背向滑步式擲鉛球的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析*

劉永浩

(西安工業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院,西安 710032)

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背向滑步式擲鉛球的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析*

劉永浩

(西安工業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院,西安 710032)

摘要：為探索優(yōu)秀男子鉛球運(yùn)動(dòng)員個(gè)體動(dòng)作技術(shù)特征；文中利用瑞士產(chǎn)AOS高速攝像運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，其中兩臺(tái)攝像機(jī)以120幀/s拍攝頻率進(jìn)行三維同步拍攝，截?cái)囝l率為6 Hz；建立20個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的人體和器械模型，數(shù)據(jù)解析應(yīng)用美國產(chǎn)Kwon3D軟件進(jìn)行解析；應(yīng)用EXCEL2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。得到鉛球投擲各個(gè)階段的關(guān)節(jié)角度、耗時(shí)、末速度、肢體位移、鉛球出手速度、高度、角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及相關(guān)動(dòng)作特征畫面人體棍圖或鉛球運(yùn)動(dòng)軌跡.通過對(duì)兩名樣本運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的分析，得出鉛球的運(yùn)動(dòng)成績構(gòu)成中，出手初速起主導(dǎo)作用，出手角次之，出手高度作用最小.

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)員；背向滑步;鉛球；三維運(yùn)動(dòng)

背向滑步與旋轉(zhuǎn)推鉛球是現(xiàn)代鉛球投擲技術(shù)兩大主流，而背向滑步推鉛球?yàn)閲鴥?nèi)多數(shù)運(yùn)動(dòng)員所采用,如獲得2008年全國田徑錦標(biāo)賽前八名的7名男子鉛球運(yùn)動(dòng)員均采用背向滑步推鉛球技術(shù)[1]，2012 年第30 屆奧運(yùn)會(huì)同時(shí)闖入奧運(yùn)會(huì)前八名的3名中國女子鉛球隊(duì)員[2-4].從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度分析，鉛球運(yùn)動(dòng)為斜拋運(yùn)動(dòng)，水平位移主要與出手初速度、出手角度和出手高度3參數(shù)共同決定的[5-9].鉛球高水平運(yùn)動(dòng)成績與有效技術(shù)密不可分.因此，研究背向滑步推鉛球三維運(yùn)動(dòng)學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.鉛球投擲技術(shù)既有共性特征，也一定存在個(gè)體差異.前人許多研究主要針對(duì)其共性研究較多.文獻(xiàn)[10]對(duì)現(xiàn)階段在役優(yōu)秀男子鉛球運(yùn)動(dòng)員的投擲技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)診斷和分析，得出了投擲技術(shù)共性特點(diǎn).文獻(xiàn)[11]根據(jù)世界田徑錦標(biāo)賽男子鉛球決賽選手成績的生物力學(xué)報(bào)告數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員投擲技術(shù)進(jìn)行了生物力學(xué)分析.

而鉛球投擲技術(shù)個(gè)體差異較大，國內(nèi)研究中優(yōu)秀鉛球運(yùn)動(dòng)員投擲技術(shù)個(gè)案分析鮮有報(bào)道.故本研究目的是通過三維運(yùn)動(dòng)解析探索優(yōu)秀男子鉛球運(yùn)動(dòng)員個(gè)體動(dòng)作技術(shù)特征，以期為個(gè)體技術(shù)改進(jìn)提供幫助，強(qiáng)化其技術(shù)訓(xùn)練具有重要指導(dǎo)意義，也將對(duì)高校鉛球技術(shù)教學(xué)提供理論依據(jù).

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

國家健將級(jí)鉛球男子運(yùn)動(dòng)員2名，無重大病史，身體健康.①樣本1，年齡24歲，身高1 930 mm，體重122 kg.②樣本2，年齡28歲，身高1 910 mm，體重110 kg.為保證測(cè)試準(zhǔn)確性，測(cè)試前24 h未進(jìn)行力量訓(xùn)練，且運(yùn)動(dòng)能力良好.

1.2研究方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)測(cè)量法

利用瑞士產(chǎn)AOS高速攝像運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，兩臺(tái)攝像機(jī)(型號(hào)：S-PRI(plus))以120幀/s拍攝頻率進(jìn)行三維同步拍攝，截?cái)囝l率為6 Hz；其中一臺(tái)正對(duì)投擲方向右側(cè)面，置另一臺(tái)于同側(cè)面，兩臺(tái)攝像機(jī)相距20 m，主光軸夾角60°，機(jī)高1.2 m.空間坐標(biāo)標(biāo)定應(yīng)用三維框架進(jìn)行.三維現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1所示.

1.2.2人體-器械模型建立及解析誤差

建立20個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的人體和器械模型(鉛球重7.257 kg，數(shù)據(jù)解析應(yīng)用美國產(chǎn)Kwon3D軟件進(jìn)行解析；通過人工打點(diǎn)處理，人工打點(diǎn)誤差為0.70 cm.

1.2.3數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

應(yīng)用EXCEL2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,用SPSS 15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.所有數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差描述，統(tǒng)計(jì)方法采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，以P<0.05為顯著性差異，以P<0.01為非常顯著性差異.

圖1　三維攝影現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2結(jié)果與分析

在訓(xùn)練中，根據(jù)三維立體定機(jī)攝影攝像測(cè)量方法解析得到鉛球運(yùn)動(dòng)員背向滑步推鉛球動(dòng)作運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù).圖2～圖8分別示意了不同角度解析的人體棍圖,從圖2～圖7中，可直觀地看到關(guān)鍵動(dòng)作姿勢(shì)特征畫面,以便供教練員、運(yùn)動(dòng)員、科研人員觀察技術(shù)動(dòng)作細(xì)節(jié)，再結(jié)合數(shù)據(jù)，使得教練員，尤其是運(yùn)動(dòng)員對(duì)自己的技術(shù)有深刻理解，在以后的技術(shù)改進(jìn)中有所感悟.圖8分別表示兩名運(yùn)動(dòng)員鉛球的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，表明了鉛球從開始到鉛球出手瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖2　樣本1開始階段重心最高人體棍圖

據(jù)鉛球動(dòng)作結(jié)構(gòu)特點(diǎn),文獻(xiàn)[12]將背向滑步鉛球運(yùn)動(dòng)分為開始階段、滑步階段、過度步階段、最后用力階段共4個(gè)階段.以右手投擲為例，本次實(shí)驗(yàn)中開始階段是指從左腳跟在最高點(diǎn)時(shí)到右腳離地前動(dòng)作過程； 滑步階段是指從右腳離地到右腳落地動(dòng)作過程；過度步階段是指從右腳落地到左腳落地動(dòng)作過程；最后用力階段是指從雙支撐開始到鉛球出手為止動(dòng)作過程.

圖3　樣本1重心最低時(shí)人體棍圖

圖4　樣本1鉛球出手瞬間人體棍圖

圖5　樣本2開始階段重心最高人體棍圖

圖6　樣本2重心最低時(shí)人體棍圖

圖7　樣本2鉛球出手瞬間人體棍圖

圖8　樣本1和樣本2的鉛球軌跡圖

開始階段關(guān)節(jié)部分指標(biāo)見表1,在開始階段，樣本1右肘關(guān)節(jié)、右肩關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)和樣本2相比，根據(jù)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，并不具有顯著性差異，P值分比為0.36，0.77，0.81，0.98.一般而言，持球姿勢(shì)越接近身體中心軸,各關(guān)節(jié)角度越小，姿勢(shì)越緊湊，人和器械結(jié)合的完整性越好，更利于快速移動(dòng).樣本1右肩關(guān)節(jié)、右肘關(guān)節(jié)角度Δα變化較樣本2的大,對(duì)于快速運(yùn)動(dòng)身體姿勢(shì)的控制不利.樣本1開始階段用時(shí)較長，主要和樣本1右髖關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)角度變化較大有關(guān)見表2.

由表2可以看出,在滑步、過渡步階段樣本1用時(shí)較樣本2小,表明樣本1的滑步、過渡步階段相互銜接較緊密,這兩部分銜接速度結(jié)構(gòu)較合理.而樣本2從開始階段到滑步階段銜接緊密，速度結(jié)構(gòu)整體分布較合理.

背向滑步推鉛球過程中，人、鉛球是連續(xù)加速,各個(gè)階段都必須重視速度和加速度的變化.實(shí)際上鉛球動(dòng)作是連貫整體,只是為了研究的需要才人為劃分階段的，所以其動(dòng)作技術(shù)必須強(qiáng)調(diào)整體效果.

最后用力階段時(shí)間特別要注意，在合理的范圍內(nèi)，和鉛球出手速度緊密相關(guān).

表1　開始階段關(guān)節(jié)部分指標(biāo)

表2　各階段時(shí)間比較表

由表2可看出，樣本2的用力時(shí)間為0.267 s，樣本1的用力時(shí)間為0.250 s.在一定的范圍內(nèi),假設(shè)作用力F相等,用力時(shí)間越長,根據(jù)動(dòng)量定理，鉛球獲得出手速度越大.在用力階段，樣本2用時(shí)間較長,所以鉛球出手速度較大.而樣本1用力階段用時(shí)較短，鉛球出手速度相對(duì)較小.由表1關(guān)節(jié)角度變化、時(shí)間變化，得出以上結(jié)論，與表3的實(shí)測(cè)值相符.

樣本1的滑步距離較樣本2長,可能的原因是步幅大小不同所致見表3.在鉛球最后用力階段增大鉛球工作距離的關(guān)鍵因素中，樣本1雙支撐距離、鉛球做功距離較樣本2短，是導(dǎo)致鉛球出手速度較小主要因素之一.由表3可以看出,在用力階段，Y方向距離樣本2較長,鉛球用力階段最低到最高點(diǎn)斜線距離也較長，說明樣本2對(duì)鉛球做功距離較長，是樣本2鉛球出手速度較大的原因之一.

在各階段樣本1使得鉛球所獲得的速度占出手速度的百分比較低,而樣本2較高，見表4.文獻(xiàn)[13]認(rèn)為優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員在推鉛球過程中鉛球在滑步階段獲得速度一般為出手速度15%左右；過渡步階段鉛球的速度應(yīng)保持不變或略有增加,達(dá)到出手速度的15%～20%左右,顯然，樣本1比例不符合這一規(guī)律，而樣本2基本符合這一研究結(jié)果.因此，從整體看樣本2的動(dòng)作速度結(jié)構(gòu)較合理,樣本1應(yīng)加強(qiáng)動(dòng)作技術(shù)銜接訓(xùn)練，使其速度結(jié)構(gòu)比例接近或符合優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的比例，其運(yùn)動(dòng)成績將會(huì)有較大提高.在訓(xùn)練中，教練員、運(yùn)動(dòng)員應(yīng)針對(duì)樣本1每一環(huán)節(jié),細(xì)化技術(shù),教練員時(shí)刻加以提示，科研人員實(shí)時(shí)加以動(dòng)作跟蹤分析，及時(shí)反饋給教練員、運(yùn)動(dòng)員，使其動(dòng)作技術(shù)更加連貫，比賽成績將會(huì)有大的進(jìn)步.

表3　距離參數(shù)比較表

表4　各階段速度比較表

(出手速度=滑步末速/過渡步末速)“%”為滑步速度在出手速度的百分比，動(dòng)量轉(zhuǎn)移占比越高說明動(dòng)作運(yùn)用越合理

特別是在鉛球運(yùn)動(dòng)“速度一節(jié)奏結(jié)構(gòu)”技術(shù)中，特定階段的基本技術(shù)為掌握完整技術(shù)打基礎(chǔ).“過渡步階段”(滑步后從右腳落地到左腳落地)的速度結(jié)構(gòu)是研究完整技術(shù)中的一個(gè)重要指標(biāo).因?yàn)槠鹬猩蠁⑾碌淖饔谩斑^渡步階段”是完整技術(shù)中非常重要的環(huán)節(jié).該環(huán)節(jié)動(dòng)作的銜接好壞將直接影響最后用力加速的效果.該階段為最后用力形成較為合理的身體姿勢(shì)，并保持或適當(dāng)增加鉛球在滑步中獲得的速度.以往訓(xùn)練中，因?yàn)檫^分強(qiáng)調(diào)超越器械動(dòng)作的完成,注意了動(dòng)作效果,忽視了速度結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致過渡步階段速度過慢，破壞了合理完整技術(shù)速度結(jié)構(gòu),抑制了運(yùn)動(dòng)成績的進(jìn)一步提高.

誠然,高水平運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練課中除了技術(shù)訓(xùn)練外，還有力量、柔韌等訓(xùn)練,這些因素也是影響運(yùn)動(dòng)成績的主要因素之一.使力量等素質(zhì)和技術(shù)訓(xùn)練緊密的結(jié)合起來,訓(xùn)練效果將會(huì)更好，對(duì)運(yùn)動(dòng)成績的提高有更大的促進(jìn).

樣本1右肩關(guān)節(jié)、右肘關(guān)節(jié)角度在鉛球出手瞬間較樣本2的大,表明1上肢伸展較充分,而2的右肘關(guān)節(jié)打開角度較小.1的左踝關(guān)節(jié)角度、左膝關(guān)節(jié)、左髖關(guān)節(jié)在鉛球出手瞬間較2的小,提示1的下肢伸展相對(duì)較差見表5.因此，在鉛球出手瞬間，樣本1應(yīng)充分伸展下肢，而2應(yīng)充分伸展上肢.出手高度這一參數(shù)和個(gè)子高低、手臂長短有關(guān)，樣本1的個(gè)子較高，加之出手瞬間，1具有騰起動(dòng)作，因此樣本1的鉛球出手高度較高.結(jié)合表5，相比較世界部分優(yōu)秀鉛球男女運(yùn)動(dòng)員的出手角度(男，出手角度均值35.8°±1.4，成績均值21.55±0.50；女，出手角度均值36.1°±1.3，成績均值21.39±0.72)，表明樣本1的出手角度為49.7°較大，而2的出手角度為39.4°較合理.

表5　鉛球出手瞬間相關(guān)指標(biāo)

研究認(rèn)為推鉛球的出手角度在37°～41°之間，小于45°[14].鉛球運(yùn)動(dòng)是拋射點(diǎn)高于落地點(diǎn)，故其最佳出手角度不是45°.文獻(xiàn)[15]在對(duì)世界優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員出手參數(shù)及成績進(jìn)行分析，認(rèn)為優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員理想的出手角度為37°～ 39°.忽略其它因素，如果出手初速度和出手高度固定不變，最理想出手角度是41°～42°.因?qū)ｍ?xiàng)技術(shù)特點(diǎn)和個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)際上優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員出手角度大多數(shù)低于理論上的出手角度，而采用35°～39°.在此出手角度范圍內(nèi)，也許更有助于整體肌肉力量的傳遞、轉(zhuǎn)化，提高出手初速度.

由落點(diǎn)低于拋射點(diǎn)地點(diǎn)的拋射距離公式

(1)

式中：s為距離；V0為鉛球出手速度；α為鉛球出手角度；h為鉛球出手高度；g為重力加速度.實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)代入式(1),經(jīng)計(jì)算得樣本1，S=18.99m，樣本2,S=19.55m.

在鉛球訓(xùn)練中，為了減少運(yùn)動(dòng)損傷，應(yīng)用較輕的6 kg鉛球訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)其技術(shù)動(dòng)作并沒有改變[16]，這對(duì)于預(yù)防損傷有很好作用.在以前的訓(xùn)練中，樣本1出現(xiàn)過運(yùn)動(dòng)損傷，除了身體機(jī)能、肌肉疲勞等其它因素外，通過多次投擲動(dòng)作技術(shù)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在的動(dòng)作技術(shù)上缺陷.由于以前訓(xùn)練，動(dòng)作技術(shù)優(yōu)劣判別主要是依靠教練員經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練，幾乎未應(yīng)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)手段做相關(guān)技術(shù)診斷.若一個(gè)運(yùn)動(dòng)員首先不是以提高技術(shù)的途徑來不斷提高專項(xiàng)成績，而試圖通過發(fā)展最大力量，提高成績，那么他將可能出現(xiàn)最佳技術(shù)與運(yùn)動(dòng)素質(zhì)嚴(yán)重失調(diào)，或出現(xiàn)隨時(shí)受傷的風(fēng)險(xiǎn).

根據(jù)式(1)可以計(jì)算成績的理論值.假設(shè)樣本1在鉛球出手速度、高度不變的情況下，出手角度適當(dāng)減小(在合理范圍內(nèi))，由49.7°降到41°，由計(jì)算得出，成績?cè)黾咏?.6 m.假設(shè)樣本1在鉛球出手高度、角度不變的情況下，出手速度若有0.1 m·s-1的提高，成績將會(huì)增加近0.9 m.樣本2也具有同樣的情形.鉛球出手速度對(duì)鉛球成績的提高，較之在一定范圍內(nèi)減少出手角度帶來的微小損失，起到主要作用.因此，在訓(xùn)練中要狠抓技術(shù)細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上加大力量訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)成績將會(huì)有進(jìn)一步的提高.

本研究也存在一定的局限.實(shí)驗(yàn)中測(cè)試存在系統(tǒng)誤差,應(yīng)用軟件處理人體建模進(jìn)行的人工打點(diǎn)也存在人為誤差,故所解析數(shù)據(jù)存在一定的誤差.我們應(yīng)用訓(xùn)練的動(dòng)作技術(shù)解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，而訓(xùn)練和比賽情況是具有一定差別的.希望教練員、對(duì)運(yùn)動(dòng)員要注意區(qū)別.特別是運(yùn)動(dòng)員應(yīng)對(duì)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)或不足真正有所了解,為自己的技術(shù)改進(jìn)有所幫助，也希望本研究能為高校鉛球教學(xué)提供動(dòng)作技術(shù)指導(dǎo).

3結(jié) 論

根據(jù)三維立體定機(jī)攝影攝像測(cè)量方法解析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在各階段樣本1擲鉛球所獲得的速度占出手速度的百分比較低,從整體看樣本2動(dòng)作速度結(jié)構(gòu)較合理.

根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算再次證明，在合理的范圍內(nèi)，比較而言，鉛球的運(yùn)動(dòng)成績構(gòu)成中，出手初速起主導(dǎo)作用，出手角次之，出手高度作用最小.

建議運(yùn)動(dòng)員反復(fù)觀看自己訓(xùn)練錄像，在訓(xùn)練過程中加強(qiáng)力量訓(xùn)練和動(dòng)作技術(shù)改進(jìn)，提高出手速度的同時(shí)有意識(shí)控制鉛球出手角度.加強(qiáng)技術(shù)訓(xùn)練監(jiān)控力度，以便使自己的盡快建立起新的技術(shù)動(dòng)作，使得運(yùn)動(dòng)成績有較大提高.

參 考 文 獻(xiàn):

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(責(zé)任編輯、校對(duì)張立新)

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Three-Dimensional Kinematic Analysis of Back Gliding Shot Put

LIU Yonghao

(School of Physical Education,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China)

Abstract:The study was to explore technigal features of elite Male Shot Putters’ actions.The AOS high-speed camera system made in switzer land,were used,with two of the cameras synchronously recording the actions from different angles (the recording frequency is 120 frames/sec and the cut off frequency is 6 Hz).The human body and equipment models at 20 key points were established.Kwon 3D software and EXCEL2003 were used to analyze and process the experimental data.The kinematic parameters at each stage were obtained,such as joint angle,elapsed time,final speed,physical displacement,shot speed,height,angle as well as the human stick graph or screen shot trajectory.Through analyzing the kinematics parameters obtained from two samples,it is concluded that,in the configuration of shot putting performance,the follow-throw velocity is dominant,the throw angle takes second place and the throw height is of the least importance.

Key words:elite athlete;backward glissade;shot;three dimesional motion

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.05.009

收稿日期：2016-04-25

基金資助：陜西省教育廳科研項(xiàng)目(15JK1361)

作者簡介：劉永浩(1977-)，男，西安工業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練.E-mail:liu3991@163.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：G804.66A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)05-0394-07