女子跳马的运动生物力学分析

女子跳马的运动生物力学分析

在2004年之前的世界体育比赛中，中国女性的跳跃次数在世界体育比赛中一直被忽视。最好的成绩是，莫慧兰在1996年亚特兰大组运动中获得了女性的第二跳跃。2005年以后,我国优秀运动员程菲在近几年的世界体操锦标赛上多次夺得女子跳马世界冠军,使我国女子跳马进入了世界体操大赛的优势项目行列。要保持我国女子跳马的优势地位,一是,要大力培养像程菲这样的跳马尖子运动员;二是,要大力发展和创新高难前沿动作,像程菲那样创新“程菲跳”,还可以创新其他类型动作。从2008年北京奥运会女子跳马单项决赛的统计情况来看,女子跳马的发展趋势仍然集中在3种类型动作上,即踺子类包括踺子后手翻类和踺子180°类、前手翻类、冢原类。虽然踺子类动作已经成为女子跳马的发展主流,但其他两种类型动作仍有较大的发展空间和潜力。在2009年济南全国体操锦标赛女子跳马单项决赛中有多名运动员使用冢原直体后空翻转体720°.该类型动作是日本运动员冢原首先在男子跳马比赛中创新的并夺得过跳马世界冠军,后被移植到女子跳马中,先叫跳转180°直体后空翻转体720°,跳马比赛器械改成长方形后(长1.20m,宽0.90m),又叫侧手翻直体后空翻转体720°。目前,在世界体操大赛中(包括奥运会、世界锦标赛、世界杯赛)运动员使用该类型最高的难度动作就是冢原直体后空翻转体720°,分值为6.0分,他的分值要高于踺子后手翻直体后空翻转体720°(5.8分)0.2分。在该动作的基础上还可以发展冢原直体后空翻900°,分值可达到6.70分。目前,我国运动员能较好地掌握冢原直体后空翻转体720°的运动员还不是很多,为了改进和开发这类型动作,本文主要通过运动力学分析揭示我国3名优秀跳马运动员所完成的冢原直体后空翻转体720°动作的运动力学规律和技术特点,为我国运动员改进和创新该类型动作提供理论依据和技术参考。1研究对象和方法1.1女子跳马成绩均为我国女子跳马高水平运动员,她们是杨娅红、邓少婕、张馨。杨娅红为北京籍运动员,曾为国家体操集训队运动员,多次参加全国体操比赛女子跳马单项决赛并多次夺得冠军。邓少婕为山西籍体操运动员,多次参加全国体操比赛女子跳马单项决赛,取得过较好成绩,在2009年济南全国体操比赛女子跳马单项决赛中获得第2名。张馨为上海籍体操运动员,参加过全国体操比赛女子跳马单项决赛。1.2学习方法1.2.1文献研究阅读了有关文献资料10余篇,对近10年来女子跳马的发展历史与研究现状有了一个基本的了解和认识。1.2.2女子跳马单项比赛的电视转播观看了2004年雅典奥运会和2008年北京奥运会以及2005年第38届、2006年第39届、2007年第40届世界体操锦标赛女子跳马单项决赛的电视转播。还在现场观看了2004—2008年5次全国体操比赛女子跳马单项决赛,并对相关数据作了技术统计。1.2.3生物力学解析在全国体操比赛现场用一台日本产JVC9800型摄像机从正侧面定点拍摄了杨娅红、邓少婕、张馨3名优秀运动员完成的女子跳马冢原直体后空翻转体720°动作的全过程。拍摄速度为50幅/s,然后,对拍摄的原始材料通过美国ARIL运动生物力学高速解析系统解析了196幅画面获得18000多个数据,用数字滤波法进行平滑截断频率为6。根据研究需要,采集了身体重心和各关节的位移、水平速度、垂直速度及各关节角度等数据,还采集了身体重心轨迹及特征画面与棍图等。2各阶段技术互相联系冢原直体后空翻转体720°由助跑、上板、踏跳、第一腾空、推手、第二腾空和落地等7个阶段组成。各阶段技术互相联系互相制约形成一个统一体,缺一不可。在这7个阶段技术中,最关键的是踏跳、推手和第二腾空。本文重点分析以上几个阶段的技术。3名运动员的动作图片较多,本文只重点选择了部分动作图片。2.1踏跳动作的局部动作特点踏跳阶段是从两脚踏上板瞬间至两脚蹬离板的运动过程。杨娅红、邓少婕、张馨3名运动员在踏跳的过程中有以下几个技术特点。第一,两脚触板瞬间两脚都踏在身体重心投影线前面,形成一定的制动角度,为顺利完成踏跳技术创造条件。3名运动的上板角为60°～70°;下肢各关节均保持一定的弯屈度,左、右膝角平均为151°和145°,左、右髋角平均为121°和115°,左、右踝角平均为127°和118°;两臂摆至肩水平上下,左、右肩角平均为81°和100°(表1、图1、图3、图5、图7)。在踏上板的过程中局部动作存在个体差异,例如,邓少婕摆臂位置较低,肩角较小,左、右肩角分别为53°和77°,但不影响整个踏跳动作的完成。第二,两脚踏上板以后经过一定的缓冲立即快速有力地蹬直两腿,直至脚尖离板。3人的踏跳时间平均为0.10s。缓冲动作主要是通过膝、踝关节弯屈和踏跳板的下沉,根据生理学原理腿部肌肉弯屈拉长有利于发挥蹬腿时的肌肉爆发力,踏跳板下沉越大获得的弹性势能越大。第三,由于蹬腿的作用力,身体重心水平速度明显减小,垂直速度明显增加。3人平均水平速度由上板时的5.13m/s减小到离板时的4.27m/s;垂直速度由上板时的0.82m/s增加到离板时间3.6m/s(表1),这是运动员获得向上垂直速度的主要动力来源。第四,在两腿蹬腿的同时,两臂继续挥摆并做好积极撑马的准备。两脚离板时上体略为前倾,身体略有转动,两臂一高一低,左臂前平举右臂略高于左臂(图2、图4、图6、图8)。两脚蹬离板时身体重心已越过脚支点投影线,3人的蹬离角都差不多为85°～86°之间(表1),这样就获得了一个身体向前、向侧的旋转力矩,有利于身体向前向侧翻转到马上手倒立的位置。离板时身体略为转动是该类型动作踏跳技术的一个明显特点,这是因为撑马时身体向侧转动,左手先撑马。在支撑情况下开始转体能获得初始的绕纵轴的转体力矩,以便加快第一腾空和撑马时的转体力度。例如杨娅红离板时转体度数就比邓和张要明显大,这可能与杨踏板时左、右脚前后分开有一定的关系,这样虽然对下面的转体有利,但对杨充分发挥两腿的蹬腿力量受到一定的影响。2.2重心织构与正对等特点—第一腾空技术第一腾空是从两脚蹬离板至左手撑上马的运动过程。它是踏跳阶段与推手阶段的衔接阶段,其主要任务是快速转体快速翻转积极撑马,为推手做好充分的准备。两脚蹬离板后第一腾空身体重心抛物线轨迹是逐渐弧形上升的,并延续到推手阶段(图4、图6、图8)。3人的重心抛物线腾起角均在45°以下,杨娅红为42°,邓少婕为37°,张馨为38°。说明运动员蹬离板后除了获得向上的垂直速度外,仍保持较快的运动速度向前运动。两脚离板后继续沿纵轴向右转体并加速向后摆腿以便加快身体向前向侧的翻转速度,同时左手要积极撑马。第一腾空不明显,腾空时间极短,杨娅红为0.08s,邓少婕为0.14s,张馨为0.12s。这是现代跳马第一腾空技术最明显的一个特点。因为现在跳马难度动作的发展和创新主要集中在第二腾空,只有压低第一腾空加快撑马推手才能提高第二腾空的高度,更有利于发展高难度动作。在摆腿过程中3名运动员出现分腿要扣姿态分,有待改进,今后年轻运动员发展该动作时要特别注意这一点。2.3左、右护岸结构推手阶段是从左手撑马至右手推离马的运动过程。它是完成该动作最关键的技术之一,三名运动员都较好地完成了推手阶段技术,有以下几个特点:第一,两手依次撑马依次推离马。3名运动员都是左手先撑马,撑马时左臂弯屈,杨娅红肘角为127°,邓少婕为118°,张馨为139°。这是该类型动作最明显的特点之一。因为,第一腾空时间较短,左手撑马较快,左手撑上马时身体重心位置还不是很高,所以,撑马角都比较小。杨娅红为18°,邓少婕为21°,张馨为13°(表2、图9、图11、图13、图15)。这时身体都没转到90°,杨娅红转体度数多一些,其次是邓少婕,张馨转体少一些。3个人左手撑马的位置基本上在跳马器械的最后端,该区域位置稍为低一点。左手撑马后左肘角继续减小,身体继续转体的同时右手积极伸臂向前撑马,左、右手撑马的间隔时间较短,杨娅红为0.08s,邓少婕为0.12s,张馨为0.08s,右手撑马的位置有所不同,杨娅红和张馨撑在跳马器械的中后部,邓少婕撑在跳马器械的中前部,离跳马前端约为0.50m(跳马器械长1.20m,宽0.90m),邓少婕左、右手间隔距离比杨娅红和张馨要大一些。右手撑马后先两手同时推马,身体基本转完90°,然后左手先离马,右手最后推离马。第二,快速有力顶肩推手,尽量推直两臂顶开肩角。因为该动作是依次推手,比前手翻类动作推手时间要长一些,完成该动作的推手过程要尽量缩短快速用力,杨娅红的推手时间为0.26s,邓少婕为0.29s,张馨为0.28s。推手动作主要靠两臂推直和顶开肩角。左手推离马完全是屈臂到直臂的推离过程。在两臂推直的同时肩角要尽量顶开,推离马时肩角明显大于撑马时肩角。3人撑马时左肩角平均89°,离马时左、右肩角平均为156°和138°(表2)。经过推手重心水平速度继续下降,3人撑马时重心水平速度平均为3.24m/s,离马时重心水平速度下降到2.15m/s。相反,重心垂直速度不但没有增加反而有所下降,左手撑马时重心垂直速度平均为2.23m/s,右手离马时重心垂直速度平均为2.05m/s(表2),说明两个问题:第一,说明该动作推手时的作用力远远小于踏跳时两腿蹬板的作用力及踏跳板的弹力;第二,说明3名运动员推手顶肩动作做得还不十分理想,特别是右肩角顶开的幅度还不够充分。为了增加推手阶段的垂直速度必须加大推手顶肩的力度,充分地推直两臂顶开肩角。第三,在推手顶肩的同时,继续转体两腿并拢绕矢状轴向侧向上运动,在侧倒立部位结束推手动作。3人推离角均小于90°,杨娅红为80°,邓少婕为82°,张馨为85°(表2、图10、图12、图14、图16)。推离角过小、过大都会影响推手效果,推离角过小会较小人体向前的运动速度;推离角过大,特别是超过90°以上会降低腾空高度。从左手撑马到右手离马,从身体的水平位置翻转到侧倒立位置,身体重心明显上升,杨娅红上升了0.76m,邓少婕上升了0.68m,张馨上升了0.70m,说明身体重心轨迹在推手阶段是逐渐向上运动的。从以上推手技术的分析中可以明显看出,3名运动员采用了侧手翻类动作的推手技术,这是女子跳马冢原类动作推手技术最明显的变化之一。过去女子跳马比赛采用横跳马,运动员做冢原类动作多半采用跳转180°接后空翻类动作,自从跳马比赛器械改为长方形以后,运动员采用侧手翻类推手技术更有利于完成冢原类动作。2.4第二第二空动动作第二腾空是从右手推离马至两脚落地瞬间的运动过程,它是完成动作难度和评定动作质量的重要因素之一。第二腾空的主要运动学参数是由助跑、踏跳和推手等前面几个阶段决定的。右手推离马后身体重心抛物线轨迹在推手的基础上继续弧形上升,到了最高点重心垂直速度接近零,然后,在重力的作用下重心抛物线又逐渐下降直至落地为止。第二腾空抛物线的腾起角在45°左右,杨娅红为44°,邓少婕为44°,张馨为48°,这是由推离马时的水平速度和垂直速度决定的。抛物线最高点至地面的高度杨娅红为2.59m,邓少婕为2.36m,张馨为2.36m。第二腾空上升的绝对高度杨娅红为0.40m,邓少婕为0.29m,张馨为0.36m。第二腾空运行时间,杨娅红为0.86s,邓少婕为0.84s,张馨为0.82s(表2、图17、图18、图19、图20)。必要的第二腾空高度腾空时间和运动速度是完成好第二腾空动作的重要条件。该动作第二腾空是在身体直体向后翻转1周半的情况下绕纵轴转体630°,因为有90°是在马上完成的。身体翻转角速度与身高、伸髋角度和推离马角度等因素有关系。3名运动员翻转角速度平均为11rad/s(表3)。右手推离马后立即开始向左转体,转体动力除了离马前获得的初始旋转力矩外,主要靠头肩带动两臂向胸腹前屈抱,以改变纵轴转体半径加快纵轴的转体速度。在转体过程中两腿夹紧身体伸直对于加快纵轴转体有重要作用,这方面杨娅红比邓少婕和张馨做得好。身体绕横轴翻转了约1周,绕纵轴转体约540°时运动员两臂开始离开身体,开始屈髋准备落地。3名运动员纵轴转完630°大约在马水平面上下,杨娅红和邓少婕在马水平以上,张馨在马水平面以下(马高1.25m)。3人平均转体角速度为13.91rad/s,杨娅红为14.09rad/s,邓少婕为13.91rad/s,张馨为13.74rad/s,转完630°以后两臂继续离开身体,增大绕纵轴的旋转半径减小旋转速度,以便运动员平稳落地。落地前,两腿尽量伸直去接触垫子,以便延长落地缓冲时间。落地后,经过下肢各关节弯屈缓冲然后迅速站立结束落地动作。从3人视频动作来看,杨娅红落地较稳,邓少婕和张馨落地不稳,分析原因可能与落地角过小,身体翻转速度不够,水平速度过小或过大等因素有关。3左转体及后转体杨娅红、邓少婕、张馨完成的冢原直体后空翻转体720°是成功的,符合运动生物力学规律。1.两腿积极上板赶在重心投影线前踏上板,经短暂缓冲快速有力蹬直两腿直至脚尖离板,3人踏跳时间平均为0.10s,身体重心越过脚支点投影线后蹬离板,上体略为前倾,蹬离角平均为85°,离板时上体略有转动,左臂前平举,右臂高于左臂。2.第一腾空重心抛物线逐渐上升,左手积极撑马