女子跳馬的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

女子跳馬的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

在2004年之前的世界體育比賽中，中國(guó)女性的跳躍次數(shù)在世界體育比賽中一直被忽視。最好的成績(jī)是，莫慧蘭在1996年亞特蘭大組運(yùn)動(dòng)中獲得了女性的第二跳躍。2005年以后,我國(guó)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員程菲在近幾年的世界體操錦標(biāo)賽上多次奪得女子跳馬世界冠軍,使我國(guó)女子跳馬進(jìn)入了世界體操大賽的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目行列。要保持我國(guó)女子跳馬的優(yōu)勢(shì)地位,一是,要大力培養(yǎng)像程菲這樣的跳馬尖子運(yùn)動(dòng)員;二是,要大力發(fā)展和創(chuàng)新高難前沿動(dòng)作,像程菲那樣創(chuàng)新“程菲跳”,還可以創(chuàng)新其他類型動(dòng)作。從2008年北京奧運(yùn)會(huì)女子跳馬單項(xiàng)決賽的統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看,女子跳馬的發(fā)展趨勢(shì)仍然集中在3種類型動(dòng)作上,即踺子類包括踺子后手翻類和踺子180°類、前手翻類、冢原類。雖然踺子類動(dòng)作已經(jīng)成為女子跳馬的發(fā)展主流,但其他兩種類型動(dòng)作仍有較大的發(fā)展空間和潛力。在2009年濟(jì)南全國(guó)體操錦標(biāo)賽女子跳馬單項(xiàng)決賽中有多名運(yùn)動(dòng)員使用冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°.該類型動(dòng)作是日本運(yùn)動(dòng)員冢原首先在男子跳馬比賽中創(chuàng)新的并奪得過(guò)跳馬世界冠軍,后被移植到女子跳馬中,先叫跳轉(zhuǎn)180°直體后空翻轉(zhuǎn)體720°,跳馬比賽器械改成長(zhǎng)方形后(長(zhǎng)1.20m,寬0.90m),又叫側(cè)手翻直體后空翻轉(zhuǎn)體720°。目前,在世界體操大賽中(包括奧運(yùn)會(huì)、世界錦標(biāo)賽、世界杯賽)運(yùn)動(dòng)員使用該類型最高的難度動(dòng)作就是冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°,分值為6.0分,他的分值要高于踺子后手翻直體后空翻轉(zhuǎn)體720°(5.8分)0.2分。在該動(dòng)作的基礎(chǔ)上還可以發(fā)展冢原直體后空翻900°,分值可達(dá)到6.70分。目前,我國(guó)運(yùn)動(dòng)員能較好地掌握冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°的運(yùn)動(dòng)員還不是很多,為了改進(jìn)和開(kāi)發(fā)這類型動(dòng)作,本文主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析揭示我國(guó)3名優(yōu)秀跳馬運(yùn)動(dòng)員所完成的冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律和技術(shù)特點(diǎn),為我國(guó)運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)和創(chuàng)新該類型動(dòng)作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。1研究對(duì)象和方法1.1女子跳馬成績(jī)均為我國(guó)女子跳馬高水平運(yùn)動(dòng)員,她們是楊婭紅、鄧少婕、張馨。楊婭紅為北京籍運(yùn)動(dòng)員,曾為國(guó)家體操集訓(xùn)隊(duì)運(yùn)動(dòng)員,多次參加全國(guó)體操比賽女子跳馬單項(xiàng)決賽并多次奪得冠軍。鄧少婕為山西籍體操運(yùn)動(dòng)員,多次參加全國(guó)體操比賽女子跳馬單項(xiàng)決賽,取得過(guò)較好成績(jī),在2009年濟(jì)南全國(guó)體操比賽女子跳馬單項(xiàng)決賽中獲得第2名。張馨為上海籍體操運(yùn)動(dòng)員,參加過(guò)全國(guó)體操比賽女子跳馬單項(xiàng)決賽。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1文獻(xiàn)研究閱讀了有關(guān)文獻(xiàn)資料10余篇,對(duì)近10年來(lái)女子跳馬的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀有了一個(gè)基本的了解和認(rèn)識(shí)。1.2.2女子跳馬單項(xiàng)比賽的電視轉(zhuǎn)播觀看了2004年雅典奧運(yùn)會(huì)和2008年北京奧運(yùn)會(huì)以及2005年第38屆、2006年第39屆、2007年第40屆世界體操錦標(biāo)賽女子跳馬單項(xiàng)決賽的電視轉(zhuǎn)播。還在現(xiàn)場(chǎng)觀看了2004—2008年5次全國(guó)體操比賽女子跳馬單項(xiàng)決賽,并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)作了技術(shù)統(tǒng)計(jì)。1.2.3生物力學(xué)解析在全國(guó)體操比賽現(xiàn)場(chǎng)用一臺(tái)日本產(chǎn)JVC9800型攝像機(jī)從正側(cè)面定點(diǎn)拍攝了楊婭紅、鄧少婕、張馨3名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員完成的女子跳馬冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°動(dòng)作的全過(guò)程。拍攝速度為50幅/s,然后,對(duì)拍攝的原始材料通過(guò)美國(guó)ARIL運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)高速解析系統(tǒng)解析了196幅畫面獲得18000多個(gè)數(shù)據(jù),用數(shù)字濾波法進(jìn)行平滑截?cái)囝l率為6。根據(jù)研究需要,采集了身體重心和各關(guān)節(jié)的位移、水平速度、垂直速度及各關(guān)節(jié)角度等數(shù)據(jù),還采集了身體重心軌跡及特征畫面與棍圖等。2各階段技術(shù)互相聯(lián)系冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°由助跑、上板、踏跳、第一騰空、推手、第二騰空和落地等7個(gè)階段組成。各階段技術(shù)互相聯(lián)系互相制約形成一個(gè)統(tǒng)一體,缺一不可。在這7個(gè)階段技術(shù)中,最關(guān)鍵的是踏跳、推手和第二騰空。本文重點(diǎn)分析以上幾個(gè)階段的技術(shù)。3名運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作圖片較多,本文只重點(diǎn)選擇了部分動(dòng)作圖片。2.1踏跳動(dòng)作的局部動(dòng)作特點(diǎn)踏跳階段是從兩腳踏上板瞬間至兩腳蹬離板的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。楊婭紅、鄧少婕、張馨3名運(yùn)動(dòng)員在踏跳的過(guò)程中有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。第一,兩腳觸板瞬間兩腳都踏在身體重心投影線前面,形成一定的制動(dòng)角度,為順利完成踏跳技術(shù)創(chuàng)造條件。3名運(yùn)動(dòng)的上板角為60°～70°;下肢各關(guān)節(jié)均保持一定的彎屈度,左、右膝角平均為151°和145°,左、右髖角平均為121°和115°,左、右踝角平均為127°和118°;兩臂擺至肩水平上下,左、右肩角平均為81°和100°(表1、圖1、圖3、圖5、圖7)。在踏上板的過(guò)程中局部動(dòng)作存在個(gè)體差異,例如,鄧少婕擺臂位置較低,肩角較小,左、右肩角分別為53°和77°,但不影響整個(gè)踏跳動(dòng)作的完成。第二,兩腳踏上板以后經(jīng)過(guò)一定的緩沖立即快速有力地蹬直兩腿,直至腳尖離板。3人的踏跳時(shí)間平均為0.10s。緩沖動(dòng)作主要是通過(guò)膝、踝關(guān)節(jié)彎屈和踏跳板的下沉,根據(jù)生理學(xué)原理腿部肌肉彎屈拉長(zhǎng)有利于發(fā)揮蹬腿時(shí)的肌肉爆發(fā)力,踏跳板下沉越大獲得的彈性勢(shì)能越大。第三,由于蹬腿的作用力,身體重心水平速度明顯減小,垂直速度明顯增加。3人平均水平速度由上板時(shí)的5.13m/s減小到離板時(shí)的4.27m/s;垂直速度由上板時(shí)的0.82m/s增加到離板時(shí)間3.6m/s(表1),這是運(yùn)動(dòng)員獲得向上垂直速度的主要?jiǎng)恿?lái)源。第四,在兩腿蹬腿的同時(shí),兩臂繼續(xù)揮擺并做好積極撐馬的準(zhǔn)備。兩腳離板時(shí)上體略為前傾,身體略有轉(zhuǎn)動(dòng),兩臂一高一低,左臂前平舉右臂略高于左臂(圖2、圖4、圖6、圖8)。兩腳蹬離板時(shí)身體重心已越過(guò)腳支點(diǎn)投影線,3人的蹬離角都差不多為85°～86°之間(表1),這樣就獲得了一個(gè)身體向前、向側(cè)的旋轉(zhuǎn)力矩,有利于身體向前向側(cè)翻轉(zhuǎn)到馬上手倒立的位置。離板時(shí)身體略為轉(zhuǎn)動(dòng)是該類型動(dòng)作踏跳技術(shù)的一個(gè)明顯特點(diǎn),這是因?yàn)閾务R時(shí)身體向側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng),左手先撐馬。在支撐情況下開(kāi)始轉(zhuǎn)體能獲得初始的繞縱軸的轉(zhuǎn)體力矩,以便加快第一騰空和撐馬時(shí)的轉(zhuǎn)體力度。例如楊婭紅離板時(shí)轉(zhuǎn)體度數(shù)就比鄧和張要明顯大,這可能與楊踏板時(shí)左、右腳前后分開(kāi)有一定的關(guān)系,這樣雖然對(duì)下面的轉(zhuǎn)體有利,但對(duì)楊充分發(fā)揮兩腿的蹬腿力量受到一定的影響。2.2重心織構(gòu)與正對(duì)等特點(diǎn)—第一騰空技術(shù)第一騰空是從兩腳蹬離板至左手撐上馬的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。它是踏跳階段與推手階段的銜接階段,其主要任務(wù)是快速轉(zhuǎn)體快速翻轉(zhuǎn)積極撐馬,為推手做好充分的準(zhǔn)備。兩腳蹬離板后第一騰空身體重心拋物線軌跡是逐漸弧形上升的,并延續(xù)到推手階段(圖4、圖6、圖8)。3人的重心拋物線騰起角均在45°以下,楊婭紅為42°,鄧少婕為37°,張馨為38°。說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員蹬離板后除了獲得向上的垂直速度外,仍保持較快的運(yùn)動(dòng)速度向前運(yùn)動(dòng)。兩腳離板后繼續(xù)沿縱軸向右轉(zhuǎn)體并加速向后擺腿以便加快身體向前向側(cè)的翻轉(zhuǎn)速度,同時(shí)左手要積極撐馬。第一騰空不明顯,騰空時(shí)間極短,楊婭紅為0.08s,鄧少婕為0.14s,張馨為0.12s。這是現(xiàn)代跳馬第一騰空技術(shù)最明顯的一個(gè)特點(diǎn)。因?yàn)楝F(xiàn)在跳馬難度動(dòng)作的發(fā)展和創(chuàng)新主要集中在第二騰空,只有壓低第一騰空加快撐馬推手才能提高第二騰空的高度,更有利于發(fā)展高難度動(dòng)作。在擺腿過(guò)程中3名運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)分腿要扣姿態(tài)分,有待改進(jìn),今后年輕運(yùn)動(dòng)員發(fā)展該動(dòng)作時(shí)要特別注意這一點(diǎn)。2.3左、右護(hù)岸結(jié)構(gòu)推手階段是從左手撐馬至右手推離馬的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。它是完成該動(dòng)作最關(guān)鍵的技術(shù)之一,三名運(yùn)動(dòng)員都較好地完成了推手階段技術(shù),有以下幾個(gè)特點(diǎn):第一,兩手依次撐馬依次推離馬。3名運(yùn)動(dòng)員都是左手先撐馬,撐馬時(shí)左臂彎屈,楊婭紅肘角為127°,鄧少婕為118°,張馨為139°。這是該類型動(dòng)作最明顯的特點(diǎn)之一。因?yàn)?第一騰空時(shí)間較短,左手撐馬較快,左手撐上馬時(shí)身體重心位置還不是很高,所以,撐馬角都比較小。楊婭紅為18°,鄧少婕為21°,張馨為13°(表2、圖9、圖11、圖13、圖15)。這時(shí)身體都沒(méi)轉(zhuǎn)到90°,楊婭紅轉(zhuǎn)體度數(shù)多一些,其次是鄧少婕,張馨轉(zhuǎn)體少一些。3個(gè)人左手撐馬的位置基本上在跳馬器械的最后端,該區(qū)域位置稍為低一點(diǎn)。左手撐馬后左肘角繼續(xù)減小,身體繼續(xù)轉(zhuǎn)體的同時(shí)右手積極伸臂向前撐馬,左、右手撐馬的間隔時(shí)間較短,楊婭紅為0.08s,鄧少婕為0.12s,張馨為0.08s,右手撐馬的位置有所不同,楊婭紅和張馨撐在跳馬器械的中后部,鄧少婕撐在跳馬器械的中前部,離跳馬前端約為0.50m(跳馬器械長(zhǎng)1.20m,寬0.90m),鄧少婕左、右手間隔距離比楊婭紅和張馨要大一些。右手撐馬后先兩手同時(shí)推馬,身體基本轉(zhuǎn)完90°,然后左手先離馬,右手最后推離馬。第二,快速有力頂肩推手,盡量推直兩臂頂開(kāi)肩角。因?yàn)樵搫?dòng)作是依次推手,比前手翻類動(dòng)作推手時(shí)間要長(zhǎng)一些,完成該動(dòng)作的推手過(guò)程要盡量縮短快速用力,楊婭紅的推手時(shí)間為0.26s,鄧少婕為0.29s,張馨為0.28s。推手動(dòng)作主要靠?jī)杀弁浦焙晚旈_(kāi)肩角。左手推離馬完全是屈臂到直臂的推離過(guò)程。在兩臂推直的同時(shí)肩角要盡量頂開(kāi),推離馬時(shí)肩角明顯大于撐馬時(shí)肩角。3人撐馬時(shí)左肩角平均89°,離馬時(shí)左、右肩角平均為156°和138°(表2)。經(jīng)過(guò)推手重心水平速度繼續(xù)下降,3人撐馬時(shí)重心水平速度平均為3.24m/s,離馬時(shí)重心水平速度下降到2.15m/s。相反,重心垂直速度不但沒(méi)有增加反而有所下降,左手撐馬時(shí)重心垂直速度平均為2.23m/s,右手離馬時(shí)重心垂直速度平均為2.05m/s(表2),說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題:第一,說(shuō)明該動(dòng)作推手時(shí)的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于踏跳時(shí)兩腿蹬板的作用力及踏跳板的彈力;第二,說(shuō)明3名運(yùn)動(dòng)員推手頂肩動(dòng)作做得還不十分理想,特別是右肩角頂開(kāi)的幅度還不夠充分。為了增加推手階段的垂直速度必須加大推手頂肩的力度,充分地推直兩臂頂開(kāi)肩角。第三,在推手頂肩的同時(shí),繼續(xù)轉(zhuǎn)體兩腿并攏繞矢狀軸向側(cè)向上運(yùn)動(dòng),在側(cè)倒立部位結(jié)束推手動(dòng)作。3人推離角均小于90°,楊婭紅為80°,鄧少婕為82°,張馨為85°(表2、圖10、圖12、圖14、圖16)。推離角過(guò)小、過(guò)大都會(huì)影響推手效果,推離角過(guò)小會(huì)較小人體向前的運(yùn)動(dòng)速度;推離角過(guò)大,特別是超過(guò)90°以上會(huì)降低騰空高度。從左手撐馬到右手離馬,從身體的水平位置翻轉(zhuǎn)到側(cè)倒立位置,身體重心明顯上升,楊婭紅上升了0.76m,鄧少婕上升了0.68m,張馨上升了0.70m,說(shuō)明身體重心軌跡在推手階段是逐漸向上運(yùn)動(dòng)的。從以上推手技術(shù)的分析中可以明顯看出,3名運(yùn)動(dòng)員采用了側(cè)手翻類動(dòng)作的推手技術(shù),這是女子跳馬冢原類動(dòng)作推手技術(shù)最明顯的變化之一。過(guò)去女子跳馬比賽采用橫跳馬,運(yùn)動(dòng)員做冢原類動(dòng)作多半采用跳轉(zhuǎn)180°接后空翻類動(dòng)作,自從跳馬比賽器械改為長(zhǎng)方形以后,運(yùn)動(dòng)員采用側(cè)手翻類推手技術(shù)更有利于完成冢原類動(dòng)作。2.4第二第二空動(dòng)動(dòng)作第二騰空是從右手推離馬至兩腳落地瞬間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,它是完成動(dòng)作難度和評(píng)定動(dòng)作質(zhì)量的重要因素之一。第二騰空的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)是由助跑、踏跳和推手等前面幾個(gè)階段決定的。右手推離馬后身體重心拋物線軌跡在推手的基礎(chǔ)上繼續(xù)弧形上升,到了最高點(diǎn)重心垂直速度接近零,然后,在重力的作用下重心拋物線又逐漸下降直至落地為止。第二騰空拋物線的騰起角在45°左右,楊婭紅為44°,鄧少婕為44°,張馨為48°,這是由推離馬時(shí)的水平速度和垂直速度決定的。拋物線最高點(diǎn)至地面的高度楊婭紅為2.59m,鄧少婕為2.36m,張馨為2.36m。第二騰空上升的絕對(duì)高度楊婭紅為0.40m,鄧少婕為0.29m,張馨為0.36m。第二騰空運(yùn)行時(shí)間,楊婭紅為0.86s,鄧少婕為0.84s,張馨為0.82s(表2、圖17、圖18、圖19、圖20)。必要的第二騰空高度騰空時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度是完成好第二騰空動(dòng)作的重要條件。該動(dòng)作第二騰空是在身體直體向后翻轉(zhuǎn)1周半的情況下繞縱軸轉(zhuǎn)體630°,因?yàn)橛?0°是在馬上完成的。身體翻轉(zhuǎn)角速度與身高、伸髖角度和推離馬角度等因素有關(guān)系。3名運(yùn)動(dòng)員翻轉(zhuǎn)角速度平均為11rad/s(表3)。右手推離馬后立即開(kāi)始向左轉(zhuǎn)體,轉(zhuǎn)體動(dòng)力除了離馬前獲得的初始旋轉(zhuǎn)力矩外,主要靠頭肩帶動(dòng)兩臂向胸腹前屈抱,以改變縱軸轉(zhuǎn)體半徑加快縱軸的轉(zhuǎn)體速度。在轉(zhuǎn)體過(guò)程中兩腿夾緊身體伸直對(duì)于加快縱軸轉(zhuǎn)體有重要作用,這方面楊婭紅比鄧少婕和張馨做得好。身體繞橫軸翻轉(zhuǎn)了約1周,繞縱軸轉(zhuǎn)體約540°時(shí)運(yùn)動(dòng)員兩臂開(kāi)始離開(kāi)身體,開(kāi)始屈髖準(zhǔn)備落地。3名運(yùn)動(dòng)員縱軸轉(zhuǎn)完630°大約在馬水平面上下,楊婭紅和鄧少婕在馬水平以上,張馨在馬水平面以下(馬高1.25m)。3人平均轉(zhuǎn)體角速度為13.91rad/s,楊婭紅為14.09rad/s,鄧少婕為13.91rad/s,張馨為13.74rad/s,轉(zhuǎn)完630°以后兩臂繼續(xù)離開(kāi)身體,增大繞縱軸的旋轉(zhuǎn)半徑減小旋轉(zhuǎn)速度,以便運(yùn)動(dòng)員平穩(wěn)落地。落地前,兩腿盡量伸直去接觸墊子,以便延長(zhǎng)落地緩沖時(shí)間。落地后,經(jīng)過(guò)下肢各關(guān)節(jié)彎屈緩沖然后迅速站立結(jié)束落地動(dòng)作。從3人視頻動(dòng)作來(lái)看,楊婭紅落地較穩(wěn),鄧少婕和張馨落地不穩(wěn),分析原因可能與落地角過(guò)小,身體翻轉(zhuǎn)速度不夠,水平速度過(guò)小或過(guò)大等因素有關(guān)。3左轉(zhuǎn)體及后轉(zhuǎn)體楊婭紅、鄧少婕、張馨完成的冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°是成功的,符合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)規(guī)律。1.兩腿積極上板趕在重心投影線前踏上板,經(jīng)短暫緩沖快速有力蹬直兩腿直至腳尖離板,3人踏跳時(shí)間平均為0.10s,身體重心越過(guò)腳支點(diǎn)投影線后蹬離板,上體略為前傾,蹬離角平均為85°,離板時(shí)上體略有轉(zhuǎn)動(dòng),左臂前平舉,右臂高于左臂。2.第一騰空重心拋物線逐漸上升,左手積極撐馬