跳臺滑雪助滑道結構對助滑姿態(tài)的動力學影響機制

王韻博，劉伯強

跳臺滑雪運動技巧性含量較高，比較適合在我國開展，可以作為我國冬奧會潛優(yōu)勢項目發(fā)展。跳臺滑雪運動一般包括助滑、起跳、空中飛行、著陸、終止區(qū)滑行等技術環(huán)節(jié)。除了考慮到上述基本環(huán)節(jié)各自蘊含的技術要求和動作特點［1］，還需關注助滑速度，它是起跳技術和空中飛行動作的動力學基礎，直接關系到飛行距離，在跳臺滑雪中具有至關重要的作用。運動員利用助滑起點座位前的橫桿，在出發(fā)時用雙臂用力推橫桿，使身體產生初始前沖力。此后，人體在重力加速度作用下，沿助滑道斜坡獲得越來越快的助滑速度。根據(jù)國內外跳臺滑雪比賽的實際情況，各個運動員的最大助滑速度千差萬別，即使個人的最大助滑速度也難以保持一致，這種情況表明助滑速度的變化存在主體與客觀影響因素。對于這種影響因素的進一步認識，將有助于改善跳臺滑雪運動員助滑技術動作與專項能力訓練水平，從而獲得更理想的最大起跳初速度。有關人員在跳臺滑雪運動員競技能力、起跳技術、空中飛行動作、生理特征等方面開展了大量研究［2－5］，但對于助滑速度特征及助滑道結構對助滑姿態(tài)影響機制的研究較少。為此，本文初步分析助滑道結構對助滑姿態(tài)的動力學影響機制，為改善我國跳臺滑雪運動員技戰(zhàn)術訓練水平提供科學依據(jù)。

1 助滑道物理結構參數(shù)

由于受氣候條件、雪情條件、場地條件等因素的限制，跳臺滑雪運動員在不同地點、不同場地、不同自然條件下的不同場次的比賽成績缺乏可比性。這種項目特殊性造成只有具體場次比賽和特定賽事的世界冠軍，沒有絕對的世界冠軍和世界記錄保持者。但是跳臺滑雪場地結構是固定的，從這個意義上來看，場地結構尤其是助滑道結構對助滑姿態(tài)具有相對穩(wěn)定的影響。助滑過程中，跳臺滑雪運動員集中精力，最大化助滑速度，最小化雪板與雪面之間摩擦力，最小化空氣阻力［6］。因此，跳臺滑雪運動員在助滑階段的主要任務是維持滑行的動態(tài)平衡和加速穩(wěn)定性，利用助滑道物理特性獲得最大的起跳初速度。為了研究助滑道物理結構對助滑姿態(tài)的動力學影響機制，首先剖析助滑道物理結構特點。跳臺滑雪比賽場地一般包括出發(fā)區(qū)、助滑道、起跳臺、著陸坡、停止區(qū)等組成部分。其中助滑道結構主要由直線坡度區(qū)和弧線坡度區(qū)構成。本文所采用的助滑道物理結構參數(shù)如下:直線坡度區(qū)θ=35°坡度角，弧線坡度區(qū)彎曲半徑R=70m。

2 助滑道人體動力學受力分析

2.1 人體重力作用分析

圖1 跳臺滑雪助滑道直線區(qū)人體質心重力作用

參見圖1，人體重力作用簡化為人體質心重力作用，其中

2.2 外界作用力分析

圖2 跳臺滑雪助滑道直線區(qū)外界作用力

圖3 跳臺滑雪助滑道弧線區(qū)向心力

參見圖2和圖3，助滑道作用于人體的主要外界作用力包括

其中，A是與速度v相垂直的表面面積，ρ是空氣密度，η是空氣阻力系數(shù)。如果假設取值為η =0.3，ρ=1.3 Kg·m－3，A=0.25m2，則 Wd ≈ v2/10.

根據(jù)空氣阻力公式(4)中的影響因素，為了能達到更大的助滑速度，要求跳臺滑雪運動員身體前傾，與滑雪板盡量平行，使身體呈現(xiàn)符合空氣動力學的流線型，減少空氣阻力。在空氣動力學作用于身體形態(tài)條件方面，優(yōu)秀運動員的體質量普遍較輕［3］，除了發(fā)展必需的下肢(主要是膝關節(jié)周圍)肌肉力量外，幾乎不增長上肢和軀干肌肉的質量。

作用于身體質心CoM前上方的有雪面支撐力Fnc和空氣升力Wl，形成反向力矩。作用于身體質心CoM下后方的有雪面摩擦力Ff和空氣阻力Wd，形成正向力矩。由于反向力矩和正向力矩隨著速度、場地位置變化而變化，需要下肢各環(huán)節(jié)肌群變負荷協(xié)調作用，控制各旋轉力矩的力臂變化，從而影響反向力矩與正向力矩的相互作用，減小各關節(jié)角度變化，盡量保持一定的助滑姿態(tài)。

2.3 全腳支撐反作用力分析

參見圖4，全腳支撐反作用力在0.77～1.88G之間。例如，運動員體重50Kg，則助滑道對其全腳支撐反作用力在38～94Kg之間。在助滑姿態(tài)保持絕對靜止不變的情況下，人體各環(huán)節(jié)肌肉群靜力性做功變化范圍達到1.11G，而實際上人體很難保持絕對靜止不變的助滑姿態(tài)，因此人體各環(huán)節(jié)肌肉群靜力性做功變化范圍可能會超過1.2G，增加了相關肌肉靜力性控制難度。

圖4 跳臺滑雪助滑過程全腳支撐力變化特征

3 助滑道對助滑姿態(tài)動力學影響機制分析

3.1 直線區(qū)

助滑道起始直線區(qū)，由于坡度重力Go的加速度作用，使人體加速向下滑行。隨著速度增加，空氣阻力和升力增大。因此，F(xiàn)n略有減小?？梢越普J為雪面摩擦系數(shù)μ保持不變，則Ff略有減小，使Ma形成非均勻的加速作用。這時的全腳支撐反作用力在0.8G左右，下肢各環(huán)節(jié)肌肉群處于低負荷控制能力作用范疇。直線區(qū)保持靜態(tài)姿勢，是反向力矩與正向力矩之間動態(tài)平衡的結果。

3.2 弧線區(qū)入口

進入弧線區(qū)滑行后，在弧線區(qū)入口轉換處，身體質心速度變化突然形成Fc向心力作用，導致雪面支撐反作用力Fnc急劇增加，雖然雪面摩擦力隨之增加，但空氣阻力沒有相應的急劇變化，最終形成較大的反向力矩，迫使運動員調整各關節(jié)肌肉控制力，加強正向力矩。在弧線區(qū)入口瞬間，全腳支撐反作用力從前向后大幅度增加，達到1.2G左右，導致全腳壓力重心偏移波動，一般情況是全腳壓力重心瞬間前移［7－9］，然后向后偏移。為了保持助滑靜態(tài)姿勢不變，進入弧線區(qū)入口處時，身體質心與踝關節(jié)的相對法向位置不變，雪板前端向上略有彎曲，導致全腳壓力重心前移，全腳支撐力相對身體質心的力臂增加，同時出現(xiàn)向心力作用，全腳支撐反作用力迅速增大，使反向力矩突然增大。需要加強肌肉力量控制，補償正向力矩。這時主要依靠下肢各環(huán)節(jié)肌肉群快速反應，迅速進入高負荷控制能力作用范疇，減小全腳壓力重心偏移波動，保持助滑姿態(tài)穩(wěn)定性。在專項能力訓練方面，需要加強踝關節(jié)的跖屈靜力性控制能力訓練。

3.3 弧線區(qū)途中

在弧線區(qū)滑行過程中，F(xiàn)c向心力隨著速度增加而逐漸增大，助滑道坡度角逐漸減小，使重力坡度法向分力Gn逐漸增大，重力坡度平行分力Go逐漸減小，空氣升力逐漸減小。上述綜合作用導致Fnc全腳支撐力逐漸增大，在弧線區(qū)出口附近甚至接近1.9G，使反向力矩逐漸增加，需要運動員連續(xù)平穩(wěn)增加下肢各環(huán)節(jié)肌肉群高負荷控制能力。

3.4 弧線區(qū)出口

弧線區(qū)出口轉換處，F(xiàn)c向心力作用迅速消失，導致雪面支撐反作用力由Fnc大幅度減小轉變?yōu)镕n，導致全腳壓力重心偏移波動，一般情況是全腳壓力重心瞬間后移，然后向前偏移。與弧線區(qū)入口處情況相反，弧線區(qū)出口處，雪板前端向下略有彎曲，導致全腳壓力重心后移，全腳支撐力相對身體質心力臂縮短，同時向心力作用消失，全腳支撐反作用力迅速降低，使反向力矩減小，需要適時減少肌肉對正向力矩的控制作用。由于接近起跳臺水平方向，需要從助滑姿態(tài)逐漸過渡到起跳動作，空氣升力作用相對很小，可以忽略不計。運動員既要控制下肢各環(huán)節(jié)肌肉群從高負荷迅速轉接低負荷適應性作用，又要推起身體，完成起飛技術轉換動作，因此需要運動員在變負荷條件下下肢各環(huán)節(jié)肌肉群具有很強的動作控制能力。

綜上所述，優(yōu)秀的跳臺滑雪運動員在助滑道獲取最大起跳初速度過程中，要具有迅速、準確的神經肌肉調控能力，具有熟練高超的應變技巧和平順穩(wěn)定的身體姿態(tài)控制水平。

4 結語

跳臺滑雪運動員的助滑技術是其隨后一系列技術的基礎，其重要地位不言而喻。本文對助滑道場地結構對助滑姿態(tài)的動力學影響機制進行了初步分析。跳臺滑雪運動員沿著35°左右坡度的助滑道下滑加速，為了減少空氣阻力，身體盡量成流線型?；【€區(qū)入口和出口是兩個關鍵的助滑姿態(tài)技術動作控制點，需要各關節(jié)肌群具有高度靈敏協(xié)調與快速變負荷控制能力。

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