冲浪弹出的动力学与冲浪者的身体成分相关吗？

冲浪弹出是一项独特且具有挑战性的技能，对于冲浪表现至关重要。假设冲浪者的人体测量特征影响弹出表现，我们的目的是测量模拟弹出运动期间的运动学和地面反作用力（GRF），并将这些变量与人体测量特征联系起来。23名男性冲浪者（年龄：28.4±10.1岁；体重：68.3±10.8 kg；身高：1.73±0.07 m；练习时间：12.4±8.9年；臂展：1.75±8.9 m）进行模拟冲浪在实验室中弹出，同时获取 GRF 和 3D 动作捕捉数据。 弹出的持续时间为 1.20 ± 0.19 秒（60% 俯卧撑阶段和 40% 到达/着陆阶段） 。在俯卧撑过程中，双手相距0.46±0.05 m，产生0.99±0.10 N/体重的相对总峰值力，优势手的对称冲量为0.30±0.05 N/体重，非优势手为0.29±0.07 N/体重。 在俯卧撑阶段的峰值力施加期间（分别为 110 ± 18° 与 112 ± 18°） ，肘部角度没有不同。在着陆阶段，双脚间隔 0.63 ± 0.10 m，产生 1.63 ± 0.18 N/体重的相对峰值力。 落地时的冲击力在后脚（28%）和前脚（72%）之间施加的力不均匀 。总之， 除了 肌肉质量和弹出总持续时间之间的反比关系 ， 大多数与人体测量相关的变量与表现变量没有关系。我们还观察到，惯用手与非惯用手以及喜欢常规姿势与“ goofy-foot傻脚 ”姿势的冲浪者之间的上半身和下半身运动学没有差异。最后，双手之间的受力分布相似且对称，而下肢在到达阶段不同，前脚比后脚施加更大的力。

一、背景

“弹出”被定义为在冲浪板上从俯卧位置快速过渡到站立位置，是对冲浪表现至关重要的一项任务 。虽然弹出运动可以在实验室中隔离和检查，但它发生在水中，是冲浪者捕捉波浪时划桨运动的无缝延伸。在针对波浪进行定位时，需要几次快速而有力的划桨动作才能获得足够的速度，以使波浪的能量推动冲浪者和冲浪板在波浪面上向前和向下。当冲浪者即将驾驭波浪时，有一个短暂但关键的时刻，在此期间冲浪者必须快速弹出并开始在波浪上进行机动。

弹出运动对人类运动系统来说是一个独特的挑战，因为它必须在移动且不稳定的表面上以足够的力快速执行。除了这一挑战之外，冲浪者还必须学会在冲浪期间可能发生变化的各种条件下成功执行弹出操作。这些条件包括波浪大小、速度和形状的差异，、；涌浪的周期、大小和方向；和潮汐状态。此外，成功的冲浪表现可能会受到外部因素的影响，包括风和水温等环境变化，以及内部因素，包括力量、疲劳、平衡和体温调节。最后，冲浪者可能会选择不同尺寸、形状和密度的冲浪板，因此必须相应地调整他们的划桨和弹出行为。

弹出运动的生物力学是独特而复杂的。这个动作对于冲浪者正确执行计划的动作至关重要。因此，冲浪弹出生物力学的知识可能有助于为寻求提高表现的教练和运动员提供信息。该技术的第一个动作包括使用上肢推动冲浪板，以推动其重心相对于冲浪板向上。通常考虑三个阶段：

1. 俯卧撑阶段 表示从第一次接触冲浪板到双手离开冲浪板之间的时间；

2. 过渡阶段 的特点是手离开板、脚接触板的那一刻；

3. 到达阶段 是指脚接触冲浪板直至冲浪者在冲浪板上实现稳定。

   
   

之前的研究表明，在实验室的模拟弹出过程中， 男性冲浪者在用手臂推动时平均推力达到 95% 的体重 。尽管目前没有数据来描述整个动作的特征，但这种动作是由侧向优势驱动的，因为冲浪者必须在冲浪板上采取“常规”或“ goofy-foot ”的姿势。 普通冲浪者将左脚放在冲浪板前端 ，而“呆滞”的冲浪者则将右脚放在冲浪板的前面。这种姿势最常见的是膝盖弯曲的半蹲姿势。站立时， 由于冲浪板顺着波浪行进加速，后膝经常会受到外翻的压力 。

该技术的复杂性加上干扰因素，使得其执行难度对于所有技能水平的冲浪者来说都相对较高。迄今为止，大多数冲浪研究都集中在乘浪和划桨，而弹出窗口经常被忽视，尽管它被认为是冲浪的一个重要方面。近年来，随着冲浪运动在全球范围内的流行，试图最大化运动表现的运动科学研究也随之增加。 冲浪运动任何级别的成功都需要高水平的技能执行力和技术能力 。详细了解正确弹出动作所需的技术和身体要求对于预防受伤、有效指导和提高表现非常重要。因此，检查弹出过程中全身运动以及上肢和下肢力量的研究既必要又缺乏。

先前的研究还发现，某些身体特征可能会影响个人在冲浪时的表现。例如，与体脂水平和重心高度相关的研究结果分别表明，与划水和保持稳定性的能力成反比关系。因此，人体测量因素可能会影响弹出窗口的表现，但迄今为止，尚未对此进行调查。

本研究的目的是描述冲浪者进行模拟弹出运动的运动学和地面反作用力参数。此外，还对常规冲浪者和“傻脚”冲浪者进行了比较，并对选定的人体测量特性进行了测量，以确定这些因素中的任何一个是否与模拟弹出运动的表现相关。

二、方法

这是一项探索性和描述性研究，使用人体测量测量，然后进行三维运动捕捉，并与在标准化实验室条件下从多个力平台获取的地面反作用力同步。这些技术的结合可以对弹出运动进行完整的全身生物力学分析。

1、受试者

3名男性冲浪者（年龄：28.4±10.1岁；体重：68.3±10.8 kg；身高：1.73±0.07 m；练习时间：12.4±8.9年；臂展：1.75±8.9 m）自愿参加本研究的一部分（表1）。作为纳入标准，参与者在过去两年中至少每周定期练习一次冲浪。排除标准包括过去六个月内任何严重的肌肉骨骼损伤。表 1显示了参与者关于手部优势和首选脚部基础的交叉信息。

2、实验步骤

在弹出分析之前，获得了冲浪者站立时的人体测量值和身体成分分析。使用 InBody 230（Biospace Co., Ltd.）通过多频生物阻抗分析评估身体成分。这些测试共同得出了体重指数 (BMI)、骨骼肌质量百分比 (SMM%)、身体脂肪质量百分比 (BFM%) 和腰臀比 (WHR)。

使用 12 摄像头数字动作捕捉系统 (mocap)（Qualisys）以 200 Hz 采样频率记录参与者的三维运动。根据制造商的建议（0.7 mm 标准偏差误差校准平均值），使用 L 形参考结构对大约 45 立方米（5 m 长、3 m 宽和 3 m 深）的体积进行校准。通过双面胶带将球形反光标记贴在皮肤上，并用松紧带固定。全身模型由以下解剖位置的 46 个标记组成（图 1）：右前头、左前头、右后头、左后头、右肩峰、左肩峰、右侧上髁、左侧外上髁、右侧内上髁、左内上髁、右尺骨茎突、左尺骨茎突、右桡骨茎突、左桡骨茎突、右第二掌骨头、左第二掌骨头、右第三掌骨头、左第三掌骨头, 右第五掌骨头, 左第五掌骨头, 右肩胛下角, 左肩胛下角, 右胸骨, 左胸骨, 第七颈椎突, 第十胸椎突, 右髂前上棘, 左髂前上棘, 右髂后上棘；左髂后上棘、右髂中棘、左髂中棘、右膝内侧（膝内上髁）、左膝内侧（膝内上髁）、右膝外侧（膝外上髁）、左膝外侧（膝外上髁）、右外踝、左外踝、右内踝、左内踝、右第一跖骨头、左第一跖骨头、右第五跖骨头、左第五跖骨头、右跟骨、左跟骨。

图 1. 全身标记设置：( a ) 前视图，( b ) 后视图，以及 ( c ) 测力板布置和冲浪板绘图表示。

地面反作用力数据是使用四个测力台获得的（图 1 c）。 其中两个测力板 FP1 和 FP2 的尺寸为 60 × 40 cm 2；另外两个，FP3 和 FP4，尺寸为 60 × 90 cm 2（Bertec） 。测力台与实验室地板齐平安装，并以 1000 Hz 的频率采集地面反作用力数据。典型的短冲浪板（长 74 英寸）的二维轮廓是使用胶带在实验室地板上创建的。构建图像时，四个测力板中的每一个都位于板的象限中，并且可以记录弹出运动过程中每个上肢和下肢产生的力。

指导冲浪者熟悉代表性的冲浪板和测力台，并根据个人喜好调整俯卧位置。然后，研究人员解释了自由模拟弹出运动的程序，同时遵从地板上的冲浪板尺寸。首先，冲浪者被要求模拟 3-4 次划桨动作，然后进行弹出动作。如果冲浪者的手没有完全放在测力板上，我们会要求冲浪者沿着冲浪板前后移动。此次调整并未对机芯造成任何影响。鼓励冲浪者将目光转向前方，就像在冲浪一样。在这个熟悉期之后，冲浪者可以自由地执行整个弹出动作，不受研究人员的任何限制（ 图2 ）。

图 2. 执行的动作顺序：( a ) 划桨模拟，( b ) 手触碰冲浪板，( c ) 推动，( d ) 过渡，( e ) 到达冲浪板，以及 ( f ) 重量稳定。

3、数据处理分析

Qualisys Track Manager – QTM 2.2 版（Qualisys）软件用于同时同步获取 3D 运动学和地面反作用力数据。每个反射轨迹标记均使用相应的解剖参考标签进行识别。标记重建准确率达到100%。经过此处理后，数据文件使用公共域二进制文件格式 C3D（坐标 3D-C3D.org）导出，该格式将 3D 数据及其相关参数（即 3D 地面反作用力）存储在单个文件中。

Visual 3D Professional 6.0 版（C-motion Inc.，Rockville，MD，美国）软件用于处理 C3D 文件中的运动学和地面反作用力数据。创建了全身生物力学模型。所有身体部位都是根据固定在解剖点上的标记创建的。实际上为每个部分提供了双边标记集和两个跟踪标记：头 部、胸部/腹部、骨盆、上臂、前臂、手、大腿、小腿和脚。 根据 C-motion Visual 3D 文档的建议选择逆运动学算法来计算模型，并将其应用于每个文件，同时考虑到每个冲浪者的体重。

弹出窗口的开始被定义为在模拟冲刺划桨之后，至少一只手接触冲浪板（FP1 或 FP2）的点。此后，数据挖掘过程和运动技术分析的目视检查揭示了三个不同的连续和互补阶段：

1. 俯卧撑阶段定义为第一次手接触冲浪板和随后的俯卧撑之间的时间移动，直到双手离开冲浪板；

2. 过渡阶段，可以通过两种不同的方式进行：

(1) 擦拭过渡——冲浪者经历飞行阶段（无接触），或者在他们的手离开冲浪板后，他们的一只或双脚立即接触冲浪板。冲浪板——持续时间计算双手离开冲浪板直至任何一只脚接触冲浪板之间的时间；

(2) 重叠过渡——冲浪者 的双手保持与冲浪板接触，同时一只或双脚接触冲浪板——从任意一只脚接触冲浪板开始计时，直至双手离开冲浪板；

iii. 到达阶段是指任一脚接触冲浪板和冲浪者在冲浪板上实现自身重量稳定之间的时间段。

体重的稳定被定义为冲浪者到达时体重的瞬间，由 FP3 和 FP4 测量。到达阶段应导致冲浪者的脚分别定位在 FP3 上的前脚和 FP4 上的后脚（图 1c和图 2f）。如果这种情况没有发生，冲浪者就会重复该动作，进行调整，直到他的技术产生所需的动作。稳定时间定义了弹出运动的结束。

创建了 Visual 3D 的特定管道脚本命令来识别定义弹出阶段的事件，并提取要分析的相关参数。主要的时间相关事件和参数是：

(a) 手触摸 FP1 和 FP2；

(b) 使用位于小指掌骨的侧向标记来确定双手之间的距离；

(c) FP1-2的上推峰值力结果，以及此时各自的肘部角度；

(d) 手离开 FP1-2 的瞬间；

(e) 脚触及 FP3-4；

(f) 飞行阶段，即划动过渡期间冲浪者不与冲浪板接触的时期；

(g) 达到 FP3-4 和各自膝部角度产生的峰值力；

(h) 重量稳定性和脚距离（使用位于第五脚趾跖骨上的横向标记）。

个体时间曲线中的地面反作用力值通过个体体重（N/kg）标准化。为了计算每个阶段的冲量和冲击吸收，计算了力/时间曲线的时间积分。

数据处理在文本文件中生成输出以进行统计分析。生成的主要事件是：

手触摸时间、推动峰值力（独立和双手）、手推出时间、到达时间、到达峰值力（独立和双脚）和稳定性。

编写了一个脚本来自动提取事件。使用测力台数据手动识别未自动检测到的事件。我们预计这些情况下操作员的变异性会很小，因为力数据分辨率很高，并且事件清晰且易于识别。所有注册的事件（手动和自动）均经过目视检查以确认准确性。

使用分段三次 Hermite 插值多项式方法对 100 个样本进行运动学数据插值，以确保每次试验包含相同数量的样本。然后应用具有时间依赖性的对称函数 (SF) 来确定右 X R (t) 和左 XL ( t) 侧之间肘部和膝部角度相对于各自平均运动范围 (ROM) 的百分比差异） 。正信号或负信号表明领先方。分数接近零表示四肢之间对称（平等）。当分析其他运动时，对称群体中通常报告的幅度为 10% 。因此， 15%或以上的不对称性被认为表明存在实质性的不对称性 。

SF(t) = (X R (t) − X L (t))/(0.5 [Range(X R (t)) + Range(X L (t))]) ∗ 100%

三、结果

1、动力学

在俯卧撑阶段开始时，肘部弯曲约70°。从那时起，肘部逐渐伸展，并在俯卧撑阶段的 80% 左右达到最大伸展。然后，直到推力阶段结束时，两个肘部都表现出轻微的弯曲（图 3 a、b）。考虑到膝关节，从伸展阶段开始到中间有大约15°的屈曲运动，然后是类似幅度的伸展运动，直到稳定（图3c，d）。主导肘部和非主导肘部之间的角度对称性表明了类似的行为，SF = 0% ± 7%，ROM 为 18% ± 15%；而前后膝之间，SF = 4% ± 12，ROM 为 20% ± 17%。

图 3. 弹出窗口期间运动学和力变量的平均偏差和标准偏差。第一行显示 ( a , b ) 作为推动阶段的主导和非主导肘部角度；( c , d ) 分别是伸展阶段的前膝角度和后膝角度。第二行，( e , f ) 显示俯卧撑阶段的主导和非主导上肢地面反作用力，而 ( g , h ) 则显示 前腿和后腿板面反作用力 。

阶乘方差分析显示没有交互作用，F(1,19) = 0.044；p = 0.83，或手部优势的主效应 F(1,21) = 0.121；p = 0.73，站立脚 F(1,21) = 0.633；p = 0.435。此外，在俯卧撑阶段的峰值力期间，优势手和非优势手之间没有检测到肘部角度存在差异（110 ± 18° 与 112 ± 18°）。最后，在前脚和后脚到达阶段的峰值力期间，没有观察到膝盖角度存在差异（99 ± 20° 与 101 ± 14°）。通过这种方式，报告了优势肢体和非优势肢体以及常规或傻脚的所有运动学结果，而不根据这些标准进行区分。

整个弹出运动（图 4）的平均持续时间为 1.20 ± 0.19 秒 。将技术分解为基本部分，61 ± 10%（0.71 ± 0.08 秒）的时间花在俯卧撑阶段；过渡阶段0±8%（0±0.09秒）；到达阶段为 39 ± 13% (0.48 ± 0.22 s)。在过渡阶段，23 名冲浪者中有 13 人使用了擦除过渡（飞行阶段为 0.05 秒 ± 0.03 秒），而 10 名冲浪者使用了重叠过渡。没有发现差异，F(1,21) = 0.02； p = 0.87，与这两种技术变化之间的总弹出执行时间有关。

2、板面反作用力

俯卧撑阶段，手宽度为0.46±0.05m，相对总峰值力为0.99±0.10N/kg。地面反作用力增加到该阶段的约 60%，然后下降到运动结束（图 4）。阶乘方差分析表明，在俯卧撑阶段，非惯用手平均施加的峰值力明显大于惯用手（分别为 52 ± 4% 和 48 ± 4%，t(22) = −2.27；p = 0.03）。然而，整个力/时间曲线在双手上分布均匀（每只 50% ± 5%），具有相似的冲量，t(22) = -1.36；p = 0.18，对于惯用手为 0.30 ± 0.05 N·s/kg，对于非惯用手为 0.29 ± 0.07 N·s/kg。

在到达阶段，冲浪者将双脚分开 0.63 ± 0.10 m，产生峰值 1.63 ± 18 N/kg 的冲击力。 后肢和前肢之间的力传递模式非常不同（图 4） 。阶乘方差分析显示双脚之间的着陆峰值力分布存在显著差异，t(22) = −2.76； p = 0.01； 其中 39 ± 19% 发生在后脚，61% ± 19% 发生在前脚 。整个力/时间曲线分布强化了这种差异，t(22) = 13.09； p < 0.01，其中28±8%发生在后足，72%±8%发生在前足，冲击吸收分别为0.32±0.11 N·s/kg和0.81±0.13 N·s/kg 。

多元回归模型表明弹出窗口的表现与地面反作用力变量之间没有关联 （r = 0.18， p = 0.71）。

3、人体测量学

平均而言，参与者的身体成分值如下：BMI 23 ± 3；SMM％49±3％；BFM% 14 ± 5%，腰臀比 0.84 ± 0.05。发 现 SMM% 与过渡相时间呈反比关系，r = -0.50；p = 0.01。 脚底和后膝角度 r = -0.50 也存在类似的关系；p = 0.01。未发现弹出表现与身体特征之间的相关性：SMM%（r = 0.15；p = 0.47）、BFM%（r = 0.05；p = 0.81）和身高（r = 0.09；p = 0.67）。控制每个变量后，没有发现显著的回归权重，R 2 = 0.15；F(3,19)=1.12；p < 0.36。

四、讨论

本研究的目的是使用代表典型冲浪板的专门设计的测力板配置来分析模拟条件下弹出运动的运动学和动力学。这种配置允许将所有地面反作用力解耦为每个身体肢体贡献的单独分析，与来自动捕系统的 3D 运动学信息相关。然后，这些数据被用来从全身模型生物力学的角度描述弹出技术的关键方面。

这项研究有四个主要结果。

• 在惯用手与非惯用手之间，或者在喜欢常规姿势与傻脚姿势的冲浪者之间，没有观察到上半身和下半身运动学的差异。

• 在俯卧撑阶段双手产生的地面反作用峰值力是不同的，并且对于非惯用手来说更大 。然而，在分析整个阶段的冲量时，双手之间的力分布非常相似且对称。

• 下肢在到达阶段产生的板面反作用力存在显著差异，前脚施加的力大于后脚。最后， 在骨骼肌质量百分比和弹出的总持续时间之间发现了显著的负相关关系 （r = -0.50； p = 0.01），但在人体测量变量和表现之间没有发现其他关系。

• 其他结果包括观察参与者使用的两种不同的弹出技术，定义为存在（57% 的参与者）或不存在（43% 的参与者）短暂的飞行阶段。

1、俯卧撑阶段

弹出技术非常快，涉及一系列协调的动作，从力量和爆发的俯卧撑阶段开始。根据目前的数据， 冲浪者仅用手推动，总力等于全身重量 。尽管检测到两只手之间的峰值力存在相对较小的差异，但俯卧撑阶段的完整时间-力曲线非常相似。双手之间类似的力分布可能有助于改善弹出执行的平衡，防止冲浪板在水面上出现不必要的不稳定。目前的结果表明，相对推力峰值力略高于文献中报道的值，男性为0.95 N/体重，女性为0.81 N/体重。包含冲量值似乎有助于理解这项爆发性任务所涉及的工作。

2、过渡阶段

这项研究中的冲浪者在过渡阶段使用了两种不同技术中的一种，因为他们将身体从水平站立位置转变为垂直站立位置。这些观察到的过渡类型包括擦除和重叠技术（图 4）。数据表明，使用任何一种技术都不会导致整个弹出运动的速度出现任何差异。相反，SMM% 和过渡期持续时间之间存在负相关。 这表明肌肉质量较高的冲浪者可以更快地完成过渡阶段，并且可以更好地控制所使用的过渡类型 。然而，当考虑到执行弹出的动态且不稳定的环境时，对于冲浪者而言始终保持与板的接触可能是有利的。

3、达到阶段

当 冲浪者将脚放在模拟冲浪板上时，最大负荷达到其体重的约160%。 虽然这个值可能看起来很高，但重要的是要注意这是在实验室环境中记录的；这些值在水中可能会有所不同，具体取决于冲浪板的类型和海洋条件。在模拟弹出的着陆阶段，与俯卧撑阶段不同，负载的分布非常不均匀。这种差异可能是冲浪者在水中经历的不稳定条件造成的。 特别是前脚施加较大的相对力，将有助于减小板的俯仰角，使其平贴水面。 这个动作将有助于增加下落速度并保持冲浪者的身体垂直于冲浪板，可能会导致通过脚部对冲浪板的更多平衡和控制。它还可能有助于将冲浪者的重心推向波浪的斜面。

另一方面， 后脚上的更多重量将有助于增加俯仰角，从而增加阻力，并减慢冲浪板的速度。 有趣的是，大多数参与者将更大比例的体重施加在前脚上（约 60%）。这表明到达阶段重量的前后分布可能是乘浪时增加下落速度的重要因素。

另外一篇文献的图片

冲浪者的姿势被描述为半蹲姿势，膝盖弯曲 30-80°，后膝处于外翻位置 。目前的结果总体上支持这一描述，但总体而言，膝盖弯曲角度较高，并且冲浪者之间在脚的放置方面缺乏一致性。此外，足部放置似乎与此处分析的任何变量无关。据推测，冲浪者选择的脚底长度可能与冲浪板尺寸和/或冲浪者站立位置的舒适度有关。在这个位置，后膝盖角度和前膝盖角度显示出相似的值，但实际上，腿的位置不同。因此， 后腿表现出轻微的内旋、足内旋、膝盖指向冲浪板的中间，而前腿则保持正常的蹲姿 。有了这个描述， 就更容易理解观察到的脚底和后膝角度之间的相关关系。脚越近，膝盖角度应该越低，以补偿较短的距离 。

五、结论

使用动作捕捉和专门配置的力平台对实验室中冲浪者执行的模拟弹出动作进行了分析。弹出式的特点是三个连续的阶段：俯卧撑、过渡和到达。在俯卧撑阶段，上肢对称地动作并产生相当于全身重量的力，以启动从俯卧位置到站立位置的变化。在过渡阶段，大约 57% 的参与者表现出短暂的飞行阶段，而 43% 的参与者在整个运动过程中始终与模拟板保持接触。在到达阶段，前下肢对冲浪板施加了更大的力，大概是在冲浪者沿着波浪加速并开始机动时保持较低的俯仰角并减少阻力。 这些数据为运动分析提供了生物力学见解。他们可以应用于冲浪运动员的训练和指导，通过专注于他们的弹出技术来提高他们的冲浪表现 。