中外優(yōu)秀花樣滑冰運動員難度跳躍動作的運動生物力學研究*

龔 睿紀仲秋李 林王雪燕于立強

（1.北京師范大學體育與運動學院，北京 100875；2.吉林體育學院，吉林 長春 130022）

中外優(yōu)秀花樣滑冰運動員難度跳躍動作的運動生物力學研究*

龔 睿1紀仲秋1李 林1王雪燕1于立強2

（1.北京師范大學體育與運動學院，北京 100875；2.吉林體育學院，吉林 長春 130022）

花樣滑冰跳躍動作過程可分為以下五個階段：助滑、緩沖、起跳、騰空和落冰。采用三維錄像DLT分析法，對參加世界花樣滑冰大獎賽的我國運動員及世界優(yōu)秀選手的跳躍動作進行了運動生物力學分析，得出運動員起跳后在垂直方向的騰空高度和速度、水平方向的速度、轉體角速度、騰空時間、環(huán)節(jié)角度等運動學參數；肌電數據使用Noraxon 8通道無線遙測表面肌電測試儀進行采集并進行了科學的分析。本研究得出的結論認為，高質量的跳躍動作是助滑速度最快化、支撐腿肌力最大化和上下肢收緊展開最優(yōu)化所組成的，助滑最快化是前提，肌力最大化是基礎，肢體收展最優(yōu)化是保障。

花樣滑冰；世界花樣滑冰大獎賽；難度跳躍動作；積分肌電；運動生物力學

1 前言

花樣滑冰作為冬季奧運會的冰上比賽項目之一，結合了體育運動的力量與技巧、藝術表演的音樂與舞蹈[1]。跳躍動作作為花樣滑冰比賽中得分最高的動作類型，其難度的高低以及完成的質量直接影響運動員的最終成績。要完成一個指定的跳躍動作，其中有3個重要的因素：垂直方向的起跳速度、相對身體縱軸轉動慣量的控制以及上下肢的伸展節(jié)奏[2]。

近年來隨著花樣滑冰技術水平的不斷提高，高水平運動員在保證其他組合動作不失誤的情況下，都在努力運用高難度的跳躍動作獲取較高加分[3]。我國花樣滑冰選手從九十年代開始成長迅速，在優(yōu)勢項目雙人滑新實現(xiàn)老交替的同時著重提高單人滑運動員技術，逐步培養(yǎng)運動員的藝術底蘊，實現(xiàn)整體競技水平的提升[4]。國內花樣滑冰的運動專項研究明顯不足，特別是主要得分點——難度跳躍動作，這在很大程度上制約了此項運動的進一步發(fā)展和高難度動作的創(chuàng)新。從項目發(fā)展的角度出發(fā)，加大相應的科學研究，提高國際賽場上的競爭力，才能最終提升花樣滑冰項目的知名度，得到大眾的關注和參與[5]。

2 研究對象及方法

2.1 研究對象

世界花樣滑冰大獎賽中的10名運動員，以及競技狀態(tài)良好的2名現(xiàn)役國家隊男子運動員。

2.2 研究方法

三維標定：將拍攝的范圍規(guī)定在約10m×20m的范圍內。按左、右依次用PEAK三維框架進行了標定。有實驗對該標定精度進行測量，精度誤差不超過3%，能夠滿足本研究的需要。于比賽前和后，在不移動攝像機的情況下，對框架進行拍攝。

現(xiàn)場拍攝：在比賽過程中，使用兩臺日本JVC

GR-DVI9800sH 攝像機2臺在比賽現(xiàn)場從冰場兩側定點同步拍攝運動員跳躍動作技術的三維錄像，拍攝頻率為50Hz。

影像解析：通過艾立爾軟件處理分析運動員技術動作錄像。根據艾立爾模型構造人體16個主要的模型參數，對整個跳躍動作過程進行解析。然后對數據進行DLT法處理，將二維數據轉換為三維數據，用數值濾波法進行平滑，并計算輸出相關的數據資料。根據技術動作的數據資料結合花樣滑冰跳躍動作基本原理進行分析研究。

實驗測試法：肌電數據使用NORAXON 8通道無線遙測表面肌電測試儀進行采集，使用MRXP Master 1.07肌電分析軟件對原始肌電信號進行處理，原始肌電信號經帶通濾波(截止頻率20－500Hz)，全波整流，RMS（300ms）平滑處理。

數理統(tǒng)計：使用SPSS18.0統(tǒng)計軟件對實驗數據進行分析檢驗。所有測試指標均以平均值±標準差的形式表示。以P ＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義，應用配對樣本T檢驗分析各指標間的差異。

3 結果與分析

3.1 跳躍動作肌肉電信號

對國家花樣滑冰隊兩名王姓優(yōu)秀男子運動員（以下分別由運動員1、運動員2表示）從起跳蹬伸到落地時下肢肌電分析，選取肌肉均為支撐腿的脛骨前肌(Tibialis anterior)、腓腸肌內側頭(Medial gastrocnemius)、股直肌( Rectus femoris)、股二頭肌長頭(Biceps femoris)，其中運動員1為后內點冰三周跳，運動員2為后外點冰三周跳。

根據對圖1和圖2波峰出現(xiàn)的時間分析，運動員1和運動員2都是支撐腿的脛骨前肌和股直肌最先發(fā)力，這兩塊主動肌在起跳階段為蹬伸提供主要動力。此時作為拮抗肌的腓腸肌和股二頭肌則都在后期開始發(fā)力，但兩位運動員仍有較大區(qū)別。運動員1在起跳階段拮抗肌均處于極低的發(fā)力狀態(tài)，幾乎完全放松直到在落地時轉換成主動肌群，而運動員2的四塊肌肉在起跳階段都有較大放電，說明下肢處于非常緊張及不協(xié)調的狀態(tài)[6]

圖1 運動員1下肢各肌肉肌電值

圖2 運動員2下肢各肌肉肌電值

通過對原始肌電信號進行分析處理，運動員1起跳過程中發(fā)力最大的肌肉是脛骨前肌和股直肌，腓腸肌內側頭和股二頭肌長頭的發(fā)力較小。運動員2在起跳過程中腓腸肌內側頭和股直肌的發(fā)力最大，其次是脛骨前肌也有較大發(fā)力，最小的是股二頭肌長頭。運動員1的支撐腿肌肉力量充分且協(xié)調，在視頻中針對動作分析后發(fā)現(xiàn)其跳躍動作緩沖合理，起跳蹬伸流暢有力。運動員2在起跳前有一個明顯的停頓，整體起跳節(jié)奏把握得并不理想，支撐腿肌肉的過于緊張是導致起跳效果不佳的主要原因之一[7-8]。

表2 下肢各肌肉IEMG肌電值/μv·s

股直肌 201 372股二頭肌長頭 132 151

3.2 質心速度參數分析

對男子運動員閆某和科夫頓的后內點冰三周跳以及女子運動員李某、安娜的后內點冰三周跳進行運動學分析。

運動員起跳分為下擺和上擺兩個階段。①下擺期：身體依然保持緩沖時的直立姿勢，無任何轉體動作。兩臂和浮足的下擺要連續(xù)快速，鞭打動作要快速有力，擺動要緊靠身體。避免出現(xiàn)追求高周數而出現(xiàn)提前預轉和浮足側擺情況。②上擺期：滑腿由深曲轉為快速蹬直，要做到果斷迅速。在蹬直腿的過程中，兩臂和浮足要沿起跳弧線的切線方向的前上方擺出，為了盡早進入高速旋轉期，提高平均的旋轉速度，要采用邊擺邊收和小擺早收的技術，同時也有利于保持跳躍時的穩(wěn)定性。運動員起跳時施加動力，可進一步提高其質心速度和旋轉的角動量。起跳必須在瞬間內完成，才能保證整個動作的流暢和成功[9]。

運動員的主運動方向與空間坐標的關系如圖3所示，X軸與運動員前進主方向平行，Y軸表示左右兩側方向，Z軸表示垂直方向。

圖3 運動方向坐標系

閆某在起跳過程的參數如圖4，起跳蹬伸過程用了0.32s；由X、Y軸計算的水平方向質心速度從5.62 m·s-1下降至2.91 m·s-1，減少量為2.71 m·s-1；Z軸垂直方向質心速度達到3.08 m·s-1，離冰后身體的騰起角度為31.0°?？品蝾D在起跳過程的參數如圖5所示，起跳蹬伸過程用了0.24s，由X、Y軸計算的水平方向質心速度從5.68 m·s-1下降至2.61 m·s-1，減少量為3.07 m·s-1；Z軸垂直方向質心速度增加到2.84 m·s-1。由此獲得的離冰后身體的騰起角度為29.8°。

在兩人Y軸方向質心速度相近的情況下，閆某X軸方向的質心速度遠遠大于科夫頓，從而使得質心三維合速度要明顯高于對手。在垂直和水平方向質心速度均占有優(yōu)勢的情況之下，閆某的后內點冰三周跳擁有足夠的騰空高度和跳躍遠度，動作完成的質量非常高，空中滑行做到即飄又遠[10]。閆某Z軸方向質心速度并非平穩(wěn)上升，而是在0.12s時出現(xiàn)了下降，原因是閆某支撐腿的膝關節(jié)角度僅為101.8°，而科夫頓的膝關節(jié)角度為127.7°，導致大腿主要伸肌群未能處于最大發(fā)力狀態(tài)[11]。同時，快速起跳時膝關節(jié)角度過低，也會對關節(jié)造成巨大的負擔，如果運動員在訓練中長此以往，導致膝關節(jié)損傷的概率也會大大提升。隨后膝關節(jié)角度的逐漸增加，閆某的Z軸方向質心速度曲線也開始明顯上升，最大速度甚至超越科夫頓。相關研究表明，起跳蹬伸的最大峰值力矩隨著膝關節(jié)角度的增加而增大，并且在135°到150°之間達到最大值[12-13]。

圖4 閆某質心速度

圖5 科夫頓質心速度

3.3 質心位移參數分析

表1 國內外男子運動員點冰跳空中質心位移/m及騰空時間/s

如表1所示，完成三周跳的運動員騰空時間均在0.60s以上，完成四周跳的高松和張民兩位運動員其騰空時間均在0.7s以上，Z軸垂直方向的位移均在0.6m以上。值得注意的是同樣嘗試四周跳的科利木肯在落冰時出現(xiàn)了失誤并未完成預定動作，在分析他的騰空時間和Z軸位移時發(fā)現(xiàn)數值為0.68s和0.57m，兩項數據都要低于成功完成四周跳的高松和張民兩位運動員。在對Z軸方向的位移與相應騰空時間進行對比時，國內男子運動員要顯著高于國外男子運動員，說明我國男子單人項目成績正在逐漸提高，并在一些國際賽事中有優(yōu)異的表現(xiàn)。

騰空時人體受到的外力只有重力（空氣阻力忽略不計），從自由落體公式再根據機械能守恒定律，進一步證實Z軸位移是由起跳時所給予的Z軸方向的初速度決定，即起跳時垂直方向速度越大，騰空高度越大，騰空時間越長。運動員在直線滑行時所積累的水平方向速度是起跳時速度的基礎，而在蹬伸階段充分運用快速力量，使身體獲得最大限度向上的速度則是關鍵的技術環(huán)節(jié)[14-15]。

4 結論

4.1 要完成高質量的跳躍動作，必須以起跳瞬間較快的水平速度與垂直速度作為前提，水平速度越大，空中滑行距離越遠；垂直速度越大，則騰空時間越長，垂直騰空距離越大；4.2花樣滑冰跳躍動作的最主要力量來自下肢支撐腿的肌肉力量，因此要特別重視肌肉最大力量訓練。不僅如此，動作的流暢和協(xié)調歸結于肌肉發(fā)力的協(xié)調，在發(fā)展力量的同時也要結合協(xié)調性練習，掌握合理的膝關節(jié)屈伸角度，以達到肌力最大化；

4.3 在點冰類跳躍動作的起跳過程中，最先發(fā)力的肌肉是脛骨前肌和股直肌，腓腸肌與股二頭肌發(fā)力在后。起跳時肌肉過于緊張，導致發(fā)力順序不合理，會直接影響蹬伸過程的流暢性，動作質量大打折扣；

4.4 騰空時高度不足和身體旋轉角速度過低，會導致無法完成指定周數，甚至影響落冰前上肢和下肢展開的合理性和充分性，因此保證足夠的騰空高度和旋轉角速度直接關系到運動員跳躍動作的完成質量。

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Sports Biomechanics Research on the Difficulty Movement of Chinese and Foreign Outstanding Figure Skaters

GONG Rui, etal.
(Institute of PE and sports, Beijing normal university, Beijing 100875, China)

Jumps of the figure skating skil can be divided into the following five stages: slip, buffer, jump, fly, and ice. Using the three-dimensional DLT video analysis, this paper carries out the biomechanics analysis of the jumps of Chinese and the foreign athletes attending the world figure skating grand prix. The kinematical parameters of athletes in the vertical direction after the jump ,such as the height and suspension speed, speed of the horizontal direction, spin angular velocity, hang time, link angles are gained; The electrical data is collected by Noraxon 8 channel ireless remote sensing electric tester and scientificaly analyzed. This study concludes that high quality jumps consist of fastest slip, the maximum support leg muscle strength, the optimization of upper and lower limbs tightening on; slip the fastest is the premise, premise of maximum strength is the the base, the optimization of limb tightening on is the guarantee.

figure skating; the world figure skating grand prix; difficulty of jumps; integral muscle electricity; sports biomechanics

教育部人文社科課題（11YJA880037）；國家體育總局索契冬奧會奧運攻關課題（2012A020）；北京師范大學課題基金資助項目（12-01-13）。

龔睿（1991-），湖南邵陽人，研究生，研究方向：運動人體科學。