24式太極拳胸椎曲率的生物力學研究

過去，太極拳中對身體類型的要求是“包括胸悶、背痛、腹部伸展和臀部”。”這是長期以來,經拳師不斷實踐總結出來的經驗之談。已經成為一種約定俗成、墨守成規的東西。但是,在具體實踐中,是否每一個動作在練習的過程中都能遵循“含胸拔背”這一規律,我們從來沒有用科學的方法加以驗證。QUALISYS系統能直接計算出受試者胸椎彎曲度的變化。本實驗通過具體的實驗數據分析,為太極拳是否真的能做到“含胸拔背”給出科學的驗證和補充。1.研究對象和方法1.1研究主題研究對象為三位亞洲武術錦標賽、全國武術錦標賽以及全國太極拳、劍錦標賽冠軍。運動員基本情況見表1。1.2測試空間和目1.2.1文獻資料法查尋了全國中文體育期刊的13個核心期刊近十年關于太極拳在運動生物力學方面研究的文獻,以及相關論文、著作。1.2.2專家訪談法咨詢了北京體育大學武術系和運動生物力學教研室的老師和專家,向其請教有關論文實驗設計、數據分析等方面的問題。1.2.3三維運動學測試與分析應用紅外遠射測試系統對24式太極拳的主要動作進行三維生物力學分析。1.2.3.1QUALISYS—MCU500紅外遠射測試系統簡介應用瑞典產QUALISYS—MCU500紅外遠射測試系統(六個鏡頭)對24式太極拳的全套動作進行拍攝,拍攝頻率為20幅/秒和40幅/秒。下面對QUALISYS系統進行簡單的介紹。QUALISYS系統即紅外光點測試系統。它有六個鏡頭對準研究對象可將其運動的全過程進行測試。與傳統的高速攝影(錄像)與解析方法相比,紅外光點測試系統省卻了人工解析的繁重工作,不但可以對測試結果進行快速反饋,而且避免了人工判讀測試點所產生的人為誤差。QUALISYS系統由MCU(MotionCaptureUnit)、反射標志物、計算機及相關軟件組成。其基本工作原理為:將反射物置于紅外光環境中,鏡頭將捕捉由標志物反射的紅外光線,并計算反射標志物在空間的位置。紅外光由MCU的紅外發光二極管發射。反射標志物表面是一種特殊的反光材料,如果有一束光向標志物射去,其反射光中相當大的部分將沿著入射的方向發射回來。MCU集紅外光線發射、圖象獲取、圖象處理和數據傳輸功能為一體,是該系統的核心部分。一個MCU可以獲取圖象的2維坐標,兩個以上的MCU獲取的2維坐標經過合成就可以得到圖象的3維數據。本系統配備6臺MCU,他們依次串聯就進行同步測量。在進行測量過程中,只要某個反射標志物反射的紅外光在某個瞬間能夠被2個以上的MCU捕捉,該標志物的三維坐標就可準確地獲得。因此,該系統能夠方便、快捷、準確地獲得復雜運動的三維運動信息。實驗現場布置及系統工作原理如圖2所示。共26個紅外反射標志點固定在受試運動員身體上。固定位置如表1所示。1.2.3.3實驗過程1.2.3.3.1架設測試系統對六個鏡頭的高度、俯仰角度和焦距進行調整,使坐標框架在每個鏡頭中的位置在中間靠下,且光點大小合適。1.2.3.3.2對測試空間進行標定標定時,實驗人員在運動員技術動作可能會達到的空間內不斷晃動手中標定桿對測試空間進行標定。標定時間為10秒,共200個和400個畫面。系統自動計算六個鏡頭的標定參數,并對是否通過標定進行判定。1.2.3.3.3動作技術測試受試運動員進行一定的準備活動后在其身體測試部位貼置反射標志點。為減少系統誤差,所有項目運動員標志點的設置均由一人完成。身貼標志點的運動員在測試范圍內完成一套動作,每個被測試者演練3-4次,取測試效果最好的一次進行分析。測試效果如圖2所示測試完畢后,對畫面中各點進行定義,系統自動計算并給出各標志點相對于空間標定坐標系的三維坐標。1.2.3.4.1數據處理方法和指標應用QUALISYS系統中的QTools軟件和Excel軟件對一些基本運動學指標進行計算,這些指標包括:各點運動速度、膝關節角度、肘關節角度、重心變化趨勢以及胸椎曲率的變化趨勢。其中膝關節角度定義為同側膝—踝連線與髖—膝連線的夾角,肘關節角度定義為同側腕—肘連線與肘—肩連線間的夾角。1.2.3.4.2脊柱彎曲程度的計算利用脊柱各點坐標進行曲線擬合,計算曲線在各點的曲率。因為頸、腰、骶椎測試點個數不符合曲線擬合的要求,因此只對胸椎段進行曲線擬合。整個計算過程在Excel下完成。以下是對黑志紅野馬分鬃抱球出腳階段的分析,所得的數據結果即胸椎的曲率變化如圖24所示:黑志紅野馬分鬃抱球出腳階段:曲率是用來描寫曲線彎曲度的。曲率越大,彎曲度越大,曲率越小彎曲度越小。2.1.1野馬分鬃抱球出腳階段,曲率逐漸增大,說明胸椎的彎曲度加大。2.1.2四個曲線由上而下的順序為第十二胸椎,第三胸椎,第九胸椎和第六胸椎。這說明靠近腰彎和頸彎的彎曲度較大,符合自然生理規律。2.1.3線的開口由左下到右上逐漸變窄,說明,第九和第六胸椎彎曲度的變化幅度大于第十二和第三胸椎。胸椎兩頭的彎曲度變化較小,而中間的彎曲度變化較大,這一現象充分體現了做野馬分鬃抱球出腳時,胸部內含。這正于太極拳“含胸”的拳理相吻合。野馬分鬃弓步分掌階段:2.2.1曲線在抱球出腳時較高,說明曲率較大,胸椎彎曲度較大;在前移的過程中曲線降低,說明曲率減小,胸椎的彎曲度也減小;在弓步分掌定式時達到最高,說明曲率最大,胸椎彎曲度達到最大。由此說明在整個動作中胸椎的彎曲度,并不是一成不變的,而是隨著重心的前移有一個由屈到伸的變化過程。2.2.2曲線的開口由左右先變窄后變寬,說明,第九和第六胸椎彎曲度的變化幅度仍大于第十二和第三胸椎。胸椎兩頭的彎曲度變化較小,而中間的彎曲度較大,這一現象充分體現了做野馬分鬃的弓步分掌時,胸部始終保持內含。這也于太極拳“含胸”的拳理相吻合。野馬分鬃后移轉身階段:2.3腰椎彎曲度的變化2.3.1曲線波動是由高到低再到高,說明胸椎的彎曲度由大變小再變大,胸部的變化也就是有含到展再到含。后移時含胸,轉身時展胸,準備前移重心時含胸。2.3.2線的開口由左下到右上逐漸變窄,說明,第九和第六胸椎彎曲度的變化幅度大于第十二和第三胸椎。胸椎兩頭的彎曲度變化較小,而中間的彎曲度變化較大,這一現象充分體現了在做野馬分鬃后移轉身時,也始終保持含胸姿勢。2.4含抑的動力學由以上三篇圖的分析可以得到以下結論:2.4.1由于第九和第六胸椎彎曲度的變化幅度始終都大于第十二和第三胸椎。說明在整個動作的完成過程中,上身始終保持含胸姿勢。這也驗證了太極拳“含胸拔背”的動作要領。2.4.2在含胸的同時,胸椎的彎曲度隨著重心的前后移動而發生變化,即:前移時含胸幅度較小,后移時含胸幅度較大。而在動作的定式時,含胸幅度達到最大值。3.結論和建議3.1終保持含胸徑從胸椎曲率的曲線圖,我們可以看到,在整個動作的完成過程中,上身始終保持含胸姿勢。這也驗證了太極拳“含胸拔背”的動作要領。并且在動作的演練過程中,胸椎的彎曲度不是一成不變的,而是遵循重心后移時,胸椎彎曲度逐漸加大,即含胸幅度加大;前移時胸椎彎曲度逐漸減小,即含胸幅度減小。3.2胸徑成了加大的過程,胸徑增大,但含前幅度有所降低3.2.1從胸椎曲率的曲線圖上看到,在整個動作的完成過程中,上身始終保持含胸姿勢。這也驗證了太極拳“含胸拔背”的動作要領。并且在動作的演練過程中,胸椎的彎曲度不是一成不變的,而是遵循重心后移時,胸椎彎曲度逐漸加大,即含胸幅度加大;前移時胸椎彎曲度逐漸減小,即含胸幅度減小的規律。