自由式滑雪空中技巧动作技术的运动生物力学原理探析

闫红光,娄彦涛,吴松林

(沈阳体育学院运动人体科学系,辽宁沈阳 110102)

自由式滑雪空中技巧动作技术的运动生物力学原理探析

闫红光,娄彦涛,吴松林

(沈阳体育学院运动人体科学系,辽宁沈阳 110102)

运用观察、摄像解析方法和理论分析等方法,在归纳总结 19届、20届冬奥会的技术攻关与服务中形成的技术反馈报告的基础上,从理论层面上阐述了该运动项目在助滑、出台、空中及落地动作阶段的力学机制及动作结构规律的内在制约关系,并给出动作结构优化的理论基础,为备战 21届冬奥会提升运动训练的科技含量、高质量地完成动作提供理论支持和科技保障。

自由式滑雪空中技巧;动作结构;力学原理

自由式滑雪空中技巧运动是由助滑、出台起跳、腾空翻转和落地四部分组成,是体操翻腾技术和滑雪技术的完美结合。在动作的完成过程中要求“稳、难、准、美”,因此是一项技术性很强、具有很高的观赏性和艺术表现力的体育运动项目。由于动作的难度和美感在运动员的比赛成绩中占有非常重要的地位,因此我国自 80年代末 90年代初开展空中技巧项目以来,有关运动生物力学的学者专家就介入了该项运动的技术攻关与服务,并立项参与了 18、19和 20届冬奥会的科技服务与攻关,在技术攻关与服务中运用运动生物力学的基本理论对该项目的动作结构的内在力学规律进行研究探讨,为该项运动成绩的快速提高、高质量地完成动作提供了科技保障,受到运动员和教练员的肯定和欢迎,促进了该项体育运动事业的发展。在 20届都灵冬奥会上,韩晓鹏曾先后凭借 bFdFF和 bLdFF两个高难度动作一举获得了 250. 77分的最高分,而难度系数为 4.425的 bFdFF无论从起跳、空中姿态还是落地都可以用完美来形容,2名裁判都给了落地分满分,为此实现了中国在冬奥会历史上男子项目金牌零的突破,实现了中国在冬奥会历史上雪上项目金牌零的突破。为了保持该项目的领先地位,实现 21届冬奥会的备战目标,笔者从运动生物力学角度对 18、19和 20届冬奥会的技术攻关与服务中形成的技术反馈报告进行归纳总结,并从理论上阐述该运动项目动作结构的内在力学规律,为提高 21届冬奥会技术攻关与科技服务的水平,进一步提升运动训练的科技含量以及运动员高质量地完成动作提供保障,并形成自由式滑雪项目的理论基础。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参与备战 19届、20届、21届冬季奥运会自由式滑雪空中技巧国家队所有运动员的参赛动作。女子运动员两周台以 dff、bfdf动作为主,三周台以 blff、bfff动作为主;男子参赛动作均以三周台为主,主要动作是 bdfff、bfdff、bldff、bfff。各运动员主攻动作见表 1。

1.2 研究方法

1.2.1 现场观察分析

在 19届、20届冬季奥运会备战期间课题组成员长期随队进行技术攻关并定期撰写技术反馈,在反馈的同时与教练员、裁判员、运动员进行交流、探讨,分析内在的运动生物力学规律。

表1 备战 19、20、21届冬奥会运动员及参赛动作一览

1.2.2 运动摄像分析方法

采用多台摄像机对参赛选手的主攻动作,进行了正侧面定点、正后方、落地及全程扫描跟踪拍摄,反复观看不同角度的扫描动作录像,并用 S IM I运动影像分析系统进行动作连续图片的采集打印,对动作不同阶段完成的时空特征进行准确的界定,并对定点影像资料进行解析、获取所需运动学数据。

1.2.3 理论分析法 运用运动生物力学的基本理论对自由式滑雪空中技巧的动作内在力学机制、动作的时空特征、动作结构之间的内在规律运动进行理论层面的阐述,并给出高质量完成动作的发展趋势和运动员应该具备的身体素质发展方向。

2 结果与分析

2.1 自由式滑雪空中技巧动作的结构划分

自由式滑雪空中技巧动作由助滑、起跳、腾空和着陆四个部分组成。助滑阶段由运动员在助滑坡上助滑开始到进入到过渡曲线时止;起跳阶段指运动员开始做准备起跳动作——即进入跳台过渡曲线至双板尾离跳台瞬时;腾空阶段指运动员双板尾离跳台瞬时至雪板落地前瞬时;着陆阶段指雪板落地前瞬时到运动员安全滑行到过渡区止。动作过程如图 1所示。图 1是 2006年 12月韩晓鹏一次高水平的雪上bFdFF动作。其中 a为助滑阶段、b为起跳阶段、c-g为腾空阶段、h为着陆阶段开始。

图1 自由式滑雪空中技巧冬季跳台动作组图(韩晓鹏 bFdFF)

2.2 自由式滑雪空中技巧动作的结构的内在力学规律探讨

2.2.1 助滑阶段的生物力学原理

观察国内外优秀运动员的助滑距离可以发现:自由式滑雪空中技巧动作运动员会根据不同的跳台高度、不同的雪质、不同的风向风速、不同的室外温度选择不同的助滑高度,探究原因是上述诸多因素会对运动员的出台速度产生影响,而只有助滑高度可进行人为控制,运动员会通过助滑高度的改变弥补其他因素对出台速度产生的影响,保证在完成空中动作时需要的合适出台速度。例如在气温较高、雪质较粘时运动员的助滑高度应适当增加或进行打蜡减少雪板和地面的摩擦。因此运动员应在平时的训练中注意积累该方面的经验,进行速度的测试,并根据当时的场地及环境条件选择合理的助滑高度。

2.2.2 起跳阶段生物力学原理

自由式滑雪空中技巧的起跳动作是在特定的弧形跳台上进行的,规则对起跳出台瞬时的动作要求是:运动员离开跳台之前瞬间,身体必须充分伸展,双臂须引导运动,无论什么动作都要以髋、膝关节伸直,两臂适当上摆,身体纵轴要与台端点切线垂直的姿态出台,在保证这种出台姿势之后再去完成各种类型和难度的动作。标准姿态见图 2。此时反作用力基本通过人体重心,重力使人体产生向后旋转力矩。

图2 符合规则要求的起跳出台瞬时动作

2.2.2.1 伸髋、伸膝的生物力学原理 事实上起跳出台瞬时动作结束,就意味着人体获得外动力过程的结束,出台瞬时能否为后续的空中动作创设适宜的时空条件,是空中动作得以完成的保证,因此出台动作至关重要。运动员在出台瞬时如果伸膝不充分,在导致上体后仰的同时还会减小对台面的作用力,使台面产生的反作用力减小的同时,台面的反作用力在身体重心上方通过并远离身体 (图 3)。地面反作用力的减小,将导致抛射角度小,重心抛物线轨迹相对低缓,腾空时间相对缩短;另外出台瞬时获得的翻转动量矩增加,使人体绕横轴的翻转速度加快,会导致空中动作界限不清,从动作完成的结果看,运动员在相对短的时间完成动作,将影响动作的完成质量和动作的美感而被扣分。所以出台瞬间要求身体充分伸展,髋、膝关节伸直,使人体获得合理的抛物线,且满足动作的美度要求。

图3 不符合规则要求的起跳出台瞬时动作

2.2.2.2 摆臂技术生物力学原理 从能量守恒的角度出发,运动员为完成动作所需的能量主要由助滑起点的高低来决定。然而在实际完成动作时,影响这种能量变化的因素又是多方面的,诸如风速、摩擦等因素。“带臂式”摆臂技术通过合理的摆臂以及身体其他部位各动作环节匹配合理,动作协调、自然,手臂加速挥摆产生的惯性力,能增大起跳的力量(图 2),使运动员在垂直起跳速度相对不足的情况下,获得额外的垂直速度,进而获得较大的抛射角度,使身体腾得更高,有利于增加滞空时间获得足够的腾空时间,以更好地完成空中技巧动作。所以运动员应充分认识摆臂的重要性。

以 dF类动作开始的动作组合是第一周人体要完成绕横轴约 270°(360°减助滑区曲线 90°)绕纵轴 720°的空翻转体动作,既横轴一周配纵轴两周的空中动作,要求绕纵轴具有较快的转速,因此该动作起跳技术应为单臂式摆动。因为单臂式摆动使人体单侧肢体产生加速度,导致地面对人体的反力不通过人体质心,人体获得了初始的绕人体纵轴的动量矩,再叠加上的质量分布不对称产生转动效应,人体获得较大的初始动量矩,能提高绕纵轴转动的速度。因此建议 dF类动作在起跳时采用单臂式摆动技术起跳,以增加绕人体纵轴初始动量矩,增加人体绕纵轴的转动速度,并且上体要前跟,减小绕横轴的翻转,使 dF阶段结束在合理的时向。

2.2.2.3 出台速度的分布与动作质量的关系 适宜的出台速度是空中动作得以完成的保证。从运动学的观点分析,空中技巧动作的腾空阶段由两个运动合成,一个是人体的抛物运动,一个是人体的翻转运动。人体抛物运动的时空存在及人体出台瞬时获得的动量矩,构成人体在腾空阶段完成翻转动作的条件。实践证明,腾空阶段完成动作的条件及翻腾动作的技术水平决定着腾空阶段的动作质量。事实上起跳出台瞬时动作结束,就意味着人体获得外动力过程的结束,出台瞬时能否为后续的空中动作创设适宜的时空条件,决定后续动作的质量,因此出台动作至关重要,是空中动作得以完成的保证。根据反馈数据统计的结果,二周台速度大小分布范围 11～13m/s,速度角度分布范围为 61～69°;三周台速度大小为 13～15m/s,角度为 67～71°。不论二周还是三周,速度和角度偏大的动作完成的质量相对较好。

2.2.3 腾空阶段生物力学原理

2.2.3.1 腾空阶段转体动作的生物力学原理 所谓空翻转体动作是指人体在绕额状轴翻动的同时还绕垂直轴转动的复合翻转动作。空中技巧规则规定,运动员在空中完成动作时要有动作间的规定界限。具体要求是:在出台瞬间不能有明显的转体动作,一个横轴翻转结束时要能判明运动员已经完成了什么动作,然后才能进入下一个动作的翻转。规则规定,横轴翻转至头向上,身体纵轴呈垂直位时的前后 30°范围开始的转体动作视为合乎要求,在此范围之外开始的转体动作视为技术错误;头向上身体呈垂直位时的后 30°之前结束的转体动作视为合乎要求,否则视为技术错误[7]。如图 4所示:

图4 运动员腾空相邻动作裁判得分要求

在一个动作组合完成后,运动员如果处于图 4的 a到 c的位置之间,视为合乎要求的动作,相应的该动作将得到高分,否则将被扣分。由于参赛动作的空中技术多分为 F、dF类组合,在空中动作中人体绕横轴与纵轴周数的匹配不同,因此在完成空中动作时要改变人体绕横轴与纵轴的速度。人体在空中总动量矩近似守衡,所以运动员必须通过身体质量的分布改变达到动量矩的重新分配,进而实现人体绕横轴与纵轴速度的重新分配。动量矩重新分配的原则应根据动量矩守衡原理:I1W1=I2W2,(I为转动惯量,W为人体转动角速度)根据公式可知,无论人体是绕横轴翻转,还是绕纵轴旋转,均可通过改变转动惯量达到改变转动角速度的目的。如果要增加转速应尽量减小身体的转动惯量,转动惯量的减小通过身体质量分布的改变来实现,转动半径的减小来实现,反之应增加身体转动半径。运动员通常通过上臂的摆动来实现。

通过大量的图片分析可以看到,运动员在完成 dF类动作时,均在出台瞬时有早转现象,出台时右脚的雪板比左脚的略靠前。为了避免早转现象的发生,应从提高运动员空中转体能力入手,因此应该增加身体力量的训练,增加手臂的回转速度,增加核心区域的力量训练,减少躯体的弯曲,达到提高身体绕纵轴的转体速度。

2.2.3.2 腾空阶段速度的分布规律 根据大量的测量结果分析发现无论是哪类动作,腾空阶段的速度在水平方向上和垂直方向上均呈现有规律的变化,见表 2,其变化趋势如图5、6所示。图 5、6是韩晓鹏在做 dFFF动作时空中飞行时的速度——时间曲线。其他动作如 FdFF、dFF、FdF、LdFF、LTF等速度——时间图形均有此特征。通过图 5可知,运动员在空中飞行时水平速度为非匀速过程,速度的变化在一定的区间内波动,同时垂直速度的变化也是一非匀变速的过程,观察垂直速度与水平速度的变化,在无风的水池比赛中速度与人体的方位有密切的关系,测量结果见表 2。这说明运动员在空中的运动轨迹近似为抛物线,但有自身的运动规律,合速度在最高点出现最小值。在身体纵轴与大地垂直轴的角度成近 45°有趋势性的变化发生。

表2 韩晓鹏 dFFF空中身体纵轴与大地垂直轴的夹角与速度的关系

图5 人体重心VX、VY——时间曲线

图6 人体重心合速度——时间曲线

2.2.4 运动员安全着陆时人体受冲击力探讨

落地稳定性是决定胜负的十分重要的动作组成部分,稳定的着陆技术是运动员成功完成动作的标志,也是运动训练追求的最高目标。但运动员在完成难度动作时其成功率多半在 50%～70%的水平,优秀选手可达到 80%左右的水平。影响运动员成功着陆的因素很多,如果从动作结构逆向循序找原因,其顺序是:着陆动作本身——准备着陆动作——空中翻转——起跳出台——助滑上台——出发点的选择助滑为运动员提供适宜的出台速度,空中动作的完成需要出台速度提供时空保证,因此出台速度是非常重要的因素。空中如果过早完成翻转动作会导致翻转过度,在着陆瞬间会产生臀部或背部着陆而影响成绩;如果出台速度和空中翻转速度不够,会导致落地时上体过分前倾,剩余的动量矩会导致上体向前速度过大。适宜的出台速度可以为运动员提供适宜的落地时的体位角,减小人体剩余动量矩,并使重力矩、反作用力力矩的总和最小,使下肢的关节角度易于控制,达到平稳着陆顺利滑出的效果。反之会导致运动员落地时的体位角过大或过小 (体位角是人体的躯干与着陆坡面的垂线的夹角),人体剩余动量矩增加,且 bF类动作落地时身体仍在转动,此时运动员要想平稳着陆需要由重力矩及下肢的肌肉力矩来克服人体剩余动量矩。尤其是当落地时人体的躯干与着陆坡面的垂线的夹角较大时,要通过髋膝关节的屈伸来调控重心的位置使其落在着陆坡面的垂线的上方。所以运动员的下肢肌群的抗冲击能力、制动髋、膝肌群快速收缩力,对落地稳定性的实现是有重要意义的。通过对成功动作的冲击力计算,三周台的分布范围为体重的 6～7倍,为正常人体能承受的安全范围。

除受上述技术因素影响之外,场地及天气 (风向、风速)、以及教练员指挥上等非技术因素也并直接决定着陆的成功率。

3 动作结构的优化探讨

自由式滑雪空中技巧运动最终的评分原则为出台动作20%,空中动作 50%,着陆 30%。裁判员根据 FIS自由式滑雪裁判手册 6004款确立的标准独立评定运动员的技术表现,每跳的分数乘以难度系数决定该跳的总分。运动员两次跳跃的最终得分由每跳总分相加决定。因此最终以运动员稳定的着陆动作宣告动作的成功。所以自由式滑雪空中技巧运动项目的目标要求运动员完成事先选定的动作,空中动作要求完成得高飘舒展,着陆时要求无手臂、臀及背部触雪并平稳滑下着陆坡。级别较高的运动员往往在落地稳定性上出问题,这就是影响运动项目指标的因素,这一因素和落地动作的具体情况有关。对后空翻的空中动作,如果是落地前倾失稳,说明空翻速度不够;如果落地是手在体后触雪或臀触雪则说明空翻转动速度较快。影响空翻转速的因素在起跳,影响起跳空翻速度的因素有立腰稳度、摆臂、腿蹬伸强度、滑行速度等因素。在诸多因素中要施加生物力学因素来减少影响因素。如起跳时对颈头、立腰、伸膝、屈踝等动作的对抗肌群进行同时施力控制,使这些运动偶角度不变就可减少控制因素,使控制变得简单易实现;滑行速度可用助滑高度来控制,可使控制因素变为只有摆臂和腿蹬伸强度。出台起跳腿蹬伸时有展髋动作会增大后空翻转速,蹬伸时有收髋动作会减少后空翻转速。这是因为展髋能增加支撑力的力臂从而增加支撑力对人体重心的力矩,使后空翻转速加快,反之减慢。因此出台动作至关重要,出台动作的质量关系到后续动作的成功与否。这样就给出了运动技术的生物力学原理,同时也给出了技术优化的方法。

4 结论与建议

4.1 结论

1)出台动作至关重要,出台动作的质量关系到后续动作的成功与否。

2)出台动作的速度是整套动作成功的关键,二周台速度大小分布范围 11～13m/s,速度角度分布范围为 61～69°;三周台速度大小为 13～15m/s,角度为 67～71°。不论二周还是三周,速度和角度偏大时动作完成的质量相对较好。

3)“带臂式”摆臂方式,能增加人体与跳台台面之间的相互作用,从而使人体进入腾空状态时具备相应量的动量矩;单臂式摆动使人体得较 (大的初始动量矩;人体进入腾空状态后的翻转形式和翻转速度变化将通过肢体运动改变转动惯量及完成总动量矩对不同轴的交换来实现。

4)运动员空中动作的水平和垂直速度呈规律性的波动,合速度总体分布呈抛物线形,但受水平和垂直速度波动的影响。

5)落地稳定性受出台和空中动作的制约,在转体到位成功着陆时人体受到的冲击力约是人体的 6～8倍,因此女子运动员有能力完成 3周台动作。

4.2 建议

1)建议增加髋、膝关节伸肌力量的训练,增加手臂的回转速度的训练,增加核心力量的训练,以减少躯体的弯曲,达到提高身体绕纵轴转动的目的。

2)建议 dF类动作在起跳时采用单臂式摆动技术起跳。3)建议增加下肢肌群的抗冲击能力、制动髋、膝肌群快速收缩力的训练,并在落地瞬间适度地屈髋,以减小地面的冲击力,这对提高落地稳定性具有重要意义。

[1]闫红光.自由式滑雪空中技巧运动员欧晓涛、邱森 bdFFF动作的时空特征分析[J].沈阳体育学院学报,2005(2):49-51.

[2]孙立平.1998年全国自由式滑雪空中技术水池赛 bdF动作完成情况分析[J].冰雪运动,1999(4):41.

[3]郝庆威等.季晓鸥自由式滑雪空中技巧 bLFF水池动作的运动学研究[J].沈阳体育学院学报,2003(4):18-33.

[4]张永和,王永涛.浅谈自由式滑雪空中技巧起跳环节中的摆臂技术[J].冰雪运动,2001(2):22.

[5]运动生物力学[M].北京:人民体育出版社,2000:271.

[6]戈炳珠.自由式滑雪空中技巧探究[M].北京:人民体育出版社, 2003.

Analysis on SportsM echan ics Principle of Freestyle Skiing Aerials

YAN Hongguang,LOU Yantao,WU Songlin
(D ept.of Hum an Sports Science,Shenyang Sport U niversity,Shenyang110102,L iaoning,China)

The authors of this paper used the m ethods of observation,photograph analysis and theoretical analysis,in the summ ary of the19th and20th W inter O lympic of technologies and services in the form of technical feedback the basis of the report,not only on the structure of the m echanicalm echanism and m oves the relationship betw een the law of the internal constraints in the elaborated stage of helping slides,releasing,airborne and the landing m ovem ent,but also gived action to opt im ize the structure of the theoretical basis for preparing for the21stW inter O lympics sports training to enhance the scientific and technological content,high-quality completion of action to provide theoretical support and technical safeguard.

freestyle skiing aerials;action structure;m echanics principle

G863.12

A

1004-0560(2010)01-00012-05

2009-12-06;

2010-02-26

国家体育总局奥运攻关课题:国家队自由式滑雪空中技巧运动员出台技术、下肢肌肉力量与落地稳定性关系的研究,项目编号为07135。

闫红光(1963-),女,教授,硕士,主要研究方向为人体运动力学分析与肌肉工作性质的评价。

责任编辑:乔艳春

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