运动生物力学研究方法在冬奥会自由式滑雪空中技巧项目中的应用

运动生物力学研究方法在冬奥会自由式滑雪空中技巧项目中的应用

在中国，自由滑飞技术已经发展了10多年。从第18~20届冬季奥运会,我国运动员在这个项目中实现了奖牌“零”的突破到金牌“零”的突破。这些成绩的取得与多年来科研攻关服务组的工作有着非常重要的关系。运动生物力学作为科研攻关中的重要部分一直被广泛运用于这个项目。一项体育运动,技术动作的合理与否以及在不同环境下运用的得当与否是非常重要的。运动员完成动作所必备的身体机能及场地器材的科学化、合理化也是至关重要的。这些方面都需要通过运动生物力学的相关研究来提供理论依据及实践保证。通过对前2届冬奥会科研攻关组工作成果的学习研究以及在本届冬奥会科研攻关组中工作学习实践的研究对近年来运动生物力学的运用做一总结,系统整理这一学科在该运动实践的各个方面应用中所取得的成绩及尚存的不足,以此加深对这个学科运用于该运动实践的认识,为将来更好地运用该学科打下基础,最终为该项目在今后取得更好的成绩做出贡献。1本文在自由滑翔机械运动中的应用研究方法和应用1.1人体运动数学模型方法在自由式生物能力项目中的落地稳定性研究自由式滑雪空中技巧是一项技术要求很高的项目,任何技术上的瑕疵都会导致动作的失败。因此对各个技术环节规范动作的研究就显得非常重要。形成一套合理、科学的技术动作离不开理论研究方法的运用。理论研究方法主要是探索人体在各个项目中运动的规律,从理论上给出各个动作最合理的技术模式。研究对象是抽象了的人体模型,运用经典数学及力学方法进行推导运算,揭示各技术动作内在的运动规律,揭示各种运动的内在规律。人体运动数学模型方法是理论研究中常用的主要方法。在自由式滑雪空中技巧项目中,多年前就有科研工作者在人体运动数学模型方法的研究上取得了一定的成果。“落地”是该项目中评分的重要组成部分,占整个动作评分的30%。落地稳定性以及成功与否直接关系到整个动作的成败。通过都灵冬奥会中各国男选手落地稳定性差异以及我国优秀运动员韩晓鹏以成功的落地及高度的稳定性所获得的金牌,我们不难看出运动员落地成功及稳定性的重要。在第18届冬奥会科研攻关组中沈阳体育学院的佟永典教授对自由式滑雪空中技巧的落地稳定性进行了大量研究,他运用了七体模型,其中把人体划分为头颈、躯干、大腿、小腿、足雪鞋雪板、上臂、前臂等7个环节,通过起跳以及落地的研究给出了助滑起跳和落地稳定性的力学模型。在第19届冬奥会科研攻关组中佟永典教授和闫红光教授又一起运用四体模型,根据该项目在落地过程中的时空特点,把运动员分为4个环节。其中分别是雪板、雪靴、足、小腿定义为环节1,大腿定义为环节2,躯干、头定义为环节3,上臂、前臂、手定义为环节4。通过对优秀运动员欧晓涛向后翻腾1周直体360°转体接向后翻腾1周直体720°转体(bFdF)雪上落地成功动作的研究分析,找出了影响落地稳定性的主要力学因素。后来还有相关研究人员运用五体模型进行研究,该模型是在四体模型的基础上把头颈独立划分出来成为一个模型。1.2雪专业技巧实验研究方法在自由式滑雪空中技巧项目中的运用是非常广泛的。由于自由式滑雪空中技巧是雪上项目,所以它有着非常特殊的条件要求。实验研究方法比理论研究方法的运用更广泛,它主要运用计算机技术、医学、生物学、材料学、空气动力学等学科中先进的实验方法对运动的人体、运动器械以及场地条件进行研究。1.2.1即时反馈的应用在日常训练尤其是有高难度动作训练的时候,即时反馈是非常重要的。运动员以及教练员可以通过训练后反馈的结果发现各个动作的不足之处,为后续训练达到更好的效果和及时改进动作中的不足提供依据。在早期的训练中主要采用影像学的方法。科研人员通过摄像机在场地对动作进行全过程的扫描拍摄,之后把动作回放,以此来进行即时反馈。这种方法现在很多地方队中仍有运用。随着训练条件的日益改善,即时反馈中引进了计算机技术。在上届冬奥会的备战过程中,就采用了德国Simi公司的TwinnerPro快速图像反馈系统来进行即时反馈。科研人员通过软件把所拍摄的运动员各个动作的影像资料进行采集和简单处理。在即时反馈中还有一个重要的方面是助滑速度的测量。助滑速度的快慢对动作的完成起到重要作用。助滑速度的快慢直接影响出台速度,而出台速度直接影响运动员出台后的高度和远度,对落地也有很大影响。科研人员进行测速时主要运用手持雷达测速仪以及红外反射测速仪。阶段性的技术反馈也起到非常重要的作用。它可以给出各运动员各个动作的阶段性技术特点,不同阶段技术动作的发展趋势,为改进技术动作提供定量的分析结果。在阶段性技术反馈中仍然运用到影像系统及计算机技术。训练中定点拍摄取得运动员完成动作的某个阶段的影像资料,通过运动解析系统对该阶段动作进行定量的运动学分析。在3届冬奥会的备战过程中,科研攻关小组工作人员在这方面都进行了长期的研究,并相应取得了很多成果。例如在备战第19、20届冬奥会中沈阳体育学院的闫红光教授运用了爱捷运动图像分析系统,对我国数名优秀运动员的技术动作进行诊断,给出各运动员在不同阶段的技术动作发展趋势,提供了不同运动员各自动作的发展方向。1.2.2落地稳定性测试运动员完成任何动作都离不开肌肉力量的训练,因而肌肉力量的大小就显得非常重要。在自由式滑雪空中技巧运动的研究中也少不了肌肉力量的研究。在备战第19届冬奥会的科研攻关中,科研人员通过CYBEX等动肌力测试系统对运动员进行肌力测试。落地的稳定性在自由式滑雪空中技巧中是非常重要的。沈阳体育学院的佟永典教授用沈阳体育学院与中国科学院合肥智能机械研究所联合研制的SAFMS-T测力平台对运动员进行测试。通过对健将级运动员进行的不同落差的跳深全力测试实验,分析研究了自由式滑雪运动员落地时下肢受竖向冲击力大小与落地缓冲方式有关方面的因素及落地稳定性的好坏与压力中心曲线形状之间的关系。第20届冬奥会备战期间的陆上训练中,科研人员运用测力垫对运动员的落地稳定性的情况进行测试。通过测试可以得出人体压力中心在落地过程中的移动情况以及下肢肌肉的缓冲情况。1.2.3基于人工雪的摩擦系数自由式滑雪空中技巧项目中,运动员从助滑开始到动作的完成除与自己身体的控制有关外,还与雪场的雪质情况以及风速风向等有很大的关系。雪质的情况直接影响雪板与雪面之间的摩擦,对运动员滑行的速度起到一定的影响。科研人员与东北大学低温实验室合作测试不同温度、雪质、压力、湿度下的人工雪与自然雪的摩擦系数。通过各种雪况的摩擦系数的研究,指导运动员在训练以及比赛中不同的情况选择不同的出发位置以及雪板底部打蜡的不同情况。由于自由式滑雪空中技巧运动员在完成动作时出台后受风的影响相当大,所以对空气气流的研究就很重要。由于条件限制,这方面的研究还很少。备战第20届冬奥会的过程中,科研人员发现了部分运动员在出台时顺风的成功率远低于逆风的成功率,为其训练质量的提高提供了宝贵的参考意见。1.3对运动生物力学的研究运动生物力学的研究方法与其他学科也有重要的联系。备战中运动心理学的研究人员就运用了运动生物力学的研究方法。上海体育学院的周成林教授运用测速仪对运动员的助滑速度知觉控制能力进行了研究。运用录像解析系统采集到的运动员的成功动作图像对运动员心理进行辅导。2本文的运动生物力学研究方法用于自由滑翔机械的生存价值研究随着项目的发展,更多高难动作的出现,运动员竞技水平日益提高。运动生物力学还需要在更多方面进行研究,研究方法也需要不断改进。2.1选取不同的人体模型随着项目的发展,需要通过更多的模型类型的设计来规范更高难度的动作,提高各优秀运动员高质量完成动作的稳定性以及成功率。首先,我们需要在深刻研究落地稳定性的基础上进一步研究运动员出台时以及空中动作的完成情况。出台在整套动作中占重要作用,“出台”好坏直接影响到整套动作能否顺利完成。空中动作是裁判打分的主要部分,占动作完成得分的70%。运动员空中姿态的最佳化能获得非常理想的分数,而且为成功的落地提供保障,这就要求加强这些方面的研究。根据研究内容的不同选取不同的人体模型。比如,直体类动作的模型与屈体类动作的模型应当有所区别,与团身类动作的模型也应有所区别;其次,需要就重点运动员建立各自的模型。在以往训练中运动员冲击没做过的高难度动作前不能提前模拟出完成该动作所需要的力学条件,这样就加大了完成动作的风险。为使教练员及运动员做到心里有数,需要运用先进的测试手段建立个人相应的人体模型。可以应用医学上的CT技术来测出各运动员的惯性参数,准确测出各自的转动惯量,建立相应的人体模型,应用计算机技术来模拟运动员完成各类动作,得出完成动作所必需的力学条件。2.2未来研究方法的应用2.2.1扩大辅助拍摄的范围,改进随队拍摄技术训练现场的反馈对训练来说是非常重要的,目前自由式滑雪空中技巧的训练还很难解决这一问题。解决这一问题的首要条件就是需要有新的计算软件问世。在实验室条件下,有的软件可以在测试者完成动作时即时处理得出数据,但是现有的即时反馈系统却很难实现。此外拍摄技术还需要改进。在我们现有的随队拍摄中只有原地扫描动作全过程和定点拍摄2种。要在训练中准确地给出全过程的技术特点,需要有能平行于运动员运动轨迹运动的摄像机进行拍摄。这就要求根据运动员的出台速度以及环境因素的影响计算出运动员运动的轨迹,这些也涉及到相关软件的研发。在阶段性反馈的应用中影像资料的拍摄都采用的是平面定点。另外自由式滑雪空中技巧空中的动作大都是绕2个轴的转动及平动组成。要做更加准确和全面的研究,我们可以尝试采用三维拍摄。按照前面阐述的摄像机随运动轨迹的拍摄可以解决定量分析整套动作全过程的难题。拍摄技术的改进以及计算机技术的发展将提高技术反馈的质量,使训练达到更加科学化、规范化、个性化。2.2.2在传统肌电和传统鞋垫上的应用在运动员的机能评价中,我们主要研究运动员肌肉力量,主要采用等动测试的方法。将来我们可以应用肌电,而且在雪上训练时也可以尝试应用。这样可以了解运动员在完成动作过程中肌肉工作的情况,为将来更好地研究肌肉做功以及进行体能训练提供理论依据。在落地稳定性的研究中,雪上训练时我们可以在测力平台应用的基础上应用测力鞋垫。这样我们可以了解运动员在雪上训练时落地的受力情况。2.2.3在生物和理化参数的应用材料学和空气动力学作为运动生物力学应用的2门重要学科起到非常重要的作用。就材料学而言,场地的情况需要加深研究,这里主要指雪况。雪况直接影响其与雪板摩擦的结果。另外可以应用到运动员装备的研究中,根据不同的情况给雪板进行打蜡就需要应用这些理论;其次目前空气动力学在自由式滑雪中的研究非常少。其原因有场地气候变化无常,风的变化也很难确定等,这就更需要研究空气动力学在该项目中的应用。将来条件允许时可以尝试应用风洞实验来模拟不同天气状况下、不同气流影响下运动员完成动作的情况,以此得出相关数据,更好地研究动作以及提高动作完成的成功率。2.2.4落地和空间的研究运动生物力学研究方法在自由式滑雪空中技巧项目的运动损伤机理的研究和受伤后康复训练的研究很少。在2周台,运动员从空中最高点到落地垂直距离可以达到10m左右,而3周台可达到20m左右。项目在完成的时候危险性可想而知。多数运动员都因为长期的训练导致膝关节、腰椎受伤。在未来的研究中我们要加强落地以及空中动作的研究,探究受伤的机理,通过技术以及器材的改进来减小损伤发生的几率。受伤后的康复训练中,可以通过力学的研究设计快速有效的康复训练。在此基础上还可以研究出一套高效可行的体能训练方法。2.3科学有效的训练纵观运动生物力学的发展不难发现,国外很多学者研究各运动项目青少年运动员的训练情况。青少年运动员是各个项目发展的希望,如何更加科学地、合理地进行训练以成为