長。上文表明，高效的下肢打水動作是肢體各環(huán)節(jié)依次由近端向遠(yuǎn)端作正弦波動，由于系統(tǒng)“知道”最佳動作模式的特征，因而有助于加快對變化的約束的適應(yīng)而無需尋找感覺-運(yùn)動因子去優(yōu)化建立新的動作模式[50，53]。在訓(xùn)練中，教練或老師的任務(wù)是利用各種任務(wù)約束手段來幫助練習(xí)者、運(yùn)動員找到基本的和個性化的動作協(xié)調(diào)方案[54]，以及模擬競賽條件進(jìn)行訓(xùn)練?？梢?，從任務(wù)約束結(jié)構(gòu)和組織訓(xùn)練環(huán)境的角度看，教練的作用是不可或缺的[54-55]。

使用腳蹼來訓(xùn)練下肢打水動作，滿足改變?nèi)蝿?wù)型約束而不引起改變基本動作模式的條件。游泳練習(xí)者經(jīng)常使用腳蹼訓(xùn)練，因而腳蹼與腿部打水不同，但熟悉的任務(wù)型約束條件，一種新型的穿在小腿上的腿蹼則提供了不同，但為大多數(shù)游泳練習(xí)者不熟悉的任務(wù)型約束條件（見圖4）。使用腿蹼可以減小膝關(guān)節(jié)的受力，同時在打水時使下肢三環(huán)節(jié)變成了二環(huán)節(jié)系統(tǒng)。這樣，練習(xí)者不僅要適應(yīng)腿部力矩的變化，而且要適應(yīng)三環(huán)節(jié)系統(tǒng)壓縮為二環(huán)節(jié)系統(tǒng)的變化，即第2個環(huán)節(jié)加長（小腿+足）。

圖4 腿蹼（a）和腳蹼（b）

SANDERS等[56]研究了下肢打水在無蹼、腳蹼和腿蹼條件下，即任務(wù)型約束變化條件下的調(diào)節(jié)適應(yīng)過程。9位達(dá)到競賽年齡的少年游泳練習(xí)者（11～14歲）隨機(jī)分為腿蹼組、腳蹼組和無蹼對照組，受試者均有經(jīng)常使用腳蹼作打水練習(xí)的經(jīng)驗。有蹼組在訓(xùn)練前進(jìn)行5次無蹼打水測試，完成60次帶蹼訓(xùn)練（每周10次）后，再進(jìn)行10次無蹼打水測試?？刂平M則只參加訓(xùn)練前的5次和訓(xùn)練后的10次無蹼打水測試。所有訓(xùn)練和測試均用測試游泳池裝備的數(shù)字化水下影像記錄系統(tǒng)記錄，并采用APAS計算機(jī)影像解析系統(tǒng)數(shù)字化解析所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)。受試者的運(yùn)動模式與任務(wù)約束的契合程度采用對髖、膝、踝關(guān)節(jié)豎直運(yùn)動的傅里葉分析，計算出髖-膝和膝-踝波動速度比指數(shù)加以判定。結(jié)果表明，無論是腿蹼組還是腳蹼組，重建適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動模式的調(diào)節(jié)過程都發(fā)生在第一次訓(xùn)練節(jié)段，即前10次帶蹼訓(xùn)練中，但非熟悉任務(wù)型約束變化組（腿蹼組）在10次訓(xùn)練后的打水動作仍未達(dá)到優(yōu)化的程度。

3 小 結(jié)

優(yōu)化的腳蹼擊水模式，是身體各部依次波浪形運(yùn)動傳遞到末端的腳蹼從而形成卡門渦列并加以有效利用，產(chǎn)生推進(jìn)力。關(guān)鍵是，一方面需要產(chǎn)生足夠的“有用的”渦旋去克服前進(jìn)的阻力；另一方面，避免產(chǎn)生多余的渦旋以致耗費(fèi)不能再利用的能量。高效率的推進(jìn)依賴游進(jìn)者的身體和腳蹼與流體流動環(huán)境相互作用的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，本文論述了在動態(tài)系統(tǒng)理論框架下打水動作模式的優(yōu)化及動作模式形成和演變的機(jī)制。高水平的打水模式是下肢各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動向足部方向產(chǎn)生正弦波動，振動速度不發(fā)生衰減。人體系統(tǒng)無論對熟悉還是不熟悉的任務(wù)型約束，在相應(yīng)的運(yùn)動模式未建立起來之前，都可以迅速地在訓(xùn)練前期加以調(diào)節(jié)，但快速的調(diào)節(jié)并不妨礙肌肉持續(xù)微調(diào)整合打水動作，即當(dāng)任務(wù)型約束為非熟悉形式時，整合過程會長于熟悉任務(wù)型約束。

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Thrustandcontrolmechanismoflowerextremityunderwaterkickinginswimming

Li Shuping
（Center of Motor Control and Evolution，Hubei University，Wuhan 430062，China）

The core target of lower limbs kicking is to increase swimming thrust.Based on the view of energy analysis，both power（thrust）and resistance are come from the vortex.High efficiency promoting relies on the optimization of interaction between swimmer and fluid flow：the balance of vortex intensity.A high level kicking model is：all joints of the lower extremity generate sine wave to the direction of foot，vibration velocity does not decay.Either to the familiar or to the unfamiliar task constraints，the human system could adjusted quickly in the early stage of training before the corresponding motion mode was estab?lished.When a task constraint is unfamiliar，the integration process would be longer.It indicated that there are theoretical and practical values for the study on the time effectiveness of exercise methods and auxiliary training equipments.

lower limb underwater kicking；Thrust；dynamic system theory；constraint；coordination

G 804.6

A

1005-0000（2014）02-100-05

2013-11-15；

2014-02-08；錄用日期：2014-02-09

李樹屏（1957-），男，湖北武漢人，教授，博士，研究方向為生物力學(xué)。

湖北大學(xué)動作控制與發(fā)展研究中心，湖北武漢430062。