運(yùn)動(dòng)員跳臺(tái)跳水運(yùn)動(dòng)學(xué)解析

施銀行

（福建省游泳跳水運(yùn)動(dòng)管理中心 福建 福州 350001）

引言

跳水需要運(yùn)動(dòng)員從高處的起跳板進(jìn)行起跳，在騰空的過程中完成一系列動(dòng)作，最后進(jìn)入水中，濺起的水花越少獲得的分?jǐn)?shù)就越高。我國(guó)在跳水運(yùn)動(dòng)方面有著長(zhǎng)久的發(fā)展歷程和經(jīng)驗(yàn)，教練對(duì)跳水技術(shù)有深入的認(rèn)知，在不斷的實(shí)踐中，形成有效的理論體系。其中包含了對(duì)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的探究，基于力學(xué)與角度進(jìn)行研究，通過計(jì)算機(jī)模擬對(duì)跳水動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，獲得最佳運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)值，作為實(shí)踐的參考依據(jù)，為我國(guó)跳水運(yùn)動(dòng)事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

1、研究跳水運(yùn)動(dòng)學(xué)的目的

跳水是我國(guó)多種比賽項(xiàng)目中的關(guān)鍵項(xiàng)目，及時(shí)克服跳水過程中存在的問題，幫助跳水運(yùn)動(dòng)員解決練習(xí)難題，完善運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，使其在實(shí)際比賽中取得良好的成績(jī)。想要在泳壇保持霸主地位，必須正確看待跳水動(dòng)作，在對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分析的同時(shí)，提升動(dòng)作的技巧，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，對(duì)于國(guó)內(nèi)跳水項(xiàng)目具有現(xiàn)實(shí)意義，可以推動(dòng)跳水項(xiàng)目更好的發(fā)展。

在比賽前期，良好的狀態(tài)是運(yùn)動(dòng)員需要保持和培養(yǎng)的。在訓(xùn)練過程中，跳水運(yùn)動(dòng)員要保持良好的跳水狀態(tài)，需要依靠教練對(duì)動(dòng)作的指導(dǎo)，以及運(yùn)動(dòng)員對(duì)跳水過程的感知。研究跳水的生物力學(xué)，可以有助于教練更加準(zhǔn)確的對(duì)跳水運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行指導(dǎo)。跳水項(xiàng)目是表現(xiàn)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，在做好動(dòng)作的同時(shí)要保證表現(xiàn)出美感。這就對(duì)運(yùn)動(dòng)員的基礎(chǔ)動(dòng)作、體力、心理因素等方面提出較高要求。這些因素并非短期可以實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的積累，經(jīng)過科學(xué)系統(tǒng)的訓(xùn)練才能逐漸形成。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)跳水動(dòng)作進(jìn)行分析，可以幫助教練和運(yùn)動(dòng)員進(jìn)一步提升訓(xùn)練的科學(xué)性。

2、運(yùn)動(dòng)員跳水運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

跳水運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員在跳臺(tái)上的起跳和入水動(dòng)作非常復(fù)雜，盡管是基本動(dòng)作，但是對(duì)于技巧上有著極高的要求。運(yùn)動(dòng)員騰起的一瞬間表演的動(dòng)作是入水的前提條件，想要做出完美的動(dòng)作，需要在跳臺(tái)上完成合理的一系列動(dòng)作，充分使肢體與跳臺(tái)協(xié)調(diào)起來。通過主觀經(jīng)驗(yàn)熟練的在跳臺(tái)上獲得有利的騰空高度，提升動(dòng)作完成的質(zhì)量。由此可見，在實(shí)際跳水運(yùn)動(dòng)中，除了對(duì)運(yùn)動(dòng)員自身動(dòng)作進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)外，跳板的作用力，對(duì)于起跳者的影響也非常大。跳板這一過程對(duì)于跳水運(yùn)動(dòng)員來說具有很大的難度，對(duì)起跳技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員跳水具有重要意義，有利于我國(guó)跳水運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期發(fā)展。

早期的跳水更加注重理論方面的研究，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作沒有進(jìn)行過多的表述，更多的原因是當(dāng)時(shí)的條件不允許，導(dǎo)致研究重點(diǎn)偏移?，F(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)入到體育領(lǐng)域，有了硬件設(shè)備的保障，便于對(duì)跳水進(jìn)行深入的研究，通過對(duì)力學(xué)進(jìn)行分析構(gòu)建更好的理論依據(jù)，為跳水動(dòng)作指導(dǎo)提供參考。然而，當(dāng)今對(duì)于跳水動(dòng)作的研究非常少，針對(duì)其開展有效的分析顯得尤為重要。

2.1、跳水動(dòng)作制勝因素

事物具有不斷發(fā)展的特性，跳水運(yùn)動(dòng)也是如此。隨著不斷發(fā)展，跳水秉承著更快、更強(qiáng)的口號(hào)，朝向穩(wěn)定的方向邁進(jìn)。歷屆的跳水比賽中，跳臺(tái)跳水都是含金量最高的比賽項(xiàng)目，在跳水項(xiàng)目中占據(jù)重要的地位。跳臺(tái)跳水的動(dòng)作對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的要求非常高，需要在空中完成動(dòng)作，還要表演出漂亮的入水效果。對(duì)于動(dòng)作完成度來說，熟練掌握是一方面，需要運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過程中自己與跳臺(tái)、動(dòng)作進(jìn)行磨合，經(jīng)歷多種比賽進(jìn)行有效的打磨，對(duì)于心理上也是一種磨練。需要肢體和心理同時(shí)具備嚴(yán)格的訓(xùn)練，才能在比賽中脫穎而出。體育總局對(duì)國(guó)內(nèi)跳水項(xiàng)目的動(dòng)作方案做了深入研究，在對(duì)動(dòng)作編排的時(shí)候，采用了波浪形等方式的編排動(dòng)作。通過對(duì)動(dòng)作難度的安排對(duì)動(dòng)作有了更新的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為跳臺(tái)跳水時(shí)需要依據(jù)運(yùn)動(dòng)員自身的身體因素與動(dòng)作技巧進(jìn)行結(jié)合，以科學(xué)的方式完成高難度動(dòng)作。綜合結(jié)論表述了跳水時(shí)的動(dòng)作與動(dòng)作質(zhì)量具有反比的關(guān)系，動(dòng)作難度越大，形成的動(dòng)作質(zhì)量反而越低。想要提升動(dòng)作質(zhì)量需要綜合心理、身體等多方面的素質(zhì)記性不斷配合與調(diào)整，才能在實(shí)際跳水動(dòng)作中發(fā)揮出更好的表現(xiàn)。

2.2、跳水助跑

在跳臺(tái)跳水環(huán)節(jié)中，對(duì)于助跑有明確規(guī)定。通常組別中的一、三組被允許使用助跑，在國(guó)際賽事中只有第一組可以助跑。通常第一組的跳水難度系數(shù)非常高，在整套動(dòng)作中具有重要作用。助跑動(dòng)作也是需要探究的重要環(huán)節(jié)，助跑時(shí)會(huì)借助跑步和騰起的速度，增加起跳的角動(dòng)量，為騰空創(chuàng)造出更適宜的姿態(tài)。

相關(guān)學(xué)者對(duì)跳水助跑動(dòng)作進(jìn)行研究，通過生物力學(xué)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)下擺臂式可以在運(yùn)動(dòng)員起跳的過程中為其增加更大的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量，使身體在騰空的瞬間可以產(chǎn)生更大的沖量矩。另外，在對(duì)助跑進(jìn)行研究的過程中，發(fā)現(xiàn)腳掌在助跑過程中也為動(dòng)作提供了助力。助跑階段腳掌起跳，可以借助小腿將重心提高，保持利落的動(dòng)作；助跑期間，有助于上下肢進(jìn)行配合，幫助運(yùn)動(dòng)員提升起跳的動(dòng)量矩；因?yàn)樘\(yùn)動(dòng)無法避免水體對(duì)比賽帶來的影響，在起跳時(shí)，全腳掌助跑起跳，可以有效避免水體造成的跳臺(tái)濕滑現(xiàn)象。對(duì)于助跑的技術(shù)總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)助跑時(shí)運(yùn)動(dòng)員在最后三步進(jìn)行助跑會(huì)產(chǎn)生明顯的騰空動(dòng)作，在助跑的過程中，支撐時(shí)間會(huì)隨著助跑逐漸縮短，與跳板相比時(shí)間較短，在最后一步產(chǎn)生的騰空時(shí)間是最長(zhǎng)的。

2.3、跳水起跳

起跳是跳臺(tái)跳水過程中的關(guān)鍵性因素，起跳高度對(duì)于后續(xù)比賽起著決定性作用。同時(shí)起跳又是跳水動(dòng)作中的瓶頸環(huán)節(jié)，因?yàn)椋_(tái)跳水不像跳板，無法借助到跳板的彈力，需要運(yùn)動(dòng)員自身有著較好的起跳基礎(chǔ)。起跳的動(dòng)作、位置不合理都會(huì)對(duì)后續(xù)入水效果產(chǎn)生直接影響。起跳的動(dòng)作質(zhì)量是比賽中制勝的關(guān)鍵，在日常訓(xùn)練中應(yīng)該將其當(dāng)作重點(diǎn)。在起跳的時(shí)候創(chuàng)造出騰空的初速度，利用騰起的速度為運(yùn)動(dòng)員提供起跳角動(dòng)量。跳臺(tái)跳水與跳板有著很大的區(qū)別，跳臺(tái)更多的是依靠運(yùn)動(dòng)員自身克服重力獲得騰空高度，與依靠跳板彈力的跳板項(xiàng)目存在較大的區(qū)別。

2.4、壓水花技術(shù)

在跳水比賽中，入水壓花是最吸引觀眾和裁判目光的動(dòng)作，同時(shí)壓水花的效果好還能獲得較高的分?jǐn)?shù)。壓水花對(duì)動(dòng)作的要求非常高，需要起跳高度、騰空動(dòng)作一個(gè)不差，一直保持到入水，這其中出了一點(diǎn)差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致壓水花的效果大打折扣。在實(shí)際比賽中，可以將水花壓住的運(yùn)動(dòng)員有很大的機(jī)會(huì)摘得桂冠。國(guó)內(nèi)教練在對(duì)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際訓(xùn)練過程中探尋出一些有效經(jīng)驗(yàn)，但是未能經(jīng)過實(shí)踐使得理論說明不夠充分，無法形成系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)際力學(xué)研究領(lǐng)域，壓水花也是研究的一項(xiàng)重點(diǎn)，需要通過計(jì)算機(jī)對(duì)流固耦合問題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過有限元分析固體與流體沖撞并得出結(jié)論。在壓水花的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)員身體要入水越深越好，在進(jìn)入水中的時(shí)候身體保持緊繃的狀態(tài)，肩角盡可能小。手臂力量是關(guān)鍵，同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)員的身體核心要素，通常運(yùn)動(dòng)員的身形越小，壓水花產(chǎn)生的水花也就越小，反之則會(huì)濺起水花。入水速度也是關(guān)鍵要素，速度越快水花越高。對(duì)此，運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該盡可能采用深蹲式，在起跳過程中能夠獲得較大的蹬伸力量。又有學(xué)者認(rèn)為蹬伸導(dǎo)致腿部用力過大，不符合跳水的美感，認(rèn)為具體的跳水姿態(tài)要根據(jù)運(yùn)動(dòng)員自身的實(shí)際條件確定。

3、跳臺(tái)跳水的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析

通過上述的分析可以的得知，在跳臺(tái)跳水的比賽中，運(yùn)動(dòng)員起跳動(dòng)作涉及到角速度、騰空轉(zhuǎn)體動(dòng)作等要素，現(xiàn)在基于跳水動(dòng)作建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)實(shí)際涉及到的參數(shù)進(jìn)行分析。

3.1、運(yùn)動(dòng)學(xué)基本原理

運(yùn)動(dòng)員在跳臺(tái)跳水的過程中，人體做出平拋運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)員需要在起跳騰空的瞬間到入水期間的一瞬間完成轉(zhuǎn)體等一系列的跳水動(dòng)作，大量的動(dòng)作都需要在不到兩秒的時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的身體素質(zhì)有著相當(dāng)高的要求。運(yùn)動(dòng)員在身體離開跳臺(tái)的過程中，人體質(zhì)心受到重力的作用，但是重力對(duì)于質(zhì)心無法產(chǎn)生外力矩，與角動(dòng)量守恒定理相符合。這樣即便運(yùn)動(dòng)員在空中做出任何動(dòng)作，這期間動(dòng)作都不會(huì)產(chǎn)生外力矩，整體的角動(dòng)量保持不變。對(duì)此，可以根據(jù)角動(dòng)量守恒定理構(gòu)建跳臺(tái)跳水的模型，對(duì)跳水的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)員跳水動(dòng)作產(chǎn)生的影響進(jìn)行推導(dǎo)。

3.2、跳水動(dòng)作的角速度模型

綜合了運(yùn)動(dòng)員實(shí)際跳水過程中涉及到的動(dòng)作，將其中的翻騰與轉(zhuǎn)體判定為難度系數(shù)較高的因素，對(duì)這兩種動(dòng)作開展分析。如圖1的坐標(biāo)所示，可以看到人體的慣性坐標(biāo)是如何構(gòu)建的。其中坐標(biāo)G結(jié)尾屬于人體慣性坐標(biāo)，而L結(jié)尾屬于局部坐標(biāo)，圖中的（G）為人體質(zhì)心。在選擇垂直方向的坐標(biāo)ZG，左右方向坐標(biāo)XG，以固定的質(zhì)心坐標(biāo)點(diǎn)開始移動(dòng)，同時(shí)保證坐標(biāo)軸方向不變。

圖1 人體慣性坐標(biāo)系

局部坐標(biāo)系的圓點(diǎn)位于L位置，是基于人體頭頂方向，左右坐標(biāo)與慣性坐標(biāo)一致。翻騰與轉(zhuǎn)體動(dòng)作分別以XL與ZL軸進(jìn)行。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，設(shè)立轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過兩個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)實(shí)際角動(dòng)量進(jìn)行計(jì)算，可以得出坐標(biāo)點(diǎn)不變（運(yùn)動(dòng)員身體不變）的情況下，角動(dòng)量是不變的；如果空間方向大小存在變化，角動(dòng)量存在變化。

3.3、跳水動(dòng)作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模型

運(yùn)動(dòng)員在跳水時(shí)會(huì)涉及到多種動(dòng)作技巧，根據(jù)圖2所示。對(duì)人體的不懂姿態(tài)和軀干進(jìn)行分析。其中m為人體的總質(zhì)量，C0為人體質(zhì)心，其余m參數(shù)為身體的各部分質(zhì)量；c參數(shù)為各部分質(zhì)心。

圖2 人體模型

通過對(duì)國(guó)內(nèi)某地區(qū)的成年人體尺寸進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)以下的跳水動(dòng)作進(jìn)行分析。

屈體動(dòng)作需要運(yùn)動(dòng)員的手臂與身體平行，保持緊繃的狀態(tài)，在出現(xiàn)騰空翻轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的坐標(biāo)軸才會(huì)變化，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為；而轉(zhuǎn)體動(dòng)作則是全身軀干都保持在同一直線上，在騰空翻轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)體產(chǎn)生明顯的變化，因此會(huì)涉及到Ix、Iy、Iz三項(xiàng)系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)編程后獲得結(jié)果為

通過對(duì)不同的動(dòng)作進(jìn)行計(jì)算可以知曉mE2在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中一直存在，對(duì)于體型進(jìn)行定義，將其定義為Bp，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，可以知曉實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)體和翻騰屬于復(fù)雜性動(dòng)作，無法直接獲得參數(shù)數(shù)據(jù)，需要通過模擬計(jì)算進(jìn)行分析，對(duì)轉(zhuǎn)體動(dòng)作后的動(dòng)作進(jìn)行推斷，計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，確定動(dòng)作的合理角度，為運(yùn)動(dòng)員跳水動(dòng)作設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 屈體與轉(zhuǎn)體動(dòng)作坐標(biāo)

4、結(jié)論

綜上所述，依據(jù)對(duì)跳臺(tái)跳水的動(dòng)作要素分析，建立了跳水運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)跳水運(yùn)動(dòng)員涉及到的動(dòng)作進(jìn)行分析。對(duì)運(yùn)動(dòng)員體型、動(dòng)作等產(chǎn)生的影響和關(guān)系等進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算。獲得跳水動(dòng)作的相關(guān)規(guī)律，通過模型對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)，為跳水動(dòng)作設(shè)計(jì)方案提供有效的參考數(shù)據(jù)。并且該模型不僅限于跳水領(lǐng)域，對(duì)于其他領(lǐng)域騰空表演運(yùn)動(dòng)學(xué)也具有意義，可以幫助提升運(yùn)動(dòng)員的表演能力，最大程度進(jìn)行動(dòng)作優(yōu)化。