競技體操中力學原理的探討①

王夢囡（廣州體育學院研究生部　廣東廣州　510000）

競技體操中力學原理的探討①

王夢囡
（廣州體育學院研究生部廣東廣州510000）

摘 要：近幾年體操技術(shù)迅猛發(fā)展，掌握新難動作以及對一般動作的精細推敲，是取得優(yōu)異成績的重要途徑。而無論是創(chuàng)新還是精細推敲都必須從力學原理中尋找依據(jù)。隨著體操力學的發(fā)展，將會更加有效地促進體操運動的進步。根據(jù)競技體操的特點和動作技術(shù)原理，該文旨在介紹力學原理在體操運動中運用的實際情況，力求尋找較為合理的學習體操動作和創(chuàng)新體操動作的道路。運用力學原理對體操動作的受力進行分析，試圖為體操技術(shù)創(chuàng)新和教學提供一點參考價值。

關(guān)鍵詞：競技體操動作分析力學原理創(chuàng)新

在人們將科學定理以阿基米德、牛頓、開普勒來命名時，同樣體操界也延續(xù)了這一傳統(tǒng)。于是乎，外界對冢原空翻、特卡切夫騰越、李寧吊環(huán)、程菲跳、托馬斯全旋皆耳聞則誦。任何一項體育運動都沒有這么長的清單，就連簡單的跳馬的標準動作就有100多個。競技體操高度地彰顯出了人類的智慧、靈活和力量，展示了人征服和支配自然的創(chuàng)造力。這一切都必須以科學為依據(jù)。

1　研究對象和方法

1.1研究對象

人體完成體操動作時的運動及體操動作。

1.2研究方法

主要采用文獻資料法、錄像觀察法、理論分析法等方法進行研究。

2　結(jié)果分析

體操正式成為比賽項目是在1896年的首屆奧運會上。體操出現(xiàn)早期水平低，界定模糊，缺乏客觀依據(jù)的評判，存在曖昧而含混的“印象分”標準，到1954年才首次將體操動作分成A、B、C三個難度等級，并賦予確定分值。D組難度在1985年增設(shè)，之后增設(shè)了E組、超E組，不過仍然無法趕上動作難度日趨變化的速度。如今F組和G組甚至是H組、I組已經(jīng)納入了很多高難動作。國際體操聯(lián)盟1997年決定將比賽中的規(guī)定動作取消，提供更多的機會讓運動員展示高超的水平。取消規(guī)定動作和單項錦標賽大大促進了運動員進行自選動作。與此同時增大了加分，對動作難度的要求也就更高了，這就是運動員不得不加大動作難度的原因。雖然存在花樣百出的套路，不過從力學的角度進行剖析，則能將繁瑣的令人眼花繚亂的動作變簡單，還能找出其中的規(guī)律所在。

2.1體操動作分析

2.1.1屈伸動作分析

屈伸類動作是競技體操項目上的簡單動作，沒有難度價值，只是作為成套動作之間的連接動作。目前經(jīng)常使用的有屈伸起換握、跳換、跳轉(zhuǎn)和反握屈伸上。

這類動作主要的技術(shù)原理是通過軀干的屈伸及屈伸后的制動，使人體獲得動量和運動速度，并通過合理地調(diào)配，完成動作。屈伸懸垂時身體要緊，重心盡量遠離握點，在懸垂后擺中，沿前上方伸髖、制動、壓臂并扣腕上成支撐。掌握好屈伸時間、方向及有力的制動是完成動作的關(guān)鍵。

2.1.2鞭打動作分析

在單杠的下法及擺越動作中，為了獲得較高的騰空高度，廣泛采用了“鞭打”的技術(shù)?！氨薮颉钡淖饔弥饕袃蓚€：一個是加快遠端環(huán)節(jié)的擺動；二是加大單杠的彈性變形，在恢復變形時，使身體得到更大的上升力。對于加快擺動是容易理解的，在杠下垂直部位后，提高踢腿的速度，因而可以加大角速度，加快擺動。腿的擺動角速度等于軀干角速度加上屈髖的角速度。正是由于鞭打中兩腿對身體產(chǎn)生較大的相對角速度，使兩腿產(chǎn)生很大的向下的慣性離心力，通過身體傳至單杠，引起單杠急劇下沉變形，在恢復變形時身體便得到較大的上升力。

2.1.3起跳和推手動作分析

起跳和推手后要求身體重心具有足夠的水平速度和垂直速度，并且身體進入騰空后要有足夠的翻轉(zhuǎn)能量。這三個指標就是起跳和推手技術(shù)好壞的標準。在獲得垂直速度過程中，水平速度起著重要的作用，一方面要求水平速度要大些，另一方面制動性的推手和起跳又耗損一部分水平速度。同樣，翻轉(zhuǎn)速度又與水平速度有著密切的聯(lián)系。水平速度越高，翻轉(zhuǎn)速度也越高。顯然，獲得最高的垂直速度并同時獲得最高的翻轉(zhuǎn)速度，二者之間是有矛盾的。一方面有所得，在另一方面就要有所失。應(yīng)根據(jù)個人的不同時期的不同特點，選擇技術(shù)上的主要矛盾，并且選擇各因素的最佳值，以此來進行教學和訓練

2.1.4再握動作分析

單杠和高低杠難度發(fā)展的重要方向就是騰空“再握”接動作。這類動作的特點就是，在支撐過程中，要獲得一個適宜的水平速度，適宜的水平速度（有的動作要有較高的垂直速度）和適宜的轉(zhuǎn)動速度。這三個速度過大和不足都是造成動作失敗的原因。例如單杠的騰越再握，必須使身體重心的拋物線通過最佳再握點，才比較有把握成功。在分析具體動作時，應(yīng)首先確定某運動員的最佳再握點范圍，然后再分析運動員騰空拋物線是否恰當，從而才可能去研究脫手動作技術(shù)的合理性。動作是否能完成，關(guān)鍵技術(shù)是脫手時機及重心拋物線的軌跡是否妥當。因此，確定最佳再握點的范圍并不是目的，而目的是解決關(guān)鍵技術(shù)。使動作完成的高、飄、美、穩(wěn)。

2.1.5旋轉(zhuǎn)類動作分析

雖然人和別的非生命體有區(qū)別，不過不影響其簡化為多剛體系統(tǒng)的力學模型。沿著有支撐點的實體軸轉(zhuǎn)動是體操中常見的一種旋轉(zhuǎn)，其中實體軸也包括單杠、雙杠、高低杠等，而支撐點就是運動員懸垂擺動及回環(huán)動作中的握杠點。

有支撐點無實體軸的轉(zhuǎn)動包括平衡木的720度吸腿轉(zhuǎn)體、1080度立轉(zhuǎn)和自由體操等，踮起腳尖是為了減小支撐面產(chǎn)生的摩擦力矩。在體操動作中也運用這種方法，例如在技巧中空翻轉(zhuǎn)體，可在起跳的一剎那，外力矩的沖量以兩腳為支點獲得，讓頭和肩及軀干等遠端環(huán)節(jié)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)體動量矩。如跳馬手翻接空翻轉(zhuǎn)體的動作，可在推手時，用兩手來支撐，形成外力矩，轉(zhuǎn)體動量矩從兩腳開始獲得，通常在支撐階段，遠側(cè)端身體部分大約可以扭轉(zhuǎn)90°。這樣的扭轉(zhuǎn)就要求肌肉完成很多工作，有時還會給充分有力的“蹬”和“推”帶來不利的影響。所以，在支撐階段獲取轉(zhuǎn)體動力的同時，可能

會使空翻速度和重心騰起的高度降低。與空翻速度和騰空高度相矛盾，則不可以通過支撐來獲得轉(zhuǎn)體動力，而是在空中獲得轉(zhuǎn)體動力。

人體在空中沿著自身左右方向的“踺子”，沿著豎直方向的旋轉(zhuǎn)和沿著前后方向的“筋斗”，則圍繞著三維坐標中三條非實體軸線，以身體的質(zhì)心為原點。所有復雜的機械運動都能夠分解成獨立的轉(zhuǎn)動和平動，且不相互影響和干擾，它們之間只有疊加和合成的關(guān)系。稍微注意就可以發(fā)覺，一個720°的“筋斗”要在空中實現(xiàn)，運動員的身體須“抱成一團”，因為高速的轉(zhuǎn)動很難在筆直的姿勢下完成，這也形象地演示了角動量守恒定律。轉(zhuǎn)動慣量和角速度的乘積就是任何一個旋轉(zhuǎn)物體的角動量，轉(zhuǎn)動物體的慣性就是轉(zhuǎn)動慣量，其與質(zhì)量是正比例關(guān)系，和離開轉(zhuǎn)動軸垂直距離的平方成正比。體操運動員“直體”的質(zhì)量分布離轉(zhuǎn)動軸最遠，因此轉(zhuǎn)動慣量是最大的；“屈體”是通過上下肢折疊，使身體質(zhì)量分布與旋轉(zhuǎn)軸更接近，從而減小轉(zhuǎn)動慣量；“團身”是將肢體緊緊疊成三折，使身體質(zhì)量最大限度地靠攏轉(zhuǎn)軸，達到轉(zhuǎn)動慣量最小。利用轉(zhuǎn)動慣量的可變性，運動員通過身體姿勢及旋轉(zhuǎn)軸的改變來對動作進行控制。這也是落地前要立刻“打開”身體，利用轉(zhuǎn)動慣量的增加來“剎住”旋轉(zhuǎn)的原因。

2.2人體運動形態(tài)分析

2.2.1人體的平動

人體的平動是指人體在運動時身體內(nèi)所有的直線始終保持與自身平行。體操動作中，整個人體做平動的情況是很少見的，但是某些環(huán)節(jié)在某些場合下卻要做平動。例如，雙杠后空翻成手倒立支撐前擺中，在踢腿后的制動腿時，兩腿就在一定時間內(nèi)做平動。體操運動中一直經(jīng)常提到的“制動”就是指處于平動狀態(tài)，而不是不動。在雙杠掛臂前擺上的動作中，在掛臂撐轉(zhuǎn)向支撐的過度階段，上體也是處于平動狀態(tài)。在許多動作中即使表現(xiàn)不出明顯的平動形式，但是仔細分析后，便會發(fā)現(xiàn)它也包含有平動的因素

2.2.2人體的相向運動

在空中，由于群肌的收縮使身體兩部分同時接近的運動，就叫相向運動。在體操動作中主要是指髖關(guān)節(jié)屈或伸時，軀干與下肢同時向相接近的方向運動的情況。這時相向運動有時是有害的，有時是有利的。因此，應(yīng)研究它的產(chǎn)生條件，以便根據(jù)需要克服它或加強它。

體操動作中，絕大多數(shù)情況下應(yīng)克服相向運動，所以了解產(chǎn)生相向運動的條件是十分重要的。我們知道上體的重力矩和轉(zhuǎn)動慣量都大于下肢。當通過低頭、含胸收腹、把兩臂放于腹側(cè)時可以把上體的重力矩減少并把轉(zhuǎn)動慣量減少，這可以提高上體的角加速度和運動幅度，這時，便容易出現(xiàn)上體和下肢同時相接近的運動。如果把兩臂上舉，梗頭固定軀干時，便能最大限度地增大上體的重力和轉(zhuǎn)動慣量，這時上體角加速度就降低，就可以克服相向運動。重力矩和肌肉拉力矩同方向時，重力矩就不是阻力矩了，而改變了動力矩。因此，應(yīng)減少還是增加重力矩還是要根據(jù)具體的姿勢具體分析，不能一概而論。

2.3體操中落地原理分析

落地的穩(wěn)定性是體操動作中的重要課題。隨著多周多轉(zhuǎn)的各種復雜動作的出現(xiàn)，落地時重心向下和向前的沖擊力量加大，而且落地時除了有繞身體橫軸的翻轉(zhuǎn)速度之外，還可能有繞身體的縱軸的翻轉(zhuǎn)。這就要求落地時，要緩沖重心的垂速度和水平速度，要緩沖掉各種翻轉(zhuǎn)速度，使身體重心保持在雙腳支撐面上方穩(wěn)定落地。通過復雜而高速的空中運動后，在0.1 s間落地并完全靜止，此時因翻轉(zhuǎn)和重力產(chǎn)生的沖擊力大于運動員自身10倍的體重，要想穩(wěn)穩(wěn)地落地，合外力矩的能量必須要比腳的最大恢復能量小。好的動作“騰空高，落地近”，使弧度保持較大，把兩只腳落在身體重心速度的延長線上面，要是在展體過程中沒有“消耗”完旋轉(zhuǎn)的角動量，那么落地后會繼續(xù)作用，從而導致身體失衡。尤其重要的是，人體落地承受的“沖量”等于時間和力的乘積，所以要減少沖擊力就只能使作用時間延長。除墊子使用外，前掌著地后快速過渡到全腳掌，且按照正確順序使髖、膝、踝關(guān)節(jié)作急劇的退讓性收縮，這種“緩沖”動作能使腳與地面的作用時間有效延長。運動員“下法動作”的最高境界就是所謂的“旋轉(zhuǎn)如風，落地如釘”。

3　結(jié)語

（1）體操新的動作技術(shù)會不斷更新，使之更加科學，從而達到理想的程度。新的編排、新的連接也是技術(shù)發(fā)展的必然。因此體操的發(fā)展更鐘情于科學。

（2）競技體操動作創(chuàng)新要依據(jù)力學，不違背科學原理。在實踐中應(yīng)根據(jù)具體情況，確定影響運動技術(shù)提高的主要矛盾，辯證地處理了這個矛盾。

（3）分析動作時要搞清普遍性與特殊性的關(guān)系，注意找到不足之處。不應(yīng)把錯誤之處誤以為個人動作的特殊性。反過來，也不應(yīng)該把正確的個人技術(shù)誤以為是錯誤技術(shù)。

（4）在分析動作時，要抓住動力和阻力這一對矛盾進行研究。

參考文獻

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作者簡介：①王夢囡（1990，12—），女，河南商丘人，廣州體育學院研究生部在讀碩士，研究方向：體育教育訓練學。

中圖分類號：G80

文獻標識碼：A

文章編號：2095-2813（2015）02（a）-0255-02