基于CFD仿真技术的我国跳台滑雪男子运动员的稳定飞行姿态差异研究

探讨中国运动员同世界顶级水平运动员在稳定飞行姿态上的技术差异与不足.研究记录8名中国运动员、8名日本运动员以及10名欧洲运动员的成绩及相关运动学参数,视频解析获得稳定飞行人/板姿态角度参数.建立具备项目特征的人/板系统精细化模型,应用CFD仿真技术对比稳定飞行人/板系统的气动特性差异.结果表明:中国运动员早期形成稳定飞行姿态及后期维持稳定飞行姿态的速度明显慢于欧洲、日本运动员,以至于在跳跃距离上表现出较大的水平差距(P<0.01);中国运动员稳定飞行时髋角度较小,偏小范围为4~8°;踝角度较大,偏大范围为7°~11°,身体姿态不够舒展;身体与雪板之间的角度较大,身体姿态不够前倾;中国运动员在稳定飞行时后方的回流涡强度较大,流线较为紊乱且密集,获得的总升力较小,特别是身体升力,而总阻力较大,以至于升阻比较小,整体气动特性效果较差.研究发现中国运动员成绩上的较大差距主要是由不合理的飞行姿态造成的,这种人/板姿态上的差异会直接影响稳定飞行时的气动特性效果.

短跑运动控制的生物力学分析

目的:通过建立短跑最高速阶段下肢的生物力学模型,探讨短跑运动下肢肌肉在多关节运动中协调、控制功能的生物力学机制,为短跑技术分析、技术最佳化提供依据。方法:使用三维红外高速摄像系统(300 Hz)、三维测力台(1 200 Hz)采集8名高水平短跑运动员在塑胶跑道上全力跑动时的数据。使用环节互动动力学分析短跑最高速时一个步态周期的运动学、动力学数据。研究结果:1)触地初期,地面反作用力通过膝关节和髋关节前方,在膝、髋关节处产生伸膝、屈髋力矩的外力矩(EXF),此时肌肉力矩(MUS)的主要作用是对抗地面反作用力产生的外力矩(EXF)。此时,膝、髋关节处最大MUS分别为203.40±93.60Nm和455.24±198.72 Nm;蹬伸末期,在髋关节处出现较大的由大腿加速度和髋线加速度产生的惯性力矩(INT),在离地后小腿后摆运动中起到积极作用;2)摆动初期,小腿的后摆主要是惯性力矩引起的;摆动末期肌肉力矩(MUS)与惯性力据(INT)出现最大值,膝关节处为249.32±38.81 Nm、194.01±30.90 Nm,髋关节处为650.81±101.06 Nm、410.80±78.67 Nm。结论:支撑期,肌肉力矩(MUS)和地面反作用力产生的外力矩(EXF)是主要控制下肢运动的主要力矩。支撑末期,大腿加速度及髋线加速度在髋关节处产生较大的惯性力矩(INT),为离地后小腿的积极后摆提供帮助;腾空期,摆动腿的运动主要受肌肉力矩(MUS)和惯性力矩(INT)控制,其中,惯性力矩(INT)主要由小腿的角加速度产生的,两力矩相互作用,以控制与完成下肢的目标动作。

短跑支撑期股后肌损伤的动力学分析

目的:本研究通过分析短跑途中跑支撑期下肢关节各种力矩分量,探寻下肢动力学与股后肌损伤的内在联系。方法:8名短跑运动员为受试者,采用即时红外高速摄影技术及三维测力台,引入环节互动动力学方法计算分析短跑最大速度阶段支撑期的下肢关节力矩,研究各种力矩分量(含肌肉力矩、地面反作用力力矩、惯性力矩等)在膝、髋关节处产生的作用,分析在支撑期股后肌的受力及作用情况。结果显示:触地初期,地面反作用力通过膝、髋关节前方,在膝关节处产生伸膝力矩,在髋关节处产生屈髋力矩,为抵抗这一力矩,股后肌群收缩产生屈膝力矩和伸髋力矩分别为231.09±99.04Nm和453.15±199.06Nm。结论:触地初期股后肌承受极大的负荷,是股后肌损伤发生的高危险期。

一种基于微型传感器的鞋带拉力测试系统研制及可靠性研究

目的 研发与验证一种鞋带拉力测试系统的可靠性。方法 对3个拉力传感器分别施加0~196 N增量载荷,每种载荷重复测试9次,重复测试过程中卸去负载并间隔30 s,采集每种负荷下传感器的输出电压。使用线性回归分析探究采集的电压信号与增量载荷之间的线性关系,使用准确度、精确度和一致性区间来验证测量值与真实载荷的一致性,通过Bland-Altman分析和组内相关系数(intra-group correlation coefficient,ICC)分析验证拉力传感器的重复性和可靠性。结果 传感器的输出电压信号与载荷之间显著线性相关(P<0.000 1,R^(2)=0.999 9),3个传感器ICC>0.999(P<0.000 1)。不同载荷下3个拉力传感器测量值变异系数的均值分别为0.003 8、0.002 2和0.003 5。结论 该鞋带拉力采集系统具有较高的可靠性,可以用于鞋带拉力的实时采集。

外加弹性紧身装置对田径运动员下肢肌力、疲劳与肌肉活动的影响

目的:利用下肢等动肌力测试,配合生物信号分析工具——肌电图与肌动图,探讨不同紧度的外加紧身装置对力量输出、疲劳表现以及肌肉活动的影响。方法:利用力量传感器和砝码测得紧身装置的张力-长度曲线,并据此选取紧度张力分别为66.4N和85.8N的中等和高等紧度负荷。由12名田径专项男运动员分别完成无紧身装置、中等紧度负荷和高等紧度负荷三种紧度条件下的测试,包括5秒最大等长收缩和两种速度(60°.s-1和300°.s-1)下的连续25次最大伸膝等动向心运动,并同步采集力量输出参数(力矩、功率、做功)、股直肌肌电和肌动信号(均方根振幅)。结果:三种紧度条件下峰值力矩、峰值功率、前5次平均功率和总做功量无显著性差异;在两种速度下的最大等动向心运动中,相比无紧度条件,高等紧度条件下最大力矩衰减更为缓慢,同时肌电振幅随着外加紧度增加(从无到高)呈显著递减趋势(P<0.05),但肌动振幅的变化却不明显。结论:紧身装置未改变下肢短时间收缩时的肌力和爆发力,然而通过增加一定范围的紧度能够帮助肌肉在募集更少运动单位的情况下维持相似的力量输出,进而对肌肉疲劳和长时间的运动表现产生积极的影响。

紧身装备在体育科学领域的研究现状与展望

紧身装备作为当今高科技运动装备之一,已经被越来越多的运动员和体育爱好者所青睐,它在维持肌肉功能、减少运动损伤、提高运动能力方面的作用,令其成为21世纪功能性运动装备领域的研究热点。运用文献资料调研、统计分类的方法,归纳了半个多世纪以来国内外紧身装备的研究和应用现状。结果发现,近年来,无论是国外还是国内均加大了针对紧身装备的科研探索,主要涉及的学科领域包括生理生化、生物力学、运动医学、材料学以及结构设计等。同时一系列有关紧身衣、裤、袜的研究表明,紧身装备确实对运动员力量的输出、疲劳的表现以及内在肌肉功能产生了积极的影响,但其中蕴含的机制仍需进一步探索。此外,到现在为止国内尚没有系统开展对于运动紧身衣裤的研究,同样限制了国人对于紧身装备内在机制的理解。未来紧身装备的研究将会更多地致力于在选择更理想的紧身材料的基础上,针对肌肉(或软组织)振动特性的影响,特别是在本体感觉、神经肌肉控制以及在预防运动损伤、提高运动能力、促进大众健身等方面进行更深层次的探究。

优秀短跑运动员途中跑时下肢关节力矩及肌群功率分析

目的:量化分析优秀短跑运动员途中跑步态中下肢各关节力矩的贡献成分及下肢肌群的做功情况。方法:采集8名优秀短跑运动员在塑胶跑道上途中跑时完整步态的二维运动学数据(300 Hz)及地面反作用力(1200 Hz)数据,利用环节互动动力学方法分析下肢各关节力矩,并计算各关节角度变化和下肢各关节肌群功率变化。结果:在支撑阶段,主要起控制作用的关节力矩为肌力矩和外力矩。摆动阶段,主要为肌力矩和惯性力矩。在快速跑的完整步态中,髋关节伸肌群、膝关节屈肌群及踝关节跖屈群功率峰值均分别显著高于髋关节屈肌群、膝关节伸肌群及踝关节背屈肌群功率峰值;同时,髋关节伸肌群和膝关节屈肌做正功时功率峰值均显著高于其做负功时功率峰值,踝关节跖屈肌群做负功时功率峰值显著高于其做正功时功率峰值。结论:快速跑时,地面反作用力在支撑期及各环节惯性力在摆动期对下肢运动及各关节肌群的工作性质产生主要影响;短跑训练中,应重视髋关节伸肌群的快速主动收缩(做正功)能力,膝关节屈肌群及踝关节跖屈肌群的快速退让性收缩(做负功)能力的训练。

篮球鞋对主动与被动落地时冲击力特征和肌肉活化的影响

目的探讨人体在主动和被动落地过程中,穿着篮球鞋对落地冲击力特征和下肢相关肌群活化程度的影响。方法选取具备强缓冲性能的篮球鞋作为测试用鞋,并辅以对照鞋。12名球类专项男运动员作为受试者,在翻板器上完成包括由低到高3种下落高度和2种下落方式(主动落地反跳和被动着地)在内的着地动作。利用测力台和肌电分析系统同步采集冲击力和下肢5块主要肌群的EMG信号。结果主动落地反跳时,穿着篮球鞋并没有对冲击力的振幅和频率以及下肢肌群的激活程度产生影响;但被动着地时,穿着篮球鞋却能够显著降低冲击力和负载率的峰值,减小冲击频率(P<0.05),同时显著降低下肢各主要肌群的后激活程度(P<0.05)。结论在主动控制完成动作的情况下,运动鞋影响冲击力和肌肉活化的效果并不明显;然而当人体未完全控制着地状态时,篮球鞋能够改变输入于下肢的冲击力信号,达到缓冲避震并适当减小肌肉活化的效果,为避免落地时运动损伤的发生及机能节省化起到了积极的作用。

快速跑完整步态中下肢肌肉的应力变化及肌肉功能探讨

目的:量化快速跑过程中下肢各关节力矩和各单块肌肉(群)肌应力的变化规律及其对快速跑动作所起的作用。方法:同步采集8名优秀短跑运动员途中跑时完整步态下肢运动学数据(300Hz)、地面反作用力(1200Hz)数据和肌电图(120Hz)信号,建立下肢肌肉-骨骼系统模型,应用中尺度序列二次规划拟牛顿线性搜索算法将快速跑时关节肌力矩优化并求解单块肌肉应力。结果:最优化算法所估算的快速跑时下肢冗余肌力变化与快速跑时肌电全波整流图存在一定程度上的相似。支撑期,臀大肌、腘绳肌、比目鱼肌和腓肠肌应力水平较高。摆动前期,髂肌、股四头肌群(股直肌)、股二头肌短头和腓肠肌为主要做功肌肉。摆动后期,只有臀大肌和腘绳肌活动积极。双关节肌腘绳肌、股直肌和腓肠肌在各时期的应力值均高于其他做功肌肉,且在整个步态中的应力峰值也显著高于其他肌肉。结论:下肢双关节肌腘绳肌、股直肌和腓肠肌受两个关节复杂的交互作用导致应力值偏高,在快速跑时被拉伤风险较大。此优化算法为了解快速跑时下肢单块肌肉力量变化提供了更为精确的方法,进而为分析快速跑肌肉功能和为专项力量训练的科学化及防止肌肉拉伤提供了生物力学依据。

高、低帮篮球鞋对落地时踝关节稳定及肌肉功能影响的研究

目的:探讨高、低帮篮球鞋对落地时踝关节内翻的运动学、地面反作用力及下肢主要肌群活动的影响,尝试理解高、低帮篮球鞋与踝关节落地稳定之间的关系;方法:13名受试者分别穿着高、低帮篮球鞋,手抓杠悬于空中,从40 cm高度分别垂直下落至内翻15°、内翻30°、内翻25°伴随跖屈10°(25°+10°)、内翻25°伴随跖屈20°(25°+20°)的倾斜面上,分析其踝关节运动学、地面反作用力及小腿主要外翻和背屈肌群(胫骨前肌、腓骨长肌和腓骨短肌)的肌电活动;结果:高、低帮鞋对内翻角度的变化、最大内翻角速度和地面垂直及水平冲击力没有显著影响;在15°倾斜面时,穿着高帮鞋出现预激活时间比低帮鞋晚(P<0.05),同时,在15°和25°+20°下腓骨长肌和腓骨短肌落地前50 ms的平均振幅更小(P<0.05);结论:选取的高帮鞋对踝关节的运动学和冲击力的改变不显著,但却在一定程度上影响了周围肌肉的预激活,对限制踝关节活动起到了积极的作用。

高速跑时下肢双关节肌做功特性及拉伤风险的生物力学分析

目的:建立下肢肌肉功能模型及下肢骨骼肌肉系统模型,量化快速跑时下肢双关节肌长度速度变化及应力变化,并进一步量化单位面积功率及做功总量,从生物力学视角分析短跑运动员下肢双关节肌做功特性及拉伤风险。方法:采集优秀短跑运动员高速跑时运动学和动力学数据,建立下肢神经肌肉骨骼模型和下肢肌肉功能模型,进行下肢关节运动学和动力学分析,并计算受试下肢肌肉功能参数变化,结合最优化算法量化单块肌肉应力变化,进而分析单块肌肉单位面积功率和做功总量。结果与结论:双关节肌应力峰值、长度峰值、收缩速度峰值和做负功单位面积功率峰值均显著高于其他下肢单关节肌;腓肠肌在支撑前期被拉长的情况下对抗较大外负荷(高应力值)离心收缩,且出现做负功的单位面积功率峰值,拉伤风险极高;腘绳肌在摆动末期和支撑前期处于较大程度拉伸且应力值高,在摆动中期的屈髋伸膝阶段快速做负功(出现单位面积功率峰值),均易被拉伤;股四头肌的拉伤时相为摆动前期的伸髋屈膝阶段,股四头肌在此阶段一直做负功且出现做负功的单位面积功率峰值;双关节肌在一个完整步态中所做负功总和(负功积累)显著高于其他单关节肌。此外,双关节肌在步态某些阶段,同时对两个关节分别做负功和正功。本研究通过单块肌肉力学负荷相关指标为分析下肢双关节肌肉在快速跑时拉伤风险提供了生物力学依据。

人体不同高度下落地面冲击力及下肢关节肌力矩变化特征研究

研究不同高度落地时地面冲击力及关节肌力矩的变化。结果表明:踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第一波峰峰值随落地高度的增加而增大,踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第一波峰出现时间随落地高度升高而减小,第二波峰随落地高度的升高呈现先增大后减小的趋势,在50 cm时出现的时间最长;踝、膝、关节肌力矩第一波峰峰值与垂直落地高度呈显著相关。根据地面反作用力峰值可以较为准确的推断出关节肌力矩的峰值变化。

不同落地方式下篮球鞋对冲击力和股四头肌振动的影响

探讨主动落地反跳和被动着地两种落地方式下,篮球鞋对于冲击力信号和股四头肌软组织室振动的影响,以及它们三者之间可能存在的相互关系,并找寻在此过程中能够切实反映篮球鞋变化的新的敏感指标,以期为运动鞋的功能需求和设计提供新的方向。

不同硬度的鞋底-鞋垫组合对运动鞋减震性能的影响

探讨不同硬度的鞋底-鞋垫组合对运动鞋减震性能的影响。采用冲击试验机测试3种不同硬度中底(Shore C35°、Shore-C48°、Shore-C58°)、2种硬度鞋垫(Shore C51°、Shore C71°)及1种橡胶外底(Shore-A51°)的不同组合方式,在3种冲击高度下对减震性能评测指标的影响。结论:在高、中、低三种能量冲击下,材料硬度可以显著影响鞋底-鞋垫组合的减震性能,高硬度鞋底或鞋垫组合的鞋底-鞋垫减震性能较差,中等硬度鞋底或无鞋垫组合的鞋底-鞋垫减震性能居中,低硬度鞋底或鞋垫组合鞋底-鞋垫减震性能较好。从降低脚后跟冲击损伤出发,在进行低能量冲击运动如慢走运动,建议选择低硬度的鞋底-鞋垫组合的运动鞋,在进行中等能量冲击运动如快走运动,建议选择低硬度和中等硬度鞋垫搭配的鞋底-鞋垫组合的运动鞋,在进行高能量冲击运动如慢跑运动,建议选择有鞋垫的运动鞋。

鞋底-鞋垫减震性能材料测试有限元仿真分析

文章研究了鞋底-鞋垫减震性能材料测试有限元仿真分析方法及有效性。以不同硬度材料的鞋底-鞋垫组合为研究对象,采用3D扫描和逆向工程技术获取了鞋底-鞋垫与冲击头的有限元模型。对鞋底-鞋垫材料标准件进行压缩力学性能测试,获取不同鞋底-鞋垫材料的力-位移曲线,拟合鞋底、鞋垫常用的橡胶材料和乙烯醋酸乙烯酯材料本构模型,定义鞋底-鞋垫材料参数。采用三维动态有限元技术,仿真了6种高度下18种鞋底-鞋垫组合冲击测试,采用Bland-Altman差值分析法,验证有限元仿真与材料冲击测试法在鞋底-鞋垫减震性能冲击力峰值指标上的一致性。有限元仿真分析可以代替Impact Plus 5.0冲击试验机获取不同硬度鞋底-鞋垫组合减震性能的冲击力峰值指标,分析其减震性能,并依此指导鞋底-鞋垫组合材料的选用及减震结构优化,提高鞋底-鞋垫整体减震性能。

短跑运动中下肢环节间互动动力学分析

目的从动作控制角度出发,探讨运动控制对提高短跑运动成绩以及预防运动损伤的可能影响。方法研究对象为8名国家级优秀短跑运动员(最好成绩:10.27s～10.80s),利用8台红外高速摄像系统(采样频率300Hz)与测力台系统(1200Hz)同步记录受试者在短跑最大速度阶段的运动学与动力学地面反作用力资料。根据逆动力学理论建立下肢多环节互动动力学模型,对短跑一个步幅的各种力矩进行量化分析。结果短跑支撑阶段地面反作用力矩是下肢各关节处的主要被动力矩,它在着地初期对膝关节产生一个较大的伸膝作用,腿后肌为抵抗此力矩的作用容易造成损伤。腾空阶段惯性力矩的作用非常明显,其最大值出现在摆动末期,腿后肌在被拉至最长的同时还需承受较大的惯性力矩负荷。结论支撑前期与摆动末期均有可能造成腿后肌损伤,腿后肌的肌力与损伤是限制短跑成绩提高的一项主要因素。

仿松球叶片结构面料的制备及其调湿性能

为实现面料随人体湿度变化而自动调节散湿量的功能,研究并模拟松球叶片随湿度自动张开闭合的微观结构,采用在涤纶/氨纶针织物表面涂层聚氨酯,形成吸湿伸长变化差异大的主动层与从动层结构,从而制备仿松球功能面料。研究了仿松球面料叶片纵横比、叶片方向、涂层附着率等结构参数与叶片张开时间、张开角度、张开速度和有效张开率等湿度调节相关性能之间的关系。研究发现:当仿松球叶片纵横比为65%、叶片方向为从动层面料经向、涂层附着率为66.7%时,仿松球面料的调湿性能最优,其仿松球叶片面料可根据穿着者衣下湿度的变化而自动张开闭合,快速调节湿度从而提高穿着者的舒适性。

基于CFD仿真的跳台滑雪空中飞行姿态优化及其验证研究

跳台滑雪的空中飞行阶段姿态及稳定性决定了飞行的距离.本文作者以跳台滑雪的人/板系统为研究对象,探究其在空中飞行阶段所受到的空气阻力以及保持平衡所需要克服的力矩问题.结合空中飞行过程中人/板系统姿态的主要参数,即雪板间相对倾角、身体与雪板夹角以及V型夹角进行仿真分析,采用正交试验方法,获取不同因素角度下的总升阻比、滑雪板升阻比、身体力矩以及滑雪板力矩.仿真结果表明主要参数的耦合关系对人/板系统的总升阻比、滑雪板升阻比、身体力矩以及滑雪板力矩均会产生影响,并能间接的影响到运动员空中飞行过程中的气动特性以及姿态稳定性.通过分析得到人/板系统的最优组合为雪板间相对倾角为120°,身体与雪板夹角为26°,V型夹角为32°.最后利用视频解析法验证了本研究结果的可靠性.

冬季运动项目服装的专业功能体现

本文运用文献资料法,逻辑分析法等,重点对冬季项目服装的发展进行回顾和展望。无论为了竞技比赛,还是大众运动,专项服装是开展现代冬季项目不可或缺的一部分。本文从冬季运动项目服装发展历史的视角出发,基于人-衣-环境的匹配,围绕基础保温和辅助运动等冬季专项服装的核心功能,对国内外相关研究机构的成果,主要包括服装的材料、结构、专项功能、科技研发、紧身服装和服装产业等进行回顾和总结,并对国内冬季运动项目服装的科技发展及产业发展提出展望。建议:借助2022北京冬奥会及全国冰雪运动发展的契机,国内产业层面能够把冬季项目服装的专业功能与冰雪运动的群众推广进行有机结合。

不同鞋帮类型足球鞋对踝关节稳定性的影响

探讨穿着三种不同鞋帮类型的足球鞋(高帮、袜套和低帮)在进行45°横跨步侧切(side-step cutting)运动时对踝关节稳定性相关指标的影响。选取15名泉州师范学院体育学院足球专项男性运动员作为研究对象。采用VICON动态捕捉系统和Kistler三维测力台分别采集下肢三位运动学和地面反作用力数据。主要输出指标包括三个平面的触地瞬间关节角度和力矩,最大关节角度和力矩以及关节活动度。袜套鞋的峰值踝关节屈曲角度是显著性大于低帮鞋(p=0.001, dz=0.68)。总的矢状面踝关节活动度表现为高帮鞋显著性小于低帮鞋(p=0.009,dz=0.61)。穿着高帮足球鞋虽然没有限制45°横跨步侧切时踝关节的峰值内翻角度和关节活动度,但会影响矢状面的部分运动学特征,以及水平上部分的运动学和动力学特征表现为中到大效应量。因此建议鞋帮高度的设计和材料的选择能够在一定程度上提高踝关节的稳定性。