简明运动生物力学初识

直立走是人类上万年不断进化的最终结果，也是区分其他动物的特点之一。从技能学习与控制角度上来讲，走属于闭式运动技能的行为。从出生到死亡，人的走的行为从蹒跚学步到步伐铿锵，再到步履蹒跚，处于不断地学习，到无意识状态下完成达到自动化，再到有意识状态下的平衡，都离不开足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩、臂的肌肉和关节协同运动。走既是人体结构与功能、行为与心理活动的外在表现，也是人体运动功能的重要组成部分。

走是由单脚支撑和双脚支撑相交替，蹬摆相配合的人体基本的运动形式。从生物力学的角度看，走的内部因素由骨骼、关节、骨骼肌在中枢神经系统的支配下产生的，而外界环境因素则是人体与地面的相互作用。具有健全身体的人在走时，其空间位置随着时间有规律、有周期地变化。人体局部肢体的运动轨迹、速度、加速度也在走时体现出来。在走的生物力学特征上有运动学特征和动力学特征。

（一）走的运动学（参数）特征

走属于周期性动作，通常研究的步态周期称为复步，是指在走的过程中从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地为止。在正常行走时，左右脚都经历一个与地面接触的支撑过程及离地前摆的摆动过程，一个步态周期通常由支撑时相和摆动时相组成。

常速行走时，支撑时相占整个步态周期的60%~65%（图5-1）。支撑时相有单侧支撑期和双侧支撑期。双侧支撑期：当一侧下肢进入支撑时相时，另一侧下肢尚未离地，两下肢同时负重。同理，当一侧下肢进入支撑时相，另一侧下肢离地时为单侧支撑期。双侧支撑期占全周期的30%左右，双侧支撑是走的基本特征，若出现无支撑的腾空现象，走就变成了跑。年龄、身体条件影响着单、双侧支撑时相所占的比例。而性别、身高等因素，对支撑时相和摆动时相所占的比例影响不大。支撑中期踝跖屈控制、中期至末期膝关节伸展和末期足跟抬起等是支撑相的影响因素。

图5-1　走的复步

（引自《运动生物力学》，陆爱云，2011年）

摆动时相下肢适当离开地面，不但要保证肢体向前行进，更重要的还要防止人体跌倒。行走中千姿百态的具体行为受到摆动时相中前中期髋关节屈曲、摆动时相中期膝关节屈曲、摆动时相中后期踝关节背屈以及骨盆的稳定性的影响。

运动学是一门研究步行时肢体运动时间和空间变化规律的科学方法的学科。运动学参数指在行走过程中，与时间和空间相关的一些参数，包括时间参数、空间参数和时空参数等，是临床常用的客观指标，能够检测患者行走功能的一些基本变化。

1.时间参数

时间参数是指与步行相关的时间事件，包括单步时间、跨步时间、步速、步频、同侧站立相和迈步相时间百分比、站立相各个分期所占步行周期时间百分比。

单步时间：是指步行周期中迈一步所需要的时间，即从一侧下肢足跟首次着地至对侧下肢足跟再次着地为止所用的时间，以s为计时单位。在正常情况下，双下肢的单步时间相等。如果双侧下肢单步时间不等，提示步态不对称。

跨步时间：是指完成一个步行周期所需要的时间，即从一侧下肢足跟着地至该下肢足跟再次着地所经过的时间，以s为计时单位，用于被试者之间或自身比较时，跨步时间通常采用百分比的方式表达。

步速：单位时间内行走的距离称为步行速度，以m/s表示，也可以用身高或下肢长百分比表示。正常人平均自然步速为1.2 m/s左右。

步频：单位时间内行走的步数称为步频，以steps/min表示。正常人平均自然步频为95~125 steps/min。

同侧站立相和迈步相时间百分比及站立相各个分期所占步行周期时间百分比：在自然速度行走过程中，站立相时间约占步行周期的60%，迈步相约占步行周期的40%。行走过程中双下肢站立相、迈步相时间是相等的，在行走中表现为步态的对称性。在某些病理情况下，这种步态的对称性会发生改变。例如，偏瘫患者患侧下肢不能有效负荷体重，害怕摔倒，急于将身体的重量转移到健侧，此时患侧下肢站立相时间缩短，而健侧站立相时间则明显延长，在行走中表现为步态不对称。双下肢站立相时间之比，或迈步相时间之比，是反映步态对称性的一个敏感指标。在临床检查中，可以用这个指标来判断步态的对称性。

2.空间参数

步态的空间参数包括步长、跨步长、步宽、足夹角等（图5-2）。

图5-2　步态的空间参数

（引自《运动生物力学》，陆爱云，2011年）

步长：行走时左右足跟或足尖先后着地时两点间的纵向直线距离称为步长，以cm为单位表示。左脚向前迈一步称为左步长，右脚向前迈一步称为右步长。步长与身高相关，身高越矮，步长越短，正常人步长为50~80 cm。中国青年男性的步长为55.0~77.5 cm，女性步长为50.0~70.0 cm。身高相同的男、女性，其步长无显著差异，且步长随着年龄的增大而下降。一步的概念还可以用时间来衡量，即单步所用的时间。正常人行走时左右侧下肢步长及时间基本相等。左、右步长的不一致性是反映步态不对称性的敏感指标。如果左脚向前迈一步，右脚随后向前跟进与左脚保持平行或落后，而不是越过左脚，则右步长为零或负值。病理步态如偏瘫步态的不对称性表现在健侧步长缩短，而患侧相对延长。

跨步长：又称步幅，是指同一侧足跟前后连续两次着地点间的纵向直线距离，相当于左、右两个步长相加，为100~160 cm。被试者走直线时（绕圈行走例外），即便出现明显的不对称步态，左、右跨步长也基本相等。通过测量跨步长来判断步态的对称性与否是无效的。

步宽：是指左右两足间的横向距离，通常以足跟中点为测量点。步宽是反映步态稳定性的指标，步宽越窄，步态的稳定性越差。

足夹角：是指贯穿一侧足底的中心线（足的长轴，足跟中点到第二趾的连线）与前进方向所形成的夹角称为足夹角，通常用°表示。正常人的足夹角约为6.75°。

3.时空参数

时空参数是步行中髋、膝、踝关节运动规律（角度变化或位移、速度、加速度等）、身体重心的位置变化规律、骨盆的位置变化规律的反映。常用的参数有步态周期中不同时相的关节角度参数、关节角度曲线和角度—角度图。

关节角度参数包括：①首次着地时髋关节、膝关节、踝关节的角度；②站立相中髋关节、膝关节、踝关节的最大伸展角度，踝关节最大伸展角度定义为足尖离地时刻前一帧图像的角度；③足尖离地时髋关节、膝关节、踝关节的角度；④迈步相中髋关节、膝关节、踝关的节最大屈曲角度；⑤矢状面髋关节、膝关节、踝关节的角度变化范围。

髋、膝、踝关节在行走中的角度变化主要体现为在步态周期中的角度—时间关系曲线，单一的角度数值变化意义不大。通过对研究对象各关节在不同平面上活动的角度—时间关系曲线与正常人，或左右脚之间，或治疗前与治疗后不同时期的角度—时间关系曲线的比较，可以反映研究对象各关节的功能情况和治疗效果。角度—角度曲线可以形象地表现行走中两个关节间的协调关系，当神经、肌肉功能异常时，角度—角度曲线也出现异常，表明两侧下肢的协调性差。

髋关节运动曲线：髋关节屈曲角度在迈步相中期达到顶点，并保持到站立相开始。足跟离地到足趾离地这一期间，髋关节伸展角度达到峰值，随后髋关节角度再度屈曲。(www.xing528.com)

膝关节运动曲线：在一个步行周期中，膝关节出现了两次屈曲和伸展，足跟着地前即迈步相末期，下肢伸展进入站立相早期后小幅屈曲，即膝关节屈曲。站立相中期再度伸展，随后膝关节再度屈曲，并在迈步相早期达到高峰，这时膝关节屈曲角度达到60°。如果这时膝关节屈曲角度受限，会影响小腿向前的正常摆动。

踝关节曲线：踝关节曲线最明显的特征是在步行周期60%阶段，也就是足底离地时，踝关节跖屈约达到20°。有利的跖屈，保证人们在行走过程中身体能够有力向前移动，才能保证正常的行走速度。

骨盆移动可以被认为是重心的移动。正常成人在步行时身体重心的位置在骨盆的正中线上，从下方起男性约为身高的55%，女性约为身高的50%。步行时重心的上下移动为正弦曲线，在一个步行周期中出现两次，其振幅约为4.5 cm，最高点是支撑中期，最低点是足跟着地；骨盆的侧方移动也是正弦曲线，在一个步行周期内左、右各出现一次，其振幅约为3 cm，最大移动度是在左、右足处于支撑中期时出现的，在双足支撑期重心位于左右中间。

（二）走的动力学（参数）特征

动力学分析是对步行时作用力、反作用力强度、方向和时间的一种研究方法。动力学参数指与步态有关的力学参数，包括地反力、关节力矩、人体重点心、肌肉活动等，通过上述参数的分析可以揭示特异性步态的形成原因。

1.地反力

地反力是指人体在站立、行走和奔跑时，足底作用于地面而产生的大小相等、方向相反即作用于足底的力，也称足—地接触力。地反力分为垂直分力、前后分力和内外分力，可通过力平台测得，通常可按垂直、前后和左右方向作三维记录。前后分力所反映的是支撑腿的驱动和制动能力，内外分力反映侧方负重能力与稳定性，垂直分力反映行走过程中支撑下肢的负重和离地能力。临床应用时，主要观察力—时间曲线的特征，即谷峰值、谷值的出现时间和幅度的变化。行走时足—地接触力在垂直方向上的分力最大，在每个步态周期转折点出现极值，足跟着地时有一极大值，随着足部逐渐放平，受力面积逐渐增大，受力减小，足部完全放平时受力达最小，至足跟离地，足趾蹬地时出现另一极大值，即在整个步态周期中，垂直方向受力曲线具有典型的对称双峰性质。正常人足—地接触力在水平、前后方向受力较小，且基本对称。研究认为不同年龄人体的足—地接触力无显著性差异。

2.力矩

物理学上力矩是指使物体转动的力乘以到转轴的距离。公式为力矩（M）=力（F）×距离（d）。在人体中力矩是使一个关节发生转动的力，又称关节力矩，主要是肌肉作用的结果。力矩是肌肉、韧带和摩擦力作用的最终结果，在正常步态中，关节角度并不达到其运动范围的终点，摩擦力也非常小。当主动肌与拮抗肌肌肉力量失衡时，维持正常关节运动的力矩将发生改变。关节力矩包括伸展力矩、屈曲力矩和支持力矩。支持力矩是髋、膝、踝关节力矩的代数和，是保证站立相支撑腿不打软的支撑力。

3.身体重心的加速度

人体重心位于第二骶骨前缘，两髋关节中央。直线运动时该中心是身体摆动幅度最小的部位。行走时人体重心不仅在水平方向，而且在垂直方向上不断改变着位置和速度。其中，身体重心在垂直方向的速度变化与各关节及其活动肌肉的力学状况有密切关系。例如，分析一侧膝关节在行走期间的关节内力时，需要分析膝关节以上身体各部分重心的位置和加速度变化，有关的参数值是进行下肢膝关节受力分析时必不可少的基础数据。

4.步行中下肢肌群活动

步行的动力主要来源于下肢及躯干的肌肉作用，在一个步行周期中，肌肉活动具有保持平衡、吸收震荡、加速、减速和推动肢体运动的功能。

（1）股四头肌

股四头肌属跨双关节肌，起屈髋伸膝作用。两处股四头肌收缩活动，一处发生在步行周期的前20%，始于迈步相末期到站立相预负重期，也就是负荷反应期达到了峰值。此时骨四头肌作为膝关节伸肌发挥作用。第二次收缩活动发生在足跟离地后，足尖离地后收缩达到高峰，此时兼有屈髋伸膝作用。

（2）腘绳肌

腘绳肌由外侧股二头肌和位于内侧的半腱肌构成，也属跨双关节肌群，作用是伸髋屈膝。腘绳肌收缩始于上一个周期迈步相末期，作为屈膝肌。腘绳肌离心性收缩，使向前摆动的小腿减速，其目的为足跟着地作准备。当足跟着地后，腘绳肌又作为伸髋肌协调臀大肌伸髋，当站立中期过后，双侧下肢向前迈步，躯干前倾，为了防止过度前倾，腘绳肌发挥伸髋的作用。

（3）腓肠肌

小腿三头肌包括腓肠肌和比目鱼肌。腓肠肌与跨膝关节和踝关节的肌肉使髋关节跖屈，当踝关节负重并固定时，腓肠肌收缩可以牵拉股骨下端和胫骨上端向后，使膝关节被动伸直。行走过程中，作为踝关节跖屈肌，在足跟离地蹬离动作中，腓肠肌向心性大力收缩达到高峰，峰值发生在足跟离地时，随之产生爆发性踝关节跖屈，产生有力的蹬地动作，从而将身体重心有力地向前推进。

（4）胫前肌群

胫前肌属踝关节背屈肌。行走中足跟着地时，胫前肌产生离心性收缩，以控制踝关节跖屈度，防止在足放平时出现足前步拍击地面的情况，而在足趾离地时，胫前肌再次收缩控制或减少此时踝关节的跖屈度，保证足趾在迈步相能够离开地面，使足廓清动作能够顺利完成。当发生胫前肌麻痹时，病人在足跟着地期会出现拍击地面声音，又因在摆动相不能有效背屈踝关节，而出现足下垂。为代偿足下垂，病人必须高抬腿才能够完成迈步动作。

竞走是建立在行走基础上的一种竞技运动，具有明确的技术规范性。竞走是运动员与地面保持接触、连续向前迈进的过程，没有肉眼可见的双脚离地，前腿从触地瞬间至垂直部位应该伸直（即膝关节不得弯曲）。

（一）步长与步频的稳定性

影响竞走成绩的主要因素为步长和步频。步长与步频的相互作用决定竞走的运动速度。步长是后脚脚尖到前脚脚尖之间的距离，步长影响动作技术结构的稳定性，合理稳定的步长对竞走成绩有很大帮助。步频是合理稳定步长的重复次数，在合理稳定步长条件下，步频不会改变竞走正确技术动作的结构，只能改变正确技术动作的重复次数。固定合理稳定的步长、加快步频是现代竞走技术的发展方向。

（二）单步腾空时间的长短

生理学实验研究发现，人的肉眼成像的时限需要42 ms（1/24 s）左右。将此原理与竞走技术相结合，通过运动图像解析发现：腾空时间42 ms以下为合理腾空时限，腾空时间为42~70 ms是模糊腾空时限，腾空时间大于70 ms为犯规腾空时限。如果竞走技术连贯、协调、轻松，尤其是足跟着地时膝关节充分伸直，步频控制在一定范围内（一般不超过200 steps/min）不容易被判罚“腾空”技术犯规。控制合理的腾空时间，以及连贯、协调、轻松的动作技术，是竞走运动员训练的又一关键技术。

（三）身体重心垂直位移的幅度

身体重心在垂直方向的位移是竞走运动中至关重要的技术指标，是造成“腾空”技术犯规的重要判罚依据。重心上下起伏越大，腾空时间越长，则越容易被判腾空犯规。裁判员用肉眼观察不清的身体重心上下起伏的距离应为5 cm左右。目前世界高水平竞走运动员身体重心上下起伏的范围在7 cm以下。由于躯干是人体运动的主体，头部上下波动是裁判员裁决“腾空”的重要标志，因此，竞走运动员在整个竞走过程中的躯干应尽量保持正直状态，以保证头部保持在垂直状态。为防止头部位置上下起伏，运动员躯干只是在蹬离地面的瞬间稍向前倾，并且躯干前俯角与后仰角控制在5°之内，同时，躯干左偏角、右偏角在7°以内。

（四）着地角的大小

竞走运动员在一个步态周期中，当脚离地时，瞬时身体重心位移速度最大，当前支撑着地过渡到垂直阶段时，瞬时身体重心位移速度最小。此间的速度损失率可以作为一个重要技术指标，影响速度损失率的主要因素是着地角的大小。着地角较大可以产生较小的制动，速度损失率相对较小，但着地角过大，就会使着地点离身体重心投影点过近，从而影响步长。着地角较小，水平速度的损失率可能多一些，但却有利于增大步幅和保持动作的稳定性。