巩立姣背向滑步推铅球最后用力阶段技术的生物力学分析

2012-01-30张秋亚范焕文

体育研究与教育 2012年1期

关键词：右膝铅球左腿

葛青，张秋亚，范焕文，董松

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以2010年女子铅球世界排名第六位的中国选手巩立姣为研究对象，基本情况见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 研究方法

1.2.1三维摄像法运用美国产Ariel高速运动录像采集与计算机硬盘记录系统设备, 对巩立娇推铅球过程进行定点拍摄。两台摄像头主光轴高1.10m，主光轴正对投掷圈中心，拍摄距离7.40m，两架摄像头相距8m，主光轴间夹角约为70°，拍摄频率为100p/s。机器均在巩立姣进入投掷圈前开机，中间不停机以记录巩立姣推铅球技术完整过程。测试时间为2010年1月8日下午；测试地点为天津体育学院室内田径馆。

1.2.2录像解析法运用美国产Ariel Biomechanics of Sport Analyticl System运动分析系统对巩立娇完整投掷过程进行录像解析。选用标准邓普斯特人体模型，按照人体模型点和附加点的方式进行图像采集和数据计算，并采用低通数字滤波法对原始数据进行平滑处理，滤波频率为8Hz, 获取了所需参数原始数据指标。

1.2.3对比分析法根据解析得出的数据与我国前优秀铅球运动员(隋新梅、黄志红、李梅素、张榴红等) 和2009年柏林世锦赛前两名选手(瓦莱丽亚当斯、纳丁5克莱内特)部分技术参数进行对比分析。

2 结果与分析

最后用力技术是背向滑步推铅球的关键技术环节，是铅球获得速度的主要阶段，其完成动作的质量和技术效果的优劣直接影响铅球的出手速度、出手角度，最终影响铅球成绩。最后用力阶段始于摆动脚着地，止于铅球出手瞬时。此阶段的主要任务是在双脚牢固支撑前提下通过身体各环节自下而上的协同用力将铅球以最快的出手初速度和适宜角度推出。

2.1 左脚着地瞬间主要运动学参数分析(见表2、表3)

表2 左脚着地瞬时部分环节运动学参数

表3 左脚着地瞬时部分环节运动学参数(单位：m/s)

左脚着地瞬间，双脚形成牢固支撑，身体左侧进行有效制动，目的是将滑步中身体获得的水平动量有效的传递到器械上。因此，左脚着地时机、左侧制动效果、躯干及上肢的相对位置、右腿工作状态等都直接影响过渡阶段与最后用力阶段的衔接及完整技术的节奏、速度、力量的传递效果。表2数据显示，巩立姣左脚着地时左腿几乎伸直，形成了有力的制动支撑，左肩远离抵趾板，身体左侧肌群处于被拉长状态，形成了良好的侧满弓姿势，为加速推球创造了一定的力学条件，蓄积了能量。

表3数据显示巩立娇左脚着地时下肢髋、膝环节速度除右髋外均优于张榴红和李玲，且左侧髋、膝速度大于右侧，说明巩立娇左腿向抵趾板方向摆动下插比张榴红和李玲积极，过渡阶段与最后用力阶段衔接技术较好。通过解读数据发现，巩立姣左脚着地后身体各环节先后减速的顺序依次为左肩，身体重心、右踝(之后0.02s)，左髋(之后0.03s)，右髋、右膝、左踝(之后0.04s)，左膝(之后0.05s)。分析数据看出，巩立姣左脚着地后，左踝和左膝缓冲幅度较大，说明左腿肌群退让性工作和由退让转为克制性工作能力比较薄弱。因为左腿摆动下插速度越快，着地时所承受的压力也就越大，要求制动支撑完成的就越积极，对于下肢肌群发挥其整体功效和完成动作的质量要求也就越高。因此在今后的训练中应在保持左腿原有动作速度前提下，强化左侧下肢肌群超等长能力的训练，提高左腿制动支撑的功效。

通过反复观察录像我们还发现巩立姣左脚着地瞬间躯干扭转不够充分，说明左脚着地时左肩内扣控制的不太理想，进而影响铅球最后用力阶段的做功距离。

2.2 最后用力加速准备阶段主要运动学参数分析

笔者从现有的文献资料中发现，由于最后用力阶段划分没有统一的量化概念描述，使得每位学者均从自身对该部分技术的认识与理解进行研究，导致关于最后用力加速准备和加速阶段的横向比较研究甚少。本文基于前人的研究成果和最后用力加速准备阶段的任务：保持铅球已有的速度，为加速用力推球做好神经与肌肉的准备[1]，对最后用力加速准备阶段界定为：最后用力加速准备阶段起于左脚着地瞬间，止于左膝最大缓冲角。由于可借鉴的对比参数有限，本研究试图从推铅球技术基本原理结合运动学参数对巩立姣该部分技术进行分析。

正确的完整推铅球技术是左脚着地后右腿顺势完成边蹬地边内旋右膝、右踝动作，以推动右髋向投掷方向转动。该过程投掷臂尚未给铅球加速，仅依靠右膝内压、右腿侧蹬推动骨盆侧移。由于上体不主动抬起，头颈不主动扭转，身体左侧相关肌群呈最大拉进状态，为最后爆发式用力创造有利条件[1]。

2.2.1下肢相关参数分析最后用力加速准备阶段，巩立姣左侧髋、膝、踝角分别减少了21.3°、18.6°和32.3°；左膝缓冲幅度为18.6°。左腿髋、膝、踝关节速度分别在左脚着地后0.03s、0.04s和0.05s急增至左膝最大缓冲后0.01s和最大缓冲时达最大(4.57m/s、3.34m/s、1.46m/s)(见图1)。

图1最后用力阶段巩立娇左侧主要环节速度示意图(左脚着地瞬间t=0)

上述数据说明巩立娇在最后用力加速准备阶段，下肢左侧关节随人体向前的惯性以适度弯曲的形式进行退让性工作，以较小的缓冲幅度尽快形成左侧制动支撑，同时左腿的快速蹬伸有助于左髋的水平制动[8]，以保证动量传递的效果。但也反映出巩立娇从左脚着地至左膝最大缓冲左侧下肢肌群协同工作效果一般，不利于左侧踝关节的稳固支撑和完成左侧有效制动动作，易发生先制动部位肌肉或韧带的损伤。

由图2可知，巩立姣右侧髋、膝角平稳增加了20.1°和6.9°，踝角急增61.6°。右侧髋、膝速度拐点与左踝同步，即在左脚着地后0.04s后急增至左膝最大缓冲后0.03s和0.01s分别达最大(3.61m/s、3.21m/s)。右踝速度在左脚着地后0.02s平稳增加至左膝最大缓冲时且以垂直速度变化为主。从左脚着地到左膝最大缓冲，巩立姣左髋的水平位移大于右髋(15.1cm、10.5cm)，与范秦海[2]研究结果一致；左髋、右膝速度及单位时间内速度增长值均大于右髋，与杨瑞鹏等研究结果一致[3]。左髋速度大于右髋说明此阶段髋在侧移的同时还有转动特征，而且这种转动是以左髋打开的形式出现，表现出髋部积极向投掷方向移动。右膝速度增大说明在蹬伸右踝的同时，右膝积极的向投掷方向移动。这与加速准备阶段的技术描述相吻合，即伸踝，扣膝，推髋侧移。表明巩立娇在左脚着地后，右腿的技术动作基本合理。

图2最后用力阶段巩立娇右侧主要环节速度示意图(左脚着地瞬间t=0)

左膝最大缓冲时，巩立姣两脚间水平距离为114cm，身体重心升高10.8cm，左、右膝角分别为150.4°、123.7°，均大于第一代运动员(137°、114°)和第二代运动员(134°、114°)[2]，耗时0.08s，与黄志红、李梅素、李梅菊相当。综合分析数据并结合录像可以看出该阶段巩立姣上体抬起时机较早，姿态较高且两脚站位相对较宽。上体抬起较早会缩短铅球的加速距离，进而影响铅球的出手速度。两脚较宽的站位姿势，有助于加大最后用力髋部的前移距离，使躯干肌群更加扭紧，获得更大的动力势能，有利于充分发挥躯干肌群力量；同时能减小左腿支撑角，更有利于提高左腿支撑用力的效果。

2.2.2上肢相关参数分析从左脚着地到左膝最大缓冲，巩立娇左肘、肩速度和肩轴转动角速度(见图3)在下肢各环节速度及髋轴转动角速度最小时达最大(7.42m/s、5.29m/s、3.67rad/s)，之后减速制动，间隔0.01s下肢踝、左侧髋、膝、右侧膝、髋速度和身体重心速度(2.91m/s)(以水平速度变化为主)分别达最大值。肩、髋转动角分别为40.2°、35.2°，大于第一代运动员(隋新梅、黄志红、李梅素19°、23.3°)[2]，略小于第二代运动员(李梅菊、姜萍、钱春华45.6°、46°)[2]，与前两代不同的是巩立娇肩转动角大于髋。躯干倾角变化了15.8°。铅球速度由2.49m/s增至4.28m/s。说明最后用力加速准备阶段，巩立姣肩的转动快于髋的转动，肩髋扭转动作保持得不好，左侧上肢主动发力使左肩打开过早，破坏了原有的超越器械动作和正确的发力顺序，缩短了投掷臂用力的工作距离，进而影响了最后用力的效果。身体重心速度和球速增加主要是由于左侧上肢减速制动固定、下肢制动蹬伸和右小腿侧蹬导致的结果。

图3最后用力阶段巩立娇肩、髋轴转动角速度示意图(左脚着地瞬间t=0)

2.3 最后用力加速阶段主要运动学参数分析

最后用力加速部分是指从左膝最大缓冲至铅球出手瞬时，主要任务是加快铅球的运行速度，并达到最大限度，以适量的角度将铅球推出。铅球在最后用力阶段获得的速度是滑步阶段的5～7倍[1]，对成绩的影响远大于其他环节。良好的发力姿势和爆发用力是获得铅球最大出手速度的保证，在最后用力加速阶段所有与动作速度有关的参数对成绩都有显著影响。

数据显示，最后用力加速初始(左膝最大缓冲角)，巩立姣左侧下肢关节角度与速度拐点背离，即左髋、膝、踝角增大的同时，左髋、膝、踝、右膝及身体重心速度(水平速度)减小，髋轴转动角速度也同步下降，说明左腿退让性工作结束，爆发式蹬伸开始，且左下肢完成减速制动支撑，使力量、速度向上传递。左肩、肘角快速减小，左肩、肘速度陡升，肩轴转动角速度出现第一峰值(4.56rad/s)，肩转动角超越髋。表明此时巩立娇左臂通过向上、向左、向下方的摆动加大了胸部肌群的横向引展，协助完成左侧支撑，提高转体推球的速度和力量。在右髋、右肩依次减速制动同时，右踝(1.25m/s～2.79m/s)、右膝速度(1.76m/s～3.22m/s)及左髋垂直速度(0.29m/s～2.88m/s)先后呈现快速增长并伴随球速陡增(4.70m/s～9.65m/s)的特征，右髋角持续增大至铅球出手。说明此时球速的变化源于右侧肢体在左下肢制动支撑及左肩、肘向投掷方向加速摆动的配合下完成以右膝为主的转蹬发力并传递至右肘、腕，产生了较好的动量传递效果，结果使投掷臂加速对球施力并持续到铅球出手。

铅球第二次加速出现在出手前0.04s，重心速度也达较高水平(2.28m/s)，且以垂直速度变化为主。此时左、右髋及右膝速度减小，左膝、右踝速度相对稳定在较高水平上；左踝速度急增(0.40m/s～2.41m/s)。右肩及左肩、肘速度增加至出手前0.01s达最大(4.97m/s、2.49m/s、4.22m/s)；右肘、腕速度分别在铅球出手前的0.06s和0.04s达最大值(分别为11.60m/s、 11.09m/s)后急降至铅球出手。综合分析上述数据可以看出：铅球速度第二次变化是由于左、右髋及右膝的减速制动和左膝、踝的积极蹬伸，使左、右肩速增加从而使球速产生第二次急增(10.22m/s～13.68m/s)。值得注意的是，巩立娇持球臂在完成依次减速制动时，右肩再次加速并在出手前达最大值。依据巩立娇最后用力阶段左肩速度和肩轴转动角速度的变化情况，分析右肩再次加速的原因由于左脚着地后左肩急于向投掷方向加速运动，故使肩的速度快于髋，破坏了正确的肩髋用力顺序，致使推臂前肩的转动还没有到位，作为一种代偿性补偿，肩部在下肢的配合下再次加速所致。这种动作应引起注意并在训练中加以改进。

2.4 铅球出手瞬间主要运动学参数分析

从投掷原理我们得知，出手初速度、出手角度和出手高度是决定铅球成绩的三要素，在交互影响的三要素中，与铅球水平速度有关的技术因素要比与垂直因素有关的技术因素对铅球成绩的作用效率更高[7](见表4)。

表4 铅球出手瞬时部分运动学参数

表4数据显示，巩立娇此投出手速度虽与我国第一代运动员隋新梅和黄志红[3]有一定差距，但优于2009年柏林世锦赛前两名选手[6]；出手角度略低于世界优秀运动员和我国第一代运动员；出手高度低于世界优秀选手，与我国第一代运动员(2.04m)相当，但铅球成绩却不尽人意。说明巩立姣此投技术在整体功效和内在合理性上存在缺陷。巩立娇此投出手瞬间左膝角为165.2°，高出第一代运动员均值5.2°；左脚蹬地角为64.5°，小于第一代运动员的平均值70°[9]；从左腿最大屈膝到铅球出手左腿缓冲幅度为14.8°。综合巩立娇出手瞬间技术参数和反复观察录像我们发现巩立娇在铅球出手前右脚已离地，说明右腿已完成蹬伸动作，用力过程结束。左腿缓冲幅度较小，虽满足最后用力阶段缩短作用时间的要求，但也揭示出此时巩立娇下肢肌群用力及左脚蹬伸不充分的技术缺陷。

从力学角度分析，器械出手速度v与器械受力f和受力作用距离s成正比，与受力作用时间t成反比。出手前铅球加速距离是影响铅球出手速度的另一要素，即在“人—球” 系统储备动能的最短时间内确保铅球获得最长的加速距离。提高力的作用距离是合理技术中的重要组成部分，主要通过提高“超越器械” 程度和加大用力幅度来实现。巩立姣在最后用力加速准备阶段用时0.08s，铅球位移了0.21m，与世界优秀运动员和我国第一代优秀运动员无差异(见表5)。但在加速阶段，从铅球运行的距离与所用时间我们发现巩立姣与世界优秀运动员和我国第一代运动员均存在一定差距，巩立娇加速阶段铅球加速距离最短(1.29m)，加速时间也最短(0.18s)。

从原理分析，在一定的作用时间内，加速距离短会减小铅球的出手速度；同理，在一定的加速距离内，加速时间短可以增大铅球出手速度。巩立姣此阶段加速距离比世界优秀女运动员和我国第一代女运动员分别短0.24m和0.37m，因此，铅球的出手速度受到一定影响。巩立姣此阶段加速时间比世界优秀女运动员和我国第一代女运动员分别短0.03s和0.01s，由于加速时间短，弥补了加速距离短的不足，使铅球也获得了较大的出手速度。

从技术层面上分析，巩立姣在此阶段加速距离短，主要是在加速阶段前上体抬起过早、左肩内扣和躯干扭紧不够、整个超越器械动作不够充分，从而导致加速距离短的问题。今后应在最后用力技术上进一步改进与完善，控制好左肩动作，避免左肩过早打开，加大肩髋扭转角，保持躯干的适度前倾姿势，改进加速阶段加速距离短的问题，从而获得更大的出手速度。

表5 最后用力加速准备阶段与加速阶段铅球位移与时间关系

注：世界优秀女运动员数据来源于《田径运动高级教程》。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)左脚着地时，巩立姣左腿向抵趾板方向摆动下插积极，过渡阶段与最后用力阶段衔接技术较好。左腿几乎伸直，左肩远离抵趾板，形成了良好的侧满弓姿势，但躯干扭转不够充分，左肩内扣控制不好，进而影响铅球最后用力阶段的做功距离。左脚着地后左侧制动顺序为左肩、身体重心、左髋、左踝、左膝。说明巩立姣左脚着地后，左腿肌群退让性工作和由退让转为克制性工作能力比较薄弱。

(2)巩立娇在最后加速准备阶段，右腿用力是先伸右踝，使右膝和髋部积极向投掷方向移动，髋部在移动的同时伴有转动的特征。巩立娇此阶段右腿的技术动作基本合理。

(3)最后用力加速准备阶段巩立娇肩的转动快于髋，肩髋扭转动作保持的不好，左侧上肢主动发力使左肩打开过早。身体重心速度和球速增加主要是左侧上肢减速制动固定、左腿制动蹬伸和右小腿侧蹬的结果。

(4)最后用力加速阶段铅球速度有两次陡增，第一次变化源于右侧肢体在左下肢制动支撑及左肩、肘向投掷方向加速摆动的配合下完成以右膝为主的转蹬发力并传递至右肘、腕，产生了较好的动量传递效果。第二次变化源于左、右髋及右膝减速制动和左膝、踝积极蹬伸，使左、右肩速增加从而使球速产生第二次急增。值得注意的是，巩立娇持球臂在完成依次减速制动时，右肩再次加速并在出手前达最大值。

(5)巩立娇最后用力加速准备阶段用时和铅球位移距离与世界优秀运动员和我国第一代优秀运动员无差异。加速阶段，巩立姣铅球位移的距离和所用时间均短于世界优秀运动员和我国第一代运动员。