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滑得更快的秘诀！探秘滑雪运动中的生物力学“黑科技”

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滑得更快的秘诀！探秘滑雪运动中的生物力学“黑科技”

冬季是滑雪运动的黄金季节，滑雪作为一项十分受欢迎的户外活动，不仅是一种良好的锻炼方式，也是一种与自然亲近的体验。在滑雪过程中，人们穿着防风保暖的装备站在雪地上，感受着风吹雪舞的刺激，接着俯冲而下，在白雪覆盖的山坡上飞驰，挑战速度和技巧的极限。然而要掌握滑雪技巧并不容易，随着时代的进步，滑雪运动也得到了许多“黑科技”的支持。

图源网络

高山滑雪如何快速绕过旗门？越野滑雪用什么姿态最省力？跳台滑雪用何种姿势起跳最好？专业的滑雪者们想在滑雪场上获得更加完美的表现，除了艰苦的训练之外，对科技的运用也极为重要。从运动表现到康复训练，足底压力测试系统、动作捕捉技术、表面肌电测试系统等现代科技技术的在滑雪运动中有着不容小视的作用。

足底压力测试系统

如果你能在高速的状态下，精确地操控雪板的方向和施加的力量，你就离成为高水平的滑雪者不远了。脚部是距离雪板最近的身体部位，要精准且快速地操控雪板需要通过脚部的动作来完成。小幅的翻转动作，我们可以通过脚踝来实现。而对雪板压力的传导，则需要通过胫骨和足弓传递到雪鞋底部从而施加给雪板。我们在滑雪时，每一次将力量传导给足弓，都会使它伸展开来缓冲这种压力。而一天之中，我们无数次地使足弓伸展，会对足弓各个关节产生压力，从而导致疼痛。而足弓的伸展，也延迟了力量的传导时间，并降低了力量的传导效率。对于高水平的滑雪者，身体的每个姿态，滑行中的每个力量点位，都是至关重要的。如果能减少力量在传导过程中的损失，就能第一时间提高对雪板的操控能力。

没有使用足弓支撑鞋垫时脚部的受力状态图

有效的足弓支撑，能够让脚部更稳定、更舒适，提高力量传导效率，从而更精准地控制雪板。脚部更稳定，整个下肢包括身体就会更稳定，一定程度地减少了膝盖的左右晃动，减少膝盖在滑雪时所产生的压力。而获得有效的足弓支撑，就需要通过定制的足弓支撑鞋垫来实现了。

使用了足弓支撑鞋垫后脚部的受力状态图

足底压力分布测试技术已经被广泛应用于不同项目运动员的足底压力特点和规律研究。足底压力测试技术可以精确得到运动员数字化的足部数据，再结合运动姿态、足底受力和足底压力分布的分析，经过大数据的比对和计算机建模等调配鞋垫材料的不同结构以实现不同部位的软硬程度，再通过3D打印设计出一双符合生物力学的定制化足垫。

鞋垫式足底压力&步态测试系统X4

Xsensor X4鞋垫式足底压力测试系统就是一款高精度的压力传感器，它的传感器被制成芯片放置于鞋垫内，每只鞋垫均带有230个感测器，可提供精确的足底压力和负荷数据进行高级运动和性能分析。经过多年开发，该系统已经发展到超薄和完全无线，并适用于远距离、长时间的测试。Xsensor X4鞋垫式足底压力测试可应用在绝大多数的体育运动中。除此之外，这款设备还可运用于医疗、步态、人因工效等领域的研究中。

鞋垫式足底压力&步态测试系统X4

动作捕捉系统

滑雪空中技巧的得分，关键在于空中翻转姿态优美、落地时站立平稳。可穿戴式运动捕捉系统对帮助运动员改善运动动作、提升运动成绩的应用已经获得广泛认可。动作捕捉系统能准确地把运动员每次起跳过程中的风中稳定性、力学参数、空中姿态通过3D数据全方位还原出来。相比光学动作捕捉系统，惯性动作捕捉更方便，穿戴者能不受场限制自由移动。

2022年北京冬奥会跳台滑雪现场

上一届冬奥会上，跳台滑雪男子个人标准台决赛金牌得主小林陵侑就在训练中就使用了Xsens MVN惯性动作捕捉系统，进行风洞流体力学及姿态分析。在跳台滑雪的物理学中，有三个主要的概念：重力、升力和阻力。对于跳台滑雪运动员来说，他们要做的就是小心地改变身体姿势，以最大限度地提高升力，同时尽可能地减少阻力。穿上Xsens MVN 套装后，小林在空中的姿态和运动轨迹将被捕捉并记录。接着，研究人员将他的动作转换为数据并整合到运动员的3D扫描模型中，使用超级计算机对升力和阻力进行模拟和分析。然后研究人员再将观察到的数据特征和相对应的意见整合成一篇完整的论文，供给小林陵侑以及其他日本运动员和教练来参考。

计算动作中空气动力特性的框架

跳台滑雪是一项飞行运动，通过可视化不可见的气流和空气动力学力，可以更容易地向运动员解释数据并评估性能。因此，惯性动作捕捉系统很适合用来研究这项运动，它对运动员的压力较小，并允许在摄像机无法记录的地方记录运动。Xsens MVN动作捕捉套装是一款易于使用、高性价比的全身人体动作捕捉系统，独特之处在于可以捕捉任何类型的运动，包括跑步、跳跃、爬行和侧手翻等。因此，除了滑雪运动之外，这款设备还能运用在网球、棒球、跳高等其他众多体育项目的训练中。

Xsens MVN惯性运动捕捉系统

无线表面肌电测试系统

在滑雪运动中，还有一项技术被广泛运用，那就是无线表面肌电测试系统。无线表面肌电测试系统可以测量不同关键肌群的肌电活动，例如大腿肌群、腰部肌群和臀部肌群等。这些数据可以用来研究滑雪动作的肌肉活动模式，分析肌肉的激活程度和时序关系，评估滑雪者的动作技巧和肌肉平衡性。

使用cometa测试设备进行肌电活动监测

不仅如此，该系统还可以检测滑雪者在不同地形和雪况下的肌肉反应，帮助滑雪者了解肌肉在不同情况下的表现，并进行相应的调整和训练。通过实时监测肌肉电活动，滑雪教练可以更好地了解肌肉疲劳情况和运动技术问题，从而优化滑雪者的训练计划，提高滑雪技能和运动表现。2022年，北京理工大学开发的“冬季项目智能训练管理系统”被用于北京冬奥会的运动员的体能训练中，其中就包括肌电设备。运动员穿戴上肌电设备，将电极片贴在肌肉的皮肤表面。随着运动员肢体摆动，监测屏幕上实时显示传感器采集到的电信号波形轨迹。研究人员再根据这些信息计算出肌力，之后把数据反馈给运动员的体能教练，让他们能更有针对性地指导运动员锻炼需要增强的肌肉群。

北京理工大学冬季项目训练智能管理系统

由意大利Cometa公司开发的无线表面肌电测试系统是典型代表，并且还能与动捕系统同步测量，更详尽地描述步态特征。Cometa无线表面肌电测试系统可以实时采集人体运动中肌电信号的变化，经过放大、滤波及模/数转换，形成量化的肌电波形及数据。其传感器尺寸小巧，并支持8小时本地数据存储，适合户外长时间、长距离的测试场景，因此很适合用来监测滑雪运动。