投擲運(yùn)動(dòng)中人體對(duì)器械做功分析及力量訓(xùn)練原理探討

解長(zhǎng)青

田徑中的投擲項(xiàng)目包括鉛球、鐵餅、標(biāo)槍和鏈球四項(xiàng)，都是以力量為基礎(chǔ)、技術(shù)動(dòng)作復(fù)雜的非周期性運(yùn)動(dòng)。投擲運(yùn)動(dòng)員的力量素質(zhì)好壞直接影響其他素質(zhì)的發(fā)展，它是運(yùn)動(dòng)員正確掌握運(yùn)動(dòng)技術(shù)必要條件，也是提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的關(guān)鍵因素。近幾年來世界投擲運(yùn)動(dòng)的成績(jī)不斷提高，同時(shí)對(duì)肌肉力量提出了較高要求。由于人種上的差異，亞洲人與歐美人相比先天力量不足，與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員之間的差距更為明顯。如何根據(jù)現(xiàn)代投擲運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行力量訓(xùn)練，是值得我們思考和研究的問題。

投擲過程是人體運(yùn)用自身能力，通過一定運(yùn)動(dòng)形式，將手持的規(guī)定器械從地面上某點(diǎn)以某一角度進(jìn)行投射并盡可能獲得遠(yuǎn)的距離。其實(shí)質(zhì)是在人體與器械具有預(yù)先速度的基礎(chǔ)上借助肌肉系統(tǒng)的快速收縮，通過投擲臂對(duì)器械施力做功實(shí)現(xiàn)人體能量向器械的傳遞及瞬間釋放，將器械以最佳的初始條件投出。現(xiàn)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)的理論，分析人體作用器械的力與功對(duì)投擲距離的影響，用圖形直觀地闡明三者之間的關(guān)系，并對(duì)其隱含的訓(xùn)練原理和方法進(jìn)行探討，為投擲運(yùn)動(dòng)的力量訓(xùn)練提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 影響投擲項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)成績(jī)的因素分析

1.1 斜上拋運(yùn)動(dòng)

通常是以拋射運(yùn)動(dòng)的規(guī)律作為田徑投擲運(yùn)動(dòng)的力學(xué)基礎(chǔ)。設(shè)人體以出手速度V和出手角度θ投擲器械，投射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系xoy（見圖1）。根據(jù)力學(xué)原理，器械飛進(jìn)的距離D等于器械出手速度V的平方乘以2倍器械出手角度θ的正弦，除以重力加速度g。用公式表示即：

圖1 斜上拋運(yùn)動(dòng)

1.2 理想的拋體運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足的假設(shè)條件

上述拋體運(yùn)動(dòng)公式（1）中實(shí)際包含了四個(gè)假設(shè)條件：

1）拋射體運(yùn)動(dòng)是在真空中進(jìn)行的，不受空氣阻力影響；

2）拋射的高度和遠(yuǎn)度與地球尺寸相比很小，各處的重力加速度g可視為常量且等于在地面的值，地球表面視為平面；

3）拋射器械的出手點(diǎn)和器械的落地點(diǎn)在一個(gè)水平面上，忽略人體拋射器械時(shí)的出手高度；

4）拋射器械的出手角度和出手速度無(wú)關(guān)。在一定范圍內(nèi)，人體拋射器械的出手角變小，作用器械的力變大，出手速度增大［7］。

1.3 影響投擲項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)成績(jī)的關(guān)鍵因素

從公式（1）可以看出：出手速度和出手角度決定著器械飛行的距離。當(dāng)出手角度不變時(shí)，投擲距離和出手速度的平方成正比。當(dāng)出手速度不變時(shí)，投擲距離和出手角度兩倍的正弦成正比。顯然，增加出手速度的效果遠(yuǎn)大于增加出手角度，而且可以盡可能地增大。力是加速度的原因，相同時(shí)間內(nèi)，作用于器械的力越大，力作用于器械的路程越長(zhǎng)，器械的出手速度才能越快，器械飛進(jìn)的距離才能更遠(yuǎn)。出手角度有一定的限制，理論上講是正弦等于1對(duì)應(yīng)的角度投擲距離最遠(yuǎn)［2－3］?？紤]某些假設(shè)條件的影響，不同的運(yùn)動(dòng)員應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，確定與其相對(duì)應(yīng)的最佳出手角度。

2 投擲過程中人體施力作用器械做功與運(yùn)動(dòng)成績(jī)關(guān)系分析

2.1 肌肉收縮速度與力量的特性

分析肌肉收縮速度與力量關(guān)系（見圖2），肌張力和肌肉收縮速度共同決定肌肉爆發(fā)力的大小，同時(shí)相互制約。如果外部負(fù)荷較大，需要用很大的力量去克服時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度則不可能快；如果外部負(fù)荷大于某人的絕對(duì)力量時(shí)，他的運(yùn)動(dòng)速度則為零。反之，如果外部負(fù)荷較小，克服它不需要很大力量，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度則可能較快；當(dāng)外部負(fù)荷為零時(shí)，就能以本人最快的速度來運(yùn)動(dòng)［4］。

圖2 速度力量曲線

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究證明：肌肉作加速拉長(zhǎng)時(shí)，肌肉收縮產(chǎn)生的肌拉力迅速增大；肌肉作加速縮短時(shí)，肌肉收縮產(chǎn)生的肌拉力迅速減小。當(dāng)人體投擲器械時(shí)，肌肉進(jìn)行快速縮短，因肌肉縮短速度的加快，必然會(huì)引起肌肉收縮產(chǎn)生肌拉力的相對(duì)減少，如果肌肉收縮所產(chǎn)生的肌力距能克服肌肉收縮的阻力矩，人體將完成合理的技術(shù)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)快速位移。所以，力量訓(xùn)練的目的是提高肌肉作快速收縮時(shí)產(chǎn)生的收縮力量，保證肌肉快速收縮時(shí)產(chǎn)生的收縮力量能克服負(fù)荷阻力的增大［1，4］。

2.2 恒力做功與投擲距離的關(guān)系

從物理學(xué)知道，一個(gè)不變的力F作用在做直線勻速運(yùn)動(dòng)的物體上，且力的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相同，物體移動(dòng)了距離S，力對(duì)物體所作的功為：

公式中的箭頭表示該物理量是既有大小又有方向的量，稱為矢量，力和位移都是矢量。功只有大小，沒有方向，因此是標(biāo)量。正功與負(fù)功表明力與位移同向還是反向，并不是功有方向。功可用圖示法來計(jì)算，見圖3所示。圖中的水平直線表示恒力，這條水平線段與坐標(biāo)軸所圍成的矩形陰影面積就是恒力所作功的代數(shù)值。設(shè)質(zhì)量為m的靜止物體，在恒力F的作用下，移動(dòng)一段距離S后，速度逐漸增大到V，根據(jù)牛頓第二定律及勻加速直線運(yùn)動(dòng)定律有：

圖3 恒力做功示意圖

把式（4）和（5）代入公式（3）得：

等式（6）表達(dá)了功和動(dòng)能之間的關(guān)系，以恒力作用于物體，對(duì)物體做的功等于物體的動(dòng)能。等式（7）表達(dá)了功和投射距離之間的關(guān)系，恒力對(duì)物體做的功與投射物體的飛進(jìn)距離成正比。以上論述中等式（3、6、7），都是在恒力的前提條件下才能成立［2－3］。

2.3 變力做功與投擲距離的關(guān)系

投擲過程中，器械受到的作用力大小和方向都是變化的，這是變力做功的問題。在最后用力階段，推動(dòng)器械從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)（見圖4），取位移s為積分變量，它的變化區(qū)間為［a，b］。很短一段位移ds內(nèi)，力的變化很小，近似于恒力，功元素的表達(dá)式：

圖4 推動(dòng)器械的行程

F是某一時(shí)刻作用于器械上的力。ds是很短一段位移，其方向正切于位移曲線。θ是瞬時(shí)力F與位移ds之間的夾角。于是所求的功等于功元素在位移區(qū)間為［a，b］上的定積分，即

圖5是典型的投擲運(yùn)動(dòng)F cosθ－s關(guān)系圖，人體對(duì)器械的作用力表現(xiàn)為一條隨路徑變化的曲線，開始階段由零逐漸增加，在中間位置附近達(dá)到最大后又逐漸減小至零。曲線下面的陰影面積等于變力所作功的代數(shù)值。與此前恒力做功推導(dǎo)出的結(jié)論相同，變力對(duì)物體做的功與物體飛進(jìn)的距離成正比。因此，得出十分重要的結(jié)論，提高投擲器械的飛行距離就是增加F cosθ－s關(guān)系曲線圖中陰影部分的面積［2－3，5］。

圖5 變力做功示意圖

3 投擲項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)成績(jī)提高的力量訓(xùn)練原理

通過上述分析，得出：變力做功示意圖5中的陰影面積對(duì)應(yīng)著人體對(duì)器械做的功，它與投擲器械的飛行距離成正比。陰影D的面積代表現(xiàn)有水平階段人體對(duì)器械做功的能力。陰影A、B、C的面積代表通過力量訓(xùn)練人體對(duì)器械做功的增量。因此，訓(xùn)練的實(shí)質(zhì)是要求運(yùn)動(dòng)員根據(jù)投擲項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)運(yùn)用有效的訓(xùn)練方法和手段，盡可能地增大陰影面積，創(chuàng)造優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)成績(jī)［2］。

3.1 加強(qiáng)最大力量訓(xùn)練是提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的基礎(chǔ)

最大力量是提高肌肉抗各種負(fù)荷的力量基礎(chǔ)，指機(jī)體肌肉克服極限負(fù)荷的能力。發(fā)展最大力量必須采用次極限或極限負(fù)荷強(qiáng)度進(jìn)行練習(xí)，提高效果才顯著。重量越大，傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的沖動(dòng)就越強(qiáng)越快，中樞神經(jīng)系統(tǒng)做應(yīng)答性反應(yīng)傳出沖動(dòng)也就越強(qiáng)越快，從而動(dòng)員起更多的運(yùn)動(dòng)單位，使更多的肌肉同時(shí)得到鍛煉，有效地發(fā)展肌肉協(xié)調(diào)能力，促使一塊肌肉內(nèi)部的所有運(yùn)動(dòng)單位盡可能同步活動(dòng)，到達(dá)最大力量［6］。

最大力量的訓(xùn)練主要采用重復(fù)練習(xí)法、金字塔練習(xí)法和靜力練習(xí)法。重復(fù)練習(xí)法要求負(fù)荷在85%以上，每組訓(xùn)練完成3—5次，組數(shù)為2—5組，間歇時(shí)間可稍長(zhǎng)一些。金字塔練習(xí)法是指一次課的練習(xí)負(fù)荷從較低負(fù)荷開始，直至增加到極限負(fù)荷，逐漸減少練習(xí)次數(shù)。靜力性力量練習(xí)，是肌肉收縮的長(zhǎng)度不變而張力增加，對(duì)不動(dòng)的阻力產(chǎn)生最大的力量，肌肉達(dá)到最大用力后，應(yīng)保持10秒左右。練習(xí)中應(yīng)多安排全身性動(dòng)作，提高整體力量。此環(huán)節(jié)練習(xí)需要人體各肌肉群克服的負(fù)荷阻力最大，完成動(dòng)作的速度最慢［4，6］。

3.2 加強(qiáng)峰值力量訓(xùn)練是提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的重點(diǎn)

峰值力量指能夠提高圖5所示曲線上部陰影面積C做功增量的力。從運(yùn)動(dòng)技術(shù)的角度分析，它出現(xiàn)在投擲過程的中間部分，對(duì)力和能量的輸出起著承上啟下作用，有助于促進(jìn)各環(huán)節(jié)肌肉力量在運(yùn)動(dòng)中整體效益的發(fā)揮。在此階段器械快速移動(dòng)，人體作用器械的峰值力應(yīng)小于肌肉收縮所能表現(xiàn)出來的最大力量。常采用階梯式練習(xí)法和對(duì)比轉(zhuǎn)換練習(xí)法發(fā)展運(yùn)動(dòng)員峰值力量。階梯式練習(xí)法是從40%左右的負(fù)荷強(qiáng)度開始，再逐漸加大負(fù)荷強(qiáng)度而減少練習(xí)次數(shù)，最后將負(fù)荷加到80%強(qiáng)度的負(fù)重量，每組練習(xí)重復(fù)5—10次。對(duì)比轉(zhuǎn)換練習(xí)法是先提高最大力量，然后提高爆發(fā)力，接著再提高最大重復(fù)次數(shù)，最后再提高快速力量，達(dá)到對(duì)肌體同一部位有節(jié)奏的強(qiáng)弱交替不同程度刺激，從而迅速增加肌肉的峰值 力量［4，6］。

峰值力量是建立在最大力量基礎(chǔ)上結(jié)合速度發(fā)展起來的，發(fā)展它必須通過發(fā)展最大力量和速度兩方面，優(yōu)化練習(xí)負(fù)荷與動(dòng)作速度之間的比例是關(guān)鍵。目前，訓(xùn)練實(shí)踐中常用于提高峰值力量的訓(xùn)練方法關(guān)注的是速度與力量曲線圖（圖2）的左側(cè)部分，用較低的動(dòng)作速度，最大力量和極限重量的練習(xí)。最佳訓(xùn)練方法應(yīng)在曲線中間部分，兼顧力量和速度兩因素，采用中等負(fù)荷量與較快動(dòng)作速度的練習(xí)方法。例如：采用最大負(fù)荷50%—80%強(qiáng)度的負(fù)重量，每項(xiàng)練習(xí)中完成的組數(shù)為2—5組，每組用相對(duì)較快的速度重復(fù)5—10次，組間間歇3—5分鐘的重復(fù)力量練習(xí)。

3.3 加強(qiáng)速度力量訓(xùn)練是提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的關(guān)鍵

3.3.1 發(fā)展爆發(fā)性速度力量練習(xí)

爆發(fā)性速度力量是指在最短時(shí)間內(nèi)，發(fā)揮肌肉最大力量的能力。它可以用最大力量和達(dá)到最大力量時(shí)間的商來評(píng)定［6］。提高人體投擲器械開始階段的爆發(fā)性速度力量，能改變圖5所示功率曲線的起始斜率，增大曲線左側(cè)陰影A的面積。如果通過爆發(fā)性速度力量訓(xùn)練，使曲線的起始斜率略有增加，對(duì)應(yīng)左側(cè)陰影面積就將有較大的增量，器械飛行距離就能顯著提高［2］。

爆發(fā)性速度力量訓(xùn)練主要刺激是加速度，通常采用變?cè)鲐?fù)荷練習(xí)法和超等長(zhǎng)練習(xí)法。變?cè)鲐?fù)荷練習(xí)法的原理在于速度的增長(zhǎng)是以力量增長(zhǎng)為標(biāo)志的，漸增的外部負(fù)荷就可以迫使身體做到加速運(yùn)動(dòng)的能力。從中等的負(fù)荷開始，逐漸加大負(fù)荷而減少練習(xí)次數(shù)，要求用盡可能快的動(dòng)作速度，做爆發(fā)性加速的揮擺、拉伸、鞭打等模仿投擲專項(xiàng)動(dòng)作等練習(xí)［4］。最好的變負(fù)荷練習(xí)是采用彈性系統(tǒng)練習(xí)法。例如，彈力條深蹲，首先調(diào)節(jié)到一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)荷，用粗壯的彈力條一端固定在杠鈴上，另一端固定在深蹲架底端，蹲到最低點(diǎn)時(shí)，彈力條變形幅度最小，加在杠鈴上的附加彈力也比較小。隨著逐漸站起，彈力條變形幅度也逐漸增大，彈力也增大。這樣取消彈力條后，身體就會(huì)很自然地在高位爆發(fā)出更大的力量，實(shí)現(xiàn)加速發(fā)力。超等長(zhǎng)練習(xí)是一種特定的練習(xí)，練習(xí)時(shí)肌肉先快速地離心性伸拉，緊接著是快速的向心性收縮。離心性伸拉能增大肌肉收縮前的初長(zhǎng)度，使肌肉中的彈性成分拉長(zhǎng)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，為其后的向心收縮儲(chǔ)存了能量。彈性成分的回縮力與向心收縮力疊加起來，在短時(shí)間內(nèi)使肌肉產(chǎn)生爆發(fā)性收縮，向心性收縮之前伸拉幅度越大，肌肉能夠產(chǎn)生的爆發(fā)力就越大［8］。具體的練習(xí)方法有：連續(xù)跳障礙、有平臺(tái)的俯臥撐、彈性甩球等。

3.3.2 發(fā)展最快速度力量練習(xí)

通過變力做功示意圖5能夠看到，增加曲線右側(cè)陰影B的面積，對(duì)增大肌肉輸出功率十分重要，它表示投擲器械出手階段施力做功的增量。這是投擲過程中人體肌肉作最快速度收縮用力做功階段，也是器械運(yùn)行速度最快的時(shí)期［2］。怎樣提高肌肉快速收縮時(shí)的作用力呢？這可能是最難的，因?yàn)樗笏俣冗_(dá)到最大值時(shí)提高力量，一般情況下，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的不斷增大必然導(dǎo)致肌張力增大，卻會(huì)伴隨肌肉收縮速度下降。這就要在速度與力量曲線圖2所示右側(cè)部分實(shí)施專門訓(xùn)練，既高速度低負(fù)荷的方法，突出練習(xí)中的速度因素。

發(fā)展最快速度力量的訓(xùn)練主要采用：輕負(fù)荷的重復(fù)練習(xí)法、減負(fù)荷練習(xí)法和先加后減負(fù)荷練習(xí)法。重復(fù)練習(xí)法是用本人最大負(fù)荷20%—50%強(qiáng)度的負(fù)重，每組重復(fù)10—20次。練習(xí)組數(shù)的確定，應(yīng)以不降低完成動(dòng)作的速度為限。如果動(dòng)作速度明顯下降，則應(yīng)停止練習(xí)。減負(fù)荷練習(xí)法是通過減輕外界阻力或給以助力等方式，先提高肌肉收縮的速度，然后在保持同樣速度的前提下，逐步增加器械重量。例如：運(yùn)動(dòng)員用較小重量的實(shí)心球、壘球、小鐵球練習(xí)，以提高出手速度，不斷練習(xí)速度穩(wěn)定后，逐漸增加重量，并保證出手速度不變。先加后減負(fù)荷練習(xí)法是通過先增加負(fù)荷重量，使之超過比賽阻力，不斷練習(xí)后，運(yùn)動(dòng)員基本適應(yīng)此強(qiáng)度后，再減少負(fù)荷至正常水平，以提高運(yùn)動(dòng)員在標(biāo)準(zhǔn)阻力下完成動(dòng)作的速度［4，6］。

應(yīng)當(dāng)指出，上述力量訓(xùn)練四個(gè)環(huán)節(jié)并非指在一次力量訓(xùn)練課時(shí)必須按這四個(gè)環(huán)節(jié)訓(xùn)練，而是四個(gè)環(huán)節(jié)很好地相互滲透在一個(gè)訓(xùn)練周、一個(gè)訓(xùn)練階段、一個(gè)訓(xùn)練周期、一個(gè)訓(xùn)練年度中。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)投擲運(yùn)動(dòng)中人體作用器械做功的分析，得出了人體施力作用器械做的功對(duì)應(yīng)變力做功示意圖（圖5）中的陰影面積，它與投射器械的飛行距離成正比關(guān)系。要想提高投擲項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)成績(jī)，就要針對(duì)性地采用專門的力量訓(xùn)練方法，增大圖5中表示功的陰影面積，不同的陰影增量區(qū)域?qū)?yīng)不同的力量訓(xùn)練環(huán)節(jié)（見表1）。2）負(fù)荷在力量訓(xùn)練中起到?jīng)Q定性作用，因此在訓(xùn)練中應(yīng)根據(jù)肌肉收縮速度力量曲線（見圖2）選擇適當(dāng)負(fù)荷，采用科學(xué)的訓(xùn)練方法，在一定范圍內(nèi)協(xié)調(diào)好力量與速度之間的關(guān)系。如采取固定負(fù)荷量逐漸改變速度或確定速度逐漸改變負(fù)荷的方法交替進(jìn)行訓(xùn)練提高運(yùn)動(dòng)員力量水平，從而高效地增加圖5中陰影功的面積。3）最有效地增大圖5中陰影面積的力量練習(xí)方法是提高人體投擲器械開始階段的爆發(fā)性加速力量和器械出手階段的最快速度力量。建議采用的練習(xí)有：各種高速度低阻抗練習(xí)、減負(fù)荷練習(xí)、變?cè)鲐?fù)荷練習(xí)、先加后減負(fù)荷練習(xí)、持輕器械爆發(fā)性擺動(dòng)練習(xí)、超專項(xiàng)速度助力練習(xí)、彈性系統(tǒng)練習(xí)、超等長(zhǎng)練習(xí)等。

表1 不同力量訓(xùn)練環(huán)節(jié)的目的、負(fù)荷、次數(shù)、速度及有效手段方法

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