（运动人体科学专业论文）对优秀男子跳板跳水运动员助跑、起跳技术的生物力学研究.pdf

摘 要 跳水是我国奥运金牌的重点项目自 2 0 世纪 9 0 年代问鼎世界列强以来为 国人带来过许多荣誉 其整体技术也取得了长足的进步 但是项目发展并不平衡 尤其随着熊倪退役男子跳板跳水技术和难度优势不复存在所以对男子跳板跳 水运动的技术进行新一轮的总结定位和深入研究都是十分必要的 该文以国家队 2 0 0 4 年奥运阵容中1 0 名男子跳板跳水运动员为研究对象对 其比赛和训练中的高质量动作进行解析分析了 1 0名运动员同一动作助跑起 跳的相关运动学参数结合基本的力学原理同时结合个案分析了王天凌不同难 度动作起跳的具体运动学指标旨在揭示走板跳水助跑起跳的一般规律和王天 凌起跳的具体特征 基于上述分析本文得到以下主要结论 1 优秀运动员助跑加速特点和助跑方式特点 2 “晚沉臂”和“延迟摆臂”是跳板跳水特有的技术不存在“早提腿”和严格的 “早升臂”但应强调“早并腿”和“快升臂”摆动腿应采用控膝摆髋技术 3主动缓冲是跨跳步特有的技术环节实现了缓冲与制动缓冲与压板的分 离解决了肌肉工作形式要求的矛盾步长储备和水平动量是主动缓冲赖以实现 的保证 4 “合板”的核心问题是积极蹬伸时机的把握 预蹬伸后第一个膝关节角速度峰 值时相可作为积极蹬伸开始的评价指标运动员在选定跳板的软硬程度后都有 一个最佳积极蹬伸条件包括下肢关节角度跳板的形变和人- 板运动状态 5 二次蹬伸是跳板起跳特有的问题动作是蹬伸不“合板”的结果从技术上 适度提前积极蹬伸时机或者适当降低跳板的硬度可消除二次蹬伸从身体素质 上应加强力量训练尤其是增强大角度屈踝条件下的蹬伸力量 关键词男子跳板跳水 助跑 起跳 生物力学 积极蹬伸 二次蹬伸 北京体育大学硕士学位论文 1 1前言 1.1问题提出 跳水运动是一项集力量和智慧为一体的优美竞技运动 以其独特的魅力登上 了体育艺术殿堂的高峰1多年来倍受世人的青睐2000年双人跳水进入悉尼 奥运会赛场飚升了奥运会跳水金牌数量吸引更多的人加入跳水的角逐2为 跳水运动的发展带来了空前的契机同时也使金牌争夺日益激烈今天在不同 层次水平的比赛中动作难度不断加大动作翻腾转体组合不断创新运动员要 想在竞争中立于不败之地必须要能高质量完成新颖的高难度动作3然而动 作的创新意味着原有的合理技术被突破 动作质量和动作难度的提高都伴随着动 作技术的改进可见对跳水运动技术进行研究包括对一些基本技术的重新定 位是跳水运动不断发展的要求 走板跳水是跳水运动的基本技术 其助跑和起跳都是在富有弹性的跳板上进 行的除了人体本身因素外还受人体与弹性板间配合的影响所以运动员必须 根据跳板的弹性性能 熟练地驾驭跳板才能充分有效地挖掘和利用跳板的弹力 能 借以提高走板跳水的运动技术水平 因此 相对其他硬性支撑面的跳跃运动 走板跳水的技术要复杂得多难度要大得多其研究的学术意义和理论意义也要 深远得多中国跳水自上世纪九十年代初取得世界领先地位以来运动技术整 体上取得了长足的进步4-5但项目发展并不平衡尤其随着熊倪退役男子跳 板跳水的技术优势丢失殆尽而且在难度上已被超出所以对男子走板跳水技 术进行研究是我国跳水现状的需要有着实实在在的实践意义 1.2文献综述 1.2.1研究方法 据文献分析国内有关跳水运动技术的生物力学研究方法总体上分三个阶 段上世纪七十年代由于实验仪器缺乏以谢才明和李连在为代表一批研究者 主要利用基本力学原理对跳水技术中相关力和能量的变化规律进行理论分析 6- 9 八十年代前期开始 成尔恒等人采用图片 影片解析获取运动学数据10- 12 对跳水技术中具体的运动学参数进行小量的统计分析以后随着科学技术的发 展高速摄像机测力平台和肌电技术手段在体育科研中的运用日益广泛使得 跳水运动技术生物力学参数的获得越来越便捷 从九十年代初开始吴延禧等人 北京体育大学硕士学位论文 2 运用录像解析广泛地获得数据13- 16对跳水运动技术的各种运动学参数进行大 量的分析 并通过静力实验在实验室层次上完成了跳板运动变化的动力学分析 14 国外情况基本相同只是时间相继提前与国内一样有关来自实战中的 动力学参数分析甚少早期 lanoue(1936) darda(1972)就从理论论述了跳板服从 虎克 hooke 定律 美国体育教科书中很早就用共振理论解析了跳板跳水的 合 板问题17八十年代初 millerjonesspriging 和 ross h.sander 都是采用录 像解析方法从不同角度对跳板跳水的相关运动特征进行分析18-22就是到今天 大部分研究还是利用录像方法获取分析资料 2003年 c.r.james 用录像解析方法 从运动学角度对跳水着板碰撞进行分类23doris i.miller2001依然是用运动 学参数来推算运动员空中的转动动量24在数据处理方面由于各变量之间复 杂的数学关系和多变量因素的存在 多元统计分析方法也越来越多地运用于跳板 跳水运动技术的研究上25-26 1. 2. 2助跑的研究 跳板跳水的助跑技术在各类文献和教科书中都有所论述 关于助跑的步伐结 构1980 年李连在就根据运动员步伐特点将走板分为前跨步长步型和前跨步短 步型两类 并对其优缺点进行分析同时提供了 4 名优秀运动员的全程步幅和平 均速度27接着季申娜 1983 年在跳水一书中将助跑划分为助跑步跨步跳 的起跳腾空和落地定性地得出助跑步步长不断增大且助跑步最后一步接近 跑步吴延禧在 1998 年论述影响助跑的稳定性的因素时针对个别运动员的不 同动作对助跑步伐相关参数进行了总结认为助跑的稳定性表现为助跑步伐的 高度相似重复性和准确性14关于跨跳步特点成尔恒在 1981 年提出劳盖 尼斯在跨跳步采用压步法技术认为着板后有意识地压板可以增大跳板的振 动幅度81998 年吴延禧认为助跑承接跨跳步的应采用迈步式着板否定 了谢才明1987提出的提踵式前跨有利于提高踏跳高度28关于助跑中 摆动环节运动的特点李连在早在 1980 年认为跨跳步沉臂路线应是身体两侧 并提出早并腿问题谢才明在 1981 年将早上手定为跳水的一个基本技术 并对 早上手 的时相和幅度提出了具体的要求 同时还提出了 早并腿 和 晚 下手 29 并分析这种技术的若干优点成尔恒1983认为早上手有利 于肌肉蹬伸做功吴延禧1998强调跨跳步的摆动运动应做到蹬摆同步否定 北京体育大学硕士学位论文 3 了早上手和早提腿的说法 上述文献对跳板跳水助跑技术结构的见解都是以丰富的实践经验和体会 或 者以科学数据为依据的对训练有很好的参考价值但是可能因为运动技术本 身的发展或者研究手段的进步使得部分研究结论出现了分歧这也正是本文 对跳板跳水技术继续研究的原因 1. 2. 3起跳的研究 起跳是一切跳跃运动的关键环节同时起跳往往也是跳跃运动的瓶颈技术 跳水也不例外对跳板跳水的研究当然离不开对其起跳技术的探讨 许多学者从物理学角度出发利用基本力学知识结合动作技术进行分析 1983 年前苏联跳水一书中分析了充分利用跳板弹力和形变能的条件1988 年谢才明认为在压板阶段应做出三点一线即足髋肩在同一作用线上 的最佳发力和受力姿势281998年吴延禧提出了四个平衡点的合板模式同 时论述了身体姿势和人体环节运动对合板的影响14 2000 年王宗平从数学角度出发以洛加尼斯起跳动作作为基础利用数理 统计及相关数学计算建立蹬伸时肌肉作用过程的标准函数来评价或判断运动 员蹬伸肌肉作用效果30 1995 年沈有道从建立物理学模型出发将跳板和人体分别简化为悬臂梁和 与两刚性细杆相连的质点建立人-板系统物理学模型及相关运动方程并在一 定程度上分析了人-板这一藕合系统内相关力学和能量的变化规律31-32 尽管国内外专家学者对起跳技术进行了不懈的研究 提出了许多有见解的观 点但是有些基本技术并未在理论和实践上得到一致认同比如关于起跳技术的 积极蹬伸时机问题1980 年李连在27和 1983 年前苏联跳水一书提出了相同 的观点认为起跳即积极蹬伸应开始于跳板弯曲最大时刻而 1983 年成尔恒 等指出当板达到最低点时刻几乎是积极蹬伸过程时空的中点即积极蹬伸在最 低点前后持续时间占着板总时间分别为 28.45%和 29.50%角度变化分别为 39.6 和 40.0 12 而 2000 年徐益明所编的跳水教练手册一书起跳的技术要领 之七又支持了 1983 年成尔恒的观点认为当板达到最低点时 膝关节应伸直或接 近伸直33 1.3研究设想 北京体育大学硕士学位论文 4 本文以现役国家队 2004 年奥运阵容队员为研究对象以走板跳水的助跑和 起跳阶段为研究内容有针对性选取比赛和训练中的特点动作进行解析对比硬 地和弹性板上的起跳运动学参数特点采用统计处理与个案分析相结合的方法 以期得出跳板跳水运动助跑起跳技术的一般规律以及符合个人特点的技术参 数本文初步解决以下四个方面的问题 1统计 10 名优秀运动员的 103b 动作的运动学参数结合基本力学原理 和项目特点分析优秀运动员走板跳水的助跑特点 2与运动员硬地起跳对比找出跳板与硬地起跳阶段下肢各关节的运动 学参数的差异并分析其原因 3结合个案分析分析优秀运动员积极蹬伸时相关运动学参数的特点 并揭示积极蹬伸时机的规律和个别运动员积极蹬伸时机的具体指标 4对比助跑与起跳中摆动环节的运动特点分析摆动运动的一般规律和 不同阶段的具体特征 2研究对象和方法 2.1研究对象 以现役国家队 2004 年奥运阵容中 10 名优秀男子跳板跳水运动员为研究对 象受试者基本情况见表 1 表 1 受试者的基本情况表 姓 名 身 高(cm) 体 重(kg) 运 动 等 级 王 天 凌 178 70 国际健将 王 克 楠 168 59 国际健将 王 峰 173 65 国际健将 彭 勃 165 62 国际健将 徐 成 亮 166 60 健 将 徐 翔 164 56 国际健将 杨 景 辉 162 52 国际健将 胡 佳 170 58 国际健将 何 聪 158 50 健 将 黄 强 171 62 国际健将 北京体育大学硕士学位论文 5 2.2研究方法 2.2.1实验方案 本实验的技术难点是对运动员动作完成质量的评定和筛选 其原因在于跳板 跳水动作的完成是多方面因素综合作用的结果从技术上说走板跳水动作都包 括走板起跳连接空中姿势和入水尽管其中任何一个环节出现偏差都可 能导致动作的失败为了提高各项技术参数指标的研究效度本实验对所获资料 进行筛选时采用的评价标准结合了专家评定与动作得分所以文中选取的动作 都是专家认为其走板和起跳较好且得分均在 8 分以上的动作 为了更深入地探 讨跳板上起跳的特点 本研究还选取了原地纵跳实验以对比相同对象在跳板和硬 地起跳的异同 实验分两部分进行技术实验和原地纵跳实验第一部分实验中选取 10 优 秀运动员的 103b 动作分析走板起跳的一般规律同时针对不同问题选取不 同运动员的高难度动作进行个案分析 第二部分实验选取王天凌进行原地纵跳实 验 旨在通过比较其硬地和软板起跳的差异探索跳板上人体积极蹬伸的生物力 学特点 2.2.2跳水技术实验 比赛前在看台上装好摄像机 sony 公司生产的dcr-vx2000e型号摄像机 安装点到跳板垂直距离为 28 米并使摄像头的主光轴垂直运动平面对准板尖 后 1 米且高出跳板平面 1 米处同时在力求运动画面尽可能大的前提下保证研 究所需的运动画面都在拍摄范围内开始拍摄后由一资深专家对比赛过程中所 选取动作的具体技术进行评定同时记下比赛得分比赛结束后将比例尺放在 主光轴对准位置并使其垂直跳板待跳板稳定后拍摄好比例尺 2.2.3原地纵跳实验 按照以上的同样要求对王天凌的原地纵跳进行拍摄以纵跳高度为标准 选取完成质量较高的原地纵跳动作作为研究资料 2.2.4录像解析 采用北京体育大学生物力学教研室开发研制的视讯解析系统对两部分实验 的动作画面进行解析 采集画面的频率为 50 场/秒 采用扎齐奥尔斯基人体模型 北京体育大学硕士学位论文 6 所得数据采用数字化滤波法进行平滑截断频率为 10 3结果与分析 3.1助跑阶段的运动学分析 跳板跳水的助跑是在富有弹性的板上完成的 不同于硬性介质上的助跑主要 以获得一个可控的较高水平速度为目的其最终任务是在维持身体平衡的条件 下获得一个较大的腾空高度在助跑过程中如何处理好技术动作与跳板弹性性 能间的关系以保证助跑的平衡和稳定这是助跑的核心问题也是跳板跳水训 练实践的一大难点 3.1.1助跑阶段的时相划分 时相划分是研究动作技术的重要环节合理的时相划分是客观有效揭示动 作技术的生物力学特征的前提和保证由于研究对象目的及侧重点不同动作 时相的划分依据也不尽相同 通常确定依据的客观标准是既要能表达动作结构的 实际又便于实际测量34本文以摆动腿脚尖着板为特征画面两相邻特征画面 之间的动作为一步 以常见的六步走板起跳为例跳板跳水助跑包括无腾空的前 三步有腾空的第四步和具有跳跃特征的第五步为便于阐述本文将助跑的全 过程分为走板前三步跨步第四步和跨跳步第五步走板应在保持身 体平衡的前提下获得一个适宜速度的运动节奏跨步是助跑中走与跳的过渡步 伐既承接走板进行水平加速又有明显的垂直蹬伸为下一步的跨跳步创造条 件跨跳步主要任务是获得尽可能高的腾空 3.1.2助跑各阶段的运动特征 助跑步伐结构的特征 李连在曾对走板技术进行分析依据第四步助跑五步的运动员的特点将 助跑分为两大类前跨步短步型和前跨步长步型并对其优缺点进行阐述27 吴延禧 在 1998 年论述影响助跑的稳定性的因素时 针对高敏和谭良德的不同动 作 对助跑步伐相关参数进行了总结14本文选择10名优秀跳板跳水运动员103b 动作为例来分析助跑过程中步伐结构特征,通过统计分析得到如表 23 结果 步速是助跑步伐参数一个综合指标是步长和步频变化的结果由表 23 可以看出步速总趋势前四步不断增大第五步大幅减小差异有显著性同其 它硬性介质上助跑跳跃运动一样跳板跳水助跑的任务之一就是创造水平动量 北京体育大学硕士学位论文 7 所以助跑步速在前四步不断增大不同的是跳板是有弹性的软性介质助跑中要 求人板必须谐和运动稳定性成为助跑的核心问题也正是这种不稳的介质限制 了人体正常的水平加速因此为了达到一个较理想的水平速度助跑加速并不是 在各步均匀分配而集中在第四步第四步速度增值达 116cm/s前三步增值总 和为 145cm/s利用腾空跨步在腾空前人体支撑腿进行一次较前几步更积极的 蹬伸而后在空中调节好身体平衡这样避免了积极加速后人板不稳状态的相互 影响有利于加速后平衡而第五步步速大幅减小是由于技术要求制动的结果 表 2 助跑的步长步幅和步速n=10 参 数 第一步 第二步 第三步 第四步 第五步 步 长 598 686 828 14811 216 步长身高比 0.410.05 0.490.05 0.880.07 0.120.03 步 时 0.680.14 0.570.05 0.570.05 1.330.08 步 速 10524 14520 26032 165 单位时间s长度cm速度cm/s 表 3 各步步伐参数的比较n=10 参 数 第 2 步 与 第 3 步 均差值 t 值 p 第 3 步 与 第 4 步 均差值 t 值 p 第 4 步 与 第 5 步 均差值 t 值 p 步 长 -14 -4.876 0.01* -66 -15.020 0.01* 127 30.281 0.01* 步长身 高 比 -0.08 -5.003 0.01* -0.40 -14.607 0.01* 0.76 26.592 0.01* 步 时 0.8 1.7 0.123 0 0 1 0.76 -22.520 0.01* 步 速 -37 -3.231 0.01* -116 12.849 0.01* 245 -3.041 0.01* 肩 角 -9.5 -2.173 0.058 -42.6 -11.266 0.01* 单位时间s长度cm速度cm/s角度弧度 步频前四步随着走板的进行不断增大表 2 步时不断减小但各步之间差 异无显著性表 3一般助跑加速有两种方式一是增大步幅另一种是加快 步频 一般硬性支撑面上的助跑 由于助跑距离大 步伐多各步间步幅差异小 所以其加速常常伴随着步频的提高但从跳板的物理性能来说随运动员助跑步 伐向板端移动 支撑腿的着力点距离板的支点越来越远 板的固有振动频率减小 北京体育大学硕士学位论文 8 增大步频来提高助跑水平动量是不利于合板的所以说跳板跳水运动员前四 步助跑的步频差异无显著性 正是运动员助跑过程合板的结果也可以说跳板跳 水助跑加速不以增大步频为手段 本文将各步步长和步长身高比进行对比分析如表 2表 3二者前四步不 断增大第五步大幅减小并且差异均有显著性正如前面论述助跑的任务之 一是增大水平动量但又不能提高步频那么增大步长是助跑加速的主要途径 所以当今优秀运动员以五步助跑为例多采用长距离短跨跳步助跑这样可 以通过增大前四步的步幅来提高助跑水平速度本文 10 名优秀运动员助跑全程 均值为 378cm跨跳步均值只有 21cm而李连在 1980 年测得优秀运动员李孔 政 园春等助跑全程为 330340cm跨跳步步幅为 50 cm 左右27吴延禧 1990 年测高敏谭良德助跑全程为 340 cm 左右跨跳步步幅为 40 cm 左右14 可见 助跑加速步步长较过去有较大提高而跨跳步步长也大幅降低 从训练上说 运动员的步幅提高尤其是跨步的步长储备是此项技术的关键 综上可得男子跳板跳水宜采用短跨跳而长距离的助跑提高助跑速度常 常以加大步长为主要手段助跑加速过程主要集中在有腾空的跨步平时力量练 习同时应该加强运动员下肢柔韧性的训练避免跨步在伸膝条件下大幅屈髋时 大腿后群肌出现被动不足以保证运动员的步长储备 跨跳步缓冲动作的特征 跨跳步是从跨步摆动腿着板到双脚着板的助跑步伐 跨跳步是走板起跳的关 键跨跳步的好坏直接影响起跳空中及入水动作它的主要任务是获得尽可能 高的腾空 为双脚起跳创造尽可能大的下落冲量跨跳步中人板间的动作主要包 括缓冲和蹬伸由于其蹬伸动作结构与起跳蹬伸动作结构相似在这里只对缓冲 动作的特点进行分析 分析跨跳步缓冲动作前先探讨一般人体缓冲动作的特点 缓冲动作在教科书上是这样定义的在抵抗外力作用的过程中下肢由伸展 的状态转为屈曲状态的动作过程如图 1人体做缓冲动作时下肢伸展肌群都 是被动拉长但是根据肌肉做功不同本文将缓冲分为主动缓冲收缩成分不收 缩 无张力作用 和被动缓冲 收缩成分主动收缩产生张力两种情况进行讨论 其生理机制不一样如果是被动缓冲在神经支配下肌肉收缩成分作退让收缩 北京体育大学硕士学位论文 9 肌肉的总张力主要来源于肌肉收缩成分产生的强大张力此张力做负功外力功 除了一部分转化为肌肉弹性能外大量被消耗掉一般硬性支撑面的缓冲制动过 程就是被动缓冲如果是主动缓冲在神经支配下肌肉收缩成分放松不收缩 肌肉的总张力主要来源于肌肉并联弹性成分产生的弹性力 除了一部分转化为肌 肉弹性能外大量的外力功转化为人体的动能因此如果采用主动缓冲能量 损失较小仅损失于肌肉弹性成分对弹性能的不完全利用缓冲结束时人体重 心垂直向下速度较大如果采用被动缓冲能量损失较大包括肌肉弹性能的不 完全转化和以热能的形式释放的肌肉收缩张力所做的负功缓冲结束人体重心 垂直向下速度较小或为零 图 1 人体缓冲示意图 表 4 跨跳与起跳中主要角度参数各阶段的时相比较n=10 参 数 跨 跳 开始缓冲 最大缓冲 最大蹬伸 起 跳 开始缓冲 最大缓冲 最大蹬伸 肩 关 节 -0.166 0.030 0.392 -0.192 0.002 0.290 髋 关 节 -0.500 -0.028 0.324 -0.272 0 0.368 膝 关 节 -0.136 0 0.386 -0.296 0 0.398 单位秒注时间都是相对膝关节最大缓冲 本文在研究跨跳步特点时选取人体重心相对位移 l相对人体重心相对位移 是指人体重心相对跨跳支撑腿足跟的位移来描绘人体缓冲动作而不是膝关节 角度变化因为缓冲动作包括下肢各个关节的缓冲一般下肢各个关节角位移时 相一致时膝角是较好的描绘人体缓冲动作的指标 但跳水跨步到跨跳的缓冲中髋 北京体育大学硕士学位论文 10 角和膝角时相变化相差较大参见表 4图 2髋角较膝角提前 0.364 秒开始缓 冲而且提前 0.028 秒完成缓冲所以重心相对位移较膝角更能准确反映缓冲 动作 angle vs. time 100.000 110.000 120.000 130.000 140.000 150.000 160.000 170.000 180.000 0.60.81.8 time in second angle in degrees 膝 角 开 始 缓 冲 髋关节 膝关节 图 2 l跨步-跨跳缓冲动作中髋膝关节角位移随时间变化 跨跳步缓冲是采用主动缓冲 跳板跳水的缓冲除了为后期的蹬伸创造最佳蹬伸姿势外 主要目的是获得较 大垂直下落动量利用蹬伸压板将助跑中人体获得的能量转化为跳板的弹性能 所以跳板跳水应采用主动缓冲要求运动员下肢伸展肌群处于放松状态进行缓 冲如表 5 和表 6对最大缓冲l相对最小重心垂直速度峰值和板尖垂直速 度峰值所对应时相的同一性进行分析 t1代表最大缓冲(l相对最小)的时相 t2 代 表重心垂直速度峰值的时相t3代表板尖垂直速度峰值的时相通过对 t1t2 t1t3的差值进行单样本的均值检验发现 t1与 t2同一而 t3落后 t12 帧即 最大缓冲时刻重心垂直向下速度达到峰值而板尖垂直速度峰值 0.04s 后出现 说明在触板到缓冲结束过程中人体重心速度变化符合主动缓冲规律 缓冲结束时 重心下降速度最大运动员着板后还延续着主动缓冲动作 跨跳步缓冲几乎没有制动 理论上 助跑制动的实质是人体利用作用在脚掌上的外力来改变人体重心的 运动状态 且外力都是通过运动员下肢传递并作用于人体上体的这种动作特点 北京体育大学硕士学位论文 11 要求运动员下肢伸展肌群处于收缩状态向心离心或等长进行制动显然制 动和缓冲两个物理过程在跨跳步中对肌肉工作特点要求是矛盾的 那么跳板跳水 运动员是如何来解决这一矛盾的呢参见表 10制动与蹬伸几乎同时开始制 动时相较缓冲结束只提前 0.008 s如图 4运动员水平速度的制动集中于第五 步的蹬伸前期完成可见一般硬性支撑面上的缓冲总是伴随着制动而跳板跳 水跨跳步的缓冲与制动是分离的 主动缓冲与压板的时空关系 跨跳步压板的主要动力源有三种人体下落动量人体蹬伸肌力和运动员重 力与制动一样这些力都是通过运动员下肢传递并作用于跳板上压板动作特 点要求运动员下肢伸展肌群处于收缩状态进行工作 所以从理论上讲如果主动 缓冲与压板分离主动缓冲在前而压板在后那么运动员就可以完美将人体助跑 获得的能量最大可能地转化为跳板的弹性能 但是跳板跳水的缓冲是连接跨步和 跨跳步的中间环节主动缓冲始于跨步后阶段并在触板后得到延续而压板开 始于触板直到板尖达到最低点所以人体的主动缓冲与压板是不可能完全分离 本文定义触板前人体重心相对位移与总相对位移之比为主动缓冲与压板分 离系数e=l 相对前/l相对总分离系数越大缓冲与压板分离越完全通过对 10 名优秀运动员助跑的主动缓冲与压板分离系数进行计算得到平均分离系数 e=0.88标准差为 0.07这样在着板后一段较小的位移内跳板反弹力较小 所以运动员在维持压板的同时人体可以完成主动缓冲动作 可见运动员一方面通过主动缓冲前移使缓冲与压板部分分离 另一方面在跳 板形变较小的压板前期完成主动缓冲这样处理压板和缓冲的时空关系保证了 动作连贯既符合生物力学规律又适应项目特点 表 5 最大缓冲与重心垂直速度峰值的时相同一性比较n=10 t1 t2 均差值 r p test value t 值 p 115.2 115.4 0.2 1 0.01 -1 2.449 0.037* 0 -0.612 0.555 1 -3.674 0.005* 单位时间帧 北京体育大学硕士学位论文 12 表 6 最大缓冲与板尖垂直速度峰值的时相同一性比较n=10 t1 t3 均差值 r p test value t 值 p 115.2 117.6 -2.4 1 0.01 -3 2.250 0.051* -2 -1.500 0.168 -1 -5.250 0.001* 单位时间帧 表 7 跨跳与起跳缓冲过程中重心相对支撑腿足跟的位置变化及膝角变化n=10 缓冲类型 水平位移 垂直位移 缓冲膝角 主动缓冲 23456 8446 4312 被动缓冲 8334 27245 7518 单位长度mm角度度 运动员在解决着板后下肢肌肉工作矛盾时都是通过对动作一定程度的分离 来实现的但动作的分离对其连贯性提出了新的要求那么运动员在技术上又 是如何实现的呢 如表 7本文对 10 名优秀运动员跨跳和起跳缓冲过程中的相关参数进行计 算 发现重心相对支撑腿足跟的位移 在主动缓冲中主要是发生在水平方向 234 mm而起跳的被动缓冲是在垂直方向272 mm进行这说明起跳的被动 缓冲主要是在重力作用下完成的 而跨跳的主动缓冲与人体水平动量的惯性作用 是分不开的参见表 4又可发现髋关节相对膝关节提前 0.364 秒做缓冲动作 同时由图 2 可知膝关节开始缓冲时 髋关节已屈曲到一定程度 这又进一步说明 跨步到跨跳步人体缓冲是分步完成的首先髋关节弯曲主要引起人体垂直方向 的缓冲然后是膝关节屈曲主要实现人体水平方向的缓冲缓冲运动这种变化 与运动员长步型的跨步是相适应的一方面长步型跨步身体重心低客观上要 求髋关节提前大幅做垂直缓冲另一方面长步型跨步步幅大水平速度快为 膝关节水平缓冲提供了运动距离和动力上的保障 但是长跨步要求摆动腿在伸 直膝关节的条件下大幅屈髋 客观上易形成股四头肌主动不足和股后群肌被动不 足所以对下肢肌的力量和柔韧性也提出了更高的要求 可见跨跳步中缓冲与制动缓冲与压板的分离是以缓冲动作本身的分离 为前提实现的 长步型跨步又是完成垂直缓冲与水平缓冲分离的重要手段助跑 北京体育大学硕士学位论文 13 后较高的水平动量是人体水平缓冲的保证 现代运动员多采用长距离助跑来提高 水平速度 用长步型的跨步来连接压板所以运动员在跨步中的步长储备和助跑 后的水平速度是此项技术环节赖以完成的关键因素 助跑中人体重心水平运动特征 助跑水平速度变化是人体重心水平运动的主要特点其作用有二一方面为 整个人体运动提供能量另一方面营造一种和谐的较高运动节奏前面从助跑的 步伐结构分析中已得出相对硬性支撑面上的助跑跳板跳水助跑水平速度大小 要求较低前四步水平速度不断增大而第五步大幅减小且水平加速主要集中 于第四步但每一步中水平速度是如何变化的呢下面将就此问题进行阐述 如图 3在这里定义各步中人体重心刚好处于支撑点垂直上方的运动状态叫 垂直支撑 则一个助跑步分为双支撑阶段从支撑腿着板到摆动腿离板的运动过 程前支撑阶段从摆动腿离板到垂直支撑的运动过程和后支撑阶段从垂 直支撑到摆动腿着板的运动过程三部分其中第一步无双支撑第五步分为缓 冲和蹬伸对比图 3图 4 可以看到前四步每一步重心水平速度并不是持续增 大 其水平加速主要集中在双支撑阶段第四步接着双支撑加速后还有一个明显 的后支撑加速过程 第五步重心水平速度突然大幅减小主要集中于蹬伸阶段的 前期 x position vs. time relative to marker 25 -600.000 -400.000 -200.000 0.000 200.000 400.000 600.000 800.000 00.511.522.533.5 time in second x values in mm 双 支 撑 前 支 撑 后 支 撑 图 3 自由肢体相对重心的水平位移随时间变化 北京体育大学硕士学位论文 14 一般在硬性支撑面上的助跑运动员常采用屈腿着板并且由前支撑过渡到 垂直支撑过程中下肢做进一步缓冲进入后支撑阶段时人体做积极的蹬伸动作 使触地脚面产生相对支撑面向后的运动趋势 支撑面即产生向前支撑反作用力推 动人体向前加速 同时人体腾空离地所以这种集中在后支撑阶段的水平加速方 式具有腾空高速度大的特点适宜硬性支撑面运动项目 速度mm/s 图 4 助跑各步重心水平速度变化趋势 而跳板是有弹性的支撑面随着外力的撤除跳板会反弹的为了维持助跑 的稳定 人体必须随着重心的前移持续给板以力的作用所以支撑腿着板时不能 屈更不能在前支撑阶段做缓冲动作当然在人体进入后支撑阶段时下肢就不 存在伸展的空间 无法完成象硬性支撑面的蹬伸动作所以跳板跳水运动员只能 在双支撑阶段 第一步开始不存在双支撑利用后支撑腿的踝关节积极蹬伸 随 着人体由前支撑向后支撑的过度 踝关节进一步背屈为其积极蹬伸提供了角位 移空间进行水平加速这种水平加速有三大特点1.蹬伸角度小无腾空2. 双腿支撑稳定性好3.蹬伸幅度小加速平稳或产生水平速度小这三个 特点均符合跳板跳水前三步走板的要求 而第四步跨步要求获得一定的高度落差 第 一 步 第 二 步 第 三 步 第 四 步 第五步 蹬 伸 前 期 双 支 撑 100 -400 -900 -1400 -1900 -2400 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5(时间s) 前 支 撑 后 支 撑 着 板 缓 冲 北京体育大学硕士学位论文 15 进入跨跳步同时又是制动前产生水平速度的最佳时期所以运动员在双支撑加 速后 由垂直支撑进入后支撑时 支撑腿的踝关节向前上方提前做一次积极蹬伸 一方面使人体腾空获得一个适宜重心高度另一方面进一步增大重心的前移速 度完成第四步的第二次水平加速这也从技术角度解析了助跑水平加速集中在 第四步跨步的原因 跨跳步的水平制动为何集中于蹬伸阶段而不是缓冲阶段呢 从理论上讲制动力作用于脚掌而达到人体重心减速在运动员下肢和上体 之间作用力必然能进行有效地传递而主动缓冲下肢各关节肌肉松弛不利于 力的传递只有在蹬伸时整个人体刚化制动力作用才能有效从脚掌传到 人体重心从而有效制动不同于一般硬性支撑面助跑的水平制动总是伴随缓冲 动作进行 跳板跳水的水平速度在缓冲阶段变化较小这是跳板跳水采用主动缓 冲而不是被动缓冲的结果同时也是缓冲与制动分离的结果 助跑中摆动环节的谐和运动特征 摆动环节的谐和运动是指人体自由肢体这里主要指摆动腿和手臂为了达 到整体某一运动效果所进行的相对整个身躯的局部运动根据环节的摆动效果 这种谐和运动的任务总体上可以分为三种 第一种是通过变换自由肢体的位置而 改变重心的相对位置第二种是产生局部加速运动以改变人板间力的作用效果 第三种是调节身体平衡和维持动作稳定流畅 .1走板过程中自由肢体的摆动特征 走板过程的摆臂方式 根据上肢的运动特点 走板可分两类一类是指上肢自然伸直置于身后的走 板称定臂走板如图 3另一类指上肢伸直于身体前后交替摆动的走板叫摆臂 走板如图 5如表 8运动员采用摆臂7 人和定臂3 人两种不同走板 方式尽管上肢摆幅第二三步差异有显著性但跨跳步摆幅差异无显著性且 均可达到理想的走板效果得分均在 8 分以上 从理论上讲走板中上肢的摆动是其他肢体运动的补偿摆臂走板有利于调 节身体平衡和维持动作连贯而定臂走板最大优势是节奏简单便于运动员驾驭 跳板和控制动作从实践看出两种摆臂方式走板都不影响第四步大幅后摆技术 所以走板摆臂可能是运动员根据自身特点习惯选择的结果而不是走板的必要 北京体育大学硕士学位论文 16 技术环节 表 8 两类走板各步中上肢摆幅肩角比较 类 别 第一步 第二步 第三步 第四步 成绩 样本量 摆臂走板 -10.22.8 -28.812.6 37.514.0 -77.713.0 8.2 7 定臂走板 -8.92.8 -13.64.2 -15.11.0 -84.512.6 8.1 3 t 值 0.649 2.841 4.232 -0.765 p 值 0.532 0.022* 0.005* 0.466 单位度注正号表示前摆负号表示后摆 x position vs. time 100.000 600.000 1100.000 1600.000 2100.000 2600.000 3100.000 3600.000 4100.000 00.511.522.53 time in second x values in mm 上 肢 主 动 后 摆 上 肢 被 动 后 摆 上 肢 主 动 前 摆 图 5 重心左腕左踝和右踝的水平位移变化 angle vs. time 0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 00.511.522.53 time in second angle in degrees 主 动 后 摆 图 6 左右肩关节角位移在助跑中的变化 摆臂走板中 两侧上肢在躯干前后的摆动幅度和时相几乎相同做对称摆臂 北京体育大学硕士学位论文 17 如图 6并且经过第一步调整后与第二步支撑腿第一步摆动腿运动时 相保持一致如图 5 我们常看到硬性支撑面上助跑如跳远躯干上下两肢同时绕躯干纵轴作 反向的转动叫做躯干的扭转主要用以增大助跑的步幅来提高助跑速度跳板 跳水走板的水平速度要求不高 接近平时走路的步幅就可达到理想的走板速度要 求而稳定性则是技术的关键在软性跳板上运动躯干的扭转势必加大对人 体平衡控制的难度影响人板间的平衡和动作流畅所以运动员走板时常保持头 和上躯干正直两侧上肢自然伸直作对称的前后摆动 运动员上下肢的谐和运动是整个人体合板的前提运动员采用臂腿合一 上肢与单侧下肢同相摆动的简单形式这样运动员就能控制自如将上下四 肢复杂运动简化为下肢的交替支撑与摆动 象走路一样自然并且由于第一步步 幅步速都较小摆动腿前迈时上肢无需做后摆补偿动作就能平衡身体只有 在第二步摆动腿前迈幅度速度增大上肢才开始补偿性地后摆所以上肢谐和 第二步支撑腿就是第一步的摆动腿同相运动是走板各步运动参数要求决定 的结果是符合走板运动规律的 .2第四步跨步上肢后摆运动特征 跨步中 运动员由垂直支撑进入后支撑时伴随支撑腿踝关节向前上方积极 蹬伸上肢大幅后摆肩角峰值摆臂走板为 78定臂走板为 85如表 8 图 6 这里将助跑中上肢的摆动分为两种形式被动摆动指人体重心加速移动 而摆动环节由于惯性相对静止的运动和主动摆动指人体摆动环节加速移动 而重心由于惯性相对静止的运动走板过程中运动员采用双支撑加速和对称 摆臂由于步幅和步速较小自由肢体主动前摆而被动后摆图 5所以自由 肢体的水平位移持续增大 且主要集中于前摆阶段 而后摆阶段前移较小 相反 跨步中运动员要完成重心大部分的水平加速同时要获得相对较大重心高度所 以采用主动大幅后摆技术 主动后摆的特点是速度快幅度大后摆环节重心高这正符合跨步的要 求1.平衡第四步长跨步摆动腿大幅前摆引起的重心前移前面已论述助跑的水 平加速主要集中于第四步并通过步幅增加来实现上肢大幅后摆正是对第四步 北京体育大学硕士学位论文 18 步幅突增的补偿2.提高人体重心的相对高度第四步承接走板和跨跳利用支 撑腿蹬板 上肢大幅后摆可增大制动前后重心的高度落差 有利于跨跳步的沉板 3.延长下一步跨跳步的沉臂距离跨跳步要求上肢快速摆动以提高人板间 作用力效果上肢大幅后摆为跨跳步的快速升臂提供了运动空间 上肢后摆的时相特点支撑腿踝关节向前上方积极蹬伸结束时上肢积极后 摆完成参见表 10腾空与沉臂同时开始因为上肢大幅后摆提高的是人体重 心的相对高度只有蹬伸结束前完成后摆才能有效地提高腾空后重心的高度 上肢后摆是跨步的重要技术除了要掌握时机与蹬伸腿的配合外积极 有力幅度大是其基本要求所以运动员的肩关节应具有较好的柔韧性以保证 上肢后摆幅度同时还应具有强大后伸力量尤其是肩关节较大角度后伸时上 肢继续后摆的加速能力 .3跨跳步摆动环节运动特征 跨跳步摆动环节的运动是很复杂的 主要包括上肢运动和摆动腿运动本文 定义上肢从后向前摆到体侧的运动状态叫零摆动那么上肢运动可分为沉臂指 从跨步最大后摆到零摆动的运动过程升臂指从零摆动到最大上摆的运动过 程和伸臂主要指腾空中手臂向上伸直的调整运动而摆动腿运动分为控腿 指摆腿前膝关节变小而髋角变大的调整过程摆腿指膝关节相对身体由 体后向体前运动过程提腿指膝关节相对身体由体前向上运动过程和并腿 指膝关节相对身体由上后下运动过程 angle vs. time 0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 4.3 time in second angle in degrees 肘关节 肩关节 升 臂 升 臂 图 7 跨步-起跳过程中踏跳腿膝关节与肩关节角度变化比较彭勃 103b 北京体育大学硕士学位论文 19 angular velocity vs. time -1300.000 -800.000 -300.000 200.000 700.000 4.3 time in second degrees per second 升 臂 后 阶 段 图 8 肩关节角速度变化彭勃 103b 跨跳步上肢的运动特点 整个沉臂过程保持直肘如图 7且肩关节角速度持续增大如图 8而 升臂是屈肘如图 7后阶段肩关节角速度减小如图 8远端摆动环节相对 重心垂直向上线速度先急剧增大而后急剧减小如图 9且最大线速度对 应肩角为 70n=10升臂结束后有一较小肩关节增大 9n=10幅度 的伸臂起跳沉臂前有一较大幅度肩关节增大 17n=10 的伸臂 如图 10 摆臂方式不同直肘沉臂而屈肘升臂是摆臂各阶段目标各异的结果沉臂 的目的是通过改变重心相对位置来增大缓冲过程中重心的落差 所以采用直肘沉 臂来增大摆动环节的摆动半径 而升臂前阶段是通过增大摆动环节相对重心的向 上加速度 2 rcos这里记为摆动角速度r 为摆动环节质心到肩关节 的距离为摆动环节与肩关节垂直轴的夹角来增大压板力量所以运动员在 沉臂末获得一个较大的摆动角速度基础上继续积极升臂通过提高或保持 摆动角速度来增大 保持 摆动环节向心加速度在垂直方向上的分量 2 r cos 同时做积极屈肘动作正是对积极升臂的保障从肌肉解剖学角度分析 一方面 积极屈肘是积极屈肩引起上肢多关节肌相同作用的结果相同作用是指 多关节肌收缩时使两个相邻环节作同一方向运动的肌肉工作形式另一方面 一定程度的屈肘有利于增大肘关节屈肌力矩确保积极升臂过程中前臂上摆动 力升臂后阶段肩关节上摆 70此时远端摆动环节相对重心垂直向上线速 度最大如图 9肩关节角速度逐渐减小接近于零如图 8且肘关节还有一 北京体育大学硕士学位论文 20 定的伸展其目的是为了提高腾空前重心的相对高度 z velocity vs. time relative to marker 25 -8000.000 -6000.000 -4000.000 -2000.000 0.000 2000.000 4000.000 6000.000 8000.000 4.3 time in second mm per seconds 升 臂 阶 段 图 9 左腕相对重心的垂直速度变化 升臂结束后两次明显的伸臂动作十个人有同样的结果(如图 10)实际上是 运动员对身体平衡调整的结果跳板是一种大弹性的器械增加了运动中的许多 不稳定性因素为了维持身体平衡即使是最优秀的运动员也必须不断做出调整 身体的动作 跨跳步的控制调整技术是走板起跳的关键技术其中跨跳腾空后的 两次伸臂是对整个身体的刚化过程以增大人体额状轴的转动惯量而减小制 动引起的上体前倾 图 10 跨跳腾空中肩关节角度变化 跨跳步摆动腿的运动特点 angle vs. time 130.000 140.000 150.000 160.000 170.000 180.000 1.541.741.942.142.34 time in second angle in degrees 升 臂 后 调 整 沉 臂 前 调 整 北京体育大学硕士学位论文 21 参见图 11表 9跨跳腿着板后进入控腿阶段摆动腿髋关节增大而膝关 节减小髋关节增到 177而膝角减为 89向前摆腿时摆动腿髋关节大 幅前屈角度 177106角速度为 351/s而膝角几乎不变角度 98 93角速度为 34/s即采用控膝摆髋向上提腿时摆动腿髋关节进一步 变小角度 10687角速度 118/s且膝角大幅屈曲角度 8342 角速度为 208/s并腿阶段摆动腿大幅快速伸展髋角 87168膝 角 42171且膝关节达到下肢摆动角速度之最 451/s 表 9 跨跳步摆动腿运动参数n=10 参 数 控腿结束 前 摆 腿 上 提 腿 并 腿 髋 角 1773 177-10617 106-8512 87-16910 时 相 00.059 0-0.2120.044 0.212-0.390.058 0.390.7120.090 角 速 度 351102 11850 26856 膝 角 8912 89-8312 83-427 42-17110 时 相 00.060 0-0.2060.046 0.21-0.4080.069 0.41-0.7100.088 角 速 度 3438 2086