背越式跳高起跳、騰空階段軀干轉(zhuǎn)動技術(shù)的運動學(xué)分析

郭梁，吳瑛，徐濤

背越式跳高起跳、騰空階段軀干轉(zhuǎn)動技術(shù)的運動學(xué)分析

郭梁1，2，吳瑛2，徐濤3

為了探究軀干轉(zhuǎn)動在背越式跳高起跳、騰空階段的生物力學(xué)規(guī)律，采用文獻(xiàn)資料法、影像分析法、數(shù)理統(tǒng)計法等研究方法，對國內(nèi)9名優(yōu)秀男子跳高運動員進(jìn)行運動學(xué)分析。研究結(jié)果顯示：運動員起跳過程中3個時間點軀干縱軸與Y軸的夾角均值分別為(74.8±1.9）°、(81.3±1.9)°、(92.5±2.0)°；軀干三環(huán)節(jié)與XOY面夾角減小和增加的順序（由快到慢）是：胸部段＞腹部段＞髖部段。研究認(rèn)為：起跳離地瞬間適宜的軀干縱軸外傾角度（92°左右）除了可以避免身體碰觸橫桿和提高身體垂直速度外，還可以使身體獲得足夠的翻轉(zhuǎn)角動量；在起跳和騰空過桿過程中，肩部發(fā)揮了引領(lǐng)作用。

背越式跳高；軀干轉(zhuǎn)動；起跳；角度；背弓

身體轉(zhuǎn)動對背越式跳高運動起跳和過桿至關(guān)重要[1]。而軀干作為身體的核心部位對身體轉(zhuǎn)動具有決定性的作用。背越式跳高軀干轉(zhuǎn)動由“旋轉(zhuǎn)”（圍繞身體的縱軸轉(zhuǎn)動，即運動員的身體背部轉(zhuǎn)向橫桿）和“翻轉(zhuǎn)”（圍繞身體的橫軸轉(zhuǎn)動，即是雙肩向下，雙膝向上）組成。本研究對運動員軀干轉(zhuǎn)動進(jìn)行運動學(xué)分析，為背越式跳高教學(xué)和訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)，對中國田徑項目的發(fā)展具有深刻的實踐意義。

1 對象與方法

1.1 對象

以2007年全國田徑大獎賽男子跳高決賽的4名運動員和第八屆全國大學(xué)生運動會的5名運動員為研究對象。9名運動員（表1），有一人（黃海強）是右腳起跳，其他人都為左腳起跳，并對他們比賽中最好成績的一次試跳進(jìn)行影像解析處理，9名運動員的最好成績都在2.10 m（包括2.10m）以上。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

本研究從中國期刊網(wǎng)上搜索查尋了13種體育類核心期刊、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫以及中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫中有關(guān)跳水技術(shù)訓(xùn)練與技術(shù)分析的文獻(xiàn)五十余篇，并進(jìn)行了分析研究。

1.2.2 影像分析法

采用兩臺SONZ DSR-PD190P常速攝像機（50 Hz）對運動員起跳和過桿動作進(jìn)行現(xiàn)場拍攝。兩臺機分別從橫桿的正前面和側(cè)面對運動員進(jìn)行定點定焦拍攝。兩機主光軸離地面1.3 m，拍攝距離位于正面的攝像機大約在20 m左右，側(cè)面約為15 m左右，兩機主光軸所形成的夾角約為80°。采用愛捷三維標(biāo)定框架（24個控制球）進(jìn)行標(biāo)定，比賽前后拍攝框架。拍攝時，使運動員的整個動作范圍位于框架標(biāo)定范圍內(nèi)。使用APAS軟件和漢納范人體模型對圖像進(jìn)行解析，原始數(shù)據(jù)平滑處理采用低通濾波平滑方法，經(jīng)驗證截斷頻率選擇8.0 Hz。三維標(biāo)定框架擺放如圖1，三維坐標(biāo)中X軸與跳高橫桿方向平行。

表1 男子背越式跳高運動員基本情況TableⅠBasic Information of the Subjects

圖1 三維框架的方向坐標(biāo)Figure 1 Direction Coordinate of the 3D Framework

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計法

對所收集的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和解析數(shù)據(jù)運用M icrosoft O ffice Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。

2 結(jié)果與分析

把起跳腳著地瞬間定義為零時刻，把背越式跳高起跳階段和騰空階段共分為7個時相和6個階段：7個時相分別為T1（起跳腳著地瞬間）、T2（起跳腳最大緩沖瞬間即起跳腿膝角達(dá)到最小時刻）、T3（起跳腳離地瞬間）、T4（頭最高點）、T5(肩最高點)、T6（髖最高點）、T7（膝最高點）。T1～T3屬于起跳階段；T3～T7屬于騰空階段。頭最高點時相是指頭頂點處于最高點時的時刻，關(guān)節(jié)（肩、髖、膝）最高點時相是除了黃海強以右側(cè)關(guān)節(jié)點以外都是以左側(cè)關(guān)節(jié)點到最高點時刻為準(zhǔn)。

通過軀干縱軸與3個坐標(biāo)軸的夾角、軀干三部段與水平面的夾角變化來反映運動員在起跳和騰空階段軀干轉(zhuǎn)動情況[6]。軀干三部段分別為：第七頸椎至第七胸椎段，簡稱軀干胸部段；第七胸椎至肚臍，簡稱軀干腹部段；肚臍至恥骨聯(lián)合段，簡稱軀干腰部段。軀干三部段的角度變化主要反映其3個部位的相對轉(zhuǎn)動問題，而軀干縱軸的角度變化主要反映軀干作為一個整體在三維空間的轉(zhuǎn)動問題。

2.1 軀干縱軸在三維空間轉(zhuǎn)動

如圖2所示，頭最高點前，采用軀干縱軸與X軸的夾角反映前后翻轉(zhuǎn)情況，與Y軸的夾角反映內(nèi)外翻轉(zhuǎn)情況。頭最高點后，采用軀干縱軸與X軸的夾角反映前后翻轉(zhuǎn)情況，與Z軸的夾角反映上下翻轉(zhuǎn)情況。

圖2 三維坐標(biāo)系與人體運動關(guān)系圖Figure 2 Correlation betw een 3D Coordinate System and Human Body Movement

2.1.1 起跳階段軀干縱軸在三維空間轉(zhuǎn)動

表2顯示，運動員在起跳腳著地瞬間、起跳腿膝最大緩沖、起跳腳離地瞬間軀干縱軸與X軸的夾角均值分別為(83.7±4.0）°、(81.0±2.2)°、(83.4±4.2)°。說明起跳階段，起跳腳著地后軀干先向后傾斜，然后在起跳離地瞬間恢復(fù)到之前與X軸的角度。主要是由于運動員在起跳腳著地初期，身體重心留在了后面，所以造成了身體軀干的后傾。后傾的幅度與最后一步步長有關(guān)，一定的后傾角度一方面有利于降低身體重心，從而增加起跳的工作距離，另一方面可以保持身體與橫桿的合理距離，從而避免起跳時身體過早倒向橫桿。而胡桐軀干縱軸與X軸夾角達(dá)到了92.5°，對其是一個不利的動作。

表2 運動員起跳階段軀干縱軸分別與X軸、Y軸、Z軸夾角一覽表(單位：°)TableⅡ Angles between the Trunk Longitudinal Axis and X Axis,Y Axis and Z Axis during Take-off

運動員起跳過程中3個時間點軀干縱軸與Y軸的夾角均值分別為(74.8±1.9）°、(81.3±1.9)°、(92.5±2.0)°。結(jié)合運動員動作視頻，發(fā)現(xiàn)起跳階段運動員軀干做“內(nèi)傾-垂直-外傾”運動。如前所述，一定的內(nèi)傾角度可以起到降低重心和保持身體與橫桿的合理距離的作用。起跳過程作為一個以腳支撐點為支點的、由內(nèi)向外的旋轉(zhuǎn)運動，“其所產(chǎn)生的法向加速度可以加大支撐點的壓力，增加起跳效果，所產(chǎn)生的切向加速度有助于向橫桿方向的運動。這些是身體起跳后由垂直轉(zhuǎn)為水平的主要動力”[2]。另外，起跳離地瞬間軀干縱軸與Y軸夾角均值超過了90°。起跳離地瞬間，軀干向橫桿傾斜（外傾）過大，易導(dǎo)致身體碰觸橫桿，同時不利于垂直速度的提高；軀干向橫桿傾斜過小，身體獲得的翻轉(zhuǎn)角動量不足，很難完成在“翻越橫桿”的動作。建議運動員起跳離地瞬間軀干縱軸外傾角度在92°左右。

運動員起跳過程中3個時間點軀干縱軸與Z軸的夾角均值分別為(16.9±2.3）°、(12.5±1.9)°、(8.4±2.2)°。說明運動員軀干在起跳過程中由向內(nèi)、向后傾斜逐漸轉(zhuǎn)為垂直，甚至向外傾斜，這個動作有利于運動員在起跳階段向上的蹬伸力更多地作用于重心，從而做到正心用力。朱曉明在起跳離地瞬間軀干中間軸與Z軸夾角角度最小為4.4°，其次張樹峰、王昊、分別為7.6°、7.0°、8.3°，都低于平均值，表明這些運動員在起跳階段較好地做到了正心用力。2.1.2騰空階段軀干縱軸在三維空間轉(zhuǎn)動

9名運動員在騰空階段頭最高點時刻、肩最高點時刻、髖最高點時刻、膝最高點時刻軀干縱軸與X軸的夾角均值分別是（77.0±6.8）°、（78.6±12.1）°、（92.1±15.5）°、（100.9±13.8）°（見表3）。結(jié)合表2與圖2數(shù)據(jù)，運動員在起跳腳離地后，軀干縱軸與X軸的夾角有一個小幅度的降低，然后再逐漸升高。也就是說運動員在起跳腳離地后，身體向后傾斜一定角度后，才轉(zhuǎn)為向前傾斜。但是張樹峰沒有表現(xiàn)出這樣的特點，張的角度一直在增加。在起跳階段,人體運動的實質(zhì)是通過助跑獲得的動能與肌肉彈性能之間的相互轉(zhuǎn)換,并以獲得最大的垂直速度和保持適宜的X、Y軸方向的速度為目的[3]。運動員起跳離地后的適度后傾有利于身體水平速度向垂直速度的轉(zhuǎn)化，但是過度的后傾則適得其反，建議運動員在起跳離地瞬間軀干縱軸與X軸夾角在80～85°之間，起跳離地后控制后仰的幅度。9名運動員在騰空階段肩最高點時刻、髖最高點時刻、膝最高點時刻軀干縱軸與X軸的夾角均值的標(biāo)準(zhǔn)差都比較大，說明個體之間差異較大，沒有表現(xiàn)出一致性的規(guī)律。單從運動員個體數(shù)據(jù)來看，除劉海旺外，其他運動員在肩最高點過后，與X軸的夾角都在增加，說明人體一直在前翻。

為了詳細(xì)觀察運動員在起跳、騰空階段軀干轉(zhuǎn)動技術(shù)的特點，圖3、圖4給出了兩名運動員“軀干縱軸與X軸、Y軸、Z軸夾角-時間曲線”和“軀干胸部段、腹部段、髖部段與XOY面夾角-時間曲線”，來闡述9名運動員軀干轉(zhuǎn)動的共同特征。圖3中“軀干縱軸與X軸夾角-時間曲線”開始是一條直線，在肩到最高點之后不斷上升，有些運動員會在頭最高點之后開始不斷上升，表明軀干在肩最高點或頭最高點時刻圍繞橫桿在XOZ面內(nèi)做逆時針旋轉(zhuǎn)；“軀干縱軸與Z軸夾角-時間曲線”呈現(xiàn)平躺的“S”形狀，曲線在起跳階段有稍微下降，這主要是因為軀干由向內(nèi)傾斜向XOZ面靠近。在起跳離地后向外遠(yuǎn)離XOZ面，所以夾角有較大幅度上升，大多數(shù)運動員角度曲線在髖最高點時刻上升到最高點，之后不斷下降。后期的下降主要是由于髖到最高點之后為了使膝上抬得更高，髖部會補償性地迅速降低，從而導(dǎo)致角度減小。起跳離地后，軀干開始向橫桿傾斜，即軀干圍繞橫桿在YOZ面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)，在髖到最高點之后，上體回屈，軀干圍繞橫桿在YOZ面內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)。表3顯示，9名運動員軀干縱軸在肩最高點、髖關(guān)節(jié)最高點和膝最高點與Z軸夾角均值分別為（58.4±2.8）°、（105.1±10.6）°、（106.6±14.5）°，從肩最高點到髖最高點角度變化很大，說明運動員在肩到最高點后，肩部迅速下沉，身體上部（軀干）向下翻轉(zhuǎn)，使軀干縱軸與Z軸夾角迅速增大。根據(jù)角動量守恒定律，人體上部向下翻轉(zhuǎn)可引起人體下部（下肢）的向下翻轉(zhuǎn)，從而保持人體總角動量不變，這個過程也是運動員背弓形成的過程。九名運動員軀干縱軸在髖最高點和膝最高點與Z軸夾角均值都大于90°，說明運動員此階段拉背弓過桿時軀干已經(jīng)向下傾斜。在髖關(guān)節(jié)最高點附近，運動員軀干縱軸與Z軸夾角越大，越有利于增加背弓曲度和提高越過橫桿的高度。黃海強、劉海旺、朱曉明3人在肩最高點到髖最高點角度變化不大，而且在髖關(guān)節(jié)最高點與Z軸夾角都低于100°，特別是黃海強低于90°，是個不利的動作。“軀干縱軸與Y軸夾角-時間曲線”從起跳腳著地開始就不斷增大，在“髖關(guān)節(jié)最高點-膝最高點”時間附近上升到最高點，然后下落。

圖3 兩名運動員軀干縱軸與X軸、Y軸、Z軸夾角變化圖Figure 3 Changes of the Angles between Trunk Longitudinal Axis and X Axis,Y Axis and Z Axis of the Two High Jumpers

2.2 軀干三環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動問題

運動員軀干胸部段、腹部段、髖部段三環(huán)節(jié)主要在垂直方向上做旋轉(zhuǎn)運動，所以本研究主要采用軀干三環(huán)節(jié)與水平面（XOY面）夾角（即三環(huán)節(jié)中間軸與其在水平面投影線的夾角）來反映軀干三環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動情況。

圖4 兩名運動員軀干胸部段、腹部段、髖部段與XOY面夾角變化圖Figure 4 Changes of the Angles betw een XOY Plane and the Trunk Parts of Chest,Abdomen and Hip of the Two High Jumpers

觀察兩名運動員軀干胸部段、腹部段、髖部段與XOY面“夾角-時間”曲線（見圖4），運動員起跳腳著地后，軀干三環(huán)節(jié)與XOY面的夾角不斷減小，直到夾角變?yōu)樨?fù)值，持續(xù)一段時間后上升。三夾角在90°(身體與地面垂直位置)之前，是由身體向后、向內(nèi)傾斜變?yōu)榇怪钡碾A段，該階段角度-時間曲線坡度較緩，而且曲線聚集在一起，說明前期軀干三環(huán)節(jié)與XOY面夾角相差較小，角速度較低。三夾角在90°之后，是身體由垂直位向外、向前翻轉(zhuǎn)階段，該階段角度-時間曲線坡度變陡，曲線開始分離，說明軀干三環(huán)節(jié)與XOY面夾角速度增加、差距增大。從整條曲線的變化趨勢上來看，夾角減小時，三環(huán)節(jié)由快到慢的順序是：胸部段＞腹部段＞髖部段；夾角增加時，三環(huán)節(jié)由快到慢的順序也是：胸部段＞腹部段＞髖部段，也就是說胸部段與XOY面夾角下降時最快，上升時也最快。說明在起跳和騰空過桿過程中，肩部發(fā)揮了引領(lǐng)作用，特別是在背弓形成階段，頭部的后仰，有效促進(jìn)了肩部的“下沉”，從而加大了胸部段下降的角速度。

角度-時間曲線后期變?yōu)樨?fù)值，說明三部段由向上傾斜變?yōu)榱讼蛳聝A斜。這主要是在背弓形成階段，頭部的后仰，有效促進(jìn)了肩部的“下沉”，從而引領(lǐng)三部段向下傾斜造成的。

角度-時間曲線下降到最低點后轉(zhuǎn)為上升，該階段位于髖最高點與膝最高點之間。肩部的下沉（胸部段）使髖關(guān)節(jié)高度上升到最高點后，胸部段、腹部段開始回屈，根據(jù)角動量守恒定律，該動作可使腿部前屈，從而提高膝關(guān)節(jié)的高度。

3 結(jié)論與建議

3.1 起跳離地瞬間，軀干向橫桿傾斜（外傾）過大，易導(dǎo)致身體碰觸橫桿，同時不利于垂直速度的提高；軀干向橫桿傾斜過小，軀干獲得的翻轉(zhuǎn)角動量不足，很難完成“翻越橫桿”的動作。建議運動員起跳離地瞬間身體外傾角度在92°左右。

3.2 運動員起跳離地后的適度后傾有利于身體水平速度向垂直速度的轉(zhuǎn)化，但是過度的后傾則適得其反，建議運動員在起跳離地瞬間軀干縱軸與X軸夾角在80～85°之間，起跳離地后控制后仰的幅度。

3.3 在髖關(guān)節(jié)最高點附近，運動員軀干縱軸與Z軸夾角越大，越有利于增加背弓曲度和提高越過橫桿的高度。

3.4 在起跳和騰空過桿過程中，肩部發(fā)揮了引領(lǐng)作用。在背弓形成階段，頭部的后仰，有效促進(jìn)了肩部的“下沉”，從而加大了胸部段下降的角速度。最大背弓后，胸部段、腹部段回屈，能有效促進(jìn)腿部前屈，從而提高膝關(guān)節(jié)的高度。

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（責(zé)任編輯：何聰）

Kinematic Analysis of Trunk Rotation during Take-off and Flight Phase of Fosbury Flop

GUO Liang,WU Ying,XU Tao
（Center for Scientific Research of Guangzhou Sport University,Guangzhou 510500,China）

In order to probe into the kinematic law of trunk rotation in take-off and flight phase of back flop and by themeans of literature study,video analysis and statistics,the authorsmade a kinematic analysis of the 9 elite Chinesemale high jumpers.The result shows that the average value of the angle between the longitudinal axis and Y axis of trunk is(74.8±1.9)°,(81.3±1.9)°and(92.5±2.0)°respectively at the three time points during the take-off of athletes.The sequence of the decrease and increase of the angle of the three parts of body and XOY plane(from fast to slow)is chest＞abdomen＞hip.The conclusion of the study is that the proper angle of trunk longitudinal axis extroversion(approximately 92°)at the instant of take-off may help body avoid touching the bar and accelerate the vertical speed of body.Besides,it help body obtain enough angularmomentum.In the course of take-off and clearing the bar,the partof shoulder exerts the role of guidance.

Fosbury Flop;trunk rotation;take-off;angle;arucsdorsalis

G808

A

1006-1207（2015）05-0071-05

2015-01-15

廣東省創(chuàng)新強校項目(2014KQNCX144)；廣東省體育局項目(GDSS2014180)

郭梁，男，助理研究員，在讀博士。主要研究方向：運動生物力學(xué)。

1.廣州體育學(xué)院科學(xué)實驗中心，廣州 510500；2.上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438；3.廣州體育學(xué)院研究生部，廣州 510500