女子跳马过程中运动员与器械垂直反作用力研究

2010-09-15吴成亮郝卫亚重庆三峡学院体育学院国家体育总局体育科学研究所

体育科研 2010年6期

关键词：反作用力冲量转体

吴成亮，郝卫亚（.重庆三峡学院体育学院； .国家体育总局体育科学研究所）

吴成亮1，郝卫亚2（1.重庆三峡学院体育学院； 2.国家体育总局体育科学研究所）

跳马；器械；垂直作用力

1 研究目的

通过运动学分析方法和生物力学建模与仿真方法，揭示这类技术动作的动力学规律与技术特点，为我国运动员发展该类型动作提供理论依据和技术参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

（1）程菲，中国女子体操运动员，1988年5月出生，身高1.52 m，体重41 kg。

（2）洪淑贞，朝鲜女子体操运动员，1986年3月出生，身高1.54 m，体重42 kg。

2.2 研究方法

（1）对程菲和洪淑贞完成的“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”(简称“R180”)，进行三维高速摄影拍摄（拍摄频率为250帧/s），运动学分析后获得人体三维运动坐标。

（2）根据多体动力学原理，利用MSC.ADAMS/ LifeMod软件建立19环节的人体模型，将运动学解析得到的“R180”两个动作中人体三维坐标赋予三维人体模型，并建立与人体相接触的踏跳板、跳跃平台（马）和体操落地垫的跳马环境，再对“R180”跳马动作进行计算机仿真，然后进行结果处理。

3 结果

对“程菲R180”、“洪淑贞R180”两跳马动作进行动力学分析，获得两人与体操器械接触时的垂直反作用力及其冲量特征如下。

图1 “程菲R 1 8 0”踏板阶段垂直反作用力Figure 1 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Cheng Fei R180"

图2 “洪淑贞R 1 8 0”踏板阶段垂直反作用力Figure 2 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Hong Sujong R180"

图3 “程菲R 1 8 0”推马阶段垂直反作用力Figure 3 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Cheng Fei R180"

图4 “洪淑贞R 1 8 0”推马阶段垂直反作用力Figure 4 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Hong Sujong R180"

图5 “程菲R 1 8 0”落地阶段垂直反作用力Figure 5 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Cheng Fei R180"

图6 “洪淑贞R 1 8 0”落地阶段垂直反作用力Figure 6 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Hong Sujong R180"

图1～6是程菲和洪淑贞两人在完成跳马“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”时，踏板、推手、落地3个阶段中，人体与助跳板、马、体操落地垫的接触时垂直反作用力，实线表示各阶段垂直作用力的大小，中间阴影面积表示其各阶段的冲量值。引入体重倍数（BW）将垂直反作用力峰值归一化处理，可以观察到，程菲和洪淑贞两人在踏跳和落地阶段垂直反作用力峰值分别为7.5 BW、7.3 BW和8.9 BW、9.4 BW，数值大小非常接近，而在推马阶段，两人垂直反作用力峰值分别为1.7 BW、2.4 BW，洪淑贞的要高出程菲的40%。

4 分析讨论

4.1 踏板阶段

如图1、图2，程菲、洪淑贞踏板阶段垂直反作用力峰值分别为7.5 BW、7.3 BW，在运动学分析中，知道两人踏板阶段时间分别0.108 s、0.124 s，冲量，两人冲量分别为121.6 N·s，162.5 N·s，洪淑贞的冲量比程菲的多出34%，根据动量定理：，洪淑贞的冲量大，说明洪淑贞踏板阶段垂直速度变化量大，离板后的动量也大，又因为此阶段踏板前后垂直速度方向相反，所以，洪淑贞在离板后有比程菲更大的垂直速度，这和运动学得出来的结果是相一致的。

另外，程菲垂直反作用力在踏板阶段出现了一个短暂的小平台期，结合高速录像分析，程菲在踏板瞬间，身体已经完成一定转体，又由于程菲双脚是斜着踏上板的，笔者推测在踏板的某一阶段身体出现了一个小的调整，所以才会出现图1中垂直反作用力小平台期。

4.2 推马阶段

如图3，程菲垂直反作用力呈双峰型，峰值分别为553 N、556 N，两值相近。前一个垂直反作用力峰值是在左手撑马时出现，其峰值全部由左手贡献；整个推马阶段，右手最大垂直反作用力为316.7 N，仅为左手峰值的57%，但右手在向上撑马的同时，能防止身体绕其横轴翻腾过度。

如图4，洪淑贞垂直反作用力呈单峰型，峰值为846 N，出现在双手撑马时，垂直反作用力峰值大小约为程菲的1.5倍；程菲和洪淑贞在此阶段的垂直冲量分别为72.8 N·s，75.3 N·s，根据动量定理，洪淑贞和程菲在推马阶段垂直速度损失也相近，但是由于洪淑贞第一腾空阶段垂直速度减小得比较多，所以程菲在离马瞬间的垂直速度要高于洪淑贞的，所以程菲的第二腾空高度也大于洪淑贞的。

仔细观察图3、图4，洪淑贞推马阶段的双手用力顺序为：左右手依次撑马，过渡到双手撑马，再双手离马过程，为通常说的“晚旋”（指运动员在脱离器械或地面后，先只有绕身体横轴翻转，而没有绕身体纵轴旋转）；而程菲推马阶段的用力顺序为：左手撑马、右手撑马、双手撑马、左手离马、右手离马，近似一种“滚动式”撑马技术，且根据高速录像分析，程菲在推马过程中，有绕身体纵轴旋转迹象，即“早旋”，这种“滚动式”撑马，它有利于在推马阶段就完成一定量的转体，这样既可以为第二腾空转体做好充分的准备，同时也可以分担一部分第二腾空的转体圈数，这一技术对于完成高难度、多圈数的转体动作具有一定意义，但是，这种“早旋”现象的发生，撑马时就产生了一个旋转力矩，势必会牺牲一部分向上撑马的力，“早旋”现象的出现可能会导致向上推马动力不足，影响第二腾空高度；而且国际体操联合会在体操跳马专项完成扣分上规定：推马阶段，规定的纵轴转体开始过早，B组裁判会扣0.1～0.5分，这是值得我们注意和深思的。

4.3 落地阶段

如图5、图6，实线表示双脚在落地阶段，跳马落地垫对人的垂直反作用力，阴影面积代表落地阶段0.134 s内总冲量（拍摄“洪淑贞R180”动作时，只有落地后0.134 s被采集到，所以都只计算两人落地后0.134 s内的冲量）。