游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

張俊峰，仲 宇，馬保雷

1 前言

近年來，國際游泳規(guī)則對游泳出發(fā)臺規(guī)格進行了調(diào)整，使得蹲踞式出發(fā)技術(shù)被世界廣大游泳運動員采用。但在我國國內(nèi)游泳比賽中，優(yōu)秀運動員采用蹲踞式出發(fā)技術(shù)的依然不多。由于出發(fā)技術(shù)在完成過程中動作速度快、動作變化大，因此，運動員難以細致體會不同技術(shù)動作的差異，使得運動員和教練員都缺乏對蹲踞式出發(fā)與原有技術(shù)效果之間差異的科學(xué)評價。以往開展的對游泳運動員出發(fā)技術(shù)的診斷多采用運動學(xué)方法進行研究，此類研究只是對運動員出發(fā)技術(shù)的現(xiàn)象進行描述，而并不能完全準(zhǔn)確揭示運動員出發(fā)技術(shù)存在的實質(zhì)性問題。

游泳出發(fā)的特點是，運動員聽到槍聲快速啟動，速度達到最大值，入水后受水阻力影響速度又快速遞減。所以，除了研究運動員快速啟動能力之外，更重要的是要對出發(fā)起跳三維力的大小、起跳角度、空中身體運行軌跡、入水角度以及入水后相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)進行研究。

目前，我國在其他體育項目中開展過運動生物力學(xué)與運動訓(xùn)練相結(jié)合的研究，取得了一定的成果。如：部分田徑項目備戰(zhàn)2008年北京奧運會科技攻關(guān)與科技服務(wù)中，采用美國PULNIX高速攝像系統(tǒng)、芬蘭的ME6000無線遙測表面肌電測試系統(tǒng)、瑞士KISTLER9287C測力臺以及把這三種儀器聯(lián)合起來的同步信號測試系統(tǒng)，使運動員在運動過程中肌肉放電與其動作圖像、力量大小一一對應(yīng)起來，從而獲得完成動作的技術(shù)圖像、參與完成動作的主要肌肉的EMG以及對應(yīng)動作的力量值。

如何借鑒相關(guān)研究成果與方法在游泳項目中開展應(yīng)用研究，是本研究的主要思路。經(jīng)過不斷努力，終于研制出游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，可以得到精確的力學(xué)和影像數(shù)據(jù)，真實地反映運動員出發(fā)技術(shù)的特點；可以對出發(fā)技術(shù)進行生物力學(xué)研究從而達到對運動員全面的技術(shù)診斷，為游泳出發(fā)技術(shù)提供了全新的、全面的綜合性研究手段。

2 游泳出發(fā)生物力學(xué)測試系統(tǒng)

2.1 動力學(xué)測試

動力學(xué)數(shù)據(jù)的采集使用KISTLER9287C三維測力臺，測力臺為長方形（60cm×110cm×10cm），數(shù)據(jù)采集頻率為600Hz，由踏板和底座兩部分構(gòu)成，兩者間由安裝在4個角的圓柱形傳感器支撐著，每個圓柱形傳感器又由3片環(huán)狀的石英壓電晶體疊加在一起。這3片壓電晶體由于其切割方向各不相同，分別對X、Y、Z這3個不同方向的力產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由于電荷量和力的大小成正比，通過對電荷量的測定，就可以得到相應(yīng)方向力的數(shù)值。

游泳出發(fā)測力臺是根據(jù)三維測力臺的特殊結(jié)構(gòu)，合理安裝了特制的游泳出發(fā)臺。實驗前，對測力臺進行校準(zhǔn)，當(dāng)運動員站在測力出發(fā)臺上做好預(yù)備姿勢，首先進行體重數(shù)值清零，然后，把運動員從出發(fā)信號開始至離臺瞬間的力學(xué)參數(shù)采集下來，獲取運動員出發(fā)離臺階段動力學(xué)參數(shù)。對動力學(xué)數(shù)據(jù)的分析分為兩部分，可以測定運動員出發(fā)前后的反應(yīng)時間、水平和垂直方向的用力情況。測力臺對出發(fā)技術(shù)具體動力學(xué)測試參數(shù)如下：水平方向和垂直方向力的反應(yīng)時間（T1）、水平方向和垂直方向力達峰值時間（Ty 2、Tz 2）、水平方向和垂直方向作用力時間（△t）、水平方向和垂直方向力的最大值（Fymax、Fzmax）、離臺瞬間水平和垂直方向沖量（Py、Pz），以及離臺瞬間重心角度、離臺重心水平速度和垂直速度。

我們對獲取的力學(xué)數(shù)據(jù)進行進一步解析，在Excel軟件中將統(tǒng)計數(shù)據(jù)制圖，將游泳出發(fā)技術(shù)在離臺階段的受力情況做成f－t曲線圖。對曲線圖進行描述分析，以便更直觀地了解游泳出發(fā)離臺階段的受力情況。

2.2 運動學(xué)測試

通過影像解析軟件對高速攝像拍攝的運動員出發(fā)技術(shù)不同階段的關(guān)節(jié)角度、位移、速度、時間等指標(biāo)的變化情況進行解析，獲得出發(fā)技術(shù)各技術(shù)時相運動學(xué)測試參數(shù)如下：

預(yù)備階段：膝關(guān)節(jié)角度（抓臺式出發(fā)）、前膝角與后膝角（蹲踞式出發(fā)）、手臂與水平面夾角、重心投影點到臺前沿距離、重心高度、兩腳間距離（蹲踞式出發(fā)）；

離臺階段：離臺時間、起跳角度、離臺瞬間重心投影點到臺前沿距離、離臺瞬間重心高度、離臺瞬間重心水平速度、離臺瞬間重心垂直速度、臺上重心水平位移；

騰空階段：騰空時間、運行軌跡、入水距離；

入水階段：入水角度、入水重心水平速度、入水重心垂直速度。

2.3 同步測試系統(tǒng)

同步測試系統(tǒng)就是把游泳出發(fā)技術(shù)的運動學(xué)和動力學(xué)測試的儀器同步起來用于進行測試應(yīng)用，使運動員出發(fā)技術(shù)的動作圖像與三維力量大小一一對應(yīng)起來，使科研人員和教練員能客觀地對運動員的出發(fā)技術(shù)做出評價。

當(dāng)按動測力臺數(shù)據(jù)采集按鈕的同時，也發(fā)出了聲和光的同步信號，聲音信號為運動員啟動使用；光信號為攝像拍攝使用，作為記錄運動員出發(fā)時起動的參考點。

3 游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)的實驗方法

3.1 文獻資料調(diào)研

根據(jù)研究需要，廣泛查閱國內(nèi)、外有關(guān)游泳出發(fā)技術(shù)測試系統(tǒng)研發(fā)和游泳出發(fā)技術(shù)評價的相關(guān)文獻資料，對所查閱研究成果的研究方法和研究內(nèi)容進行分析，對游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)的工作原理與設(shè)備研制進行論證，同時，掌握出發(fā)技術(shù)測試的相關(guān)知識和操作步驟，為研究提供理論基礎(chǔ)。

3.2 實驗法

3.2.1 游泳出發(fā)的動力學(xué)測試

對運動員完成出發(fā)技術(shù)過程中臺上用力情況進行力學(xué)參數(shù)采集，測力臺采樣頻率為600Hz，每次測試的數(shù)據(jù)采集時間是3min。根據(jù)游泳出發(fā)技術(shù)特征，研究僅選取第1min的600個力值數(shù)據(jù)進行相關(guān)描述分析。

圖1 游泳出發(fā)技術(shù)測試系統(tǒng)工作示意圖Figure 1. Diagram of Testing System of Swimming Start

3.2.2 游泳出發(fā)的運動學(xué)測試

使用一臺Fastec500高速攝像機（圖1中的1號機位），拍攝頻率為120fps，對受試者進行定點拍攝。鏡頭中心距地面1.15m，主光軸對準(zhǔn)出發(fā)臺前沿1m處，拍攝距離為17.5m。使用一臺常速攝像機（2號機位），拍攝記錄整個出發(fā)過程。拍攝前，設(shè)置調(diào)整并記錄攝像機主光軸與出發(fā)臺距離、鏡頭高度、取景范圍、拍攝角度等。設(shè)置參考體比例尺，比例尺長1m，用黑白漆出界線，將它置于出發(fā)臺上方水平和豎直兩個位置分別取景。高速攝像機從側(cè)面定點拍攝受試者臺上預(yù)備姿勢、起跳角度、身體騰空和運動軌跡、入水角度等動作。要求主光軸與出發(fā)臺中線垂直，并對準(zhǔn)出發(fā)臺前1m距離。常速攝像機用于從泳池側(cè)上方跟蹤拍攝受試者出發(fā)至入水后10m的全過程，以便對運動員入水后頭部到達5m、7m、10m的時間進行比較。

3.2.3 技術(shù)圖像解析

采用Ariel三維影像解析系統(tǒng)APAS（Ariel Performance Analysis System），對收集到的資料進行量化處理，完成運動學(xué)數(shù)據(jù)解析，在解析過程中，采用解析系統(tǒng)提供的人體慣性參數(shù)模型，選取研究所需的19個關(guān)節(jié)點對運動員整個出發(fā)技術(shù)完成過程進行解析。對解析數(shù)據(jù)通過低通數(shù)字濾波法進行平滑處理，平滑系數(shù)為8。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計法

將實驗采集到的游泳出發(fā)技術(shù)運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理，并通過Microsoft Excel 2003軟件將運動員出發(fā)技術(shù)的水平、垂直和左右方向的動力學(xué)參數(shù)繪制成f－t曲線圖。

4 游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)應(yīng)用案例

2011年3月，國家游泳隊二線運動員在陜西省游泳訓(xùn)練中心集訓(xùn)時，對部分優(yōu)秀運動員進行出發(fā)技術(shù)測試。拍攝運動員完成抓臺式和蹲踞式出發(fā)技術(shù)的完整過程。測試過程中，每名運動員以個人擅長的出發(fā)技術(shù)完成兩次拍攝，并留取受試者主觀感覺較好的一次進行登記，以便決定用于圖像解析。

根據(jù)游泳出發(fā)各技術(shù)階段的時序特征，按照預(yù)備階段、離臺階段、騰空階段、入水階段和水下滑行階段的順序?qū)Τ霭l(fā)技術(shù)的運動學(xué)和動力學(xué)測試結(jié)果進行呈現(xiàn)。

表1 本研究對象基本情況一覽表Table 1 Basic Information of Swimmers

4.1 抓臺式出發(fā)測試案例

4.1.1 抓臺式出發(fā)運動學(xué)測試結(jié)果

游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)對抓臺式出發(fā)技術(shù)的運動學(xué)參數(shù)共涉及5個技術(shù)階段的19個運動學(xué)參數(shù)，案例的運動學(xué)參數(shù)測試結(jié)果詳見表2。

表2 本研究抓臺式出發(fā)運動學(xué)測試結(jié)果一覽表Table 2 Kinematic Testing Result of Swimming Grab Start

預(yù)備階段是指發(fā)出“各就各位”口令至出發(fā)信號發(fā)出時的時段。抓臺式出發(fā)技術(shù)預(yù)備階段運動員兩腳的腳趾勾住出發(fā)臺前沿，同時，雙手抓住出發(fā)臺前沿，屈膝，身體成折疊形狀。膝關(guān)節(jié)角度成鈍角（116.7°）；手臂與水平面夾角則為銳角（79.64°）；重心高度為0.51m；重心投影點距出發(fā)臺前沿距離為0.1m。

離臺階段是指發(fā)出出發(fā)信號至腳離臺（壁）瞬間的這一時段。由于離臺后運動員的運動軌跡就一定形成，因此，離臺階段是影響出發(fā)技術(shù)效果的重要技術(shù)階段。本案例運動員抓臺式該階段離臺角度為29.95°，重心投影距前沿距離由預(yù)備階段臺上的0.1m移至0.97m；重心距水面高度為0.56m；重心水平位移為1.07m；離臺瞬間重心水平速度達到4.45m／s，顯著高于離臺瞬間重心垂直速度（0.63m／s）。

騰空階段是腳離臺瞬間至手指觸水瞬間的這一時段。抓臺式出發(fā)案例騰空階段的騰空時間為0.35s，入水距離為3.22m，而離臺角度和離臺速度和入水角度等因素是影響騰空時間和入水距離的主要因素。

入水階段是手指觸水瞬間的動作時相。抓臺式出發(fā)案例的入水角為37.468°；入水瞬間重心水平速度和垂直速度分別為3.6m／s和3.37m／s。通常入水角的大小同入水方式直接相關(guān)，如“平板式入水”的入水角度通常小于“洞式入水”。較大的重心水平入水速度有利于水下快速滑行，利于水中滑行階段保持良好的速度；而過大的重心垂直入水速度則會影響入水深度，增加滑行階段的減速可能。

水下滑行階段是評價出發(fā)效果的重要指標(biāo)。5m是運動員入水后速度遞減較小的一個距離評定指標(biāo)。7m是運動員從入水階段到水下滑行階段速度明顯變化的距離評定指標(biāo)。10m則是運動員從入水速度基本過度到水中游進速度的距離評定指標(biāo)。本研究運動員入水后到達5 m、7m 和10m 處時間分別為：1.87s；2.8s和4.73s。

4.1.2 抓臺式出發(fā)動力學(xué)測試結(jié)果

以往對游泳出發(fā)技術(shù)的評價研究，多以運動學(xué)數(shù)據(jù)對運動員出發(fā)技術(shù)進行評價。由于受游泳出發(fā)技術(shù)特征和泳池環(huán)境的限制，多年來，對游泳出發(fā)同時開展動力學(xué)和運動學(xué)的研究設(shè)想一直未能實現(xiàn)。本研究通過對游泳出發(fā)技術(shù)測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，實現(xiàn)了對運動員出發(fā)技術(shù)同時進行運動學(xué)和動力學(xué)測試的突破，為全面科學(xué)地對出發(fā)技術(shù)進行診斷和分析提供了可能（表3）。

表3 抓臺式出發(fā)動力學(xué)數(shù)據(jù)測試結(jié)果一覽表Table 3 Dynamic Data Testing Result of SwimmingGrab Start

對反應(yīng)時的測試是從同步信號發(fā)出，測力臺開始數(shù)據(jù)采集到力值發(fā)生明顯變化所用的時間。統(tǒng)計過程發(fā)現(xiàn)，在測力臺測得水平方向和垂直方向的力值變化幾乎是同時的，并且由于統(tǒng)計誤差的存在，故將出發(fā)反應(yīng)時統(tǒng)一用T1表示。抓臺式出發(fā)案例的反應(yīng)時為0.50s，測試運動員該參數(shù)水平較高。如果反應(yīng)時過長，易造成滯臺時間延長，應(yīng)在訓(xùn)練中予以改進。

運動員離臺階段，從發(fā)力開始即測力臺開始數(shù)據(jù)采集到力值發(fā)生明顯變化至力量達到最大值的這段時間為力達峰值時間。案例水平方向力達峰值的時間為0.68s；垂直方向力達峰值的時間為0.62s。出發(fā)技術(shù)從發(fā)力到達峰值的時間越短，說明該技術(shù)便于快速發(fā)力，能夠在動作完成過程中使力量快速增加從而利于快速啟動和獲取較大的離臺沖量和速度。

離臺階段測力臺開始數(shù)據(jù)采集到力值發(fā)生明顯變化至力值消失的時段為出發(fā)臺上力的作用時間。而力的作用時間內(nèi)，系統(tǒng)還將提供水平和垂直方向的最大力值。案例中，臺上力的作用時間為0.75s；離臺階段水平方向的最大力值達到768.74N，垂直方向最大力值為157.93N。物體的運動方向與該物體所受合力的方向一致，游泳出發(fā)動作是一個斜上拋運動過程，主要對水平速度、水平方向沖量和力值要求較高，垂直方向的力主要用來創(chuàng)造良好的離臺角度，擺脫重力影響，故此力的作用時間內(nèi)，運動員水平方向的力值水平通常明顯高于垂直方向。

力學(xué)研究中將作用于物體的外力與外力的作用時間的乘積定義為力的沖量，即：I＝F×△t。本研究通過對離臺階段F－t圖中曲線和橫坐標(biāo)圍成面積的計算獲得離臺瞬間的沖量值。出發(fā)案例離臺瞬間水平方向沖量為259.26N·s；垂直方向的沖量為－92.34N·s。由于游泳出發(fā)是由靜止到運動的一個過程，離臺瞬間沖量大小直接影響離臺速度，相同條件下，離臺瞬間水平方向沖量值最大離臺速度越大。

為了更加直觀地對離臺階段的用力情況進行直觀了解，我們利用已測得的動力學(xué)數(shù)據(jù)繪制了抓臺式出發(fā)案例的F－t曲線圖（圖2）。F－t曲線圖中呈現(xiàn)了運動員離臺階段水平方向、垂直方向和左右方向的力值變化情況。由于游泳出發(fā)主要依賴于水平方向和垂直方向沖量，因此可以發(fā)現(xiàn)，案例F－t曲線圖中，左、右方向的沖量基本可以忽略不計，不予分析。

圖2 抓臺式出發(fā)案例F－t曲線圖Figure 2. F－t Curve of Swimming Grab Start

通過對圖2F－t曲線的觀察可以發(fā)現(xiàn)，抓臺式出發(fā)技術(shù)的水平方向力值的變化過程是一個坡度較緩的平滑曲線，類似臺階形，說明抓臺式出發(fā)技術(shù)離臺動作的力值遞增相對較緩慢。水平力值在達到峰值之后迅速下降，導(dǎo)致波峰頂部形態(tài)尖銳，反映出該技術(shù)的水平力值最大水平出現(xiàn)離臺瞬間，力值峰值出現(xiàn)后運動員離臺，力值消失。水平力值變化同垂直力值變化存在一定協(xié)同一致性。由于抓臺式出發(fā)技術(shù)是雙腳平行至于出發(fā)臺前沿，雙腳發(fā)力具有協(xié)同效應(yīng)，因此，合理的力值曲線應(yīng)僅出現(xiàn)一個波峰，但該運動員的力值曲線出現(xiàn)臺階形狀的現(xiàn)象，說明離臺動作存在二次發(fā)力現(xiàn)象，發(fā)力不集中。所以，通過測力臺可以診斷運動員出發(fā)技術(shù)的蹬臺發(fā)力情況。

4.2 蹲踞式出發(fā)測試案例

4.2.1 蹲踞式出發(fā)運動學(xué)測試結(jié)果

由于蹲踞式出發(fā)技術(shù)同抓臺式出發(fā)技術(shù)的技術(shù)差異，因此，在預(yù)備階段技術(shù)參數(shù)的設(shè)計也存在不同。同抓臺式出發(fā)技術(shù)預(yù)備階段雙腳置于出發(fā)臺前沿的準(zhǔn)備姿勢不同，蹲踞式出發(fā)的預(yù)備階段運動員雙腳前、后分開，僅一只腳置于出發(fā)臺前沿，動作同田徑比賽中的短跑起跑相似。因此，預(yù)備階段對該動作的研究不僅增加了對前膝角、后膝角計算，而且還增加了對前、后兩腳間距的測量。游泳出發(fā)技術(shù)測試系統(tǒng)對蹲踞式出發(fā)技術(shù)的運動學(xué)參數(shù)共涉及5個技術(shù)階段的各運動學(xué)參數(shù)（表4）。

表4 蹲踞式出發(fā)運動學(xué)測試結(jié)果一覽表Table 4 Kinematic Testing Result of Swimming Crouching start

4.2.2 抓臺式出發(fā)動力學(xué)測試結(jié)果

圖3顯示，F(xiàn)－t曲線圖中，呈現(xiàn)了運動員離臺階段水平方向、垂直方向和左右方向的力值變化情況。雖然游泳出發(fā)主要依賴于水平方向和垂直方向沖量，但通過觀察蹲踞式案例F－t曲線圖中，左、右方向的沖量也隨時間變化存在細微的波動特征，這應(yīng)與蹲踞式出發(fā)技術(shù)雙腳前、后支撐的技術(shù)特征有關(guān)。

圖3 蹲踞式出發(fā)案例F－t曲線圖Figure 3. F－t Curve of Swimming Crouching Start

表5 蹲踞式出發(fā)動力學(xué)數(shù)據(jù)測試結(jié)果一覽表Table 5 Dynamic Testing Result of Swimming CrouchingStart

蹲踞式出發(fā)案例的水平方向力值的變化過程是一個坡度較緩的平滑曲線，證明案例運動員離臺動作的力值遞增相對較緩慢。水平力值曲線和垂直力值曲線呈現(xiàn)雙峰特征，同時，力的峰值出現(xiàn)在第一波峰，這符合蹲踞式出發(fā)技術(shù)特點。雙峰現(xiàn)象主要是由于蹲踞式出發(fā)雙腳前后站立，啟動時雙腿非同時發(fā)力所致。水平力值變化同垂直力值變化在存在一定協(xié)同性。垂直方向力的峰值出現(xiàn)在運動員離臺前，水平方向力值在達到峰值之后經(jīng)歷下降和再上升并最終消失，力值消失。通過對圖2F－t曲線的對比，顯示案例運動員的反應(yīng)時較理想，但臺上用力時間相對較長，水平方向力值峰值水平還有待提高。

5 結(jié)論與建議

1.游泳出發(fā)技術(shù)生物力學(xué)測試系統(tǒng)工作原理合理，測試系統(tǒng)準(zhǔn)確，能夠完整地提供游泳出發(fā)技術(shù)的生物力學(xué)參數(shù)和出發(fā)技術(shù)效果指標(biāo)；

2.該測試系統(tǒng)不僅能夠發(fā)現(xiàn)游泳運動員出發(fā)技術(shù)的運動學(xué)現(xiàn)象，還能夠?qū)\動員出發(fā)過程的用力過程進行揭示，并準(zhǔn)確評價水下滑行階段與途中游的銜接效果；

3.建議在游泳出發(fā)技術(shù)的生物力學(xué)研究中，測試方法和測試手段應(yīng)不斷更新，特別是運動信息能夠?qū)崟r快速反饋，為教練員提供最佳的訓(xùn)練方案。

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