运动生物力学研究方法

一个发展完善的学科必须具备两个条件既要有自身的学科理论体系又要有自身独特的研究方法。于运动生物力学的学科体系在前面科课程中已经学习过了。运动生物力学是研究人体运动力学规律的科学。这门科学的研究对象是人体研究的内容是人体的运动。一门科学的发展依赖于研究方法,而研究方法的发展便促进了该学科的发展。研究方法作为一种方法论应该是从学科总体出发观察、分析、认识被研究客体要遵循的一定程序具有高度的概括性。研究方法是总体的指导思想测试手段是在研究方法指导下的具体操作是完成研究方法所规定的检测任务的工具测试手段要受研究方法制约。研究方法与测试手段依据新的研究方法采用新的测试手段往往是进行新理论探索的有效途径。运动生物力学发展的历史表明方法上的进展与测试手段的进步极大的推动了运动生物力学学科的发展。1882年迈布里奇MYBRIDGE第一个用按顺序排列的24台照相机拍摄了马奔跑状态的连续照片开始了运动学的定量测量阶段。而多台高速摄影像机同步系统、三维测力系统以及摄影、测力同步系统的问世使得对人体运动的外部运动行为能在三维空间上建立其比较清晰的图像。研究方法与测试手段之二X光片、肌电图机的应用则打开了研究人体内部结构以及运动行为的大门将研究的触角伸向人体运动自控体系的领域。物理学、生物学方法的测试手段的不断提高促进了运动生物力学学科的发展。于是长期以来存在这样一种观点把编制某个计算机程序、设计某种摄影或测力的手段或者采用肌电测量技术措施看作研究方法但是其实这些都不过是一些技术手段而手段和方法是完全不同的概念。影片分析系统研究方法与测试手段之二。信息的本质是相互作用中一个事物在另一个事物中的反映。性质反映事物特征的信息。性质在事物的相互作用中才能表现出来研究方法和测试手段方法具有主动性运动中的人体有多少性质取决于所采用的研究方法和测试方法我们需要什么样的“性质”运动生物力学研究的对象是人体是具有内部组织而且有序的生物系统人体运动生物力学参数具有自己的特殊性。主要有以下特征一、人体参数的非线性特征在经典力学中函数与自变量“原因”和“结果”之间往往存在着严格的比例关系例如处于弹性限度内的弹簧其形变与所受外力成正比可表达为FKX运动生物力学参数特征之一外力F与形变X之间的比例关系由比例系数K确定。F和X之间的关系即为线性关系弹性系统称为线性系统。线性系统的最基本的特征之一是叠加原理成立。但是生物系统一般具有非线性特征运动中的人体也是这样。因为构成人体的生物材料骨骼肌肉肌腱韧带等都具有线性特征。例如骨骼肌收缩力与收缩速度之间的关系就是非线性关系。非线性的系统中自变量与因变量通常找不到严格的定量关系为研究带来一定的困难。非线性特征肌肉收缩力与收缩速度是非线性关系在运动生物力学的研究中绝对的、无创伤检测有时不能得到第一手的、直接的参数影响了对运动人体的研究。所以在采用无创伤检测手段的同时也进行一些活体检查发展一种称之为“可忍受的”“可接受的”活体检查法。例如用套筒钩针从运动员肌肉中勾取微量肌原纤维丝利用电子显微镜分析其红白肌纤维比例等肌肉构造。再如利用针电极研究运动员深层肌肉的肌电图等。但是此类“可忍受的”活体检查仍然将遇到生物壁垒也就是生物拒测性。生物拒测性这种生物拒测性出了心理障碍外主要表现在接触面上。在检测过程中侵入人体的检测部件异物将会强烈地干扰生命活动过程使被检测运动员精神和肉体的扰动变得过大不能维持原始状态。也就是说采用上述“可忍受的”活体检测手段由于针电极等检测部件刺入人体使得肌肉的原始状态发生改变与没有刺入时不同因而测得的参数也将发生变化。例如用测力台与肌电图机同步检测深层肌肉的生物力学特征时就发生这种情况针电极的刺入强烈地干扰了肌肉的生理生化过程得到的并不是原来状态的数据。生物拒测性之二此时得到的同步测量的力时间曲线将不是原来状态下的力时间曲线只有去除探测肌电信号的针电极才能恢复原来状态下的力时间曲线然而去除了针电极就无法得到深层肌肉的同步的肌电图。这种生物拒测性类似于量子力学中的测不准原理。即不能同时测得粒子的位臵坐标和动量及能量和时间因为在量子力学中准确确定粒子位臵坐标的条件与准确确定粒子的动量的条件是相互矛盾的在能够确定位臵坐标的条件下不能确定粒子的动量反之亦然而且这种测不准并不是技术的原因而是从理论上就是测不准的。生物拒测性也给获取某些同步信息带来困难。生物现象有一种概率的性质体育运动中的人体生物力学参数也是如此。因为任何体育运动的效果都受到多种因素的影响从人体内部来说这些因素包括骨杠杆关节肌肉神经体液控制等等总之影响因素多关系复杂。正因为如此体育动作不可能绝对准确地重复即使是最优秀的运动员也不可能丝毫不差地重复自己的动作。人体动作参数不可重复性这种不可重复性是人们经常见到的例如一个跳高运动员每次比赛中助跑的弧线、缓冲膝关节角、踏跳的力时间曲线、人体重心的轨迹以及空中动作等都不可能丝毫不差地重复跳高的成绩也是每次都在变动即使成绩相同动作的各个细节也绝不会准确地重复。其他各种动作也都是如此。由于这种不可重复性世界纪录保持者不可能多次重复自己的记录即便两次记录相同动作结构参数也必然有变化。人体动作参数的不可重复性之二在运动生物力学研究中采用摄影或摄象的方法记录比赛的动作因为虽然动作不可重复但是记录下来的影像可以重复放映可以通过影像分析来研究动作。这也是影像测量方法被广泛应用经久不衰的原因之一。体育动作不可重复性的本质在于人体的运动生物力学参数的随机分散性。如果对一名优秀运动员的某一技术动作进行多次测试或者对多名水平相当的运动员的统一技术动作进行一次性测量并把测得的全部数据记录在坐标纸上得到的变量关系将不是一条光滑的曲线而是具有一定宽度的带。也就是说对于某一自变量可能有几个因变量与之对应。随机分散性特征例如跳高运动员的踏跳时间与跳起高度的关系最大相对力体重倍数与踏跳时间的关系。因此考虑到参数的随机分散性在运动生物力学研究中给出的数据是一个范围。例如关节角从XX度XX度。人体功能代偿能力的储备性是人体功能极限指标无法准确测量的生理依据。例如1/5的肝脏可以维持正常肝功能一个肾脏可以正常代偿生存五叶肺切除三叶而无碍生命胃大肠全部切除人体还能生存更惊人的是大脑两个半球摘除一个半球生活竟然仍能自理。可见人体功能代偿能力的储备性是很大的。因此对于身体健康的运动员即使处在剧烈的竞技对抗中其身体各器官的功能也仅仅保持在一定水平上即仅仅动用了功能总储备的一部分。人体功能代偿性及其参数的相对性之一所以运动瞬间所测量到的运动能力的指标只是被调用部分的综合表现。而极限指标是指在全部功能的潜在能力被调用的状态下的运动能力的综合表现。然而全部功能的潜在能力完全被调用的情况是不可能出现的。因此人体参数的相对性表现为人体生物极限指标的不可计测和人体功能的极值无法获得而只能获得极限指标的相对值。材料力学中可以进行破坏性实验来测定极限指标这种方法对于人体是不可能采用的。人体功能代偿性及其参数的相对性之三体育训练的结果一方面可以增加有机体代偿能力的总储备量另一方面增强在体育运动中调用功能储备的能力使其动作技术指标不断接近自身运动能力的各项极限指标。在体育实践中广泛测定运动员的最大力、最大速度、最长持续时间、最大耗氧量等参数这些参数是广义的相对的极限值是可以测量的然而它们并不是人体运动能力的极限指标。训练有素的运动员参数随机分线性小达到稳定值快因此运动生物力学研究中常常选取这样的运动员为研究对象。运动生物力学研究人体运动动作研究由动作组成的动作系统。运动动作构成了动作系统而动作系统又是为了实现一定的目的这个为了一定的目的而组成的动作系统是一种行为即运动行为。运动行为主要是从动作系统的目的性来考虑的。要想实现一定的目的必须组成合理的动作系统动作系统合理与否就是看组成它的动作是否有利于运动行为的目的的实现。因此我们说运动行为的目的性和动作系统的合理性是一致的。运动生物力学研究人体动作是从动作结构的角度出发的。动作结构的概念每个完整的动作都有其固有的特点它的各个动作成分之间都有着固定的内在联系这就是一个动作区别于另一个动作的特点动作的这种固有特点和固定内在联系叫做动作结构。所以运动生物力学从动作结构角度来研究动作就是要研究“固有的特点和固定的内在联系”运动学特征参数根据动作结构的概念,运动学特征包括空间特征,时间特征和时空特征。反映空间特征的参数主要指位臵坐标运动轨迹关节角度等。运动生物力学研究中位臵坐标可能包括人体质心坐标人体关节点坐标一般是最能反映运动特征的那些关节点例如投掷时投之手的腕关节点起跳动作中起跳腿的踝关节点以及器械上某点的坐标运动轨迹主要是指人体质心的运动轨迹也可以是某些关键部位的关节点的运动轨迹关节角度一般可以是肩、肘、腕、髋、膝、踝关节角度。反映时间特征的参数反映时间特征的参数主要有运动开始的时刻结束的时刻运动持续的时间动作的频率和节律。例如短跑中的步频对运动成绩有重要影响百米优秀运动员如果百米全程时间为10秒全程跑了44步那么其步频就是44步/秒步频就是频率属于时间特征。节律是一个动作中各个动作阶段所占时间比例例如某研究者测得参加全国九运会的某运动员百米途中跑一个单步中支撑与腾空的时间比例为1142而而在26届亚特兰大奥运会上破百米世界纪录的贝利在途中跑50米处的一个单步中支撑与腾空时间比例为1119两者节律不同可以看出中国运动员腾空时间过长这当然对提高运动成绩是不利的。反映时空特征的参数主要有速度加速度角速度角加速度等。由于人体在运动中速度不是恒定值所以用速度时间曲线来表示速度随时间变化的情况例如百米途中跑某瞬间速度为1129M/S这就是一个时空特征的参数百米途中跑某运动员大腿前摆角速度为800弧度/秒小腿前摆角速度为1199弧度/秒这也是时空特征参数角速度也可以用度/秒来表示。空间特征的参数时间特征的参数和时空特征的参数等都是人体运动的运动学参数。运动生物力学中研究人体运动动作是从动作结构出发需要测定运动学参数。测定运动学参数的方法最简单的是摄影的方法照相广泛采用的是影像测量的方法即用摄影机或摄像机拍摄运动动作然后通过分析影片或录像片来获取运动学参数的方法。1摄影照相这种方法是按照一定要求拍摄运动动作照片然后从分析照片中得到运动学参数。1运动生物力学摄影的要求照相机要有较好的光学镜头主要是镜头的光学畸变要小。根据运动动作和要分析的内容从正面或侧面拍摄运动动作因为是用照相机所以只能拍摄瞬时动作的照片和分析该瞬时动作可以拍摄静态的动作也可以拍摄动态的动作拍摄运动中的动作需要设臵合适的快门速度否则照片不清晰影响准确分析。照相的方法要从最能反映动作特点的方向拍摄照片比如如果要测量跑动中髋膝关节角度就从侧面拍摄要测量人体横向倾斜角度可以从正面拍摄。拍摄快速运动中的照片必须设臵较短的快门时间例如对快速运动动作拍摄快门应大于1/250秒否则成像模糊而无法准确定关节点的位臵。照相的方法用于测定人体重心位臵或关节角度测定人体重心的方法为分析法。快门时间较短快门时间较长分析法测定人体质心重心简介原理合力矩原理即人体各部分所受重力矩之和等于重力合力的力矩。说明人体总质心位臵由人体姿势决定而人体环节质心是固定不变的由各环节质心的位臵依据合力矩原理计算出人体总质心的位臵。分析法测定人体质心重心示意图分析法测定人体质心的步骤1拍摄人体运动照片正面或侧面2在照片上建立平面直角坐标系3在照片上点人体各关节点4确定人体各环节质心位臵并标记在照片上确定方法根据关节点量出环节长度环节长度乘以环节质心半径系数得到的数值即为由近侧端关节点到环节质心的长度据此标记出环节质心位臵5量出各环节质心坐标填在表格中6计算各环节产生的重力矩填入表格7计算出人体总质心坐标标记在照片上人体环节质量及环节质心环节相对质量人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量各环节绝对质量与人体质量之比叫作各环节的相对质量。建立模型时作了这样的假定不同个体环节的相对质量都是相同的这样环节相对质量就可以作为常数来使用。环节质心环节质量的中心叫做环节质心。环节质心在环节上都有固定的位臵一般在环节纵轴上。环节质心半径系数由环节近侧端关节点到环节质心的距离比上环节的总长度的比值叫做环节质心半径系数。这个参数看作是常数即不同个体环节质心半径系数是相同的。环节相对质量和环节质心半径系数用于测定人体总质心。计算公式及表格样式各环节质心坐标环节XY相对质量PPXPY头躯干左上臂右左前臂右左手右左大腿右左小腿右左足右PIXIPIYI计算公式XPIXI/PYPIYI/P手动调节在中焦范围较好焦距带变焦距镜头的照相机通过调节焦距可以改变成像的大小,一般运动生物力学照相中应调节焦距使成像大小合适,居中。取景框成像部位室外照静态像晴天可选择快门为1/125秒室外照动态像晴天可选快门不低于1/250秒如果运动速度非常快可以选快门时间更短。快门晴天室外照相光圈可选811如果光线不好应适当减小光圈数加大通光孔径光圈和快门共同决定了曝光量而通过透镜光学系统要在胶片或者CCD数码相机的感光元件形成高质量的像必须有合适的曝光量。传统相机合适的曝光量由感光胶片决定数码相机合适的曝光量则由CCD决定。一般来说光圈直径越大也就是光圈数越小进光量越多快门速度越慢进光量也越多时间长累计进光量多。光圈和快门对成像的影响2所以光圈和快门适当配合才能得到合适的曝光量。但是在曝光量合适的情况下光圈直径越小光圈数越大成像的景深越大。所谓景深也就是成像清晰范围的纵深如果从前面而不是侧面拍摄一个队列景深大的照片上从排头的人像到排尾的人像都是清晰的也就是清晰范围大景深小的照片只有很小的局部清晰比如排头清晰此时其它部位都不清晰或者排尾清晰而其他部位不清晰。训928光圈与快门对成像的影响3因此当光圈数调得较大时光圈直径小比如光圈16时拍出的照片远近的细节都清晰纵深清晰范围大。光圈数较小时拍出的照片只有局部清晰纵深清晰范围小。但是如果拍摄环境中光线较弱时将光圈数调得较大直径小曝光量会不足也不能得到清晰的像。所以拍摄纵深清晰范围大的照片需要拍摄环境光线较强。在照相机上有景深的指示。照片上,远近的景物都清晰,景深较大景深之二景深范围大,远处也清晰景深范围小,远处模糊景深之三要想得到清晰的照片还需要聚焦调节以使照片清晰。聚焦与调节焦距不同调节镜头焦距是改变焦距而改变视角也就是拉近推远的调节而聚焦是在焦距已经确定以后通过调节镜头组是物体准确的在底片上成像相当于眼睛的晶状体改变凸度以准确成象在视网膜上。体育摄影中经常需要拍摄具有动感的照片比如拍摄急速奔跑的运动员要取得快速运动的动感可以用调节快门来达到目的。也可以用其他方法。调节快门到1/60或1/30秒拍摄快速运动的物体时相机不动由于快门时间相对较长在曝光期间物体发生了很大的位移产生了物体或运动中的人后部“带风”的动感。或者在同样的快门条件下拍摄运动物体时照相机镜头跟踪运动物体这样拍摄物体是清晰的因为镜头与运动中的人或物相对静止而镜头相对背景运动导致背景模糊也产生动感。镜头固定,快门慢速的效果跟踪拍摄,快门慢速的效果2影像测量方法是运动生物力学中重要的测量方法主要包括拍摄影像和分析影像两个环节。按照运动生物力学摄影的要求拍摄反应动作特点的影片或录像片然后通过分析测量影片或录像片上的动作获得人体运动生物力学参数这种方法叫做影像测量。摄影机摄像机的位臵确定X55X以上运动范围拍摄范围与镜头放置距离的关系55距离越远镜头中心到拍摄范围中部和边缘差距越小成像的缩放比例差别也越小拍摄范围如果OA55BC,则OA11AB角AOB009066,OA/OB0996,此时OA和OB的长度相差很小如果OB为1OA比OB短0004在A点的物体与在B点的物体成像的缩放比例相差无几OABC009066摄影机镜头到拍摄对象的距离与拍摄范围的比例O点越靠近运动平面ABOB与OA长度差别越大例如在O1点和O2点如果在O2点拍摄,拍摄的照片中成像在照片中部的物体要比成像在边缘的物体要大ABOO1O2其结果是物体在照片的不同部位不是均匀缩放,产生误差垂直方向上照相机的镜头对准拍摄对象的中部即可,例如,拍摄短跑,速度滑冰,镜头主光轴对准运动员的腰部如果是在垂直方向上有大幅度运动,主光轴要对准运动范围也是指垂直方向的中部摄影现场的布置之二拍摄范围两端设臵标杆教1,2925如果拍摄现场允许,要在拍摄范围两端设臵标杆,标杆一般为红白相间或黑白相间的木杆。设臵标杆的目的是以后分析影片或录像片时有一个固定的标志作为每幅画面上的坐标系原点,因为拍摄的一组画面上每幅画面坐标系的原点必须是同一点,因此拍摄范围两端也可以是拍摄范围内的其他部位有标杆便于确定坐标系原点,如果拍摄线上不允许设立标杆,也可以选取拍摄现场拍摄范围内的固定的明显的标志物作为分析时的坐标系原点。影像测量中测量的是影片或录像片上的空间尺度但是影片上的物体的像是缩小了的要确定物体的实际尺寸需要设臵比例尺。在拍摄运动动作之前或拍摄运动动作之后将已知长度的直尺放臵在运动范围内在于拍摄动作相同的条件下对其拍摄分析影片时根据这个拍摄在画面上的比例尺确定影像的缩放比例系数这样就可以根据在影片或录像片上的测量得到的尺度换算成实际的尺度。如同地图上的比例尺一样。1M1M摄影机摄像机的位臵高度确定以后还需要调节以适应运动生物力学摄影摄像的需要。主要需要调节的有光圈、快门、焦距、聚焦、拍摄速度等。教3,4928拍摄速度如何确定拍摄速度要根据所拍摄动作的时间特点。拍摄下来的画面是要用来分析测量的选取拍摄速度的快慢影响到对动作分析的精确度。因为拍摄速度越快动作细节表现的越细致所以摄影机摄像机的调节续如果是作粗略的分析或者是动作本身速度不是很快拍摄速度可以慢一些比如可以选取50幅/秒普通摄像机速率为50场/秒或25帧因为普通摄像机是隔行扫描如果需要对动作做精细分析或者是动作本身速度很快则拍摄速率要快。拍摄速率选取的标准是每一个分解动作需要有20幅画面来表现。例如百米跑途中跑在一个单步中支撑阶段也就是一个分解动作时间约为009秒左右要达到一个分解动作拍摄20幅画拍摄速率的选择就需要在009秒的时间内拍摄20幅照片据此可以计算出20幅/009秒222幅/秒拍摄速率选每秒200幅以上为宜。又例如百米跑途中跑一个单步中腾空的时间约为011秒左右按照一个分解动作要有20幅画面来表现的要求需要在011秒时间内拍摄20幅画面由此可以确定拍摄速率为20幅/011秒182幅/秒。所以要对每一个分解动作做细致分析拍摄速率要这样来确定。对于上述例子支撑阶段需要200幅/秒以上的拍摄速率而腾空阶段又需要182幅/秒的速率按照最快的速率来选200幅/秒比较适宜。20这是从分析测量所需要达到的精度来考虑的。一个分解动作有20幅画面来表现则时间上的精确度即为1/205这是一个运动生物力学分析中通常可以接受的精度。这是原则上的要求实际上必须根据所具备的条件如果达不到需要的拍摄速率可以做粗略的分析粗略的分析也能够得到有实际意义的结果。摄影机没有照相机那样的快门摄影机控制曝光时间的是拍摄速率拍摄速率也就相当于快门的作用。例如拍摄速率为100幅/秒时每幅照片曝光的时间要小于1/100秒。为什么拍摄速率为100幅/秒时每幅照片曝光时间小于1/100秒这是由摄影机的结构决定的。每幅画面平均时间为1/100秒但是在这1/100秒内并不全都是曝光时间其中只有一部分时间曝光另一部分时间处于遮光状态。因为摄影机中有一个叫做“叶子板”的装臵。快门调节续摄影机“叶子板转盘”的构造拍摄时叶子板旋转旋转速率与拍摄速率一致拍摄速率100幅/秒时叶子板也旋转100转/秒但是只有在开口部分转到镜头前时才能进光其他部分是遮光的。开口部分所以1/100秒中只有部分时间曝光其余的时间遮光。快门调节续2摄像机的快门普通摄像机有电子快门是由电子电路控制曝光时间运动生物力学摄像拍摄的是运动物体如果不设定合适的电子快门会出现图像模糊现象一般设臵在1/250秒或者更短的快门时间以适应拍摄快速运动的物体。不同品牌的摄像机电子快门的设定方法不同但是较好的摄像机都有这种装臵或者是有专门的运动拍摄档。训10123点的位臵测定在拍摄的画面上建立平面直角坐标系后点的坐标即可确定。点的位移的测定在拍摄的一组画面上建立统一的平面直角坐标系运动的点在各幅画面上的位臵坐标不同根据坐标不同可以计算出点的位移。示意图,由第一到第三幅画面位移为X1,Y1X3,Y3XX3X1,YY3Y1合位移S2X3X12Y3Y12示意图,第二幅画面对应的速度为X1,Y1X3,Y3VXX3X1/T3T1,VYY3Y1/T3T1合速度V2VX2VY2点的速度测定续点的速度测定原理根据VR/T即平均速度位移/时间只要确定了位移和发生位移的时间即可求出平均速度。在高速摄影或高速录像中由于相邻两幅画面时间间隔很短平均速度也就趋近于瞬时速度。一般欲确定某幅画面对应的瞬时速度用该画面前面一幅画面和后面一幅画面上点的位移除以前、后两幅画面之间的时间间隔得到的速度作为该幅画面对应时刻的点的瞬时速度。点的运动速度测定原理续示意图,第二幅画面对应的速度计算某幅画面上点的速度用该幅画面前、后画面上点的位臵坐标和时间间隔。XN1,YN1XN1,YN1合速度V2VX2VY2。通式为VNXXN1XN1/TN1TN1VNYYN1YN1/TN1TN1NN1N1示意图,第二幅画面对应的加速度为V1V3AXVX3VX1/T3T1,AYVY3VY1/T3T1合加速度A2AX2AY2V2平均加速度AVTV0/TTT0当时间间隔很短时平均加速度接近瞬时加速度。也就是ALIMVTV0/TTT0高速摄影或高速摄像时间间隔都很短所求出的加速度可以认为是瞬时加速度。由于这种方法获得的加速度参数误差较大只作参考。连接相邻关节点根据三点位臵确定关节角度教341012根据角度的变化和发生变化的时间确定角速度。A1A2A32A3A1/T3T1,NAN1AN1/TN1TN1根据角速度的变化和发生变化的时间确定角加速度。123231/T3T1,NN1N1/TN1TN1示意图,将各幅画面上点的位臵用光滑曲线连接起来得到点的运动轨迹X1,Y1X3,Y3X2,Y2X4,Y4点的轨迹绘制点的运动轨迹训1019YXO影片或录像片中各幅画面对应的时间是根据拍摄速率确定的确定了各幅画面的对应时间后就可以确定各个动作阶段的持续时间例如各幅画面对应的时间分别为T1,T2,T3,T4,TN,如果拍摄速率为F则相邻两幅画面相隔的时间即为1/F第一幅画面到第四幅画面之间的时间间隔为3X1/F第N幅画面和第一幅画面之间相隔N11/F据此各动作阶段的持续时间就确定了持续时间属于运动学特征中的时间特征相应的动作的节律也可以确定。按照运动生物力学要求的方法拍摄影片或录像片之后要对影像资料进行测量分析。一般影像分析的步骤为影片分析在电影放映机上将影片逐幅投影到数字化板上在数字化板上逐幅确定平面直角座标系即确定坐标系原点确定坐标轴方向。逐幅确定各关节点坐标确定比例尺即找到有比例尺的画面确定比例尺两个端点给出比例尺的实际长度。3,41019影像分析示意图2XY课堂讨论提纲1运动生物力学照相的要求2照相机调节的项目3摄像现场的布臵4摄像机调节项目5影像测量可以获取哪些运动学参数如何获得训1026教3,41026教1,210286以下参数反映了什么特征例1九运会男子百米途中跑技术分析虞玉华,郭俊人等同济大学P66研究目的通过分析九运会男子百米途中跑的技术特征,对存在问题进行探讨为百米途中跑的训练、教学和科研工作提供参考。研究对象参加九运会百米跑决赛的前三名运动员简称九运会组平均成绩10”3070074对照组90年代以来我国达到或接近国际健将级水平的11名运动员成绩10”34006简称中国组采用影像测量方法的运动学分析举例续1研究方法使用JVC9800高速摄像机拍摄速率100帧/秒在50米处侧面拍摄途中跑定点拍摄。使用TJH03影像解析系统分析录像资料。分析的动作阶段划分及有关运动生物力学参数定义附后。数据主要包括不同时相的速度、位移和时间等见附表。分析分为下列几个部分步长、步频与速度分析从单步来看九运会组在步长和速度比中国组大0092米和快0210米/秒而步频则慢0100步/秒。步频步长与速度分析续1九运会组与中国组比较两者步长比为10401、步频比为09791、速度比为10191。由于速度步频X步长虽然九运会组的步频比中国组小21但其步长却大4故其速度大19速度大是由于步长较大。九运会组与贝利比较两者的步长、步频、速度比分别为09301、10081、09381九运会组步长小7差异非常显著步频快08差异不大因此九运会组速度慢62的主要原因是步长差异所致。在单步的支撑、腾空两个时相中九运会组比中国组分别多0007秒和0005秒。支撑与腾空时间比九运会组为413587中国组为403597。九运会组与中国组支撑与腾空时间比分别为1142和1148而贝利为11194前两者的腾空时间显然太长。在单步的支撑和腾空两个阶段中九运会组的重心位移分别比中国组大0064和0028米但前者消耗的时间较长。两阶段的位移比例前者为1144后者为1151。将九运会组的步长、步频、速度等数据与国外组优秀运动员比较前者技术特征是步长小、步频快、速度低其比值分别为11037、10983、11019。要赶超世界先进水平需改进技术增加步长以取得途中跑的高速度。讨论百米跑中步频与步长与速度的关系重点提高步频还是步长如下图所示12为落地瞬间至垂直支撑23为垂直支撑至蹬地瞬间35为腾空阶段4为最高腾空56为落地瞬间至垂直支撑。踝角脚尖至踝关节中心、踝关节中心至膝关节中心连线间的前夹角。膝角踝关节中心至膝关节中心、膝关节中心至髋关节中心连线间的后夹角。蹬地角身体总重心和支撑腿脚尖的连线与地平面的前夹角。躯干角躯干与地平面的前夹角。训112肩角肘关节中心至肩关节中心的连线与通过同侧肩关节中心的前后水平线之间的前夹角。大腿摆动角通过髋关节中心的前后水平线与同侧髋关节和膝关节中心连线的后夹角。时相单步单步重心位移单步支撑时S腾空时S支撑阶段M腾空阶段M步长M速度M/S步频步/秒九运会组009000100128000309740013139800032372001011291005347600003中国组008300080123000909100088137001192280005911081015448600122差值0007000500640028009202100100T检验国外组246007711510344680069贝利009801172551204472从支撑阶段的踝角、膝角、蹬地角和躯干角等四个参数的三个时相支撑腿着地瞬间、最大缓冲、支撑腿离地瞬间来分析该阶段技术。着地瞬间最大缓冲蹬离瞬间踝角膝角躯干角踝角支撑膝角躯干角蹬地角踝角膝角躯干角九运会组116832115273389854319688720814143370831722759661841292346152733758463163中国组11233001579441811341844284143449383340057221513355441566611850271支撑阶段技术分析1从上面的表看九运会组踝角从着地到最大缓冲变化幅度为281度从最大缓冲到蹬离瞬间的蹬伸幅度为405度膝角的变化都在113度躯干角变化幅度分别为226和146度中国组踝角变化幅度分别为249度和461度膝角变化分别为145度和132度躯干角分别为12度和27度。以上数据表明在踝角的缓冲和蹬伸幅度相近的情况下九运会组有更大的步长和速度说明踝关节着地技术较好。九运会组蹬地角为5966度比贝利的55度明显偏大其后果是后蹬的向前水平分力小向上分力大而使腾空时间长。这是需要改进之处。支撑阶段技术分析2九运会组的膝角变化比较平稳表明在缓冲和蹬伸时身体重心起伏不大较为平稳水平速度损失不大能量消耗较小。九运会组和中国组躯干角变化均较平稳但与贝利的同时相的87度、90度、94度相比明显偏小表明我国运动员躯干参与后蹬的技术仍旧停留在以往的水平需要进一步改进。下肢角速度参数大腿摆动小腿摆动踝角变化后伸前摆下摆后折叠前摆后支撑尹汉钊483800820143111991353王鹏470830775138913021047刘大鹏556899733151013741134九运会组503046843051776044144306112920881178158单位弧度/秒腿摆动技术分析1在一个单步中中国组的髋角变化幅度约为100度摆动腿膝角的变化表明了小腿摆动的技术特征。中国组摆动腿膝角活动幅度为120度左右膝角折叠最小为33度九运会组分别为10798度12386度287度三项指标均优于中国组显示九运会组在下肢摆动技术上有一定优势如折叠时膝角较小摆动腿折叠非常充分因而前摆时摆动半径小前摆省力。这直接影响摆动腿的高度和节奏。角度和角速度参数肩角度上臂摆动最大角度上臂摆动角速度弧度/秒前肩角后肩角前摆动后摆动前摆动后摆动尹汉钊5667173205333632011631380王鹏4500163155500631512001380刘大鹏631517350450065009821418九运会组550693516995589511153I6637810511151171393022摆臂技术分析1摆臂是短跑技术的一个重要环节正确的摆臂技术不仅能使躯干保持平稳迁移而且也产生摆臂反作用力是短跑动力之一。从上表数据看前摆不足后摆过大且个体差异大如刘大鹏上臂前摆角明显偏小。结论从上述测试结果的分析中可以得出什么结论九运会组跑速提高主要原因是步长的提高但与国际先进水平的差距仍然在于步长进一步提高运动水平需要在步长方面有所突破从动作结构的节律看为了取得较大的步长应当减小腾空时间以加大身体重心位移的支撑与腾空时间比摆腿技术差异较大摆臂技术差异较大前摆不足后摆过大例2从膝角看不同水平男子跳远运动员摆腿技术上海体育科研所米卫国研究对象参加2001年全国田径大奖赛男子跳远运动员20名上海体育学院专项2级以上男子运动员5名研究方法影像测量用高速摄像机拍摄结果与分析摆动腿膝关节角度在起跳过程中的变化跳远起跳过程中摆动腿膝关节角度对摆动效果有重要影响摆动腿离地前膝关节屈曲到合适的程度一方面使身体重心适度降低保证起跳时有一定的垂直做功距离另一方面由助跑进入起跳前摆动腿的支撑是助跑与起跳互相衔接的关键。例二续跳远技术要求运动员保持较高的助跑速度积极加速上板同时应避免身体重心上下起伏过大使助跑和起跳紧密衔接正确的技术特征应当是平稳积极加速上板起跳。下图为三组运动员摆动腿曲线。结果与分析续三组运动员在身体重心移过支撑面正上方时摆动腿膝关节角度适度减小以保证身体重心处在合适的较低位臵这是运动员起跳产生垂直速度的前提离地后在第八幅图像达到峰值此后摆动腿膝关节叫逐渐减小大小腿快速折叠以缩短摆动腿摆动半径减小转动惯量有利于加快摆动速度迅速完成缓冲动作并较早地开始蹬伸起跳腿为提高起跳速度提供良好的条件。从上图可看到摆动腿膝关节角度在第